RU2261501C2 - Полупроводниковый источник инфракрасного излучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к источникам, излучающим с поверхности в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, и может найти применение в приборах газового анализа, спектрометрах, в системах обнаружения и связи. Техническим результатом изобретения является повышение мощности излучения и расширение спектрального диапазона источника. Сущность: в полупроводниковом источнике инфракрасного излучения, включающем излучающую поверхность, область рекомбинации, не менее одного пассивного слоя, прозрачного для излучения с энергией hν, хотя бы один из слоев выполнен с n-типом проводимости и, по крайней мере, один из этих слоев расположен между областью рекомбинации и излучающей поверхностью, не менее одной теплоотводящей поверхности и узел связи с внешним источником энергии. Концентрация свободных носителей (n) и ширина запрещенной зоны (E₁) в вышеупомянутом пассивном слое удовлетворяют соотношениям: n_deg≤n≤10¹⁹ см^-3, 0.5·(hν+0.5·Δhν_0.5)≤E₁≤(hν+0.5·Δhν_0.5), где hν и Δhν_0.5 - энергия кванта и полуширина спектра излучения, формирующегося в области рекомбинации соответственно, эВ, a n_deg - концентрация носителей, при которой начинается вырождение зоны проводимости, см^-3. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к источникам, излучающим с поверхности в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, и может найти применение в приборах газового анализа, спектрометрах, в системах обнаружения и связи.

Известен светодиод, состоящий из подложки p-InAs и последовательно выращенных на ней слоев p-InGaAs и n-InGaAs [1]. Светодиод имеет мезу диаметром 500 мкм, электрический контакт на излучающей поверхности и монтируется подложкой вниз на корпус, при этом из-за большой толщины подложки, необходимой для сохранения целостности светодиодного чипа при его монтаже на корпус, р-n-переход в этой структуре располагается на достаточном удалении (50-100 мкм) от теплоотвода-корпуса. Длина волны излучения такого устройства 3.3 мкм. Его основной недостаток - ограниченная мощность из-за высокого последовательного сопротивления р-области, плохого теплоотвода, совокупно приводящих к сильному тепловому разогреву р-n-перехода (области рекомбинации).

Известен источник инфракрасного излучения, включающий излучающую поверхность из InAsSbP, область рекомбинации из InAsSb(P), пассивный слой из n-InAsSbP, прозрачный для излучения с энергией 310 мэВ и менее и расположенный между InAsSb(P) и излучающей поверхностью, теплоотводящую поверхность р-типа проводимости, сопряженную с теплоотводом из SiO₂ и омические контакты для подачи смещения от внешнего источника напряжения [2]. Источник работает вплоть до температур 180°С при незначительной деградации мощности излучения.

Недостатком известного источника является ограниченный рабочий спектральный диапазон (4.3-5.5 мкм). Вместе с тем, для ряда практических применений (например, для детектирования углеводородов) требуются светодиоды с длиной волны менее 4 мкм.

Прототипом предлагаемого устройства выбран источник [3] инфракрасного излучения, включающий излучающую поверхность, область рекомбинации, пассивный слой, прозрачный для излучения активной области, выполненный в виде варизонного материала А³B⁵ с увеличивающейся к излучающей поверхности шириной запрещенной зоны n-типа проводимости и расположенный между областью рекомбинации и излучающей поверхностью, теплоотводящую поверхность, выполненую за счет стыковки поверхности, через которую осуществляется связь (освещение) с внешним источником излучения, со слоем компаунда, находящегося в контакте с поверхностью возбуждающего источника.

Недостатком известного источника является малая мощность излучения, что вызвано самопоглощением излучения, покидающего область рекомбинации. Последнее связано с недостаточно резким изменением состава (ширины запрещенной зоны) вблизи излучающей поверхности и/или большой толщиной области рекомбинации. Создание структур с большим градиентом ширины запрещенной зоны для уменьшения самопоглощения затруднено вследствие увеличения при этом напряжений и возрастания концентрации дефектов при росте слоев. Создание сверхтонких слоев не дает выигрыша в мощности излучения из-за негативного влияния поверхности. Кроме этого длина волны излучения источника не менее 3.8 мкм, что связано с трудностями создания качественых эпитаксиальных структур с прозрачной подложкой для диапазона длин волн менее 3.8 мкм. В то же время существует обширная область применений для светодиодов с длиной волны менее 3.8 мкм.

Задачей изобретения является повышение мощности излучения и расширение спектрального диапазона источника.

Задача решается тем, что в известном полупроводниковом источнике инфракрасного излучения, включающем излучающую поверхность, область рекомбинации, не менее одного пассивного слоя, прозрачного для излучения с энергией hν, причем хотя бы один из слоев выполнен с n-типом проводимости и, по крайней мере один из этих слоев расположен между областью рекомбинации и излучающей поверхностью, не менее одной теплоотводящей поверхности и узел связи с внешним источником энергии, концентрация свободных носителей (n) и ширина запрещенной зоны (E₁), в вышеупомянутом пассивном слое удовлетворяют соотношениям:

n_deg≤n≤10¹⁹ см^-3.

0.5·(hν+0.5·Δhν_0.5)≤E₁≤(hν+0.5·Δhν_0.5),

где hν и Δhν_0.5 - энергия кванта и полуширина спектра излучения, формирующегося в области рекомбинации соответственно, эВ, a n_deg - концентрация носителей, при которой начинается вырождение зоны проводимости, см^-3.

По п.2 решается задача увеличения мощности за счет создания тянущего поля и уменьшения поверхностной рекомбинации. Задача решается тем, что в источнике по п.1 на границе области рекомбинации со стороны, противоположной излучающей поверхности, ширина запрещенной зоны (E₁) убывает в направлении к излучающей поверхности со скоростью не менее 10 мэВ/мкм на расстоянии не более диффузионной длины носителей.

По п.3 решается задача по п.1 и задача дополнительного увеличения мощности излучения по сравнению с п.2 за счет уменьшения поверхностной рекомбинации и электрического ограничения носителей. Задача решается тем, что в источнике по пп.1, 2, один из пассивных слоев, граничащий с областью рекомбинации со стороны, противоположной излучающей поверхности, выполнен из материала р-типа проводимости с шириной запрещенной зоны (Е₂), и с толщиной (d), удовлетворяющей соотношениям:

E₂≥E₁+kT,

d≤L,

где k - постоянная Больцмана, Т - температура, L - диффузионная длина носителей заряда.

По п.4 решается задача по п.1 и задача дополнительного увеличения мощности излучения по п.2, 3 в источнике с оптической накачкой за счет уменьшения поверхностной рекомбинации на фотовозбуждаемой поверхности. Задача решается тем, что в источнике по пп.1, 2, 3, пассивный слой, граничащий с областью рекомбинации или с прилегающим к ней пассивным слоем со стороны, противоположной излучающей поверхности, выполнен из серосодержащего халькогенидного стекла, прозрачного для квантов внешнего источника энергии.

По п.5 решается задача дополнительного увеличения мощности излучения в источнике за счет исключения процессов поглощения квантов внешнего источника энергии на поверхности. Задача решается тем, что в источнике по п.4 ширина запрещенной зоны на границе с упомянутым пассивным слоем из халькогенидного стекла больше энергии кванта внешнего источника энергии.

По п.6 решается задача дополнительного увеличения мощности излучения за счет лучшего теплосъема в источнике излучения. Задача решается за счет того, что в источнике по пп.1, 2, 3, 4, 5 по меньшей мере один из пассивных слоев выполнен из материала с более высокой чем у остальных пассивных слоев теплопроводностью, например, из сапфира.

По п.7 решается задача увеличения мощности излучения за счет лучшего использования энергии внешнего источника. Задача тем, что в источнике по пп.1, 2, 3 узел связи с внешним источником энергии выполнен в виде омических контактов.

По п.8 решается задача увеличения мощности излучения за счет лучшего использования энергии внешнего источника. Задача решается тем, что в источнике по пп.1, 2, 3, 7 область рекомбинации выполнена с р-n-переходом.

По п.9 решается задача дополнительного увеличения мощности излучения за счет лучшего теплоотвода. Задача решается тем, что в источнике по пп.7,8 омический контакт с р-областью электрически соединен с теплоотводящей поверхностью.

По п.10 решается задача дополнительного увеличения мощности излучения за счет лучшего теплоотвода. Задача решается тем, что в источнике по пп.7, 8, 9 омический контакт с n-областью электрически соединен с теплоотводящей поверхностью.

По п.11 решается задача дополнительного увеличения мощности излучения за счет лучшего теплоотвода. Задача решается тем, что в источнике по пп.7, 8, 9, 10 оба омических контакта расположены со стороны, противоположной излучающей поверхности.

По п.12 решается задача дополнительного увеличения мощности излучения за счет создания условий для стимулированной рекомбинации. Задача решается тем, что в источнике по пп.1-11 часть пассивных областей, расположенных между излучающей поверхностью и областью рекомбинации, образуют Брэгговский отражатель для выходящего из области рекомбинации излучения, а омический контакт к р-области выполнен отражающим.

Авторы предложили выводить излучение через пассивный слой с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем энергия выходящего излучения. Кажущаяся нереализуемость высокоэффективного источника с подобным пассивным слоем преодолена за счет повышения уровня Ферми в сильнолегированном материале, т.е. за счет использования материала с концентрацией, при которой начинается вырождение зоны проводимости (эффект Мосса-Бурштейна). Выбор легированного материала позволяет уменьшить потери на самопоглощение и позволяет таким образом разрешить кажущееся и основанное на общепринятых понятиях конструирования излучателей противоречие: hν>E₁. Однако вышеприведенная комбинация параметров и расположения пассивного слоя привела, как показали эксперименты авторов, в совокупности к появлению нового эффекта, а именно, к существенному возрастанию мощности излучения, выходящего из источника. В литературе нет данных, объясняющих этот эффект, поэтому авторы склонны предположить, что причиной эффекта является существенное уменьшение показателя преломления пассивного слоя, граничащего с излучающей поверхностью, и увеличение при этом угла полного внутреннего отражения, т.е. доли света покидающей источник.

Покажем существенность признаков изобретения по п.1.

Выполнение пассивного слоя с E₁≤0.5·(hν+0.5·Δhν_0.5) обозначает его выполнение из узкозонных материалов (например, InAs и InSb), в которых эффективная масса электрона мала и в которых можно ожидать существенного влияния концентрации электронов как на спектральное распределение прозрачности, так и на показатель преломления. При неоправданно большой ширине запрещенной зоны ((hν+0.5·Δhν_0.5)≤E₁) эффективная масса электрона велика, и влияние легирования на показатель преломления и край поглощения пассивного слоя незначительно, следствием чего является низкий коэффициент выхода излучения (мощности). Пассивный слой может представлять собой подложку, на которой произведено выращивание области рекомбинации и других пассивных областей. При этом пассивный слой несет также функцию механического носителя для приборной структуры.

Выполнение условия 0.5·(hν+0.5·Δhν_0.5)≤E₁ для пассивного слоя обеспечивает возможность получения низких потерь на выход излучения. При невыполнении условия 0.5·(hν+0.5·Δhν_0.5)≤E₁ для создания эффекта "окна" требуются чрезмерно высокие концентрации электронов, что пагубно скажется на выходной мощности из-за появления междуузельных внедрений легирующих атомов ввиду ограниченной величины их растворимости и появления структурных дефектов, поглощающих излучение, а также возрастания поглощения на свободных носителях.

Выполнение условия n_deg≤n приводит к образованию уровня Ферми в зоне проводимости и к существенному сдвигу края поглощения пассивного слоя в коротковолновую область, что необходимо для вывода излучения. При невыполнении условия n_deg≤n все излучение, образованное в области рекомбинации поглотится в пассивном слое. Связь концентрации электронов с уровнем Ферми определяется, например в [4] (задача 13).

Выполнение условия n≤10¹⁹ см^-3 обеспечивает сохранение пассивной областью кристаллического совершенства и низких потерь на поглощение свободными носителями, что необходимо для эффективного вывода излучения из источника. При невыполнении условия n≤10¹⁹ см^-3 в пассивной области появляются поглощающие дефекты структуры и увеличивается поглощение на свободных носителях, что приводит к недостижению цели изобретения.

Отметим, что одновременно с повышением мощности появляется возможность создания источника с длинами волн, трудно достигаемыми (или практически недостигаемыми) в известных устройствах. Это связано с тем, что носитель структуры (подложка) в предлагаемой конструкции не является препятствием для создания эффективных источников излучения с энергией, большей ширины запрещенной зоны подложки и благодаря этому эффективные источники излучения, например, с длиной волны 3.3 мкм, нами создаются без удаления подложки InAs. Это открывает новые возможности как для увеличения выхода годных изделий, так и для создания протяженных (матричных) излучателей. В то же время, в прототипе из-за сильного оптического поглощения для получения длины волны 3.8-3.6 мкм необходимо было использовать слой с удаленной подложкой, имевший толщину всего 2 мкм. Для практики это является крайне неудобным из-за большой хрупкости материалов типа А³B⁵, например, арсенида индия. Таким образом в предлагаемом техническом решении имеет место расширение спектрального диапазона источника в сторону меньших длин волн.

По п.2: создание на границе области рекомбинации со стороны, противоположной излучающей поверхности, ширины запрещенной зоны (E₁) убывающей в направлении к излучающей поверхности со скоростью не менее 10 мэВ/мкм на протяжении не более диффузионной длины носителей позволяет решать задачу уменьшения поверхностной рекомбинации за счет тянущего (варизонного) вглубь области рекомбинации поля и повысить мощность излучения.

По п.3 создание источника, в котором один из пассивных слоев, граничащий с областью рекомбинации со стороны, противоположной излучающей поверхности, выполнен из материала р-типа проводимости с шириной запрещенной зоны (Е₃), и с толщиной (d), удовлетворяющей соотношению: Е₂≥E₁+kT, d≤L, где Т - температура, k - постоянная Больцмана, L - диффузионная длина носителей заряда, обеспечивает, с одной стороны, удержание носителей в узкой области и снижение таким образом самопоглощения, с другой - уменьшение поверхностной рекомбинации и увеличения доли носителей, дошедших до области рекомбинации, т.е. приводит к повышению мощности излучения.

По п.4 создание источника, в котором пассивный слой, граничащий с областью рекомбинации или с пассивным слоем, наиболее удаленным от нее, выполнен из серосодержащего халькогенидного стекла, прозрачного для квантов внешнего источника энергии, приводит к пассивации поверхности за счет присутствия серы в холькогенидном стекле и к снижению поверхностной рекомбинации, что имеет следствием повышение мощности излучения при оптическом возбуждении.

По п.5. создание источника с шириной запрещенной зоны на границе области рекомбинации с упомянутым пассивным слоем (из халькогенидного стекла) больше энергии кванта внешнего источника энергии приводит к поглощению квантов внешнего источника на некотором расстоянии от поверхности варизонного слоя и к отсутствию поглощения на поверхности, где скорость безызлучательной рекомбинации велика. Это приводит к повышению мощности излучения.

По п.6. создание источника с по меньшей мере одним из пассивных слоев, выполненным из материала, например, из сапфира, с более высокой, чем у остальных пассивных слоев теплопроводностью обеспечивает эффективный съем тепла из слоев, близко расположенных к области рекомбинации. При больших уровнях накачки эффективный съем тепла приводит к повышению мощности источника.

По п.7 создание источника, в котором узел связи с внешним источником энергии содержит омические контакты, позволяет непосредственно подводить энергию к области рекомбинации, например, используя n-n⁺-переход, минуя фотопреобразования квантов hν₁→hν₂, (hν₁>hν₂), что в ряде случаев (например, при длинах волн менее 3 мкм) приводит к повышению мощности излучения за счет исключения промежуточных неэффективных процессов.

По п.8 создание источника, у которого область рекомбинации выполнена с р-n-переходом обеспечивает, с одной стороны, эффективную инжекцию, например, за счет большой диффузионной длины фотовозбужденных носителей в р-материале, а с другой - высокую эффективность излучательной рекомбинации, характерную для узкозонных материалов n-типа проводимости.

По п.9 создание источника, в котором омический контакт с р-областью электрически соединен с теплоотводящей поверхностью, обеспечивает повышение мощности излучения, поскольку р-область имеет, как правило, большее удельное сопротивление, чем n-область и, соответственно, большее тепловыделение. Поэтому такой тепловой контакт особенно эффективен.

По п.10 создание источника с омическим контактом с n-областью, электрически соединенным с теплоотводящей поверхностью, дополнительно увеличивает тепловое рассеяние, что благоприятно сказывается на мощности источника.

По п.11 создание источника с омическими контактами, расположенными со стороны, противоположной излучающей поверхности, дополнительно увеличивает мощность, поскольку при этом возможна эффективная стыковка с рассеивателем тепла, например с термоэлектрическим охладителем.

По п.12 создание источника, у которого часть пассивных областей, расположенных между излучающей поверхностью и областью рекомбинации, образуют Брэгговский отражатель для выходящего из области рекомбинации излучения, а омический контакт к р-области выполнен отражающим, дополнительно увеличивает мощность излучения в источнике с большим уровнем инжекции (т.е. при достижении инверсии заселенности) за счет создания обратной связи и начала работы источника в стимулированном режиме.

Один из вариантов выполнения предлагаемого устройства схематически изображен на фиг.1, где 1 - излучающая поверхность, 2 - область рекомбинации, 3 - пассивный слой, 4 - теплоотводящая поверхность, 5 - узел связи с внешним источником энергии.

Работа устройства.

На внешний источник энергии, выполненный, например, в виде светодиода (СД), подают прямое смещение, инициирующее инжекцию носителей в узле связи 5 с внешним источником энергии. Инжектированные носители рекомбинируют с выделением излучения в ближней ИК области спектра. Сформированные таким образом кванты покидают области вблизи р-n-перехода (горизонтальная белая пунктирная линия) и попадают в область рекомбинации 2 через теплоотводящую поверхность 4. В результате поглощения квантов в области рекомбинации формируются неосновные, фотовозбужденные носители, которые в свою очередь, рекомбинируют с энергией, близкой к E₁. Полученные таким образом «длинноволновые кванты», соответствующие среднему ИК-диапазону спектра, направляются к излучающей поверхности 1, через которую они покидают источник, т.е. создают поток излучения, пригодный для практического применения. Источник внешней энергии может быть выполнен из СД, узконаправленого инжекционного лазера, поверхностно излучающего лазера (англ. название - VCSEL), СД с микродиском, СД матрицы или линейки, матричных лазерных излучателей и т.д.

Предлагаемый источник ИК-излучения (пример оптимального для практики варианта) схематически изображен также на фиг.2, 3, 4, 5, 6, где 1 - излучающая поверхность, 2 - область рекомбинации, расположенная в узкозонной части двойной гетероструктуры, 3 - пассивная область n-типа проводимости, 4 - теплоотводящая поверхность, выполненная в виде металлического (золотого) покрытия на одном из пассивных слоев р-типа проводимости и представляющая собой омический контакт, 6 - ограничивающий широкозонный пассивный слой n-типа проводимости, 7 - широкозонный пассивный слой р-типа проводимости, 8, 9 - омические контакты к пассивной области 3 n-типа проводимости, создающие короткое замыкание р-n-перехода в областях вне центральной мезы, 10, 11, 12 - подводящие электроды, сформированные из легкоплавкого припоя на полуизолирующем держателе 13, 13 - держатель для монтажа источника, выполненный из полуизолирующего кремния, 14 - низкотемпературный припой для монтажа держателя на теплоотвод (корпус), 15 - оптический клей, обеспечивающий оптическое соединение двойной гетероструктуры с иммерсионной линзой 16 (фиг.3), и/или с торцом волокна 17 (фиг.4), и/или с Брэгговским отражателем 18 (фиг.3), 16 - иммерсионная линза, например, из германия, 17 - оптическое волокно (показан разрез), например, из As₂S₃, 18 - периодическая структура, образующая Брэгговский отражатель.

Элементы, обозначенные цифрами 6-13, в совокупности составляют суть узла связи 5 с внешним источником энергии (напряжения), один из вариантов которого представлен цифрой 5 на фиг.1.

Сплошными стрелками показан ход лучей для выходящего из источника излучения; пунктирными стрелками показано излучение, регистрируемое устройством. Пример матричного исполнения источника с обратной связью, выполненной в виде Брэгговского резонатора 18 схематически изображен на фиг.5, где контакты 10, 12 являются общими для соседних элементов. Электроды (контакты к центру мезы) типа 11 позволяют подключать элементы источника независимо друг от друга, т.е. формировать и/или принимать изображение в ИК области спектра. В последнем случае имеет место регистрация оптического сигнала в узком спектральном диапазоне.

На фиг.6 схематически показан источник, у которого пассивная область и излучающая поверхность выполнены в виде сферы, концентрирующей излучение в дальнем поле.

Покажем работу источника для получения отрицательной люминесценции (ОЛ) (или негативного теплового контраста) для применений при повышенных температурах и/или больших длинах волн.

На омический контакт/теплоотводящую поверхность 4 через подводящий электрод 11 подается напряжение отрицательной полярности на омические контакты 8, 9, соответственно, через подводящие электроды 10 и 12 подается напряжение положительной полярности. При этом р-n-переход, расположенный на границе области рекомбинации 2 и пассивной области 7, смещается в обратном направлении, и неосновные носители вытягиваются из областей, прилегающих к р-n-переходу на расстоянии порядка диффузионной длины носителей. Из-за истощения носителями указанных областей нарушается термодинамическое равновесие, т.е. np<(n_i)², и истощенные области начинают поглощать излучение из внешней среды в большей степени, чем испускать его. Возникает отрицательная люминесценция, т.е. понижение излучательной способности источника/излучающей поверхности 1 [5], регистрируемая как падение оптического сигнала, регистрируемого в узком спектральном диапазоне за время импульса обратного тока.

Диод с истощенными областями (т.е. включенный в обратном направлении) представляет собой также устройство с улучшенными характеристиками применительно к регистрации внешнего излучения, т.е. его можно использовать как эффективный фотодиод [6]. При этом источник излучает вовне, например, через волокно 17, отрицательное излучение, показанное на фиг.4 сплошными стрелками, и принимает положительное излучение от объекта, показанное пунктирными стрелками. Для выделения полезного сигнала (сигнала от внешнего источника) необходимо подключить помимо источника смещения еще и схему регистрации изменений фототока/напряжения.

Пример 1. Источник излучения был создан в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН для чего методом жидкофазной эпитаксии на подложке n⁺-InP (Sn), ориентированной по плоскости (100), были выращены следующие слои: 1) n-InGaAsP (нелегированный) с E_g=1.19 eV и толщиной d~1.0 μm, 2) n-InGaAsP (нелегированный) слой (E_g=1.01 eV, d~0.4 мкм), 3) p⁺-InGaAsP (легированный Zn, E_g=1.01 eV, d~4.7 мкм). Состав слоя 2 был оптимизирован для получения излучения в области 1.21-1.23 мкм при комнатной температуре. Эпитаксиальная структура раскалывалась на чипы размерами 1×1×0.35 мм³, которые монтировались (припаивались индием) на стандартный держатель TO-18 р-слоем вниз, n-контакт формировался на поверхности InP индием так, что свободная поверхность InP имела размеры 1×0.9 мм². Общий вид подобной конструкции приведен в [1]. Область рекомбинации получали методом жидкофазной эпитаксии путем выращивания слоя In_0.97Ga_0.03As с шириной запрещенной зоны E₁=375 мэВ полушириной и пиком спектра люминесценции Δhν_0.5=26 мэВ, hν=375 мэВ, соответственно, и толщиной 2-4 мкм n-типа проводимости с n=2·10¹⁶ см^-3 на подложке InAs(100) толщиной 350 мкм. Степень легирования подложки оловом (n=6·10¹⁸ см^-3) была выше начала вырождения в арсениде индия (n=10¹⁷ см^-3) и ниже верхнего заявленного предела n=19 см^-3. Таким образом, ширина запрещеной зоны пассивного n-слоя была на 25 мэВ меньше, чем у материала области рекомбинации, и значение E₁ находилась внутри заявляемого интервала энергий 0.5·(hν+0.5·Δhν_0.5)≤E₁≤(hν+0.5·Δhν_0.5), численно выраженного через неравенство: 194<375<388 мэВ. Вышеуказанная подложка была практически непрозрачна на длинах волн, больших 8 мкм, имела 50%-ную относительную прозрачность на длине волны 6.2 мкм, «плато» прозрачности от 5 до 3.4 мкм и основной край поглощения, начиная с 3.2 мкм. Образец с областью рекомбинации со стороны возбуждающего светодиода 1.21-1.23 мкм укреплялся на поверхности n⁺-InP (Sn) с помощью точечной припайки индием. Для сравнения изготавливался также источник по известному способу. Для этого подложка InAs удалялась с поверхности области рекомбинации InGaAs химическим травлением, а все остальные детали конструкции источника были такими, как описано выше. Полученные источники запитывались импульсным током I=1А, длительностью 10 мкс и частотой повторения 500 Гц и излучали на длине волны 3.3 мкм. Мощность излучения предлагаемого источника составляла 100 мкВт, что в два раза превосходило мощность излучения известного источника.

Отметим, что описанный выше известный источник трудно реализуем в массовом производстве, поскольку материалы A³B⁵ весьма хрупки, что является препятствием для производственных операций сборки при толщинах 2-4 мкм, требуемых для эффективного вывода света. В то же время наличие достаточно толстой n⁺-подложки в предлагаемом решении позволяет без труда проводить эти операции. Таким образом, можно утверждать, что предлагаемый источник позволяет расширить спектральный диапазон работы, поскольку к отмеченным в [2] "производственно пригодным" "толстым" градиентным структурам, узлучающим при λ>4 мкм, добавляет структуры, пригодные для процессов сборки и излучающие при λ<4 мкм.

Пример 2. Источник изготавливался, как описано в примере 1, однако на завершающей стадии изготовления области рекомбинации на ее поверхность наращивался слой n-InAsSbP с возрастанием ширины запрещенной зоны со скоростью 15 мэВ/мкм от 388 мэВ на границе с InGaAs до 433 мэВ на границе с InP. Толщина n-InAsSbP составляла 3 мкм, что меньше диффузионной длины дырок при комнатной температуре. Мощность излучения источника была в 1.2 раза выше, чем в примере 1.

Пример 3. Источник излучения изготавливался так же, как описано в примере 1, однако поверхность области рекомбинации была покрыта эпитаксиальным слоем p-InAsSbP с шириной запрещенной зоны 420 мэВ и толщиной 3 мкм, что в несколько раз меньше диффузионной длины электронов в этом материале. Мощность излучения была в 1.5 раза выше, чем в примере 1.

Пример 4. Источник излучения изготавливался так же, как описано в примере 3, однако промежуток между подложкой InP и слоем p-InAsSbP заполнялся халькогенидным стеклом, содержащим мышьяк, серу, теллур и сурьму и имеющим температуру размягчения 120-150°С. Мощность излучения источника была в 1.5 раза выше, чем в примере 3.

Пример 5. Источник излучения изготавливался так, как описано в примере 4, однако в качестве накачивающего источника был взят поверхностно излучающий светодиод с длиной волны 3.1 мкм (hν=400 мэВ). Из-за того, что пассивный слой p-InAsSbP имел ширину запрещенной зоны (420 мэВ) больше, чем значение кванта возбуждающего излучения, передача энергии (поглощение) происходило не на поверхности, а внутри области рекомбинации, что снижало безызлучательные потери на поверхности и увеличивало коэффициент преобразования «свет-свет» в два раза по сравнению с источником по п.4.

Пример 6. Источник создавался так, как описано в примере 5, однако на подложку InAs халькогенидным стеклом приклеивалась сапфировая пластина толщиной 600 мкм и диаметром 10 мм, так что ее периметр плотно прилегал к металлическому кольцу, смонтированному на корпусе ТО-3. При этом обеспечивался дополнительный тепловой съем с теплоотводящей поверхности. Мощность источника возрастала на 10-20% по сравнению с примером 5.

Пример 7. Источник изготавливался, как описано в примере 1, однако подвод энергии к n-n⁺-переходу, образованному на границе области рекомбинации и пассивным слоем осуществлялся через омические контакты, сформированные к n- и n⁺-областям, соответственно. Возбуждающий (внешний) светодиод отсутствовал. При подаче напряжения в зависимости от полярности осуществлялась эксклюзия или эктракция носителей из области рекомбинации [7], приводящая к получению положительной или отрицательной люминесценции, соответственно. При этом мощность положительной люминесценции (излучения) была на 20-30 процентов выше, чем в примере 1.

Пример 8. Источник изготавливался так же, как описано в примере 3, однако, область рекомбинации содержала р-n-переход, сформированный в процессе роста и была расположена в средней части двойной гетроструктуры n-InAsSbP/n-InGaAs-p/p-InAsSbP с толщинами слоев 4, 3, 5 мкм, соответвенно. Мощность излучения источника на длине волны 3.3 мкм была в 2 раза выше, чем в примере 3.

Пример 9. Источник изготавливался так же, как описано в примере 8, однако, р-область была электрически соединена с теплоотводящей поверхностью, функцию которой выполнял слой золота, нанесенный на р-InAsSbP и являющийся омическим контактом (анодом). Источник крепился на держателе, выполненном из полуизолирующего кремния. Второй контакт (катод) располагался на поверхности n⁺InAs. Мощность излучения была в 1.5 раза выше, чем в примере 8 за счет эффективного съема тепла с тонкой пассивной р-области InAsSbP.

Пример 10. Источник изготавливался так же, как описано в примере 9, однако оба контакта были электрически соединены с теплоотводящей поверхностью, как показано на фиг.2. Мощность излучения была выше, чем в примере 9, на 20%.

На поверхность n⁺InAs халькогенидным стеклом приклеивалась германиевая линза диаметром 1 мм (фиг.3). При этом увеличивалась на 40% концентрация мощности в углах от нормали +/-20°. Одновременно с этим интегральная мощность возрастала на 10%.

На поверхность n⁺-InAs халькогенидным стеклом приклеивался торец волокна (фиг.4). При этом получали волоконно-оптический источник излучения в средней ИК области спектра.

Эпитаксиальную структуру с контактами разрезали на матрицы 2×2 и монтировали их на кремниевый носитель. как показано на фиг.5 (приведен разрез одной пары элементов матрицы). Полученный источник представлял собой ИК матрицу.

Поверхность n⁺-InAs обрабатывали в химическом травителе до получения квазисферической формы, как показано на фиг.6. При этом получали узкую диаграмму направленности в дальнем поле (5-10 град).

Пример 11. Источник изготавливался так же, как описано в примере 7, однако оба омических контакта были расположенными со стороны, противоположной излучающей поверхности. Мощность источника была на 10% выше, чем в примере 7.

Пример 12. Источник изготавливался так же, как описано в примере 10, однако вместо линзы или волокна на поверхность n⁺-InAs халькогенидным стеклом приклеивался интерференционный фильтр с максимумом пропускания вблизи 3.45 мкм, а р-контакт изготовлялся отражающим. При амплитудах тока более 10 А наблюдалось увеличение мощности при 3.45 мкм на 20-30% по сравнению с источником в примере 10 без линзы и волокна, что связано, вероятнее всего, с началом стимулированной рекомбинации.

ЛИТЕРАТУРА

1. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, ФТП, т.34(2000), №1, стр.99-102.

2. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, ФТП, т.34(2000), №1, стр.99-102.

3. Б.А.Матвеев, Н.В.Зотова, Н.Д.Ильинская, С.А.Карандашев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, патент РФ "Источник ИК-излучения", № 2154324 с приоритетом от 27.04.1999, БИ №22 от 10.08.2000 (прототип).

4. В.Л.Бонч-Бруевич и др. Сборник задач по физике полупроводников, «Наука», Москва, 1968, с.10.

5. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, ФТП, том 35(2001), вып.3, стр.335-338.

6. A.M.White, Journal of Crystal Growth, v.86 (1988), pp.840-848.

7. С.С.Болгов, В.К.Малютенко, В.И.Пипа, А.П.Савченко, Письма в ЖТФ, том 15 (1989), вып.16, стр.49-53.

Claims (12)

1. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения, включающий излучающую поверхность, область рекомбинации, не менее одного пассивного слоя, прозрачного для излучения с энергией hv, причем хотя бы один из слоев выполнен с n-типом проводимости и, по крайней мере, один из этих слоев расположен между областью рекомбинации и излучающей поверхностью, не менее одной теплоотводящей поверхности и узел связи с внешним источником энергии, отличающийся тем, что концентрация свободных носителей (n) и ширина запрещенной зоны (E₁), в вышеупомянутом пассивном слое удовлетворяют соотношениям:

n_deg≤n≤10¹⁹ см^-3,

0,5·(hν+0,5·Δhν_0,5)≤E₁≤(hν+0,5·Δhν_0,5),

где hν и Δhν_0,5 - энергия кванта и полуширина спектра излучения, формирующегося в области рекомбинации соответственно;

n_deg - концентрация, при которой начинается вырождение зоны проводимости.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что на границе области рекомбинации со стороны, противоположной излучающей поверхности, ширина запрещенной зоны (E₁) убывает в направлении к излучающей поверхности со скоростью не менее 10 мэВ/мкм на расстоянии не более диффузионной длины носителей.

3. Источник по п.1 или 2, отличающийся тем, что один из пассивных слоев, граничащий с областью рекомбинации со стороны, противоположной излучающей поверхности, выполнен из материала р-типа проводимости с шириной запрещенной зоны (Е₂) и с толщиной (d), удовлетворяющей соотношениям:

E₂≥E₁+kT, d≤L,

где Т - температура;

k - постоянная Больцмана;

L - диффузионная длина носителей заряда.

4. Источник по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что пассивный слой, граничащий с областью рекомбинации или с прилегающим к ней пассивным слоем со стороны, противоположной излучающей, выполнен из серосодержащего халькогенидного стекла, прозрачного для квантов внешнего источника энергии.

5. Источник по п.4, отличающийся тем, что ширина запрещенной зоны на границе с упомянутым пассивным слоем из халькогенидного стекла больше энергии кванта внешнего источника энергии.

6. Источник по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что по меньшей мере один из пассивных слоев выполнен из материала с более высокой, чем у остальных пассивных слоев, теплопроводностью, например, из сапфира.

7. Источник по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что узел связи с внешним источником энергии содержит омические контакты.

8. Источник по п.1, или 2, или 3, или 7, отличающийся тем, что область рекомбинации выполнена с p-n-переходом.

9. Источник по п.7 или 8, отличающийся тем, что омический контакт р-n-области электрически соединен с теплоотводящей поверхностью.

10. Источник по п.7, или 8, или 9, отличающийся тем, что омический контакт n-области электрически соединен с теплоотводящей поверхностью.

11. Источник по п.7, или 8, или 9, или 10, отличающийся тем, что оба омических контакта расположены со стороны, противоположной излучающей поверхности.

12. Источник по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что часть пассивных областей, расположенных между излучающей поверхностью и областью рекомбинации, образуют Брэгговский отражатель для выходящего из области рекомбинации излучения, а омический контакт к р-области выполнен отражающим.

Images