[LT] Šis išradimas priklauso puslaidininkinių šviesos šaltinių sričiai ir gali būti naudojamas artimojo ir viduriniojo infraraudonojo diapazono šviesos ir lazeriniuose dioduose. Pasiūlytas šaltinis apima padėklą iš puslaidininkinės medžiagos, šviesą skleidžiantį sluoksniuotą darinį, užaugintą ant padėklo, kur sluoksniuotas darinys apima: a) kvantinės duobės sluoksnį, pagamintą iš pirmosios puslaidininkinės medžiagos, b) du apauginimo sluoksnius, išdėstytus iš abiejų kvantinės duobės sluoksnio pusių ir pagamintus iš antrosios puslaidininkinės medžiagos, c) du barjero sluoksnius, išdėstytus, atitinkamai, ant minėtų apsauginių sluoksnių, pagamintus iš trečiosios puslaidininkinės medžiagos, kur kvantinės duobės sluoksniai iš pirmosios medžiagos turi savyje bismuto atomų.
[EN] This invention belongs to the field of semiconductor light sources and can be used in near- and middle infrared range light emitting and laser diodes. The proposed light source comprises of semiconductor substrate, light emitting multilayer structure grown on the substrate and consisting of a) quantum well layer made from the first semiconductor material, b) two overgrowth layers located on both sides of the quantum well layer and made from the second semiconductor material, c) two barrier layers on overgrowth layers and made from the third semiconductor material, wherein the quantum well layers from the first material contain bismuth atoms.
[0001] TECHNIKOS SRITIS
[0002] Šis išradimas priklauso puslaidininkinių šviesos šaltinių sričiai ir gali būti naudojamas artimojo ir viduriniojo infraraudonojo diapazono šviesos ir lazeriniuose dioduose.
[0003] TECHNIKOS LYGIS
[0004] Vidurinysis infraraudonųjų bangos ilgių diapazonas (VIR) yra apibrėžiamas kaip elektromagnetinės spinduliuotės spektro dalis, esanti tarp optiniam ryšiui naudojamų artimojo IR diapazono (nuo ~2 µm) iki trumpabangio THz spinduliuotės bangos ilgių (30 µm). Ypač svarbi yra VIR diapazono dalis tarp 2 µm ir 4 µm, nes šiame bangos ilgių diapazone galime aptikti daugelio technologiškai reikšmingų medžiagų molekulių rotacinius ir vibracinius rezonansus, leidžiančius aptikti šias molekules. Todėl spektrinius VIR matavimus naudojantys justukai yra svarbūs eilei taikymų gamtosaugoje, medicinoje, saugos technikos ir karinėje pramonėje, bene svarbiausiam justukų komponentui - atitinkamo bangos ilgio šviesos šaltiniui, visą laiką egzistuoja nenutrūkstamas poreikis.
[0005] Tradicinių tipų lazeriai, pavyzdžiui, turintys tuliu, yterbiu, erbiu ar holmiu legiruotą aktyvųjį elementą - kietąjį kristalą ar skaidulą, spinduliuoja šioje spektrinėje srityje, tačiau tik atskiras siauras linijas, todėl juos naudojant nėra įmanoma perkloti visą reikalingą bangos ilgių diapazoną. Šį tikslą įmanoma pasiekti naudojant puslaidininkinius šviesos šaltinius, pagamintus A3B5 junginių pagrindu ir parenkant atitinkamas medžiagas ir atitinkamus prietaisų darinius.
[0006] Pavyzdžiui, dvigubos I tipo heterostruktūrų užaugintų ant GaSb padėklų pagrindu pagamintų lazerinių diodų spinduliuojamas bangos ilgis gali viršyti 3 µm (Grau et al., "Room-temperature operation of 3.26 µm GaSb-based type-I lasers with quinternary AlGalnAsSb barriers” 2005, Applied Physics Letters, 87, pp. 241 104-1-241 104-3). Jeigu aktyviajame sluoksnyje yra storas GaSb sluoksnis, didžiausias pasiekiamas bangos ilgis yra 1,8 µm, naudojant GaSb kvantines duobes, jis dar sumažėja. Todėl kvantinėse duobėse tenka naudoti mažesnius draustinių energijų tarpus εg turinčius trinarius ar keturnarius junginius, tokius kaip GaInSb ar GalnAsSb, barjero sluoksniams pasitelkti ir dar sudėtingesnius penkianarius AlGalnAsSb junginius. Visa tai kelia nemažai technologinių problemų ir ženkliai sumažina prietaisų patikimumą ir pakelia jų gamybos kaštus.
[0007] Tokių problemų galima išvengti pasitelkus gerai išvystytas GaAs ar InP padėklus naudojančias epitaksinio auginimo technologijas. Ypač patrauklu būtų gaminti VIR šviesos šaltinius pasitelkiant brandžią InP technologinę platformą, bet iki šiol net ir geriausi iš VIR prietaisų, kuriuos gaminant ji buvo panaudota - InAs kvantinių lazeriai, emituoja ne ilgesnes kaip 2,8 µm bangas (D. Jung, et.all., "2.8 µm emission from type-I quantum wells grown on InAsP/InP metamorphic graded buffers”, Appl. Phys. Lett., 101, 251107 (2012)). GaAs platformos pagrindu sukurtų šviesos šaltinių spinduliuotės spektras nesiekia ir 1 µm.
[0008] Yra žinoma, kad ant GaAs ar InP auginamų puslaidininkinių junginių draustinių energijų tarpus galima ženkliai sumažinti, o jų spinduliuojamus bangos ilgius padidinti, į jų kristalinę gardelę įterpus palyginti nedidelius bismuto atomų kiekius. GaAsBi epitaksinio auginimo technologija yra aprašyta (T. Tiedje, et. all., "Gallium arsenide semiconductor material incorporating bismuth and process for epitaxial growth", WO Patent, 2009/079777 Al). Fotoliumescencijos spektro maksimumas GaAsBi su 6 % Bi siekė 1,2 µm, mikrodiskiniai lazeriniai diodai iš šios medžiagos generavo 1,4 µm bangos ilgio signalą (X. Liu, et.all., "Continuous wave operation of GaAsBi microdisk lasers at room temperature with large wavelengths ranging from 1.27 to 1.41 µm”, Photonics Research 7 (2019) 508-512). Šioje srityje didžiausias proveržis būtų pasiektas tuomet, jei pavyktų GaAs padėklų pagrindu sukurti skaiduliniam optiniam ryšiui tinkamus 1,55 µm bangos ilgio lazerinius diodus.
[0009] Tinkama medžiaga InP atveju galėtų būti GaInAsBi, teoriškai su InP suderinto šio junginio spinduliuojama šviesa galėtų būti net 6 µm bangos ilgio. Tam reiktų įterpti apie 34 % Bi, bet technologija šiandien leidžia auginti tik ~7 % Bi turinčius GaInAsBi sluoksnius ir tai tik pakankamai plonus. Fig.1 yra parodyta GaAsBi ir GaInAsBi draustinių energijos juostų priklausomybės nuo įterptojo Bi dalies šių junginių gardelėse. Kvantinėse GaInAsBi duobėse su AlInAs barjerais stebėtos fotoliuminescencijos spektro maksimumas siekė 2,4 µm (R. Butkute, et.all., "Photoluminescence at up to 2.4 µm wavelengths from GalnAsBi/AlInAs quantum wells, Journal of Crystal Growth 391 (2014) 116-120), maždaug tokie pat bangos ilgiai buvo pasiekti ir tokias kvantines duobes turinčiuose šviesos dioduose (V. Pačebutas, "Single quantum well diodes from GaInAsBi emitting at wavelengths up to 2.5 µm, Infrared Physics and Technology, 111, (2020) 103567). Tuo tarpu tokio, 6 % Bi turinčio GaInAsBi sąstato draustinių energijų juostos tarpą atitinkančios spinduliuotės bangos ilgis turėtų būti lygus 3,1 µm, taigi bent 0,7 µm didesnis, nei pasiektas eksperimente. Savo išradime mes siūlome padidinti šviesos šaltinio spinduliuojamos bangos ilgį aktyviojoje jo srityje sudarant sudėtines kvantines duobes su papildomais kitos puslaidininkinės medžiagos sluoksniais.
[0010] JAV patente US6900467B2 yra aprašytas puslaidininkinis šviesos šaltinis su iš trijų medžiagų sluoksnių sudarytomis sudėtinėmis kvantinėmis duobėmis.
[0011] Pirmoji medžiaga, kurios draustinių energijų tarpas εg1 yra mažiausias, o storis yra lygus LZ sudaro kvantinės duobės sluoksnį.
[0012] Antrosios medžiagos su draustinių energijų tarpu εg2 > εg1 sluoksniais iš abiejų pusių apauginamas pirmosios medžiagos sluoksnis. Laidumo juostos kraštas šioje medžiagoje turi būti ne mažiau kaip per 100 meV aukščiau už pagrindinį elektronų energijos lygmenį Ee1 kvantinėje duobėje.
[0013] Iš trečiosios medžiagos (εg3 > εg2 > εg1) auginami sluoksniai, sudarantys kvantinės duobės barjerus (B1 ir B2); jų laidumo juostos kraštai turi būti ne mažiau kaip per 100 meV virš antrosios medžiagos sluoksnių laidumo juostos kraštų.
[0014] Tokiame šviesos šaltinio darinyje krūvininkų spindulinė rekombinacija vyksta tik pirmosios medžiagos sluoksnyje, o jų efektyvesnį surinkimą o, tuo pačiu, didesnį spinduliuotės intensyvumą bei spartesnį dinaminį atsaką užtikrina papildomi antrosios medžiagos sluoksniai. Tačiau dėl elektronų kvantinės sąspraudos atsiradęs pagrindinio elektronų energijos lygmens kvantinėje duobėje poslinkis ΔEe1 padidina spinduliuojamų šviesos kvantų energiją ir sumažina šaltinio bangos ilgį.
[0015] Sprendžiama techninė problema
[0016] Išradimu siekiama praplatinti šviesos šaltinių panaudojimo optiniuose dujų ir cheminiuose jutikliuose galimybes padidinant jų spinduliuojamos bangos ilgį iki verčių, artimų kvantinės duobės sluoksnio medžiagos optinės sugerties kraštui.
[0017] IŠRADIMO ESMĖ
[0018] Uždavinio sprendimo esmė pagal pasiūlytą išradimą yra ta, kas puslaidininkiniame šviesos šaltinyje, apimančiame padėklą iš puslaidininkinės medžiagos, šviesą skleidžiantį sluoksniuotą darinį, užaugintą ant padėklo, kur sluoksniuotas darinys apima: a) kvantinės duobės sluoksnį, pagamintą iš pirmosios puslaidininkinės medžiagos, b) du apauginimo sluoksnius, išdėstytus iš abiejų kvantinės duobės sluoksnio pusių ir pagamintus iš antrosios puslaidininkinės medžiagos, c) du barjero sluoksnius, išdėstytus, atitinkamai, ant minėtų apsauginių sluoksnių, pagamintus iš trečiosios puslaidininkinės medžiagos, kur kvantinės duobės sluoksniai iš pirmosios medžiagos turi savyje bismuto atomų; dviejų apauginimo sluoksnių iš antrosios medžiagos draustinių energijų juostos tarpas εg2 yra didesnis už tokį tarpą pirmojoje medžiagoje εg1, o laidumo juostos trūkis ΔEc12 sandūroje su pirmąja medžiaga yra mažesnis už valentinės juostos trūkį ΔEv12;
[0019] dviejų barjerų sluoksnių iš trečiosios medžiagos draustinių energijų juostos tarpas εg3 yra didesnis nei antrojoje medžiagoje, o laidumo juostos trūkis ΔEc23 sandūroje su antrąja medžiaga yra didesnis už valentinės juostos trūkį ΔEv23.
[0020] Padėklas yra iš InP, pirmoji medžiaga yra GaInAsBi, antroji medžiaga yra GaInAs, o trečioji medžiaga yra AlInAs.
[0021] Padėklas yra iš GaAs, pirmoji medžiaga yra GaAsBi, antroji medžiaga yra GaAs, o trečioji medžiaga yra AlGaAs.
[0022] Išradimo naudingumas
[0023] Siūlomas puslaidininkinis šviesos šaltinis, kurio aktyviojoje srityje yra sudėtinės kvantinės duobės sudarytos iš trijų skirtingų medžiagų sluoksnių: duobės sluoksnio iš pirmosios medžiagos, apauginimo sluoksnių iš antrosios medžiagos ir barjerų sluoksnių iš trečiosios medžiagos. Laidumo juostos trūkis heterosandūroje tarp pirmosios ir antrosios medžiagų ΔEc12 privalo būti mažesnis už valentinės juostos trūkį ΔEv12 šioje sandūroje; laidumo juostos trūkis heterosandūroje tarp antrosios ir trečiosios medžiagų ΔEc23 privalo būti didesnis už valentinės juostos trūkį ΔEv23.
[0024] Daugumoje heterosandūrų, sudarytų iš A3B5 grupės puslaidininkių, ΔEc > ΔEv, todėl pirmąją sąlygą yra sunku patenkinti. Tam tinka puslaidininkiniai junginiai, kuriuose dalis penktos grupės atomų yra pakeisti bismutu. Bismuto įterpimas daugiau paveikia valentinės juostos lygmenų energinę padėtį, todėl heterosandūrose tarp bismidų ir kitų A3B5 junginių valentinės juostos trūkiai yra didesni nei laidumo juostoje.
[0025] Tai, kad siūlomuose šviesos šaltiniuose kvantinių duobių sluoksniuose yra panaudoti bismidiniai junginiai, gali turėti porą papildomų pranašumų. Visų pirma, Bi įvedimas ne tik mažina draustinių energijų juostos tarpą, bet ir didina dėl sukinių orbitinės sąveikos atsiradusį valentinės juostos suskilimą (SO). GaInAsBi SO energija viršija εg kuomet junginyje yra 3,5 % Bi, o GaAsBi tai atsitinka prie 9 % Bi. Tokiomis sąlygomis nebegali vykti Auger rekombinacijos procesai, kuriuose dalyvauja skylės iš SO valentinės juostos ir šviesos sugertis dėl krūvininkų šuolių į šią juostą. Dėl to sumažės ir nespindulinių elektronų šuolių tikimybė, ir šiluminiai nuostoliai šviesos šaltiniuose. Kitas bismidų pranašumas yra mažesnė nei kituose A3B5 puslaidininkiuose jų draustinių energijų tarpo priklausomybė nuo temperatūros, kas, pavyzdžiui, lazerinių diodų atveju sumažins energijos nuostolius maitinant diodo temperatūrą stabilizuojančius termoelektrinius šaldiklius.
[0026] TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMAS
[0027] Norint geriau suprasti išradimą ir įvertinti jo praktinius pritaikymus, pateikiami šie aiškinamieji brėžiniai. Brėžiniai pateikiami tik kaip pavyzdžiai, kurie neriboja išradimo apimties.
[0028] Fig. 1 yra pavaizduota GaInAsBi draustinių energijų tarpo priklausomybė nuo bismuto dalies junginyje.
[0029] Fig. 2 yra pavaizduota GaInAsBi/AlInAs kvantinės duobės energijų juostų diagrama.
[0030] Fig. 3 yra pavaizduota siūlomo šviesos šaltinio aktyviosios srities kvantinių duobių energijos juostų diagrama.
[0031] Fig. 4 yra pavaizduota šviesos diodo darinio sluoksnių struktūra.
[0032] Fig. 5 yra pavaizduoti neapaugintos GaInAs papildomais sluoksniais QW1 ir apaugintos jais QW2 pavienių GaInAsBi kvantinių duobių su 6 proc. Bi fotoliuminescencijos FL spektrai. Strėlėmis nurodytos teorinės FL maksimumų vertės.
[0033] Fig. 6 yra pavaizduoti šviesos diodų su viena neapauginta QW1 ir viena apauginta papildomais GaInAs sluoksniais QW2 GaInAsBi su 5,5 proc. Bi proc. Bi kvantinėmis duobėmis elektroliuminescencijos EL spektrai. Strėlėmis nurodytos teorinės EL maksimumų vertės.
[0034] Fig. 7 yra pavaizduoti šviesos diodų su trimis neapaugintomis QW1 ir trimis apaugintomis papildomais GaInAs sluoksniais QW2 GaInAsBi su 6 proc. Bi kvantinėmis duobėmis elektroliuminescencijos EL spektrai. Strėlėmis nurodytos teorinės EL maksimumų vertės.
[0035] Fig. 8 yra pavaizduotos trinarių GaAsBi ir GaInAs draustinių energijų juostos pločio priklausomybės nuo Bi ir In atomų dalies juose.
[0036] IŠRADIMO REALIZAVIMO PAVYZDŽIAI
[0037] Išradimą galima įgyvendinti, kuomet šviesos šaltinis yra pagaminamas iš puslaidininkių, kurių heterostruktūroje kvantinės duobės sluoksnį sudaro medžiaga, turinti bismuto atomų. Tokie bismuto turintys puslaidininkiai gali, pavyzdžiui, būti GaAsBi ar GaInAsBi. Šiuose A3B5 grupės puslaidininkiniuose junginiuose Bi atomų įvedimas pakelia valentinės juostos energijos lygmenis mažai įtakodamas laidumo juostos energijos lygmenų padėtį. Todėl laidumo juostos lygmenų trūkiai atitinkamose heterosandūrose: GaAsBi/GaAs ir GalnAsBi/GalnAs, yra nedideli, pavyzdžiui, pirmojoje iš išvardintųjų heterosandūrų laidumo juostos trūkiui tenka tik nuo 20 % iki 30 % GaAs ir GaAsBi draustinių energijų tarpų skirtumo.
[0038] Norint, kad GaAsBi draustinių energijų tarpas pasiektų 0,4 eV (atitinkamas bangos ilgis bus 3,1 µm), reikia įvesti apie 15 % Bi. Todėl VIR diapazono šviesos šaltiniams tinkamesnis bus antrasis medžiagų derinys. Minėtas draustinių energijų tarpas neįtemptame GalnAsBi yra pasiekiamas jau įterpus apie 6 % Bi (Fig. 1). Žinomame kvantinės duobės darinyje, kurio energijos juostų struktūra yra pavaizduota Fig. 2, elektronų ir skylių energijos lygmenys pasislenka. Mažesnių nei skylės efektinę masę turinčių elektronų energijos lygmuo E1e pasislenka daugiau už sunkiųjų skylių lygmenį E1hh, todėl optinio šuolio energija tampa didesnė nei draustinių energijų tarpas ir spinduliuotės bangos ilgis ženkliai išauga.
[0039] Siūlomas šviesos šaltinis, kurio darinys yra pavaizduotas Fig. 3, turi šviesą spinduliuojantį kvantinės duobės puslaidininkinis sluoksnį 1, apauginimo puslaidininkinius sluoksnius 2, išdėstytus iš abiejų kvantinės duobės sluoksnio 1 ir barjero puslaidininkinius sluoksnius 3, išdėstytus ant apauginimo sluoksnių 2. Minėtasis aktyvusis sluoksnių darinys yra užaugintas ant puslaidininkinio padėklo 4; auginimas pradedamas buferiniu puslaidininkiniu sluoksniu 5 ir baigiasi apsauginiu puslaidininkiniu sluoksniu 6. Ant išorinių sluoksnių 4 ir 6 yra suformuojami elektriniai kontaktai 7.
[0040] Toliau pateikiame pasiūlyto šviesos šaltinio gaminimą
[0041] Ant p-tipo InP padėklo 4 yra užauginamas 100 nm storio Ga0.47In0.53As buferinis sluoksnis 5,5 nm storio Al0.49In0.51As barjeras 3,10 nm storio apauginimo sluoksnis iš Ga0.47In0.53As 2,5 nm storio kvantinės duobės sluoksnis 1 iš Ga0.47In0.53As0.95Bi0.05 ir antrieji apauginimo sluoksnis 2 ir barjero sluoksnis 3. Sritis, apribota barjerais 3 sudaro sudėtinę kvantinę duobę, kurių šviesos šaltinio darinyje gali būti viena arba kelios. Darinio sluoksnių seka baigiasi apsauginiu 10 nm storio Ga0.47In0.53As sluoksniu 6 ir ant abiejų darinio pusių užgarintais elektriniais kontaktais 7.
[0042] Kvantinių duobių su apauginimo sluoksniais (Q2) ir be jų (Q1) fotoliuminescencijos ir elektroliuminescencijos spektrai yra palyginti Fig. 5 ir Fig. 6. Abiejuose eksperimentuose naudotos skirtingos bandinių poros, tačiau auginant kiekvieną iš jų stengtasi GalnAsBi sluoksniuose įvesti tokį pat bismuto atomų kiekį. Liuminescencijos spektrai buvo matuojami FTIR spektrometru Bruker Vertex 80; fotoliuminescencija buvo žadinama 808 nm bangos ilgio lazerio spinduliuote, o šviesos diodų elektroliuminescencijos spektrai matuoti per juos tekant 1A srovei. Iš šių iliustracijų matyti, kad abiem atvejais duobės apauginimo sluoksnių įvedimas sąlygojo ženklų spinduliuotės spektro raudonąjį poslinkį. Be to, apaugintų duobių spinduliuotės intensyvumas abiem atvejais irgi išaugo dėl pagerėjusio elektronų ir skylių surinkimo į duobes.
[0043] Kitas įgyvendinimo variantas, galintis turėti svarbių taikymų skaidulinio optinio ryšio prietaisų technologijoje, galėtų būti paraiškoje siūlomas šviesos šaltinis, pagamintas ant GaAs padėklo. Šiuo atveju pirmoji medžiaga būtų GaAsBi, antroji - GaAs, o trečioji medžiaga - AlGaAs. Į GaAs įvedus Bi, jo draustinių energijų tarpas mažėja daugiau nei 10 kartų sparčiau, neįvedus In atomus. GaAsBi draustinių energijų tarpas tampa mažesnis už 0,8 eV kai Bi dalis pasiekia 10 %, kas šiuo metu jau yra nesunkiai pasiekiama. Todėl panaudojus papildomus apauginimo sluoksnius yra įmanoma pasiekti trečiojo skaidulinio ryšio optinio lango bangos ilgį, lygų 1,55 µm.
1. Puslaidininkinis šviesos šaltinis, apimantis:
- padėklą iš puslaidininkinės medžiagos,
- šviesą skleidžiantį sluoksniuotą darinį, užaugintą ant padėklo, kur sluoksniuotas darinys apima:
a) kvantinės duobės sluoksnį, pagamintą iš pirmosios puslaidininkinės medžiagos,
b) du apauginimo sluoksnius, išdėstytus iš abiejų kvantinės duobės sluoksnio pusių ir pagamintus iš antrosios puslaidininkinės medžiagos,
c) du barjero sluoksnius, išdėstytus, atitinkamai, ant minėtų apsauginių sluoksnių, pagamintus iš trečiosios puslaidininkinės medžiagos, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad
kvantinės duobės sluoksniai iš pirmosios medžiagos turi savyje bismuto atomų;
dviejų apauginimo sluoksnių iš antrosios medžiagos draustinių energijų juostos tarpas εg2 yra didesnis už tokį tarpą pirmojoje medžiagoje εg1, o laidumo juostos trūkis ΔEc12 sandūroje su pirmąja medžiaga yra mažesnis už valentinės juostos trūkį ΔEV12;
dviejų barjerų sluoksnių iš trečiosios medžiagos draustinių energijų juostos tarpas εg3 yra didesnis nei antrojoje medžiagoje, o laidumo juostos trūkis ΔEc23 sandūroje su antrąja medžiaga yra didesnis už valentinės juostos trūkį ΔEv23.
2. Puslaidininkinis šviesos šaltinis pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad padėklas yra iš InP, pirmoji medžiaga yra GaInAsBi, antroji medžiaga yra GaInAs, o trečioji medžiaga yra AlInAs.
3. Puslaidininkinis šviesos šaltinis pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad padėklas yra iš GaAs, pirmoji medžiaga yra GaAsBi, antroji medžiaga yra GaAs, o trečioji medžiaga yra AlGaAs.