RU2558264C1

RU2558264C1 - Полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств

Info

Publication number: RU2558264C1
Application number: RU2014111646/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Надточий; Михаил Викторович Максимов; Алексей Евгеньевич Жуков; Николай Александрович Калюжный; Сергей Александрович Минтаиров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Солар Дотс"
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-07-27

Abstract

Полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств состоит из полупроводниковой подложки (1) с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на (0,5-10) градусов и, по меньшей мере, одного р-n перехода (2), включающего, по меньшей мере, один активный полупроводниковый слой (3), заключенный между двумя барьерными слоями (4) с шириной запрещенной зоны E_g0. Активный полупроводниковый слой (3) состоит из граничащих с барьерными слоями (4) и чередующихся в плоскости активного полупроводникового слоя (3) пространственных областей (5), (6) первого и второго типов. Пространственные области (5) первого типа имеют ширину запрещенной зоны E_g1<E_g0, a пространственные области (6) второго типа имеют ширину запрещенной зоны E_g2<E_g1. Полупроводниковая структура согласно изобретению обеспечивает увеличение эффективности фотопреобразующего и светоизлучающих приборов, при этом в фотопреобразующих устройствах увеличение эффективности происходит за счет увеличения фототока при распространении спектральной чувствительности в длинноволновую область, и обеспечения высокого уровня фотогенерации и разделения носителей заряда, а в светоизлучающих устройствах увеличение эффективности происходит за счет увеличения вероятности генерации фотонов и уменьшения вероятности безизлучательной рекомбинации посредством обеспечения высокой плотности областей, локализующих носители заряда в трех направлениях.10 з.п. ф-лы, 11 ил., 5 пр.

Description

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей (солнечных элементов) и светоизлучающих приборов (светодиодов, лазерных диодов и т.п.).

В последние десятилетия в мире постоянно возрастал интерес к возобновляемым источникам энергии, в частности к возможности использования энергии солнца. Для космических летательных аппаратов фотовольтаика (солнечная энергетика) является единственным источником энергии, что во многом обуславливает ее развитие, однако в последние годы постоянно растет и доля фотовольтаики в общей энергии, генерируемой наземными электростанциями. При этом разработка полупроводниковых структур каскадных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе соединений A³B⁵, преобразующих концентрированное излучение, является одним из наиболее перспективных путей к достижению наивысших значений КПД фотоэлектрического преобразования. Полупроводниковые структуры на основе соединений A³B⁵ также активно используют для создания светоизлучающих приборов, в первую очередь, светодиодов и лазерных диодов как видимого, так и инфракрасного диапазона. Процессы фотопреобразования (генерация и разделение носителей заряда при поглощении фотонов света) и излучения света (генерация фотонов за счет излучательной рекомбинации закачиваемых в структуру носителей заряда) в полупроводниковых структурах по сути являются разными направлениями одного и того же процесса - поглощения/испускания фотонов. Это обуславливает возможность использования новых полупроводниковых структур для улучшения утилитарных характеристик как фотопреобразователей, так и светоизлучающих приборов.

Значительное ограничение на КПД каскадных ФЭП, а также на эффективность и длину волны светоизлучающих приборов накладывают свойства полупроводниковых материалов, из которых выполнены элементы полупроводниковой структуры. В первую очередь, это относится к параметру кристаллической решетки. Наличие рассогласования материалов по параметру решетки приводит к накапливанию упругих напряжений, которые будут релаксировать при достижении определенной толщины с образованием дефектов, что особенно критично для фотопреобразующих структур ввиду большой толщины их фотоактивных слоев. Необходимость согласования материалов по параметру решетки накладывает ограничения на край поглощения или энергию люминесценции объемных материалов, так как для твердых растворов изменение края поглощения, возможное только при изменении состава, как правило, приводит к изменению параметра решетки материала.

Таким образом, обеспечение возможности расширения спектрального диапазона фоточувствительности субэлементов каскадного ФЭП, которое влечет за собой увеличение генерируемого ими фототока, а также изменение длины волны, наряду с сохранением высокой эффективности светоизлучающих приборов, является важной задачей для реализации потенциала КПД каскадных фотопреобразователей и получения высокоэффективных светоизлучающих приборов.

Одним из путей изменения края поглощения полупроводниковых материалов, обеспечивающего как расширение фоточувствительности субэлементов ФЭП, так и более широкий диапазон возможных длин волн светоизлучающих структур, является использование квантоворазмерных гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) или квантовыми точками (КТ). Оба этих подхода позволяют изменить край поглощения объемного материала, однако имеют и ряд ограничений.

Использование КЯ в фотопреобразующей или светоизлучающей структурах позволяет получить высокий уровень квантовой эффективности за счет того, что КЯ поглощает/излучает всей поверхностью, однако длинноволновый сдвиг края поглощения/излучения (по отношению к барьерным слоям) остается небольшим. При использовании КТ выращенных методом Странского-Крастанова существует возможность значительного сдвига края поглощения, однако невозможно получение высокого уровня квантовой эффективности вследствие малой поверхностной плотности таких КТ.

Известна полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств (см. заявка US 2011127490, МПК H01L 21/00, опубликована 2.06.2011), содержащая полупроводниковую подложку, на которой выращена полупроводниковая структура, включающая нанопроволоки с квантовыми точками, содержащие три слоя вертикально связанных квантовых точек большого размера, заключенных между барьерными слоями с шириной запрещенной зоны E_g0, при этом внутри квантовых точек возникают граничащие с обоими барьерными слоями области с E_g1<E_g0 внутри которых возникают не граничащие с барьерными слоями области квантовых точек малого размера с E_g2 <E_g1.

Недостатком известной полупроводниковой структуры является низкая плотность КТ малого размера, что выражается в малом поглощении/испускании ими фотонов, а также низкая по отношению к планарным слоям поверхностная плотность нанопроволок, что также снижает эффективность поглощения/испускания фотонов. Кроме того, большой локализующий потенциал в КТ малого размера приводит в малой вероятности выброса и разделения фотогенерированных в них носителей.

Известна полупроводниковая структура для фотопреобразующего устройства (см. заявка US 2011073173, МПК H01L 21/02, H01L 31/0248, опубл. 31.03.2011), включающая тыльный и лицевой электроды, полупроводниковый слой с шириной запрещенной зоны Ego, легированный атомами примеси и включающий наноразмерные области с E_g1<E_g0, возникающие за счет легирования полупроводника атомами второй примеси, при этом, в зависимости от пространственного распределения атомов второй примеси, наноразмерные области могут реализовывать локализацию носителей в одном направлении (квантовая яма), в двух направлениях (квантовая проволока) или трех направлениях (квантовая точка).

Недостатком известной полупроводниковой структуры для фотопреобразующего устройства является невозможность расширения спектральной чувствительности в длинноволновую область более чем на 120 МэВ, так как носители, локализованные в наноразмерных областях, иначе не смогут быть термически выброшены из них. Кроме того, области с E_g1 будут локализовать только неосновные носители заряда, в то время как основные носители не будут локализоваться, что будет снижать вероятность поглощения/излучения.

Известна полупроводниковая структура для фотопреобразующего устройства (см. патентная заявка US 2012285537, МПК B82Y 20/00, H01L 31/00, опубл. 15.11.2012), содержащая слой проводника р-типа проводимости, слой проводника n-типа проводимости, между которыми расположен слой полупроводника со сверхрешеткой. Барьерные слои с шириной запрещенной зоны E_g0 включают вертикально и горизонтально связанные слои квантовых точек, в которых образуются минизоны с E_g1<E_g0, при этом локализующий потенциал для носителей заряда в минизонах не превышает более чем в два раза тепловую энергию кТ (к - постоянная Больцмана, Дж/К; Т - абсолютная температура, К, при комнатной температуре.

Недостатком известной полупроводниковой структуры является низкая плотность КТ, что выражается в малом поглощении/испускании ими фотонов.

Известна полупроводниковая структура для светоизлучающего устройства (см. N.N. Ledentsov, D. Bimberg, Yu. M. Shernyakov, V. Kochnev, M.V. Maximov, A.V. Sakharov, I.L. Krestnikov, A. Yu Egorov, A.E. Zhukov, Appl. Phys. Lett. 70 (21), 26 May 1997, p. 2888), включающая подложку, выполненную из GaAs, и структуру на основе активного слоя, выполненного из InGaAs с содержанием индия менее 40 атомных (ат) %, имеющего квазипериодичную модуляцию состава и толщины в плоскости слоя, что обеспечивает наличие областей с меньшим содержанием индия с шириной запрещенной зоны E_g1, и областей с большим содержанием индия с шириной запрещенной зоны E_g2<E_g1,

Недостатком известной полупроводниковой структуры для светоизлучающего устройства является малая плотность областей с большим содержанием индия, так как модуляции состава возникают случайно и не имеют периодичной структуры, что обуславливает относительно малую интенсивность излучения.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является полупроводниковая структура для фотопреобразующего устройства, которая также может быть использована и для светоизлучающего устройства (см. JP 2011222620, МПК H01L 31/00, H01L 31/04, опубл. 04.11.2011), принятая за прототип и включающая полупроводниковую подложку, активный полупроводниковый слой одного типа проводимости, выполненный из GalnP и имеющий в направлении, параллельном плоскости подложки, пространственные области двух типов: области первого типа с меньшим содержанием индия с шириной запрещенной зоны E_g1, и области второго типа с большим содержанием индия с шириной запрещенной зоны E_g2<E_g1, и активный полупроводниковый слой другого типа проводимости, выполненный из GaInP и имеющий в направлении, параллельном плоскости подложки, пространственные области двух типов: области первого типа с меньшим содержанием индия с шириной запрещенной зоны E_g1, и области второго типа с большим содержанием индия с шириной запрещенной зоны E_g2<E_g1. При этом в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, толщина областей обоих типов для обоих слоев равна толщине соответствующих слоев.

В полупроводниковой структуре - прототипе важную роль играет то обстоятельство, что области с E_g2 обладают меньшим размером, чем расстояния между дислокациями в слоях, и локализация носителей заряда в них в поперечном направлении к структуре значительно уменьшает безизлучательную рекомбинацию в слоях с большой плотностью дислокации. При этом области с E_g2 образуются посредством вертикального складирования КТ InP с заращиванием очень тонким слоем GalnP таким образом, что КТ из ближайших слоев находятся в непосредственном контакте между собой, образуя колонну КТ, толщина которой равна общей толщине слоя.

Недостатком известной полупроводниковой структуры является локализация носителей заряда в областях второго типа только в двух, а не в трех направлениях и увеличенная вероятность поверхностной безизлучательной рекомбинации. Кроме того, низкая плотность КТ InP обуславливает малое поглощение/испускание фотонов. При использовании в фотопреобразующем устройстве структура-прототип не обеспечивает сдвиг края поглощения более чем на 120 МэВ.

Задачей настоящего решения является создание такой полупроводниковой структуры для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств, которая бы обеспечивала увеличение эффективности ФЭП и светоизлучающих приборов. При применении структуры в фотопреобразующих устройствах увеличение эффективности происходит за счет увеличения фототока при распространении спектральной чувствительности в длинноволновую область, и обеспечения высокого уровня фотогенерации и разделения носителей заряда. При применении структуры в светоизлучающих устройствах увеличение эффективности происходит за счет увеличения вероятности генерации фотонов и уменьшения вероятности безизлучательной рекомбинации посредством обеспечения высокой плотности областей, локализующих носители заряда в трех направлениях.

Поставленная задача достигается тем, что полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств включает полупроводниковую подложку с лицевой поверхностью (100), разориентированную от плоскости (100) на величину до 10 градусов, и, по меньшей мере, одни р-n переход, включающий, по меньшей мере, один активный полупроводниковый слой, заключенный между двумя барьерными слоями с шириной запрещенной зоны E_g0, состоящий из граничащих с барьерными слоями и чередующихся в плоскости активного полупроводникового слоя пространственных областей первого и второго типов, при этом пространственные области первого типа имеют ширину запрещенной зоны E_g1<E_g0, а пространственные области второго типа имеют ширину запрещенной зоны E_g2<E_g1.

Новым в полупроводниковой структуре является выполнение полупроводниковой подложки с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на 0,5-10 градусов, и включение в ее состав барьерных слоев, между которыми расположен активный полупроводниковый слой. Разориентация лицевой поверхности полупроводниковой подложки обеспечивает образование на ее поверхности атомарных ступеней, по линиям которых создаются в области активного полупроводникового слоя высокоплотные, массивы пространственных областей второго типа, обеспечивающих трехмерную локализацию носителей заряда за счет включения в состав полупроводниковой структуры барьерных слоев, между которыми расположен активный полупроводниковый слой.

При разориентации лицевой поверхности полупроводниковой подложки на угол, меньший 0,5 градусов, расстояние между атомарными ступенями будет настолько большим, что плотность массивов пространственных областей второго типа будет соизмерима с плотностью известных квантовых точек.

При разориентации лицевой поверхности полупроводниковой подложки на угол, больший 10 градусов, размер пространственных областей второго типа оказывается менее 3 нм, вследствие чего локализация носителей заряда окажется очень слабой.

В полупроводниковой структуре ширина запрещенной зоны E_g0, ширина запрещенной зоны E_g1 и ширина запрещенной зоны E_g2 могут удовлетворять соотношениям:

E_g0-E_g1≤130 МэВ,

E_g1-E_g2≤130 МэВ.

В полупроводниковой структуре области второго типа могут быть выполнены в виде обогащенных индием областей, ограниченных в поперечном направлении (то есть в направлении, перпендикулярном полупроводниковой подложке) барьерными слоями, а в продольном направлении ограниченных обедненными индием областями первого типа.

В полупроводниковой структуре полупроводниковый твердый раствор, советующий среднему составу активного слоя, может быть рассогласован с барьерными слоями по параметру решетки не более чем на 4%.

В полупроводниковой структуре барьерные слои и активный полупроводниковый слой могут быть выполнены из твердого раствора AlGaInAs.

При этом в полупроводниковой структуре барьерные слои могут быть выполнены из GaAs или твердого раствора GaInAs с содержанием индия не более 2 ат.%, а активный полупроводниковый слой может быть выполнен из In_xGa_1-xAs со средним содержанием х индия (20-50) ат.%.

При этом в полупроводниковой структуре области второго типа могут быть выполнены в виде обогащенных индием областей с размером в плоскости, параллельной плоскости подложки, 5-40 нм и средним составом у>х, ограниченных в поперечном направлении барьерными слоями, а в продольном направлении - ограниченных обедненными индием областями первого типа со средним составом z<x, при этом области второго типа имеют поверхностную плотность до 5·10¹¹ см^-2.

В полупроводниковой структуре барьерные слои и активный полупроводниковый слой могут быть выполнены из твердого раствора AlGaInP.

При этом в полупроводниковой структуре барьерные слои могут быть выполнены из твердого раствора GalnP с содержанием индия (48-52) ат.%, а активный полупроводниковый слой может быть выполнен из In_xGa_1-xP со средним содержанием х индия (10-30) ат.%.

Полупроводниковая структура может быть выполнена в виде фотопреобразователя.

Полупроводниковая структура может быть выполнена в виде светодиода или лазерного диода.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящей полупроводниковой структуры;

на фиг.2 приведено изображение трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) высокого разрешения поперечного сечения образцов, содержащих активные полупроводниковые слои на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=30 ат.%;

на фиг.3 представлено темнопольное изображение ТЭМ поперечного сечения образцов, содержащих активные полупроводниковые слои на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.%;

на фиг.4 приведено светлопольное изображение ТЭМ поперечного сечения образцов, содержащих активные полупроводниковые слои на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=50 ат.%;

на фиг.5 представлено темнопольное изображение ТЭМ поперечного сечения образцов, содержащих КГ, полученные известным методом Странского-Крастанова при релаксации зародышевого слоя In_xGa_1-xAs с составом индия х=60 ат.%;

на фиг.6 показано темнопольное изображение ТЕМ в отражении g=(-2-20) чувствительном к упругим напряжениям от поперечного сечения (1-10) полупроводниковой структуры по настоящему изобретению, содержащей 10 активных полупроводниковых слоев, сформированных в результате осаждения слоя InGaAs со средним содержанием индия х=40 ат.%.

на фиг.7 представлено сопоставление спектра фотолюминесценции (кривая 1) светоизлучающей полупроводниковой структуры и спектра фототока (кривая 2) для фотопреобразующей полупроводниковой структуры по настоящему изобретению на основе 10 активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.%;

на фиг.8 приведены спектральные характеристики внешней квантовой эффективности фотопреобразующей структуры без активных слоев по настоящему изобретению (кривая 3) и фотопреобразующей полупроводниковой структуры по настоящему изобретению, включающей 20 активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.% (кривая 4);

на фиг.9 представлена зависимость прироста фототока для стандартного GaAs ФЭП, при введении в его р-n переход 10 активных полупроводниковых слоев по настоящему изобретению на основе слоев In_xGa_1-xAs со средним составом индия х от 20 ат.% до 100 ат.%;

на фиг.10 приведено сравнение зависимостей оптического модового усиления от плотности тока для лазерного диода, включающего пять слоев стандартных квантовых точек, полученным известным методом Странского-Крастанова (кривая 5) и лазерного диода по настоящему изобретению, включающего пять активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.% (кривая 6);

на фиг.11 приведено сравнение зависимостей пороговой плотности тока, приведенная на один слой для лазерных диодов, включающих пять слоев квантовых ям (кривая 7), и лазерных диодов по настоящему изобретению, включающего пять активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.% (кривая 8), а также зависимости длины волны лазерной генерации для лазерных диодов, включающих пять слоев квантовых ям (кривая 9) и лазерных диодов по настоящему изобретению, включающего пять активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.% (кривая 10).

Настоящая полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств показана на фиг.1. Она состоит из полупроводниковой подложки 1, и, по меньшей мере, одного р-n перехода 2, включающего, по меньшей мере, один активный полупроводниковый слой 3, получаемый при релаксации вдоль линий атомарных ступеней на полупроводниковой подложке, разориентированной от плоскости (100) на 0,5-10 градусов, слоя, выполненного, например, из In_xGa_1-xAs со средним составом х индия от 20 до 50 ат.% или из In_xGa_1-xP со средним составом х индия от 10 до 30 ат.%, заключенного между барьерными слоями 4 с шириной запрещенной зоны E_g0, выполненных, например, из GaInAs с составом х индия не более 2 ат.% или из твердого раствора GaInP составом х индия 48-52 ат.%, при этом активный полупроводниковый слой 3 включает граничащие с обоими барьерными слоями 4 чередующиеся в плоскости активного полупроводникового слоя 3 пространственные области 5 первого типа и пространственные области 6 второго типа, возникающие за счет направленной миграции атомов In и Ga в процессе осаждения слоя, при этом пространственные области 5 первого типа, например, из In_zGa_1-zAs или In_zGa_1-zP со средним составом z<x, имеющие ширину запрещенной зоны E_g1<E_g0, a пространственные области 6 второго типа, например из In_xGa_1-xAs или In_xGa_1-yP со средним составом у>х, имеющие ширину запрещенной зоны E_g2<E_g1.

Важной особенностью настоящей полупроводниковой структуры с точки зрения фотопреобразования является то, что в ней обеспечивается не только поглощение фотонов с энергиями E_g1 и E_g2, но и обеспечиваются условия для эффективного разделения фотогенерированных носителей заряда, когда разница между E_g1 и E_g2, а так же между E_g0 и E_g1 не превышают 130 МэВ. Особенно это важно при поглощении наиболее длинноволновых фотонов с энергией hω₂, когда разделение носителей заряда происходит в два этапа, сначала они попадают за счет термического заброса из пространственных областей 6 второго типа в пространственные области 5 первого типа, а потом за счет термического заброса в барьерные слои 4. Таким образом, настоящая полупроводниковая структура обуславливает сдвиг спектральной чувствительности ФЭП в длинноволновую область не менее чем на 260 МэВ.

Важным фактором, обуславливающим преимущество настоящей полупроводниковой структуры с точки зрения применения в светоизлучающих устройствах, является сверхвысокая плотность пространственных областей 6 второго типа с E_g2, за счет упорядочения их по линиям атомарных ступеней на разориентированной полупроводниковой подложке 1, что приводит к повышенному испусканию фотонов из них при сохранении преимущества локализации носителей заряда в трех направлениях.

В основе предлагаемого изобретения лежит оригинальный метод формирования на полупроводниковой подложке, разориентированной от плоскости (100) на 0,5-10 градусов, активного полупроводникового слоя 3, представляющего собой гибрид квантовой ямы и квантовых точек, реализующийся при определенных режимах роста слоев, рассогласованных по параметру решетки с барьерными слоями, и основанный на направленной миграции атомов In и Ga в процессе осаждения слоя In_xGa_1-xAs со средним составом х индия 20-50 ат.% или слоя из In_xGa_1-xP со средним составом х индия от 10 до 30 ат.% на поверхность GaAs или согласованного с ним GaInP. При этом изменение поверхностной энергии напряженных слоев в областях атомарных ступеней приводит к упорядочению областей с различным содержанием индия, что позволяет управлять их концентрацией, изменяя угол разориентации подложки.

Использование относительно мало рассогласованных твердых растворов In_xGa_1-xAs или In_xGa_1-xP с отношением разницы параметров решетки к параметру решетки подложки (Δа/а) менее 4% позволяет вырастить слой достаточно большой толщины, напряжения в котором при определенных условиях трансформируются за счет образования областей, обедненных индием и обогащенных индием. Такой механизм роста на поверхностях с высокой плотностью атомарных ступеней приводит к формированию плотного массива обогащенных индием областей внутри обедненной индием квантовой ямы. В случае роста квантовых точек известным методом Странского-Крастанова используют твердый раствор InGaAs с большим рассогласованием или чаще всего чистый InAs (Δа/а ~7%). Большое рассогласование приводит к релаксации упругих напряжений при малых толщинах слоя, что выражается в формировании пирамидальных островков - квантовых точек.

Учитывая тот факт, что параметр решетки полупроводниковых соединений находится в диапазоне 5-7 ангстрем, расстояние между атомарными ступенями на поверхности подложек, разориентированных от 0,5 до 10 градусов, будет составлять от 60-80 нм до 3-4 нм. Таким образом, при использовании атомарных ступеней на разориентированных полупроводниковых поверхностях для модулирования релаксации относительно слабо напряженных слоев In_xGa_1-xAs или In_xGa_1-xP возможно обеспечить поверхностную плотность индий обедненных слоев от 1·10¹⁰ см^-2 до 2-5·10¹² см^-2.

Настоящая полупроводниковая структура в фотопреобразующем устройстве (фиг.1) работает следующим образом. Фотоны с энергией более hω₁, соответствующей ширине запрещенной зоны E_g1 пространственных областей 5 первого типа активного полупроводникового слоя 3, рождают носители заряда в пространственных областях 5 первого типа, которые разделяются за счет термического выброса в барьерные слои 4. Фотоны с энергией более hω₂, соответствующей ширине запрещенной зоны E_g2 пространственных областей 6 активного слоя 3 второго типа, рождают носители в пространственных областях 6 второго типа, которые разделяются за счет термического выброса сначала в пространственные области 5 первого типа, а затем в барьерные слои 4.

Настоящая полупроводниковая структура в светоизлучающем устройстве (фиг.1) работает следующим образом. Носители заряда, инжектируемые из барьерных слоев 4, захваченные в пространственные области 5 первого типа, обеспечивающие их локализацию в одном направлении (аналог квантовой ямы) могут рекомбинировать, испуская фотон с энергией hω₁, соответствующей ширине запрещенной зоны E_g1 пространственных областей 5 первого типа активного полупроводникового слоя 3. Носители заряда, захваченные в пространственные области 6 второго типа, обеспечивающие их локализацию в трех направлениях (аналог квантовой точки)? могут рекомбинировать, испуская фотон с энергией hω₂, соответствующей ширине запрещенной зоны E_g2 пространственных областей 6 второго типа активного полупроводникового слоя 3.

Настоящая полупроводниковая структура поясняется исследованиями при помощи метода трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ). Изображения ТЭМ поперечного сечения структур с релаксировавшими слоями In_xGa_1-xAs среднего состава 30% (фиг.2), 40% (фиг.3), 50% (фиг.4) и 60% (фиг.5) позволяют видеть, что активные полупроводниковые слои в случае х=30 ат.%, 40 ат.% и 50 ат.% являются планарными, однако в них присутствуют неровности интерфейсов, связанные с релаксацией упругих напряжений. При этом для состава х=60 ат.% четко наблюдается релаксация с образованием островков квантовых точек (известный метод Странского-Крастанова). Таким образом, описанный выше активный полупроводниковый слой возникает при среднем составе индия в слое менее 60%.

На фиг.6 показано полученное при помощи трансмиссионного электронного микроскопа темнопольное изображение в отражении, чувствительном к упругим напряжениям, поперечного сечения полупроводниковой структуры по настоящему изобретению, содержащей 10 активных полупроводниковых слоев, сформированных в результате осаждения слоя InGaAs со средним содержанием х индия 40 ат.%. В поперечном направлении четко видно наличие диполей из темных и белых пятен, которые показывают, что возникают чередующихся в плоскости активного полупроводникового слоя 3 пространственные области большей толщины и большим содержанием индия (области 6 второго типа) и пространственных областей меньшей толщины и меньшего состава по индию (области 5 первого типа).

Размер индий-обогащенных областей составляет 15-20 нм, высота их примерно равна или чуть больше ширины осажденного слоя 3-15 нм, то есть в них осуществляется локализация носителей в трех направлениях, при этом расстояние между ними колеблется от 15 до 40 нм, что позволяет оценить их среднюю поверхностную плотность от 6·10¹⁰ до 5·10¹¹ см^-2, что в 5-10 раз превышает плотность стандартных КТ, полученных известным методом Странского-Крастанова.

Пример 1. Была изготовлена светоизлучающая полупроводниковая структура, включающая выращенные на полупроводниковой подложке GaAs с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на 2 градуса, 10 активных полупроводниковых слоев на основе In_xGa_1-xAs со средним содержанием х индия 40 ат.%, заключенных межу барьерными слоями из GaAs, а также светоизлучающая структура на основе 10 слоев квантовых точек InAs, полученных известным методом Странского-Крастанова. В спектре ФЛ светоизлучающей полупроводниковой структуры, включающей 10 активных полупроводниковых слоев, можно видеть наличие рекомбинации через два уровня: в пространственных областях первого и второго типа (Фиг 7). Интегральная интенсивность фотолюминесценции светоизлучающей полупроводниковой структуры на основе активных полупроводниковых слоев в 5 раз превосходила интенсивность светоизлучающей структуры на основе слоев квантовых точек InAs, что показывает большую плотность областей второго типа в активном полупроводниковом слое по сравнению с плотностью квантовых точек.

Пример 2. Была изготовлена полупроводниковая структура GaAs фотопреобразователя на полупроводниковой подложке GaAs с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на 10 градусов, область объемного заряда р-n перехода которой включала 10 активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.%. Такая полупроводниковая структура продемонстрировала уровень внешней квантовой эффективности около 20% в области поглощения пространственных областей первого типа и около 15% в области поглощения пространственных областей второго типа (фиг.7).

Пример 3. Была изготовлена полупроводниковая структура фотопреобразователя на полупроводниковой подложке GaAs с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на 6 градусов, область объемного заряда р-n перехода которой включала 20 активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.%. Такая полупроводниковая структура продемонстрировала уровень внешней квантовой эффективности около 35% в области поглощения пространственных областей первого типа и около 30% в пространственной области поглощения областей второго типа, а также обеспечила прирост фототока порядка 3 мА/см² по сравнению со стандартным GaAs фотопреобразователем (фиг.8).

Пример 4. Были созданы фотопреобразователи на полупроводниковой подложке GaAs с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на 6 градусов, с 10 активными слоями на основе активного полупроводникового слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х от 20 до 50 ат.%, а также фотопреобразователи на полупроводниковой подложке GaAs с 10 слоями КГ, полученных известным методом Странского-Крастанова, при релаксации слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х от 60 до 100 ат.%. Максимальный прирост фототока за счет введения активных слоев или слоев квантовых точек наблюдался при концентрации индия от 20 до 50 ат.% (фиг.9).

Пример 5. Была синтезирована лазерная эпитаксиальная структура по настоящему изобретению на полупроводниковой подложке GaAs с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на 6 градусов, с активной полупроводниковой областью, включающей 5 активных полупроводниковых слоев на основе слоя In_xGa_1-xAs со средним составом индия х=40 ат.%, с волноводом из GaAs толщиной 150 нм, ограниченным эмиттерными слоями Al_0,34Ga_0,66As. Также была синтезирована лазерная эпитаксиальная с известной активной областью на основе квантовых точек InAs, формируемых по механизму Странского-Крастанова и покрытых слоем In_0,15Ga_0,85As толщиной 5 нм. В волноводе GaAs толщиной 400 нм, ограниченном эмиттерными слоями Al_0,7Ga_0,3As, было повторно осаждено 5 рядов таких квантовых точек. Кроме того? была синтезирована лазерная эпитаксиальная с известной активной областью на основе одиночной квантовой ямы In_0,2Ga_0,8As, помещенной в волновод GaAs толщиной 400 нм, ограниченный эмиттерными слоями Al_0.34Ga_0.66As. Из структур были изготовлены лазерные диоды полосковой конструкции различной длины со сколотыми гранями с шириной полоска 100 мкм. Длина волны генерации лежала в диапазоне 1,11-1,09 мкм для лазеров с активной областью, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, 1,85-1.265 мкм в структуре с квантовыми точками InAs/lnGaAs, 0,99-0,98 мкм в структуре с квантовой ямой InGaAs. Из экспериментальных ватт-амперных характеристик, измеренных для лазерных диодов разной длины, была определена зависимость оптического медового усиления от плотности тока накачки, а также зависимость пороговой плотности тока от оптических потерь. Было проведено сравнение оптического модового усиления в лазерных структурах с активной областью, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, и с квантовыми точками InAs/InGaAs (фиг.10). Наибольшее значение модового усиления в структуре с активной областью, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, составило 54 см^-1, тогда как в структуре с квантовыми точками InAs/InGaAs - составило 23 см^-1 (в 2,34 раза меньше). Лазерная структура с активной областью, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, обладает узким волноводным слоем и эмиттерными слоями с относительно низким содержанием алюминия. Согласно расчетам, это приводит к снижению в 1,334 раза фактора оптического ограничения по сравнению с известной лазерной структурой с квантовыми точками InAs/InGaAs. С учетом различия в величинах модового усиления и фактора оптического ограничения, материальное усиление активной области, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, в 3,12 раз превышает материальное усиление известной активной области на основе квантовых точек InAs/InGaAs, формируемых по механизму Странского-Крастанова. Было проведено сравнение пороговой плотности тока и длины волны лазерной генерации лазера с активной областью, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, и известного лазера с квантовой ямой InGaAs (фиг.11). Отнесенная на один слой активной области, наименьшая величина пороговой плотности тока составила 46 А/см² в структуре с активной областью, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, и 110 А/см² в структуре с квантовой ямой InGaAs. При этом длина волны лазерной генерации в структуре с активной областью, сформированной в соответствии с настоящим изобретением, более чем на 100 нм превысила длину волны лазерной генерации в известном лазере на основе квантовой ямы InGaAs.

Claims

1. Полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств, включающая полупроводниковую подложку с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на 0,5-10 градусов, и по меньшей мере один р-n переход, включающий по меньшей мере один активный полупроводниковый слой, заключенный между двумя барьерными слоями с шириной запрещенной зоны E_g0, состоящий из граничащих с барьерными слоями и чередующихся в плоскости активного полупроводникового слоя пространственных областей первого и второго типов, при этом пространственные области первого типа имеют ширину запрещенной зоны E_g1<E_g0, а пространственные области второго типа имеют ширину запрещенной зоны E_g2<E_g1.

2. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что ширина запрещенной зоны E_g0, ширина запрещенной зоны E_g1 и ширина запрещенной зоны E_g2 удовлетворяют соотношениям:
E_g0-E_g1≤130 МэВ,
E_g1-E_g2≤130 МэВ.

3. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что области второго типа выполнены в виде обогащенных индием областей, ограниченных в поперечном направлении барьерными слоями, а в продольном направлении - ограниченных обедненными индием областями первого типа.

4. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что полупроводниковый твердый раствор, соответствующий среднему составу активного слоя, рассогласован с барьерными слоями по параметру решетки не более чем на 4%.

5. Полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что барьерные слои и активный полупроводниковый слой выполнены из твердого раствора AlGaInAs.

6. Полупроводниковая структура по п.5, отличающаяся тем, что барьерные слои выполнены из GaAs или твердого раствора GaInAs с содержанием индия не более 2 ат.%, а активный полупроводниковый слой выполнен из In_xGa_1-xAs со средним содержанием х индия 20-50 ат.%.

7. Полупроводниковая структура по п.6, отличающаяся тем, что области второго типа выполнены в виде обогащенных индием областей с размером в плоскости, параллельной плоскости подложки, 5-40 нм и средним составом y>х, ограниченных в поперечном направлении барьерными слоями, а в продольном направлении - ограниченных обедненным индием областями первого типа со средним составом z<x, при этом области второго типа имеют поверхностную плотность до 5·10¹¹ см^-2.

8. Полупроводниковая структура п.1, отличающаяся тем, что барьерные слои и активный полупроводниковый слой выполнены из твердого раствора AlGaInP.

9. Полупроводниковая структура по п.8, отличающаяся тем, что барьерные слои выполнены из твердого раствора GaInP с содержанием индия 48-52 ат.%, а активный полупроводниковый слой выполнен из In_xGa_1-xP со средним содержанием х индия (10-30) ат.%.

10. Полупроводниковая структура по п.5 или по п.8, отличающаяся тем, что выполнена в виде фотопреобразователя.

11. Полупроводниковая структура по п.5 или по п.8, отличающаяся тем, что выполнена в виде светодиода или лазерного диода.