Інфрачервоний напівпровідниковий випромінювач

УКРАЇНА (19) UA (її) 9819 (ІЗ) (51)5 Н 01 Ь 33/00 ОПИС ДО ПАТЕНТУ ДЕРЖАВНЕ ПАТЕНТНЕ ВІДОМСТВО НА ВИНАХІД (54) ІНФРАЧЕРВОНИЙ НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ВИПРОМІНЮВАЧ 1 на поверхности узкозонного слоя, свободной от омических контактов, дополнительно размещен прозрачный автоэпитаксиэльный слой с концентрацией примеси (20)94311404,11.06.93 (21) 4930037/SU (22)22.04.91 (46) 30.09.96. Бюл. ISfc З (56) 1. Патент Франции Ьк 2251104, кл, Н 01 L 33/00, 1975. 2. Авторское свидетельство СССР Г* 1612881, кл. Н 01 L33/00,1988(прототип). (71) Інститут напівпровідників АН УРСР (72) Бол гов Сергій Семенович, Салюк Ольга ЮріТвна, Яблоновський Євгеній Іванович, Константинов Вячеслав МІхайловІч (RU), Ігуменов Валерій "Пмофєєвіч (RU), Морозов Владімір Алексєєвіч (RU) (73) Інститут фізики напівпровідників НАН України (UA) (57) Инфракрасный полупроводников^ из лучатель на основе гетероэпитаксиальной структуры, с омическими контактами к узкозонному слою, помещенной в магнитное по ле, параллельное слоям гетероструктуры, причем толщина узкозонного слоя не менее диффузионной длины неосновных носите лей заряда, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что где п - концентрация основных носителей в узкозонном слое; пі - собственная концентрация носителей в узкозонном слое; £ - диэлектрическая проницаемость уз* козонного слоя; те* - эффективная масса электрона в узкозонном слое; fir, ,/^р - подвижности электронов и дырок в узкозонном слое, причем толщина дополнительного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия параметров кристаллических решеток материалов гетероструктуры не менее 5%. Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике в качестве высокоэффективного многофункционального источника излучения с повышенной стабильностью. Известен полупроводниковый источник электромагнитного излучения [1], содержащий излучающий р-n переход и два омических контакта для подачи напряжения. При подаче напряжения на контакты в прямом направлении происходит инжекция из од ной области р-n перехода в другую, где они рекомбинируют с испусканием фотона. Технология изготовления данного источника допускает пленочное (эпитаксиальное) исполнение, позволяющее изготавливать излучающие поверхности сложной формы для создания многоцелевых источников ИК-изл учения. Недостатками данного устройства являются: - низкая эффективность для среднего и дальнего ИК-диапазона, С > 00 о о 9819 - низкая стабильность. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является полупровод н ик о в ый ис то ч н ик э ле к тр о м аг н и тн ог о излучения [2], принцип действия которого 5 основан на магнитоконцентрационном э ффекте. Излучатель представляет собой гетероэпитаксиальную структуру, содержащую эктипный узкоэонный слой, широкозонную подложку и переходный варизонный слой. 10 Излучающ ей является приповерхностная область активного слоя у границы, обращенной к подложке. Изоморфность и изопериодичн ос ть м а те р иа лов ак тив ног о слоя и подложки, а также встроенное поле, образу- 15 ющееся на границе этих слоев, обеспечивают малую величину э ффективной скорости поверхностной рекомбинации Smin - гораздо меньшую, чем могут дать механические и химические методы обработки на открытой 20 поверхности полуповодника. Область с Smax э такой конструкции находится у поверхности активного слоя, граничащ ей с внешней средой. Для увеличен ия эту поверхность приходится подвергать дополнительной ме- 25 ханической и/или химической обработке. Недостатком этого устройства является крайняя ограниченность класса материалов, для которых такая конструкция обладае т высокой э ффек тив ностью . Услов ию 30 изоморфности и изопериодичности материалов гетероструктуры среди узкозонных по лупроводников удовлетворяют в основном тройные соединения типа AnBvi: CdTe - подложк а, Cd Hg Te - ак ти вн ы й с ло й 3 5 (Cd Te/CdHg Te), Mn Te/Cd Mn Te и др., и AiVBVI; PbTe/PbSnTe, BaF2/PbSnTe и др, Производство таких полупроводников сложно и дорого, а полученные материалы не могут сравниться по чистоте, совершен- 40 стзу и стабильности параметров с бинарными соединениями. На ли чи е в го то во й эп и такси а ль но й Структуре ОТКРЫТОЙ ПОВерХНОСТИ С Smax ТЭК" же снижает стабильность, излучателей. 45 Задачей изобретения является созда ние эффективного и стабильного излучателя для среднего ИК-диапэзона, параметры ко торого можно задавать выбором материала активного элемента. 50 Поставленная задача решается тем, что в ин фракрасном плупроводниковом излучателе на основе гетероэпитаксиальной структу р ы , с о ми ч еск и ми к он та к та м и к узкозонному слою, помещенной в магнит- 55 ное поле, параллельное слоям гетерострукту р ы, сог ла с но и зо бр е те н и ю, н а поверхности узкозонного слоя, свободной о т ом ических контак тов, допо лни тель но размещен автоэпитаксиальныи прозрачный слой с концентрацией примеси ( 8 ) n, 10 Ncmln, где Ncmin (плотность дислокаций на открыт о й п о в е р х н о с ти э п и та к с и а ль н о г о слоя ) ~ 5 • 10 см . Тог да н е о бх оди м о 6 2 Ncmax ~5 • 10 см" . Расчет Nc в эависимости о т Да/а да е т Да/а £5%. Малая величина Smin достигается в излучающей области формированием на гран и ак ти в ног о с лоя , пр о ти в оп о лож н о й границе с подложкой, допо лни тельн ого слоя, который позволяет ввести в структуру 9819 встроенное поле. Поскольку теперь излучающая область не граничит с несущей механ и ч ес ку ю н а г ру з ку п о д ло жк о й , дополнительный легированный слой может быть выполнен достаточно тонким, чтобы не быть шунтирующим по отношению к актив ному слою. В качестве дополнительного слоя испо льзуется эв тоэпитаксиа льн ый + слой {гомозонный переход), например п или р -слои. При этом условие изоморфности выполняется автоматически (Да/а=0), а встроенное поле обеспечивает полевую границу для носителей заряда. Таким образом, достигается величина Smin еще меньшая, чем в устройств е-прототипе за счет меньшего числа остаточных центров рекомбинации . Толщина прозрачного автоэпитаксиального слоя должна быть больше Дебаевской длины экранирования для данного слоя. При выполнении этого условия образуется гомозонный перех од, в котором сущ ествует встроенное поле. Концентрация примеси в дополнительном слое определяется из условия равенства в е ли ч и н ы в с тр о е н н о г о п о ля максимальной величины силы Лоренца. Выполнение данного условия обеспечивает рекомбинацию носителей на эффективной полевой поверхности с Smin -Ю при любых используемых электрических и магнитных ПОЛЯХ. Максимальное магнитное поле определяется из условия H где с - скорость света. При дальнейшем увеличении Н эффект за-магничивания носителей приводит к паден и ю их п одв и ж н ос ти и к р е зк ом у уменьшению эффектов перераспределения носителей. Максимальное электрическое поле определяется из условия где Vr-тепловая скорость носителей заряда. Дальнейшее увеличение электрического поля не приводит к увеличению дрейфовой скорости носителей в кристалле. Учитывая вышесказанное, получаем критерий для концентрации примеси в автоэпихаксиальном дополнительном слое щ . Малое КОЛИЧЄСТВО ЦЄН20 тров рекомбинации на границе узкозонного и автоэпитаксиального ему прозрачного слоя обеспечивает малую величину Smin для всех полупроводниковых материалов. Изобретение позволяет использовать в 25 качестве активного слоя гетероэпитаксиальной излучающей структуры бинарные соединения, которые обладают стабильными электро физическими характеристиками, а также гораздо более дешевой и простой по 30 сравнению с тройными соединениями технологией изготовле ния эли таксиэльных структур. То обстоятельство, что обе грани, состояние поверхностей которых (величины Smin и Smax) очень существенно для магнито35 концентрационного эффекта, в устройстве не находятся в непосредственном контакте с окружающей средой, значительно умень шает деградацию устройства. Снижение требован ий к механической нагрузке при 40 монтаже иглучателя (в данной конструкции защищены обе поверхности активного слоя, а крепление готовой эпитаксиальной струк туры производится со стороны механически прочной подложки) обеспечивает увеличе45 ние выхода годных структур. Переход к бинарным соединениям позволяет значительно повысить стаби ль ность излучателей, а также обеспечивает значительное их удешевление как за счет 50 упрощения технологии производства, так и за счет увеличения выхода годных структур. Кроме того, значительно улучшаются эколо гические условия производства и эксплуата ции излучателей. 55 Конструкция предлагаемого устройства допускает формирование просветляющих и фокуси рующ их слоев , увеличив ающ их внешний квантовый выход излучения. Эпитаксиальная технология изготовления излучате ле й позволяе т форм ирова ть 9819 многоэ лементные устройс тва (линейки, матрицы и т.п. ) о ед ином технологическом цик пе. Наличие на широкозонной под ложке отражающего с лоя позволяет наблюд ать кро- 5 ме люминес ценции и моду ляцию теплового излучения полупроводников за краем фу нд аментального пог лощ ения, т. е. в более длинноволновой час ти спектра. Для наблюдения моду ляции теплового излучения в 10 конс трукции ис пользу етс я нагоеватель. Инфракрас ный полупровод никовый из лучатель может быть использован в с ис те мах а в т о м а ти к и , в прибо рах экспресс-анализа, газов и жидкос тей, сис те- 15 мах контроля параметров и тес тирования фотоприемных ус тройс тв с реднего ИК -диапэзона, при э том обес печивается повыш е н ие э ффе к ти в н ос ти и с та б и л ьн ос ти излучения. 20 Пример 1. Полу провод никовый излу ча тель был выполнен в вид е гетероэ питакс иальной с трукту ры: ш ирокозонная под ложка из полу изолипующ его GaAs толщ иной 350 мкм, на которой метод ом термичес кого ис- 25 парения-к онд енс ации в глу боком вакуу ме выращен с лой JnS b с биполярной провод и5 3 мос ть ю ( N A -N D » 8 1 0 см" , щ= і 1 -=2 10 " см'* ) толщиной 10 мкм, являющий ся активным с лоем излучателя Несоответ- 30 ствие крис таллических реш еток irtSb и GaAs Аа/ а--14%. При э том с корос ть поверхнос т ной рекомбинации на границе InS b/ GaA s составляла Smax 5 10 см/с. Скорос ть повеох нос тной рекомбинации на открытой по- 35 верхнос ти tnS b сос тавляла Smin 3 10 см/с На свобод ну ю поверх нос ть с лоя inS b нанесен легированный с пой n-lnS b толщ и 1 3 ной 0,1 мкм с No-NА ~ 2 • 10 с м" (д лина э кранирования д ля д анного с лоя L3 ~ 40 - - 3 . 4 - 1 0 " мкм, наибольш ий коэ ффици ент между зонного поглощения на А= -4 мкм к=5 ' 1 0 см , коэ ффициент поглощения InS b на дпине волны, соответс твующей мак симуму с пектральной х арактерис тики Х = 1 ^5 мкм к=5 10 см" ) Измерения показали, что скорос ть поверх нос тной рекомбинации на границе с лоев n - InS b/ lnS b с ос тавляла не более 5 10' см/с, что значительно мень ше, чем на открытой поверх нос ти InS b. 50 Верхний пред ел концентрации примес и в эвтозпитакс иальном легированном с лое сос тавляет 2 Ю^с м . При работе излучателя 3 использу ются поля, не превыш ающие Е= 10 В/см, Н= 25 кГс . При э том необх од и- " мую величину вс троенного поля обеспечивает 1 концентрация примеси 2 • 10 см' , Методом фотолитогра фии а д анной гетероэ питакс иальной с трукту ре формирова лась линейк а и матрица излучателей с пло щадью с ветящ ейс я поверх нос ти кажд ого элемента 0, 5x 0,5 мм . Электрическое поле прик лад ывалось а виде прямоугольных им пу льс ов положительной и отрицате льной полярнос ти д лительнос тью 10 мкс к кажд о му из э лементов либо при различ ной их ком му тации. Излу чатель помещ алс я межд у полюс ами э лектромагнита таким образом, что направление магнитного поля было па раллельно излучающей поверх нос ти. Излу чение фокусировалос ь линзами из B3F2 и регис трировалось ох лажд аемым фотопри емником Ge(Au). Макс имальная мощнос ть о тр и ца те л ь н ой лю м инес ценции Р о~ 2 • 10 В т/ с м . Мощ нос ть полож ите льной люминес ценции при Н*3 кГс, Е = 100 В /с м при наличии легированного с лоя с оставляла 5Р0, при его отсу тс твии 2Р0. При формировании на излучающей поверхнос ти элементов прос ветляющ его с ферического пок р ы ти я и з х а л ьк ог ен ид н ог о с тек л а As36,5Sb2.oS23,oSe23,oBri5.s наблюдалось увеличение мощнос ти излучения еще в 3 раза. Излучательиые характерис тики с трук ту р практически не изменялись пос ле работы в ус ловиях повыш енной влажнос ти и 3 температу ры в течение 10 часов. При нанес ении на с вобод ную поверх нос ть ш ирокозонной под ложки GaAs отражающего с лоя AI, наблюдалось увеличение интенс ивнос ти излучения при Я > 7 мкм. Спектральный с ос тав излучения контролировался при помощи фильтров. При помещении полупроводникового излучателя на нагреватель, обеспечивающий температуру 320-350 К, и использовании ох лажд аемого фотоприемника из CdHgTe наблюд ался с игнал модуляции теплового излучения на д линах волн д о 14 мкм, что с оответс тву ет облас ти чувс твительного фотоприемника. Пример 2. В качес тве под ложки, как и о примере 1, использован GaAs. Актионый слой по той же технологии выполнен из InAs 16 3 (N A -N D«2 - 10 с м' , толщ ина 20 мкм, а/ а= 7% ). На с вобод ну ю поверх нос ть с лоя p-lnA s нанес ен легированный автоэ питак сиэльныйслой n-lnAs(ND-NA ~ 4 - 1 0 см~^, толщиной 0, 5 мкм. Наибольший коэ ффициент поглощения inAs в облас ти д лин волн 3-5 мкм (облас ть спек тра излучения) с оставляет к=3 • Ю с м* . Длина эк ранирования в ч таком материале Ц>^6 10 мкм. Таким образом, ус ловия д ля толщины и прозрачности аетоэ питакс иального д ополнительного 9819 слоя выполнены, Концентрация примеси в этом слое составляет m Упорядник Замовлення 4553 10 поэтому п=4 Юї7см соответствует ему. Таким образом, предлагаемое конструктивное решение^ обеспечивает эффективную работу излучателей из широкого 5 класса используемых материалов, Техред М Моргентал Коректор О. Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська п/і., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вулХагарІна, 101