RU1389U1 - Полупроводниковый светодиод - Google Patents

Abstract

Полупроводниковый светодиод на основе кремния, содержащий последовательно расположенные p+ - подложку, p-слой, легированный эрбием и кислородом, p-слой и прозрачный для излучения токопроводящий слой, отличающийся тем, что между легированным и токопроводящим слоями дополнительно введен туннельно-тонкий диэлектрический слой толщиной d, отвечающий соотношению: d0>d>Eв/(q*Eпр) , где d0 - максимально возможная толщина для туннелирования электрона, см; Ев - энергия электронов, достаточная для ударного возбуждения ионов эрбия, Дж; Епр - напряженность поля при пробое диэлектрика, В/см; q - заряд электрона, кул.

Description

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЕТОДИОД

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлетронике и может быть использована для создания интегральнмтс схем с опти11 екой связью.

Широко известньт высокоэффективные полупроводниковые светодиоды на основе соединений А% , в частности, на основе арсенида галлия, содержащего р-п перегод LIj .

Недостатком этих светодиодев является плохая совместимость с кремни евьши интегральными схемами, большая ширина линии из лучения-- ЮООА и длина волнь излучения 0,, сильно отличающаяся от оптимальной ( I,54jui ) для волоконной оптики.

Известны полупроводниковые светодиоды на основе МОП структуры, образованной вырожденной полупроводниковой пленкой п типа, туннельно тонким диэлектриком и электропроводящей пленкой 23. Недостатком таких светодиодов является малая эффективность возбужде ния люминесценции, т.к. МОП структура является нех-«ффективньпл инжектором дырок.

Известен также полупроводниковый светодиод на основе кремния , легированного эрбием 3J , взятый нами за прототип. Утот светодиод содертит р подложку, на которую нанесен р-слоя. ь р-слои введен ИОННОЙ имплантацией эрбий в количестве 10 10 и кислород1и- ° iU см. Толщина легированного р-слоя примерно равна диффузионной длине пробега электрона. Поверх р слоя с этими примесями въшолнен п слои с металлическим контактом к нему, Ханой светодйод хорошо совместим с кремниевыми интегральными схемами , имеет малую ширину линии излучения ( 1UU А волны излучения 1, ,являющуюся оптимальной для волоконной оптики. Недостатком этого светодиода является невысокая квантовая эффективность электролюминесценции, связанная с малой энергией носителей, инжектируемых р -гомоэмиттером. В этих условиях возбуждений атома может осуществляться только вследствие оже-процесса, вероятность которого сравнительно невелика. Этот процесс идет с промежуточным захватом носителей на примесные состояния, образованные комплексами с кислородом, глубина которых-0,1-гО, в запрещенной зоне кремния. С увеличением температуры возрастает вероятность выброса носителей с этих уровней, что приводит к резкому снижению эффективности возбуждения люминесценции. Поэтому такие приборы работают обычно при охлаждении жидким азотом, а при

,33/00

-

3ч 0 и s

-S( практически сигнал не регистрируется). Задачей предлагаемого решения является увеличение квантовой эффективности электролюминесценции и повьшение рабочей температуры светодиода. Указанная задача решается тем, что в полупроводниковом светодиоде на основе кремния, содержащем последовательно расположенные Р подложку, р слой, легированный эрбием и кислородом р слой и прозрачный для излучения токопроводящий слой, между токопроводящим и легированным слоями дополнительно введен туннельнотонкий диэлектрический слой толщиной , отвечающий соотношению: ; / Bi ( а , где .) (см) - максимально возможная толщина для туннелирования электрона, Е (дж) - энергия электронов, достаточная для ударного возбуждения ионов эрбия (Eg%0, е/ для Е ) п (В/см) - напряженность поля при пробое диэлектрика, (кул) - заряд электрона. Введение в кремниевый светодиод туннельно-тонкого слоя диэлект рика заданной толщины позволяет обеспечить ударное возбуждение ионов эрбия как за счет туннелирующих электронов из токопроводящего слоя, так и за счет вторичных электронов и дырок, которые созданы ударной ионизацией наряду с оже-возбуждением ионов эрбия, что и приводит к увеличения квантовой эффективности электролюминесценции и повышению рабочей температуры светодиода. Суть изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема светодиода. Светодиод содержит р-слой I, поверх которого нанесен легированный эрбием и кислородом р-слой 2, туннельно-тонкий диэлектрический слой 3, прозрачный для излучения токопроводящий слой 4, которые размещены на рподложке 5. Работает предлагаемый светодиод следующим образом. При приложении к нему внешнего напряжения показанной на чертеже полярности (- на то ко проводящем слое 4, выполненном,из l feтaJlлa, + на р подложкеЗ) это налряжение оказывается практически полностью приложенным к диэлектрическому слою 3. При этом уровень Ферми кремния смещается вниз относительно уровня Ферми металла. Когда уровень Ферми металла оказывается выше дна зоны проводимости р-слоя I ,

- начинается туннельная инжекция электронов из металла в полупроводник-креьший. При дальнейшем повышении напряжения энергия туннелирующих электронов возрастает и когда она становится большей 0,8cV , начинается ударное возбуждение ионов эрбия в слое 2 сопровождающееся излучением на длине волны I,54j4 . При энергии электронов большей, чем ширина запрещенной зоны кремния Е I,I2e-v/ одновременно с возбуждением ионов эрбия начинается ударная ионизация атомов кремния, приводящая к образованию дополнительных электронно-дырочных пар. При напряжении на диэлектрическом слое большем, чем 1,92 В, т.е. при энергии туннелирующих электронов большей 1, , становится вероятным ударное возбуждение ионов эрбия не только туннелиругощими, но и вторичными электрона ли и дырками, созданными ударной ионизацией. Кроме того, горячие электроны с энергией, большей 0,Ii,i могут также производить оже-возбуждение атомов эрбия с основного мультиплета 41 15/2 на второй возбужденный мультиплет 41II/2 с последующим безизлучательным переходом на 41 13/2, с которого и происходит люминесцентшя на волне I,54j4(c . Этот проттеес дополнительно повышает ЫЦ рктивность люминесценции. В отличие от прототип., во всех этих процессах не участвуют сравнительно мелкие примесные состояния, и поэтому повшгение температурн ме снижает эффективность лю данссцвниии, выэванней горячими электронами. Остывшие электроны производят возбуждение атомов эрбия за счет оже-воэбуждения, как в прототипе. Таким обрезом, увеличение энергии носителей, инжектируемых в объем кремния, легированный эрбием, доетигаемюе за счет наличия дополнительного диэлектрического слоя, приводит к появлению новых каналов преобразования энергии носителей в световую энергию, что увеличивает по мере роста напряжения на диоде квантовый выход. Такой характер процесса o6ecnetmBaeT очень эффективное возбуждение ионов эрбия и, вследствие этого, высокую квантовую эффективность предлагаемого свеа-одиода, которая сохраняется при повышении температуры.

Толщина Д11электрическо10 слоя выоирается из следующих соображении. Она, естественно, не может оыть оольшея, чем максимально возможная тол1цина do , при которой еще возмож§ о туннелирование электронов ( для St 0, на кремнии с/с А;. С другой стороны, она должна оыть большей, чем d - , где Е - энергия возбуждения ионов эрбия в кремнии, гх - предельная напряженность поля в диэлектрике, приводящая к его прооою. Приведенное выражение пи сути, показывает, что толщина изолирующего слоя должна оыть

достатохшой для того, чтооы выдержать напряжение, неооходимое для придания туннелирующему электрону энергии не менее 0,8е./, достаточной для непосредсгвенного ударного возоуждения атомов эр бия. Концентрация легирующей примеси эрбия и кислорода лежит в тех же пределах, что и у прототипа, а глубина легирования должна лежать в пределах между длиной диффузии электрона и длин пролета электрона.

Конкретный пример изготовления.

Согласно предлагаемому изобретению были изготовлены полупроводниковые люминесцентные светодиоды по следующей технологической схеме.

Кремниевая р р-подложка состояла из р -пластины толщиной 400 мкм и j 0,01 Ом см, на которой была выращена легированная бором эпитаксиальная пленка р-типа , толщиной с Ом см. В эту пленку была приведена имплантация эрбия с концентрацией в максимуме 3x10 см на глубине 0,1 мкм и кислорода с концентрацией 5x10 см на такой же глубине. После имплантации подложка отжигалась при температуре 850°С в токе азота в течение 30 мин, а затем на ней выращивался туннельно-тонкий ( 30 & ) слой окисла в токе сухого кислорода при температуре 700°С в течение 30 мин. Металлический контакт толщиной 0,5 мкм наносился методом термического испарения алюминия при температуре подложки 200°С, Люминесценция исследовалась с помощью германиевого фотодиода с примесью золота, охлаждаемого жидким азотом (максимум чувствительности 1,) Спектр излучения для ербия имел пять характерных узких линий. Максимальная интенсивность наблюдалась в узкой линии на длине волны I, . Внешняя квантовая эффективность свете диода была ,4 % при комнатной температуре. в прототипе она практически не регвстрировалась.Таким образом, предлагаемое изобретение позволило создать высокоэффективный кремниевый еветодиод, работающий при комнатной температ гре,

/У иг /

ЛИТЕРАТУРА

1.С.Зи Физика полупроводниковых приборов, Москва, Мир, 1984, книга 2, сгр.278 - ii95.

2.Ж.Панков Оптические процессы в полупроводниках, москва. Мир, 1973, стр.266.

3.P.Y.G. Ren, I. Michel, Q. Sun-Paduano, B. Zheng,H.Kitagawa, D.O.Jacobson, J.M, Poate and L.G. Kimerling 10 CompatiЪle Processing of SitEr for optoelectronics. Materials research society symposima proceedings. Vol. 30 , 1993) April 13-15, San Francisco, California, USA.

/

Claims (1)

1. Полупроводниковый светодиод на основе кремния, содержащий последовательно расположенные p+ - подложку, p-слой, легированный эрбием и кислородом, p-слой и прозрачный для излучения токопроводящий слой, отличающийся тем, что между легированным и токопроводящим слоями дополнительно введен туннельно-тонкий диэлектрический слой толщиной d, отвечающий соотношению: d0>d>Eв/(q*Eпр) , где d0 - максимально возможная толщина для туннелирования электрона, см; Ев - энергия электронов, достаточная для ударного возбуждения ионов эрбия, Дж; Епр - напряженность поля при пробое диэлектрика, В/см; q - заряд электрона, кул.