Туннельный светодиод

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и квантовой электронике, в частности к тонкопленочным электролюминесцентным приборам, и может быть использовано в схемах передачи и обработки оптической информации. С целью повышения интенсивности электромагнитного излучения расширения интервала излучаемых частот и обеспечения возможности частотной модуляции излучения в туннельном светодиоде на основе структуры, образованной вырожденной полупроводниковой пленкой 2 п+- типа, туннельно тонкой диэлектрической пленкой 5 и электропроводящей пленкой 3. полупроводниковая пленка 2 ориентирована в кристаллографическом направлении, совпадающем с направлением, в котором производная эффективной массы электрона по энергии в зоне проводимости полупроводниковой пленки максимальна Электропроводящая пленка может быть выполнена из металла, сплава металлов либо из вырожденного полупроводника п -типа, в котором положение дна зоны проводимости в пространстве квазиимпульсов совпадает с положением дна зоны проводимости полупроводниковой пленки.2 з п. ф-лы 2 ил (/ С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИК (51)5 Н 01 1 33/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4120746/63 (22) 19.06,86 (46) 07.05.92. Бюл. N 17 (71) Московский энергетический институт (72) P.À.Âîëêîâ и А.Ф.Чуйко (53) 621.382(088,8) (56) Панков Ж, Оптические процессы в полупроводниках. — M.: Мир, 1973. с. 192, Панков Ж, Оптические процессы в полупроводниках. — M. Мир, 1973. с. 266, (54) ТУННЕЛЬНЫЙ СВЕТОДИОД (57) Изобретение относится к оптоэлектронике и квантовой электронике, в частности к тонкопленочным электролюминесцентным приборам, и может быть использовано в схемах передачи и обработки оптической информации, С целью повышения интенсивности электромагнитного излучения. расширения интервала излучаемых частот и

„„. Ц „„1 732402 А1 обеспечения возможности частотной модуляции излучения. в туннельном светодиоде на основе структуры, образованной вырожденной полупроводниковой пленкой 2 птипа, туннельно тонкой диэлектрической пленкой 5 и электропроводящей пленкой 3. полупроводниковая пленка 2 ориентирована в кристаллографическом направлении, совпадающем с направлением, в котором производная эффективной массы электрона по энергии в зоне проводимости полупроводниковой пленки максимальна. Электропроводящая пленка может быть выполнена из металла, сплава металлов либо из вырож+ денного полупроводника п -типа, в котором положение дна зоны проводимости в пространстве квазиимпульсов совпадает с положением дна зоны проводимости полупроводниковой пленки. 2 з.п. ф-лы.

2 ил.

1732402

Изобретение относится к оптоэлектронике и квантовой электронике, в частности к тонкопленочным электролюминесцентным приборам, и может быть использовано в схемах передачи и обработки оптической информации, Известны туннельные светодиоды на основе р -и перехода с перестраиваемой частотой излучения.

Недостатками такого светодиода являются малая интенсивность излучения и работа только в инфракрасной области спектра, что связано с невозможностью со.здания р-и переходов для большинства практически важных широкозонных полупроводников, а также старение светодиодов со временем.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является туннельный светодиод на основе структуры, образованной вырожденной полупроводниковой пленкой и -типа, туннельно-тонким диэлектриком и электропроводящей пленкой. В этом светодиоде спонтанное излучение с частотов h и=Ец возникает благодаря излучательной рекомбинации электронов из зоны проводимости полупроводника с дырками валентной зоны, которые образуются там в результате туннелирования из металла.

Недостатками укаэанного светодиода являются малая интенсивность излучения, невозможность частотной модуляции и низкая эффективность, связанная в тем, что

МОП-структура является неэффективным инжектором дырок, Целью изобретения является повышение интенсивности электромагнитного излучения, расширение интервала излучаемых частот и обеспечение возможности частотной модуляции излучения, Поставленная цель достигается тем, что в туннельном светодиоде на основе структуры, образованной вырожденной полупро+ водниковой пленкой и -типа, туннельно тонким диэлектриком и электропроводящей пленкой, полупроводниковая пленка ориентирована в кристаллографическом направлении, совпадающем с направлением, в котором производная эффективной массы электрона по энергии в зоне проводимости полупроводниковой пленки максимальна.

Электропроводящая пленка может быть выполнена из металла, сплава металлов или

+ вырожденного полупроводника и -типа, в котором положение дна зоны проводимости в пространстве квазиимпульсов совпадает с положением дна зоны проводимости пленки и -типа, На фиг,1 изображена структура туннельного светодиода; на фиг,2 — энергетическая диаграмма светодиода при обратном смещении eU < О, 5 Светодиод содержит подложку 1, вырожденную полупроводниковую пленку 2 и -типа, электропроводящую пленку 3, в которой выполнено окно 4, диэлектрическую пленку 5, диэлектрические области 6, метал10 лический контакт 7 к подложке 1. В качестве подложки 1 может быть, например, использован сильнолегированный GaSb, ориентированный в направлении , толщиной 30 мкм, на котором методом газофазной эпи15 таксии выращена полупроводниковая пленка 2 п -ба Sb с той же кристаллографической ориентацией, что и подложка, толщиной

5 мкм и концентрацией примеси Nd =

= 10 см . Диэлектрическая пленка 5 мо20 жет быть выполнена из пиролитически нанесенного окисла А!20з толщиной 50 А, Поверх атой пленки нанесена пленка 3 из р> толщиной 0,1 мкм. Металлический контакт 7 к подложке из In, Диэлектрические

25 области 6 из А!гОз служат для ограничения тока и уменьшения поверхностных эффектов. Область окна 4 для вывода излучения получена локальным травлением пленки 3.

Туннельный светодиод функционирует

30 следующим образом, При неквадратичном законе дисперсии компоненты тензора обратной эффективной массы электрона в полупроводниках зависят от волнового вектора k и, следова35 тельно, от энергии электрона в зоне проводимости Е = Е(к). Излучательные переходы носителей заряда в полупроводниках характеризуются зависящей от энергии носителя

A эффективной массой m ЩЕ). При этом эф40 фективная масса электронов в зоне проводимости растет по мере увеличения их энергии, При приложении отрицательного смещения к туннельному светодиоду (плюс

45 батареи питания на полупроводниковой пленке 2 и -типа. фиг.1) электроны туннели+ руют из состояний вблизи уровня Ферми металла на свободные состояния в зоне проводимости полупроводника с большей, чем

50 у дна зоны проводимости, энергией и, следовательно, с большей эффективной массой

m (Е). Поэтому вероятность упругих туннельных переходов, экспоненциально зависяшая от массы начального и конечного состояния туннелирующего электрона, рез5 ко убывает с ростом eU. В силу этой же причины резко возрастает вероятность излучательных туннельныx переходов с уровня Ферми металла на свободные состояния

1732402

50

55 вблизи дна зоны проводимости полупро- 10 водника, где эффективная масса электрона минимальна.

Из квантовомеханических расчетов следует, что при выполнении условий

15 п1 д(Е ) < п1о (1 Н вЂ” Е

Ч вЂ” ЕF д m ((E ) m ((EF ) д Е V — (EF — eV)

) где индекс а соответствует выбранному кристаллографическому направлению; V =

= Vp+ — (U-Ul<)+EF — высота эффективного 25

2 прямоугольного Gapbepa; — высота потенциал ьного барьера металл-диэлектрик; Up— встроенная разность потенциалов в барьере, mo — эффективная масса начального со- 30 стояния электрона в металлической пленке (принята равной массе свободного электрона), туннельный светодиод излучает полосу частот с максимумом, приходящимся на частоту й)м. eU/h. При этом выполняется 35 соотношение!(й м)/Тп» 1. Здесь in — интенсивности излучения предлагаемого туннельного светодиода, которая оценивается при помощи выражения

eU

40 (о)) - f h й) /Mif/ g1(E+eU-h а)) 92(Е)11(Е+ о

+ eU-h в )(1-. 2(Е))б Е, где 91 и 92 — плотности соответственно занятых состояний металла и свободных 45 состояний в зоне проводимости полупроводниковой пленки и -типа; f(E) — функция распределения Ферми-Дирака, Кроме того, явно учтено наличие смещения eU и выполнено условие сохранения энергии туннелирующего электрона Е = Е2=Е1-П м

Матричный элемент спонтанного перехода

Mif определяется в основном интегралом перекрытия волновых функций начального ф и конечного ф состояний туннелирующее

ro электрона Mif  J ф ф бх;! — толщина о диэлектрика;  — константа.

Формула изобретения

1. Туннельный светодиод на основе структуры, образованной вырожденной

+ полупроводниковой пленкой и -типа, туннельно тонким диэлектриком и электропроводящей пленкой, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности электромагнитного излучения, расширения интервала излучаемых частот и обеспечения воэможности частотной модуляции излучения, полупроводниковая пленка ориентирована в кристаллографическом направлении, совпадающем с направлением, в котором производная эффективной массы электрона по энергии в зоне проводимости полупроводниковой пленки максимальна.

2, Светодиод по п.1, отл ич а ю щийс я тем, что электропроводящая пленка выполнена из металла или сплава металлов, 3, Светодиод поп.1, отл ич а ю щийс я тем, что электропроводящая пленка выполнена из вырожденного полупроводника и+-типа, в котором положениедна зоны проводимости в пространстве квазиимпульсов совпадает с положением дна зоны проводимости полупроводниковой пленки и -типа.

1732402

40

50

Редактор Г.Гербер

Заказ 1586 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и откр. тиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Ер

Eñ

Составитель А.Ожередов

Техред M.Moðãåíòàë Корректор Л,Бескид