Кремниевый излучатель белого света

Утверждением, что кремний — перспективный оптоэлекторонный материал, наверное, уже мало кого удивишь. Несколько месяцев назад на сайте ПЕРСТ была опубликована обстоятельная подборка материалов на эту тему [1]. И, хотя это все лишь первые признаки наступления кремниевой оптоэлектроники, на наших глазах сообщения об излучающих приборах на кремнии перестают восприниматься как экстремальная экзотика, а постепенно перемещаются в категорию проблем инженерной физики.

Однако кремний сохранил способность преподносить сюрпризы с неожиданной стороны.

В полупроводниковой электронике имеется проблема эффективного излучателя белого света. Собственно, еще недавно такой проблемы перед полупроводниковой электроникой не стояло. Появление красных, зеленых, а потом и синих полупроводниковых диодов и лазеров каждый раз неизменно и заслуженно воспринималось на "ура", но на монополию лампочки накаливания снабжать нас электромагнитным излучением в широком диапазоне длин волн никто всерьез не покушался. Да и хорошо усвоенные фундаментальные понятия физики полупроводников, такие, как ширина запрещенной зоны, излучательная рекомбинация и тому подобные, не стимулировали к поискам, казалось бы, невозможного и не очень нужного.

Ситуация переменилась, когда квантовый выход полупроводниковых излучателей в коротковолновой части видимого диапазона стал заметно превышать КПД лампочек накаливания. Стало понятно, что, преобразовав каким-либо образом имеющиеся коротковолновые кванты, мы сможем получать необходимый и привычный нам видимый свет гораздо более эффективно, чем теперь. Та же идея используется в лампах дневного света, где люминофор, нанесенный на стекло трубки, преобразует ультрафиолетовые линии возбужденных атомов ртути в широкополосное видимое свечение. Кстати, на органических полупроводниках источник белого света уже создан, причем в нем нет внешнего переизлучателя, а эффект белого свечения создается суперпозицией нескольких широких полос из разных областей спектра [2].

Однако при чем тут может быть кремний с его шириной запрещенной зоны в 1.1эВ, если даже для того, чтобы перекрыть видимый диапазон, нужно как минимум фотоны с энергией до 3эВ, а если иметь в виду создание источника для последующего переизлучения, то и того больше? Тем не менее, ошибки нет, кремний изучает белый свет. Эффект обнаружен, объяснен и опубликован в выходящем выпуске журналаPhysica B[3].

Для выяснения механизма этого излучения необходимо вспомнить принцип работы каскадного инфракрасного лазера, предложенного когда-то еще в СССР [4]. Такой лазер представляет собой последовательность одинаковых квантовых ям, смещенных

по потенциалу приложенным внешним напряжением. Носитель туннелирует в такую яму со дна соседней через достаточно тонкий потенциальный барьер; из-за взаимного смещения потенциалов носитель в новой яме оказывается в возбужденном состоянии и излучает. После этого, оказавшись на дне этой потенциальной мы, он снова туннелирует в соседнюю, лежащую ниже потенциальную яму и снова излучает на той же частоте, что и в предыдущей. Пройдя последовательность ям, электрон разменивает энергию электрического смещения, поданного на всю серию ям, на последовательность энергий квантов инфракрасного диапазона.

При создании в кремнии системы сверхтонких самоорганизующихся диффузионных профилей подобные последовательности ям (наподобие каскадных лазеров) могут образоваться как в валентной зоне, так и в зоне проводимости. (О технологии самоорганизующихся сверхтонких диффузионных профилей смотри в том же обзоре в Персте [1], ссылки [19,20].) При соответствующем подборе материала контактов приложение внешнего напряжения приводит и к инжекции дырок со стороны положительного электрода, и к встречной инжекции электронов из отрицательного электрода. И, как оказалось, потенциальные барьеры в подобных структурах получаются столь тонкими, что носители успевают "сходу" проскочить несколько барьеров и ям, не успев "срелаксировать" по энергии. В результате такая структура начинает излучать не только в результате внутризонных переходов (как в каскадных лазерах), но и по механизму межзонной рекомбинации между инжектированными электронами и дырками. И, поскольку в каждой яме оказываются носители, протуннелировавшие без потери энергии не только из соседних ям, но из целого набора вышележащих ям по соседству, энергия рекомбинирующих пар носителей, во первых — существенно превышаетE_gкремния, а, во вторых — из-за случайности процесса туннелирования испытывает довольно большой разброс и описывается Гауссовой функцией. Тут неожиданно вступает в игру еще один фактор: так называемая "кривая видности" глаза совершенно случайно(?) также хорошо описывается Гауссовой кривой. Более того, спектральное положение и ширина у "кривой видности" оказываются как раз такими же, как и у полосы видимого свечения из описываемых кремниевых структур. Сравнение профилей стандартной "кривой видности" и спектра свечения описанной структуры приведены на рисунке статьи [3]. Сходство приведенных кривых действительно очевидное. Вот так, благодаря Гауссовой функции, которая столь распространена в природе, узкозонный кремний оказался еще и излучателем белого света.

М. Компан ([email protected])

1. ПерсТ, 2001, 8, вып. 12, стр.3
2. Show-An Chen, Kuen-Ru Chuang, Ching-Ian Chao, Hsun-Tsing Lee. Syntetic Metals. 1996, 82, p.207-210
3. N.T.Bagraev, A.D.Bouravlev, L.E.Klyachkin, A.M.Malyarenko. Physica B (in press)
4. R.F.Kazarinov, R.A.Suris. Sov. Phys. Semicond. 1971, 51, p.77

from: PERST

add red. lent.