RU64818U1

RU64818U1 - LEDs OF THE MIDDLE INFRARED RANGE BASED ON THE THYRISTOR HETEROSTRUCTURE

Info

Publication number: RU64818U1
Application number: RU2006128489/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Сергеевич Молчанов; Юрий Павлович Яковлев; Николай Деев Стоянов; Биджигит Иржигитович Журтанов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "М-Лед"
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2007-07-10

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а именно к источникам инфракрасного излучения, излучающим в среднем инфракрасном диапазоне (1,6-2,4 мкм), и может быть использована для оптической спектроскопии различных газов и жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линий поглощения химических веществ. Задачей заявляемой полезной модели является повышение мощности излучения светодиодов диапазона 1,6-2,4 мкм. Указанная задача решается тем, что в источник инфракрасного излучения, содержащий активную область из материала А³B⁵ и его твердых растворов с заданной шириной запрещенной зоны и сформированным p-n переходомвведена одна дополнительная область из тех же материалов, что и первая. При этом ширина запрещенной зоны и толщина каждой последующей оптически связанной области удовлетворяют определенным соотношениям. Полученная n-p-n-Р тиристорная структура обеспечивает эффективную локализацию дырок и электронов с двух сторон гетерограницы II типа p-GaSb/n-GaInAsSb. Технический результат-увеличение внешней эффективности, энергетической мощности, световой мощности и силы излучения в излучателях, в том числе многолучевых излучателях, излучающих линейках и матрицах. 1 н.п., 2 з.п., 1 илл.The inventive utility model relates to the field of semiconductor optoelectronics, namely to sources of infrared radiation emitting in the middle infrared range (1.6-2.4 microns), and can be used for optical spectroscopy of various gases and liquids in the range of maximum intensity of characteristic absorption lines chemical substances. The objective of the claimed utility model is to increase the radiation power of LEDs in the range of 1.6-2.4 microns. This problem is solved in that an additional region of the same materials as the first is introduced into the infrared radiation source containing an active region of material A ³ B ⁵ and its solid solutions with a given band gap and a pn junction formed. In this case, the band gap and the thickness of each subsequent optically coupled region satisfy certain relations. The obtained npn-P thyristor structure provides efficient localization of holes and electrons on both sides of the p-GaSb / n-GaInAsSb type II heterointerface. The technical result is an increase in external efficiency, energy power, light power and radiation power in emitters, including multipath emitters, emitting arrays and matrices. 1 n.p., 2 z.p., 1 ill.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым устройствам, осуществляющим преобразование электрической энергии в световую энергию электромагнитных волн в среднем инфракрасном диапазоне (1,6-2,4 мкм), и может быть использована для оптической спектроскопии различных газов и жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линий поглощения химических веществ. Суть данного метода заключается в том, что молекулы газов обладают способностью поглощать часть излучения на определенных длинах волн, причем поглощение пропорционально концентрации газа в газовой смеси. Известно, что характеристические полосы поглощения целого ряда важных химических соединений лежат в средней инфракрасной области спектра. Среди них вода и ее пары (1.94 мкм), метан (1.65 мкм, 2.3 мкм), двуокись углерода (2.0 мкм), аммоний (2.25 мкм), и многие другие неорганические и органические вещества. Оптическая спектроскопия предъявляет очень высокие требования к излучателям. Они должны быть одночастотные, с узкой спектральной линией (<200 нм), оптической мощностью больше 1 мВт, иметь высокую стабильность работы в широком интервале температур.The utility model relates to semiconductor devices that convert electrical energy into light energy of electromagnetic waves in the middle infrared range (1.6-2.4 microns), and can be used for optical spectroscopy of various gases and liquids in the range of maximum intensity of characteristic absorption lines of chemical substances. The essence of this method is that gas molecules have the ability to absorb part of the radiation at certain wavelengths, and the absorption is proportional to the concentration of gas in the gas mixture. It is known that the characteristic absorption bands of a number of important chemical compounds lie in the mid-infrared region of the spectrum. Among them are water and its vapors (1.94 microns), methane (1.65 microns, 2.3 microns), carbon dioxide (2.0 microns), ammonium (2.25 microns), and many other inorganic and organic substances. Optical spectroscopy places very high demands on emitters. They should be single-frequency, with a narrow spectral line (<200 nm), optical power greater than 1 mW, and have high stability in a wide temperature range.

Известны дисперсионные (тепловые) источники излучения (www.draminski.com). В дисперсионных источниках излучения проволочка нагревается за счет протекающего через нее электрического тока и излучает в широком спектральном диапазоне по закону Планка. Специальные оптические фильтры вырезают нужный спектральный диапазон. К недостаткам такого типа источников можно отнести:Dispersion (thermal) radiation sources are known (www.draminski.com). In dispersive radiation sources, the wire is heated due to the electric current flowing through it and emits in a wide spectral range according to Planck's law. Special optical filters cut out the desired spectral range. The disadvantages of this type of sources include:

- Низкую эффективность (потребляется большая электрическая мощность, а из широкого спектра теплового излучения используется очень небольшая часть).- Low efficiency (large electrical power is consumed, and a very small part is used from a wide spectrum of thermal radiation).

- Плохое быстродействие (такой источник реально не может быть модулирован электрически, поэтому для обеспечения селективного усиления сигнала детектора используют механические модуляторы).- Poor performance (such a source really cannot be modulated electrically, therefore, mechanical modulators are used to provide selective amplification of the detector signal).

- Большие размеры (компактность такого сенсора ограничивается необходимостью использования дополнительных фильтров, модуляторов, а так же большой рассеиваемой тепловой мощностью).- Large sizes (the compactness of such a sensor is limited by the need to use additional filters, modulators, as well as a large dissipated thermal power).

Известны источники инфракрасного излучения, излучающие в среднем инфракрасном диапазоне 2-5 мкм (патент RU 2208268 С2 "Инфракрасный полупроводниковый излучатель"). В данной модели, использующей метод оптического возбуждения носителей (фотолюминесценция), коротковолновое излучение полупроводникового источника преобразуется в длинноволновое инфракрасное излучение с известной длиной волны. Заданная длина волны из диапазона 2-5 мкм достигается выделением из широкого спектра с помощью интерференционных фильтров. Недостатками такой конструкции являются:Known sources of infrared radiation emitting in the middle infrared range of 2-5 microns (patent RU 2208268 C2 "Infrared semiconductor emitter"). In this model, using the method of optical excitation of carriers (photoluminescence), the short-wavelength radiation of a semiconductor source is converted to long-wavelength infrared radiation with a known wavelength. The specified wavelength from the range of 2-5 microns is achieved by separation from a wide spectrum using interference filters. The disadvantages of this design are:

- низкая оптическая мощность излучения в диапазоне 1,6-2,5 мкм;- low optical radiation power in the range of 1.6-2.5 microns;

- большая ширина спектра излучения;- large width of the radiation spectrum;

- низкая эффективность, т.к. используется маленькая часть широкого спектра излучения;- low efficiency, because a small part of a wide spectrum of radiation is used;

- сложность конструкции.- the complexity of the design.

Известны полупроводниковые устройства (светодиоды), излучающие в среднем инфракрасном диапазоне (1,6-2,4 мкм), использующие гетеропереходы II типа на основе твердых растворов GaInAsSb/AlGaAsSb наиболее близкие по совокупности существенных признаков, принятые за прототип [см. Сб ФТП; вып.37(2003); с.996]. Для перекрытия всего интересующего диапазона длин волн 1,6-2,4 мкм в светодиодах, в качестве активной области, используются полупроводниковые материалы изопериодные к подложкам GaSb - четырехкомпонентные твердые растворы GaInAsSb, поскольку диапазон изменения ширины запрещенной зоны с изменением состава InGaAsSb соответствует диапазону длин волн 1,6÷2,4 мкм. В качестве ограничительных слоев в светодиодных гетероструктурах используются широкозонные четверные твердые растворы AlGaAsSb с большим содержанием алюминия, изопериодные к подложке GaSb. Преимущество данной гетероструктуры в том, что она образует гетеропереход второго типа, что позволяет снизить безизлучательную рекомбинацию, и, следовательно, повысить оптическую мощность светодиода.Known semiconductor devices (LEDs) emitting in the middle infrared range (1.6-2.4 μm) using type II heterojunctions based on GaInAsSb / AlGaAsSb solid solutions are the closest in the set of essential features adopted as a prototype [see Sat FTP; issue 37 (2003); p. 996]. To cover the entire range of wavelengths of 1.6–2.4 μm of interest in LEDs, semiconductor materials isoperiodic to GaSb substrates — four-component GaInAsSb solid solutions — are used as the active region, since the range of variation of the band gap with a change in the composition of InGaAsSb corresponds to the range of wavelengths 1.6 ÷ 2.4 μm. Wide-gap quaternary AlGaAsSb solid solutions with a high aluminum content, isoperiodic to the GaSb substrate, are used as the limiting layers in LED heterostructures. The advantage of this heterostructure is that it forms a heterojunction of the second type, which makes it possible to reduce nonradiative recombination, and, therefore, increase the optical power of the LED.

Известное устройство-прототип не обеспечивает необходимой оптической мощности светодиодов, а, следовательно, исключает возможность их использования в устройствах оптической спектроскопии.The known prototype device does not provide the necessary optical power of the LEDs, and, therefore, excludes the possibility of their use in optical spectroscopy devices.

Задачей заявляемого технического решения являлось повышение мощности излучения светодиодов диапазона 1,6-2,4 мкм.The objective of the proposed technical solution was to increase the radiation power of the LEDs in the range of 1.6-2.4 microns.

Поставленная задача решается тем, что используется новая светодиодная структура тиристорного типа на основе n-GaSb/p-GaSb/n-GaInAsSb/P-AlGaAsSb, обеспечивающую эффективную локализацию дырок и электронов с двух сторон гетерограницы II типа p-GaSb/n-GaInAsSb. Это позволит увеличить оптическую мощность в диапазоне 1,6-2,4 мкм в среднем в два раза.The problem is solved in that a new LED structure of the thyristor type based on n-GaSb / p-GaSb / n-GaInAsSb / P-AlGaAsSb is used, which provides effective localization of holes and electrons on both sides of the p-GaSb / n-GaInAsSb type II heterointerface. This will increase the optical power in the range of 1.6-2.4 microns on average twice.

Заявляемая конструкция высокоэффективного светодиода на основе тиристорной гетероструктуры II-типа иллюстрируется рисунком 1.The inventive design of a high-performance LED based on a thyristor II type heterostructure is illustrated in Figure 1.

На подложке GaSb n-типа формируется толстый (до 10 мкм) буферный слой n-GaSb, для уменьшения концентрации дефектов и улучшения структурного совершенства последующих слоев. В качестве активного слоя используется четверной твердый раствор n-GaInAsSb с переменным составом для обеспечения заданной длины волны. Между буферным и активным слоем для получения тиристорного эффекта вставлен тонкий (0,5 мкм) слой GaSb p-типа. В качестве ограничительного слоя для электронов используется четверной твердый раствор AlGaAsSb с содержанием алюминия 34% (Eg=1.1 эВ). В новой тиристорной гетероструктуре излучение возникает на границе гетероперехода II типа P-GaSb/n-GaInAsSb, с двух сторон которой обеспечивается эффективная локализация электронов и дырок и двухсторонняя инжекция дырок в активную область.A thick (up to 10 μm) n-GaSb buffer layer is formed on the n-type GaSb substrate to reduce the concentration of defects and improve the structural perfection of subsequent layers. As the active layer, a quadruple solid solution of n-GaInAsSb with a variable composition is used to provide a given wavelength. A thin (0.5 μm) p-type GaSb layer is inserted between the buffer and active layers to obtain a thyristor effect. An AlGaAsSb quaternary solid solution with an aluminum content of 34% (Eg = 1.1 eV) is used as a limiting layer for electrons. In the new thyristor heterostructure, radiation arises at the boundary of the P-GaSb / n-GaInAsSb type II heterojunction, on both sides of which efficient localization of electrons and holes and two-sided injection of holes into the active region are ensured.

Заявляемый светодиод работает следующим образом.The inventive LED operates as follows.

При подаче прямого смещения на структуру (+ к p-GaSb, - к n-GaSb), гетеропереход между встроенным р-слоем GaSb и активным слоем n-GaInAsSb оказывается включенным в обратном направлении. Практически все приложенное напряжение падает на этом переходе. Одновременно, переходы между n-GaSb и When a direct bias is applied to the structure (+ to p-GaSb, - to n-GaSb), the heterojunction between the built-in p-layer of GaSb and the active layer of n-GaInAsSb turns on in the opposite direction. Almost all applied voltage drops at this junction. At the same time, transitions between n-GaSb and

встроенным слоем, а так же между p-AlGaAsSb и n-GaInAsSb включены в прямом направлении. Инжектированные с этих переходов носители пролетают, соответственно, встроенный слой и слой активной области и накапливаются с двух сторон обратно смещенного перехода между p-GaSb и n-GaInAsSb (положительный заряд на р-типе и отрицательный на n-типе). При определенном значении напряжения происходит переключение тиристора. Высота обратно включенного барьера p-GaSb/n-GaInAsSb резко падает за счет накопленного с двух сторон границы заряда дырок и электронов. Накопление дырок и электронов между р-GaSb и n-GaInAsSb создает благоприятные условия для излучательной рекомбинации в этой граничной области. При включении тиристора происходит двухсторонняя инжекция дырок в активную область n-типа из соседних областей p-GaSb и p-AlGaAsSb.embedded layer, as well as between p-AlGaAsSb and n-GaInAsSb are included in the forward direction. Carriers injected from these transitions fly over, respectively, the built-in layer and the active region layer and accumulate on both sides of the reverse biased transition between p-GaSb and n-GaInAsSb (positive charge on the p-type and negative on the n-type). At a certain voltage value, the thyristor switches. The height of the back-switched p-GaSb / n-GaInAsSb barrier decreases sharply due to the hole and electron charge boundaries accumulated on both sides. The accumulation of holes and electrons between p-GaSb and n-GaInAsSb creates favorable conditions for radiative recombination in this boundary region. When the thyristor is turned on, two-sided injection of holes into the n-type active region from neighboring p-GaSb and p-AlGaAsSb regions occurs.

Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства, изображенный на рисунке 1. Сравнение оптической мощности светодиода на основе тиристорной структуры с оптической мощностью, указанной в описании прототипа, подтвердило улучшение данного параметра: оптическая мощность светодиода увеличилась с 0,7 мВт до 1,7 мВт. Применение новой светодиодной конструкции позволит существенно улучшить параметры светоизлучающих приборов среднего инфракрасного диапазона (1,6-2,4 мкм).A prototype of the inventive device was made, shown in Figure 1. A comparison of the optical power of the LED based on the thyristor structure with the optical power indicated in the prototype description confirmed the improvement of this parameter: the optical power of the LED increased from 0.7 mW to 1.7 mW. The use of the new LED design will significantly improve the parameters of light-emitting devices of the middle infrared range (1.6-2.4 microns).

Claims

A high-power mid-IR LED based on a thyristor heterostructure, including an n-GaInAsSb layer as an active region, AlGaAsSb as a bounding layer, and p-type GaSb 0.5 μm thick between the buffer and active layers to obtain a thyristor effect characterized by effective electron localization and holes and two-sided injection of holes into the active region of the LED.