ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ИК-ДИАПАЗОНА

Изобретение относится к полупроводниковым источникам электромагнитного излучения, в частности к импульсным излучателям ИК-диапазона, и предназначено для использования в оптоэлектронных системах различного назначения, в которых синхронно с электрическим импульсом формируется и используется импульс излучения ИК-диапазона.

Известны аналоги заявленного изобретения [1-6], в которых используются лавинные S-диоды, имеющие π-ν-n структуру, для формирования светового импульса ИК-диапазона.

В [7-10] сообщается, что при переключении в проводящее состояние лавинный S-диод испускает импульсы электромагнитного излучения в спектральном диапазоне (0,9-1,2) мкм с максимумом, соответствующим λ=0,93 мкм. Излучение связывают с рекомбинацией электронно-дырочных пар через энергетический зазор зона проводимости - мелкие донорно-акцепторные центры.

Недостатком известных устройств является низкое значение внутреннего квантового выхода ~10^-4, которое связано с тем, что основная часть рекомбинационного потока электронов и дырок, образованных при лавинном пробое π-ν перехода, являющегося основой работы S-диода, идет безизлучательно через глубокие примесные центры железа либо хрома. Глубокие центры Fe, Cr формируют π-ν-n структуру и расположены вблизи середины ширины запрещенной зоны арсенида галлия.

Наиболее близким техническим решением является S-диод планарной конструкции [11]. Конструкция планарного S-диода включает π-ν-n структуру на основе арсенида галлия, компенсированного примесью железа либо хрома, и металлические контакты к ней. При переключении в проводящее состояние синхронно с электрическим импульсом S-диод, имеющий π-ν-n структуру, формирует импульс ИК-излучения со спектральным максимумом ~0,93 мкм, мощностью в импульсе ≅0,2 мВт. Наличие электрического импульса, способного синхронизировать импульс формируемого ИК-излучения, открывает широкие перспективы использования устройства в импульсной системной технике различного назначения. Однако область применения известного ИК-излучателя ограничена из-за низких значений мощности излучения. Оценки показывают, с учетом того, что внешний квантовый выход составляет 1% от внутреннего квантового выхода, коэффициент преобразования электрической энергии в световую (внутренний квантовый выход) составляет ничтожно малую величину ~10^-4.

Чрезвычайно важной технической задачей является увеличение внутреннего квантового выхода, что обеспечит широкое применение ИК-излучателя в современной импульсной технике.

Задача решается тем, что в S-диоде, содержащем π-ν-n структуру на основе арсенида галлия, компенсированного примесью железа или хрома, и металлические контакты к внешним π- и n-областям между выходным металлическим контактом и n-областью сформирован дополнительный высоколегированный слой p-типа проводимости с концентрацией дырок, превышающей концентрацию электронов базовой n-области.

На фиг.1 дано схематическое изображение π-ν-n-p структуры предложенного устройства (а) и ее энергетическая диаграмма. Диаграмма получена при подаче напряжения смещения (б) с полярностью, как показано на (а).

На фиг.2 показано схематическое изображение вольтамперной характеристики π-ν-n-p структуры устройства: 1-участок U<U_п с высоким (более 1 ГОм) сопротивлением π-ν перехода; 2- участок U>U_п отрицательного дифференциального сопротивления; 3-участок проводящего (менее 10 Ом) состояния π-ν перехода, на котором π-ν-n-p структура формирует импульс ИК-излучения.

На фиг.3 показана схема включения устройства, имеющего π-ν-n-p структуру, позволяющая сформировать импульс ИК-излучения и синхронизирующий его импульс тока на сопротивлении нагрузки R_н

Благодаря введению большой концентрации мелких акцепторных центров (формирование р-слоя), являющихся центрами излучательной рекомбинации, в образовавшейся π-ν-n-p структуре (фиг. 1) формируются навстречу включенные π-ν и n-p переходы; при этом при рабочей полярности напряжения смещения n-p переход включается в прямом направлении, обеспечивая высокоэффективное преобразование протекающего в структуре электрического тока в световое излучение.

В устройстве по изобретению устранены недостатки прототипа, связанные со спонтанной рекомбинацией через некоррелированное распределение мелких центров неравновесных электронно-дырочных пар, образованных вследствие лавинного пробоя π-ν перехода. В предложенной конструкции π-ν-n-p структуры достигается пространственное разделение областей формирования неравновесных носителей и области излучательной рекомбинации. Управляемая локализация рекомбинационного потока обуславливает высокоэффективное преобразование лавинного тока в световое излучение более высокой интенсивности. Поскольку сопротивление обратно-смещенного π-ν перехода (R_π-ν ≥ 1 ГОм) значительно превышает сопротивление p-n перехода, включенного в прямом направлении (R_p-n), то почти все приложенное напряжение смещения падает в области объемного заряда (ООЗ) π-ν перехода. При U<U_п, где U_п - напряжение переключения π-ν перехода в проводящее состояние (фиг. 2), сила тока, протекающего в структуре, ограничивается генерацией носителей в ООЗ π-ν перехода и составляет ≅10^-9 А, падение напряжения на прямо-смещенном p-n переходе не превышает ≅(0,1-0,2) В, в структуре протекает преимущественно диффузионный ток и излучательная рекомбинация отсутствует. При U>U_п в структуре развивается лавинный пробой π-ν перехода и переключение S-диода в проводящее состояние (вольт-амперная характеристика приведена на фиг. 2). При этом остаточное сопротивление π-ν перехода составляет менее 10 Ом, и сила тока в структуре резко возрастает до I_m≅(1-2) А (определяется величинами напряжения смещения и нагрузочного сопротивления). Резкое падение сопротивления π-ν перехода вызывает перераспределение приложенного напряжения в структуре излучающего устройства между теперь уже сравнимыми по величине сопротивлениями π-ν и p-n переходов. По существу, переключение π-ν перехода в проводящее состояние предложенной π-ν-n-p структуры срабатывает в качестве спускового механизма внутренней накачки структуры неравновесными электронно-дырочными парами. Это стимулирует в цепи прямо смещенного p-n перехода формирование импульса рекомбинационного тока; процессы рекомбинации через мелкие центры протекают преимущественно с излучением ИК-диапазона. Конструктивно n-область имеет толщину, не превышающую нескольких диффузионных длин электронов, поэтому из ООЗ π-ν перехода под действием сильного электрического поля носители заряда дрейфуют с предельной скоростью ~10⁷ см/с в ООЗ излучающего p-n перехода. Эти два процесса, дрейф свободных носителей заряда и перераспределение напряженности электрического поля идут одновременно и самосогласованно. В этом случае образование неравновесных электронно-дырочных пар определяется в основном дрейфом, что обеспечивает более крутые фронты излучаемого импульса в сравнении с прототипом и известными промышленными светодиодами. Квантовая эффективность рекомбинационного потока через мелкие центры вблизи n-области, примыкающей к ООЗ n-p перехода, на много порядков превышает квантовую эффективность рекомбинации вблизи π-ν перехода, где высокая концентрация глубоких компенсирующих центров стимулирует подавление излучательной рекомбинации. Экспериментально установлено, что в π-ν-n-p структуре мощность излучения возрастает более чем на два порядка в сравнении с прототипом и достигает 30 мВт в импульсе. Световой импульс формируется синхронно с электрическим импульсом тока. Для формирования импульсов света можно использовать напряжение смещения любой формы амплитудой U>U_п.

Устройство включается по схеме, приведенной на фиг. 3, и работает следующим образом. На устройство, имеющее π-ν-n-p структуру подается напряжение смещения, превышающее значение напряжения переключения π-ν перехода, U>U_п. Емкость С_о в цепи питания устройства заряжается за время τ_з=R_o·C_o до U≥U_п, при котором S-диод (π-ν переход) переключается в проводящее состояние, формируя на сопротивлении нагрузки R_н импульс прямоугольного электрического тока, длительность которого определяется временем разряда емкости τ_р=R_н·C_o на сопротивлении нагрузки, и составляла в нашем эксперименте ~13 нс. Синхронно с прямоугольным импульсом тока формируется импульс ИК-излучения мощностью ≥ 30 мВт.

Для определения мощности излучения π-ν-n-p структуры устройство помещалось в интегрирующую сферу. Экспериментально определено, что π-ν-n-p структура испускает импульсы электромагнитного излучения в спектральном диапазоне (0,9-1,2) мкм с максимумом, соответствующим λ=0,93 мкм, что подтверждает: излучение связано с рекомбинацией зона-мелкий акцепторный центр. При этом длительность светового импульса на уровне 0,1 амплитуды на (10-12) нс всегда превышает длительность электрического импульса. Длительность этого "послесвечения" связана, видимо, с временем жизни неравновесных носителей заряда. Фронт импульса излучения π-ν-n-p структуры не более 0,7 нс и близок к длительности переднего фронта электрического импульса длительностью ~0,5 нс. Для оценки мощности светового импульса проводилась калибровка ФЭУ по эталонной лампе. Использованный нами ФЭУ-28 имел интегральную чувствительность анода при 1200 нм ≅1 А/лм, а фотокатода S_фк=32 мкА/лм. Спектральная чувствительность на длине волны λ=0,93 мкм составляла S_λ=1,8 мА/Вт (калибровка проводилась по GaAs светодиоду). В схеме фотоприемника на сопротивлении нагрузки R_н=25 Ом наблюдается импульс амплитудой ≅40 Вт и длительностью ≅25 нс. Электрический импульс на сопротивлении нагрузки 50 Ом имеет амплитуду ≅150 В при длительности ≅13 нс. Учитывая, что коэффициент формы электрического и оптического импульсов составляет 0,4 и 0,5, соответственно, нетрудно рассчитать энергию и мощность светового и электрического импульсов. Энергия светового импульса составляет ~3,5·10^-10 Дж, электрического ~2,2·10^-6 Дж, что соответствует мощности светового импульса при переключении ~14 мВт, а коэффициент преобразования электрической энергии в ИК-излучение ≅2·10^-4. Учтем, что внешний квантовый выход S-диода η=η′·η_о, где η_о - внутренний квантовый выход, η′ - коэффициент вывода излучения. Для излучателей планарной конструкции η′ ≤ 1% [2], следовательно, по отношению к внутреннему квантовому выходу коэффициент преобразования электрической энергии в световую составляет ~0,02, что совпадает с расчетными данными излучательной рекомбинации p-n перехода. Реальная плотность тока, протекающего через π-ν переход в проводящем состоянии, составляет j_m=(10³÷10⁴) А/см². Это соответствует концентрации неравновесных носителей заряда (5·10¹⁴ ÷ 5·10¹⁵) см^-3. С учетом коэффициента преобразования, равного ~0,02, концентрация неравновесных носителей, рекомбинирующих излучательно, составляет 10¹³ ÷ 10¹⁴ см^-3. Следовательно, основная часть рекомбинационного потока идет излучательно через мелкие центры.

Таким образом, доказано, что поставленная цель достигается в предложенном устройстве. Конструкция устройства обладает новизной и позволяет достигнуть мощность излучения в импульсе ≥30 мВт, что более чем на два порядка превышает значения, достигаемые в прототипе.

Техническим результатом изобретения является увеличение внутреннего квантового выхода и мощности излучения устройства.

Источники информации

1. Роджер А. Арсенид-галлиевый ключ, коммутирующий сигналы мощностью 8,5 МВт за несколько наносекунд. //"Обзоры электронной техники. Сер. Электроника".-1990.-№26.-с.8-9.

2. Берг А., Дин П. /Светодиоды. - М.: ”Мир”.-1979,- 686 с.

3. М.Шур. /Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: "Мир".-1991.-632 с.

4. Auston D.H. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon. //Appl.Phys.Lett.-1975.-v.26,N1-p.101-107.

5. Picosecond Optoelectronic Devices //ed C.H.Lee, Academic Press.-Ornando, 1984, 234 c.

6. Вавилов В.С., Эфимиу П.К., Зардас Дж.Е. Долговременная релаксация неравновесной проводимости в полупроводниковых соединениях А³ В⁵. //УФН.-1999.-т.169,№2.-с.209-212.

7. Карауш А.С., Лукьянов С.П., Потемин Р.В., Толбанов О.П. Генератор импульсов наносекундной длительности на лавинных диодах. //Электронная промышленность.-1998.-№1-2.-с.93-95.

8. Толбанов О.П. "Арсенид галлия, компенсированный примесями с глубокими уровнями (электронные свойства, структуры, применение)". Докт. Дисс. - Томск - 1999. - 324 с.

9. Приходько Г.Л. Разработка и исследование быстродействующих S-диодов на основе компенсированного GaAs. //Канд. дисс. - Томск.-1979.-226 с.

10. Вилисов А.А., Гаман В.И., Диамант В.М., Фукс Г.М. Фотоэлектрические характеристики p-π-ν-n структур на основе GaAs(Fe). //ФТП.-1980.-т.14,№4.-с.625-628.

11. Прудаев И.А., Хлудков С.С., Скакунов М.С., Толбанов О.П.//ПТЭ. 2010. №4. С. 68.