FR2544133A1 - SEMICONDUCTOR DEVICE FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION - Google Patents
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Abstract
UNE COUCHE ACTIVE 3 D'UN LED OU LASER S'OBTIENT LORSQU'ELLE EST MUNIE DE COUCHES 8 OU DE FILS ISO-ELECTRONIQUES. CE BUT S'OBTIENT PAR APPLICATION DE COUCHES 8 TRES MINCES OU DE FILS TRES MINCES (EPAISSEUR AU MAXIMUM 2 COUCHES MONOMOLECULAIRES) DANS UN MATERIAU DE MATRICE 7 D'UN PREMIER MATERIAU SEMI-CONDUCTEUR. NOTAMMENT LORSQUE L'ECARTEMENT DE BANDE DU DEUXIEME MATERIAU EST INFERIEUR A CELUI DU MATERIAU DE MATRICE, IL SE PRODUIT DES EFFETS DE QUANTISATION DE FACON QUE DES EXCITONS PRESENTANT UNE GRANDE STABILITE SOIENT INTRODUITS LE LONG DES COUCHES OU FILS ISO-ELECTRONIQUES.AN ACTIVE LAYER 3 OF AN LED OR LASER IS OBTAINED WHEN IT IS EQUIPPED WITH 8 LAYERS OR ISO-ELECTRONIC WIRES. THIS AIM IS OBTAINED BY APPLYING 8 VERY THIN LAYERS OR VERY THIN THREADS (MAXIMUM THICKNESS 2 MONOMOLECULAR LAYERS) IN A MATRIX MATERIAL 7 OF A FIRST SEMICONDUCTOR MATERIAL. ESPECIALLY WHEN THE BAND SPRING OF THE SECOND MATERIAL IS LESS THAN THAT OF THE MATRIX MATERIAL, QUANTIZATION EFFECTS OCCUR IN A WAY THAT EXCITONS WITH GREAT STABILITY ARE INTRODUCED ALONG ISO-ELECTRONIC LAYERS OR WIRES.
Description
-1- "Dispositif semiconducteur servant à engendrer du rayonnement-1- "Semiconductor device used to generate radiation
6 lectromagn 6 tique".6 electromagnetic 6 ticks ".
L'invention concerne un dispositif semiconducteur servant The invention relates to a semiconductor device for
à engendrer du rayonnement électromagnétique dans une région semi- to generate electromagnetic radiation in a semi-region
conductrice active d'un premier matériau, matériau de matrice qui active conductor of a first material, matrix material which
est muni d'une façon structurée d'un deuxième matériau. is provided in a structured manner with a second material.
Un dispositif semiconducteur comme décrit ci-dessus est A semiconductor device as described above is
connu de la demande de brevet internationale (PCT) W 082-03946 pu- known from the international patent application (PCT) W 082-03946 pu-
bliée le 11 novembre 1982.blessed on November 11, 1982.
Des dispositifs semiconducteurs servant à engendrer du rayonnement électromagnétique sont appliqués dans divers domaines de la technique Ils peuvent se distinguer en dispositifs dont le rayonnement n'est pas cohérent et dispositifs dont le rayonnement émis est cohérent Dans le premier cas, il s'agit de plus souvent de LED (diode photoémettrice, en anglais "light emitting diode"), dans le dernier cas de lasers La longueur d'onde du rayonnement émis peut se situer dans la région visible du spectre, mais également par Semiconductor devices used to generate electromagnetic radiation are applied in various fields of the technique They can be distinguished into devices whose radiation is not coherent and devices whose emitted radiation is coherent In the first case, it is more often LED (light emitting diode), in the last case of lasers The wavelength of the emitted radiation can be in the visible region of the spectrum, but also by
exemple dans la région infrarouge ou ultraviolette. example in the infrared or ultraviolet region.
le rayonnement engendré par des lasers semiconducteurs connus présente en général (dans l'air) une longueur d'onde de 800 à 900 nanomètres Pour plusieurs raisons, il est désirable de réaliser the radiation generated by known semiconductor lasers generally has (in the air) a wavelength of 800 to 900 nanometers For several reasons, it is desirable to achieve
des lasers émettant du rayonnement du plus courte longueur d'onde. lasers emitting radiation of the shortest wavelength.
C'est ainsi que dans le cas de stockage d'information dans des por- This is how in the case of information storage in port-
teurs image et son (VLP, DOR, compact disc), la quantité de surface image and sound (VLP, DOR, compact disc), the amount of surface
nécessaire pour une seule information de bit est inversement propor- necessary for a single bit information is inversely proportional
tionnelle au carré de la longueur d'onde du rayonnement laser Une tional squared wavelength of laser radiation A
réduction de moitié de cette longueur d'onde permet donc de quadru- halving this wavelength therefore allows quadru-
pler la densité d'informations Un avantage secondaire est que les plus courtes longueurs d'onde permettent d'utiliser une optique plus simple. Une réalisation pratique d'un LED émettant de la lumière verte est connue de l'article intitulé "An Experimental Study of High Efficiency Ga P:N Green-Light-Emitting Diodes", paru dans RCA Review, Vol 33, septembre 1972, pages 517 à 526 On y décrit tant -2- pler information density A secondary advantage is that the shorter wavelengths allow the use of simpler optics. A practical realization of an LED emitting green light is known from the article entitled "An Experimental Study of High Efficiency Ga P: N Green-Light-Emitting Diodes", published in RCA Review, Vol 33, September 1972, pages 517 to 526 It describes both -2-
des LED o la diode est formée par du matériau semiconducteur mono- LEDs where the diode is formed by mono-semiconductor material
cristallin, par exemple du phosphure de gallium que des LED o des héterojonctions sont formées entre du phosphure de gallium et du phosphure d'aluminium-gallium, le phosphure de gallium pouvant être crystalline, for example gallium phosphide as LEDs or heterojunctions are formed between gallium phosphide and aluminum-gallium phosphide, the gallium phosphide can be
de type p aussi bien que de type n.p-type as well as n-type.
Afin d'augmenter l'efficacité quantique de tels TLED, le In order to increase the quantum efficiency of such TLEDs, the
phosphure de gallium est dopé à l'aide d'azote Il s'avère que l'ef- gallium phosphide is doped with nitrogen It turns out that the eff-
ficacité quantique augmente jusqu'à une certaine valeur avec la quantité d'impuretés d'azote Une trop grande quantité d'azote se quantum efficiency increases to a certain value with the amount of nitrogen impurities Too much nitrogen is
traduit cependant par la déformation du réseau du phosphure de gal- translated however by the deformation of the network of the phosphide of gal-
lium par formation de complexes et, de ce fait, une réduction de l'efficacité quantique De plus, l'azote qui est plus éloigné de la lium by formation of complexes and, as a result, a reduction in quantum efficiency In addition, the nitrogen which is farther from the
jonction pn, absorbe fortement le rayonnement, de sorte que la quan- pn junction, strongly absorbs radiation, so that the quan-
tité de rayonnement émis en réalité diminue davantage Ia dissolu- tity of radiation actually emitted further decreases the dissolu-
tion, a priori, dans du phosphure de gallium, d'azote jusqu'à la tion, a priori, in gallium phosphide, nitrogen up to the
limite de solubilité n'a donc pas de sens. solubility limit therefore does not make sense.
Ladite demande de brevet internationale W 082-03946 décrit une structure de laser dans laquelle la région active est constituée par un nombre relativement élevé de couches actives d'un matériau Said international patent application W 082-03946 describes a laser structure in which the active region consists of a relatively large number of active layers of a material
semiconducteur présentant un écartement de bande direct, come l'ar- semiconductor with direct band spacing, such as the
séniure de gallium, qui sont situées entre et séparées par des cou- gallium seniure, which are located between and separated by co-
ches de barrière d'un matériau semiconducteur présentant un écarte- barrier shields of a semiconductor material having a spreader
ment de bande indirect, comme l'arséniure d'aluminium Ces couches indirect tape like aluminum arsenide These layers
actives et ces couches de barrière constituent ensemble un superré- active and these barrier layers together constitute a super-
seau, qui présente un écartement de bande effectivement situé entre celui de Ga As ( 1,35 e V) et celui de Al As ( 2,30 e V), notamment 1,57 bucket, which has a band spacing actually located between that of Ga As (1.35 e V) and that of Al As (2.30 e V), in particular 1.57
e V, de sorte que le rayonnement engendré présente une longueur d'on- e V, so that the radiation generated has a wavelength
de notablement plus courte que dans le cas d'utilisation d'une cou- significantly shorter than when using a cut
che active uniquement constituée par de l'arséniure de gallium. active che consisting only of gallium arsenide.
Cet effet s'obtient par l'apparition de l'effet dit "quan- This effect is obtained by the appearance of the so-called "quan-
tum well" et de l'effet de superréseau L'effet "quantum well" se tum well "and the superlattice effect The" quantum well "effect
produit dans la région active lorsqu'une couche très mince du deu- produced in the active region when a very thin layer of the two
xième matériau semiconducteur est enfermée entre deux couches d'un premier matériau semiconducteur présentant un plus grand écartement de bande que le deuxième matériau TI en résulte que l'écartement de bande effectif dans la couche mince du deuxième matériau augmente et xth semiconductor material is enclosed between two layers of a first semiconductor material having a greater strip spacing than the second TI material as a result that the effective strip spacing in the thin layer of the second material increases and
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que par conséquent la longueur d'onde du rayonnement engendré dimi- that consequently the wavelength of the radiation generated decreases
nue L'effet de superréseau se produit par suite de la structure de The superlattice effect occurs as a result of the structure of
superréseau et résulte dans la conversion d'un matériau semiconduc- superlattice and results in the conversion of a semiconductor material
teur "indirect" en matériau semiconducteur effectivement "direct" eu "indirect" content in actually "direct" semiconductor material eu
égard aux transitions de bande des porteurs de charges Cela augmen- with regard to the band transitions of the charge carriers This increases
te la probabilité de la transition de rayonnement des porteurs de te the probability of the radiation transition of the carriers of
charges, ce qui permet d'obtenir une densité de rayonnement élevée. charges, which results in a high radiation density.
Pour une description de l'effet "quantum well", il y a lieu de s'en For a description of the "quantum well" effect, it should be noted
reférer à "Quantum Well Heterostructure Lasers " de N Holonyak et refer to "Quantum Well Heterostructure Lasers" by N Holonyak and
al, I E E E Journal of Quantum Electronics, Vol GE-16, N 2, fé- al, I E E E Journal of Quantum Electronics, Vol GE-16, N 2, fé
vrier 1980, pages 170 à 186.February 1980, pages 170 to 186.
Lors de la réalisation de telles structures de superréseau o l'épaisseur des couches actives varie entre 2 nanomètres et 50 nanomètres et l'épaisseur des couches de barrière entre 1 nanomètre et 20 nanomètres, il faut poser des exigences sévères notamment sur When making such superlattice structures where the thickness of the active layers varies between 2 nanometers and 50 nanometers and the thickness of the barrier layers between 1 nanometer and 20 nanometers, strict requirements must be placed, in particular on
la périodicité de la structure.the periodicity of the structure.
L'invention vise entre autres à définir un dispositif semiconducteur pour LED ou lasers, o se produit une densité de rayonnement aussi élevée que possible pour une intensité de courant The invention aims inter alia to define a semiconductor device for LEDs or lasers, where a radiation density occurs as high as possible for a current intensity
donnée, notamment à la température ambiante normale. given, especially at normal room temperature.
De plus, elle vise à définir un laser de la susdite struc- In addition, it aims to define a laser of the above-mentioned struc-
ture émettant du rayonnement à une longueur d'onde aussi faible que possible. Conformément à l'invention, un dispositif semiconducteur du genre mentionné dans le préambule est caractérisé en ce que le deuxième matériau est appliqué sous forme de fil ou de couche et les ture emitting radiation at as short a wavelength as possible. According to the invention, a semiconductor device of the kind mentioned in the preamble is characterized in that the second material is applied in the form of a wire or layer and the
dimensions du fil ou respectivement de la couche, vues dans une di- dimensions of the wire or of the layer respectively, seen in a di-
rection perpendiculaire au fil ou respectivement à la couche, sont section perpendicular to the wire or respectively to the layer, are
au maximum égales à l'épaisseur de deux couches moléculaires du deu- at most equal to the thickness of two molecular layers of the two
xième matériau semiconducteur et, vue dans la direction longitudina- xth semiconductor material and, viewed in the longitudinal direction
le du fil ou respectivement de la couche, la dimension est égale à the wire or layer respectively, the dimension is equal to
au moins cent fois l'épaisseur du fil ou respectivement de la cou- at least a hundred times the thickness of the wire or respectively of the
che. L'invention est basée entre autres sur l'idée que lesdits fils ou respectivement lesdites couches sont suffisamment minces pour être considérés comme des impuretés normales pour le matériau che. The invention is based, among other things, on the idea that said wires or respectively said layers are thin enough to be considered as normal impurities for the material.
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-4- semiconducteur les entourant, tout en pouvant être appliqué de façon -4- semiconductor surrounding them, while being able to be applied in a way
structurée à l'aide de techniques modernes comme l'Spitaxie à fais- structured using modern techniques such as Spitaxis
ceau moléculaire (FIBE) ou 1 épitaxie à partir de la phase de vapeur métallo-organique. De plus, dans le cas o les fils ou respectivement les couches sont constitués du matériau semiconducteur présentant un plus petit écartement de bande que le matériau de matrice, elle est basée sur l'idée qu'il se produit néanmoins un effet de perturbation en forme de puits quantique De plus, il est possible de choisir des matériaux tels qu'il en résulte une bonne adaptation du réseau Les dimensions dans la direction longitudinale du fil ou de la couche molecular skin (FIBE) or 1 epitaxy from the metallo-organic vapor phase. In addition, in the case where the wires or the layers respectively consist of the semiconductor material having a smaller band gap than the matrix material, it is based on the idea that there nevertheless occurs a disturbance effect in shape of quantum wells In addition, it is possible to choose materials such that this results in a good adaptation of the network The dimensions in the longitudinal direction of the wire or of the layer
sont suffisantes pour assurer la présence d'états liés. are sufficient to ensure the presence of bound states.
L'invention est ensuite basée sur l'idée que, dans ladite structure Ga P:N du susdit article du périodique, des couches (fils) convenablement structurées d'atomes d'azote peuvent être appliquées dans le matériau de matrice sans qu'il n'en résulte la formation de complexes de l'azote dans le matériau de matrice proprement dit Ce but est atteint du fait que les couches (fils) sont appliquées à des The invention is then based on the idea that, in said Ga P: N structure of the above-mentioned periodical article, suitably structured layers (wires) of nitrogen atoms can be applied in the matrix material without it this results in the formation of nitrogen complexes in the matrix material proper. This object is achieved by the fact that the layers (threads) are applied to
températures relativement basses et qu'il ne se produit pas de trai- relatively low temperatures and no milking occurs
tement thermique ultérieur Dans le matériau de matrice il ne se subsequent thermal retention In the matrix material it does not
produit par conséquent aucune absorption du rayonnement électroma- therefore produces no absorption of electromagnetic radiation
gnétique engendré.generated genetics.
De plus, un dispositif semiconducteur conforme à l'inven- In addition, a semiconductor device according to the invention
tion offre l'avantage que des exigences sévères concernant les di- The advantage is that stringent requirements for di-
mensions ne sont posées qu'aux couches ou fils structurées, (épais- mensions are only applied to structured layers or wires, (thick-
seur d'au maximum 2 couches moleculaires) alors que la structure maximum of 2 molecular layers) while the structure
n'est pas nécessairement périodique. is not necessarily periodic.
Selon une première forme de réalisation le premier maté- According to a first embodiment, the first material
riau et le deuxième matériau sont constitués respectivement par de riau and the second material consist respectively of
l'arséniure d'aluminium et de l'arséniure de gallium Un laser pré- aluminum arsenide and gallium arsenide A laser pre-
sentant une telle région semiconductrice active émet une lumière feeling such an active semiconductor region emits light
rouge (environ 630 nm) dans l'air.red (about 630 nm) in the air.
Selon une deuxième forme de réalisation, le premier maté- According to a second embodiment, the first material
riau et le deuxième matériau sont constitués respectivement par du riau and the second material consist respectively of
phosphure d'aluminium et du phosphure de gallium Un laser présen- aluminum phosphide and gallium phosphide A laser presents
tant une telle région semiconductrice active émet de la lumière ver- as such an active semiconductor region emits green light
25441 3:25441 3:
-5--5-
te (environ 540 nm) dans l'air.te (about 540 nm) in the air.
Dans lesdits deux cas, il se produit en outre une bonne adaptation du réseau des deux matériaux Dans lesdits exemples, l'exigence concernant l'épaisseur ou respectivement la section de la In these two cases, there is also a good adaptation of the network of the two materials. In the said examples, the requirement concerning the thickness or respectively the section of the
couche ou du fil implique qu'elle soit au maximum de 0,6 nanomètre. layer or wire implies that it is at most 0.6 nanometer.
D'autres exemples d'un deuxième matériau dans un matériau de matrice à plus grand écartement de bande sont par exemple: du phosphure d'indium dans du phosphure de gallium et de l'arséniure Other examples of a second material in a matrix material with greater band gap are for example: indium phosphide in gallium phosphide and arsenide
d'indium ou d'antimoine-gallium dans de l'arséniure de gallium Ou- indium or antimony gallium in gallium arsenide Or-
tre des lasers, il est possible de réaliser à partir de ce matériau également des IED présentant un rendement lumineux élevé pour une Being lasers, it is possible to produce from this material also IEDs having a high light output for a
faible intensité de courant Puis, par suite d'une moins bonne adap- low current intensity Then, as a result of poorer adaptation
tation du réseau, la déformation du réseau se traduit par une éner- tation of the network, the deformation of the network results in an
gie de liaisonaugmentée des excitons (paires de trou-électron), ce increased bond of excitons (hole-electron pairs), this
qui augmente la probabilité de transition du rayonnement électroma- which increases the probability of transition of electroma-
gnétique. Cette augmentation de la probabilité de transition par une énergie de liaison accrue des excitons se produit également lorsque genetic. This increase in the probability of transition by an increased bond energy of excitons also occurs when
le deuxième matériau est du nitrure de gallium et le premier maté- the second material is gallium nitride and the first material
riau est du phoshure de gallium, bien que dans ce cas, le deuxième riau is gallium phoshure, although in this case the second
matériau présente un plus grand écartement de bande. material has a larger band gap.
Ia description ci-après, en se référant aux dessins an- The description below, with reference to the drawings an-
nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- nexés, all given by way of nonlimiting example, will do well
prendre comment l'invention peut être réalisée. take how the invention can be made.
La figure 1 montre une vue schématique d'une diode photoé- Figure 1 shows a schematic view of a photo diode
mettrice (LED) conforme à l'invention. mettrice (LED) according to the invention.
La figure 2 montre schématiquement une section transversa- Figure 2 shows schematically a cross-section
le agrandie d'une partie du dispositif selon la figure 1. the enlarged part of the device according to Figure 1.
La figure 3 montre une variante de la figure 2 vue suivant la ligne IIIIII de la figure 4 o est montrée la vue en plan d'une Figure 3 shows a variant of Figure 2 seen along line IIIIII of Figure 4 o is shown the plan view of a
couche active dans un LED conforme à l'invention. active layer in an LED according to the invention.
La figure 5 montre schématiquement les niveaux d'énergie dans le matériau actif, alors que La figure 6 montre un laser conforme à l'invention et FIG. 5 schematically shows the energy levels in the active material, while FIG. 6 shows a laser according to the invention and
Ia figure 7 une variante du dispositif selon la figure 6. FIG. 7 a variant of the device according to FIG. 6.
Les figures sont représentées schématiquement et non à -6- The figures are represented schematically and not at -6-
échelle, et pour la clarté du dessin, dans les sections transversa- scale, and for the clarity of the drawing, in the cross-sections
les, les dimensions dans les directions de l'épaisseur notamment the, the dimensions in the directions of the thickness in particular
sont fortement exagérées D'une façon générale, les zones semicon- are strongly exaggerated Generally speaking, the semi-
ductrices du même type de conduction sont représentées de façon ha- of the same type of conduction are represented in a ha-
churée dans la même direction; sur les figures, les pièces corres- chured in the same direction; in the figures, the corresponding parts
pondaites sont en général désignées par les m Aemes chiffres de réfé- are generally designated by the same reference numbers.
rence. la diode photoémettrice (LED) I selon la figure 1 comporte un substrat n+ 2 d'arséniure de gallium, qui est dopé, par exemple à l'aide de soufre avec une concentration d'environ 1018 atomes/ cm 3 Sur ce substrat est appliquée la couche active 3, de type n, par exemple par épitaxie à l'aide d'un faisceau moléculaire (MBE) ou par épitaxie dans la phase vapeur métallo-organique (MOVPE) De plus, le dispositif selon la figure I est muni d'une zone annulaire p+ 4, qui est par exemple obtenue à l'aide d'une deuxième étape d'épitaxie et par décapage dans la forme requise Pour le cont Act, la zone 4 est munie d'une couche métallique 5 l'autre contact de rence. the light emitting diode (LED) I according to FIG. 1 comprises an n + 2 substrate of gallium arsenide, which is doped, for example using sulfur with a concentration of approximately 1018 atoms / cm 3 On this substrate is applied the active layer 3, of type n, for example by epitaxy using a molecular beam (MBE) or by epitaxy in the metallo-organic vapor phase (MOVPE) In addition, the device according to FIG. I is provided with 'an annular zone p + 4, which is for example obtained using a second epitaxy step and by pickling in the required form For the Cont Act, zone 4 is provided with a metallic layer 5 the other contact of
diode s'obtient à l'aide d'une couche mntallique 6, assurant le con- diode is obtained using a metallic layer 6, ensuring the con-
tact du substrat.tact of the substrate.
la couche active 3 est constituée par un matériau de ma- the active layer 3 is constituted by a material of ma-
trice 7, dans ce cas par exemple de l'arséniure d'aluminium de type n, les impuretés assurant la conduction de type N étant ajoutées trice 7, in this case for example of aluminum arsenide of type n, the impurities ensuring the conduction of type N being added
pendant la croissance épitaxiale au matériau de matrice. during epitaxial growth to the matrix material.
Conformément à l' invention (voir la figure 2), le matériau According to the invention (see Figure 2), the material
7 est muni de façon structurée d'un second matériau Dans cet exem- 7 is structurally provided with a second material. In this example
ple sont appliquées par croissance des couches 8 en arséniure de gallium selon une épaisseur d'une couche monomoléculaire d'arséniure de gallium (environ 0,3 nanomètre) De plus, la couche est au moins ple are applied by growing layers 8 of gallium arsenide according to a thickness of a monomolecular layer of gallium arsenide (about 0.3 nanometers) In addition, the layer is at least
cent fois (environ 30 nanomntres) plus longue ou large Dans le pré- a hundred times (about 30 nanometers) longer or wider In the pre-
sent exemple le matériau de matrice 7 comporte plusieurs couches 8 qui sont éloignées, les unes des autres, d'une distance d'environ 10 épaisseurs de couche monomoleculaires (environ 30 nm) de l'arséniure for example the matrix material 7 comprises several layers 8 which are spaced apart from each other by a distance of approximately 10 thicknesses of monolayer (approximately 30 nm) of the arsenide
de gallium Cette substance suffit pour assurer que les perturba- of gallium This substance is sufficient to ensure that disturbances
tions de potentiel (états liés) de deux couches différentes 8 ne se potential states (linked states) of two different layers 8 do not
perturbent pas mutuellement.not disturb each other.
2544 1 32544 1 3
-7--7-
Les couches 8 n'occupent pas nécessairement toute la su- The layers 8 do not necessarily occupy all of the
perficie de la région 3 mais peuvent être appliquées comme couches partielles à des hauteurs différentes, comme le montre la figure 3 o les couches 8 a, 8 b, 8 c, 8 d se situent dans divers plans et se area of region 3 but can be applied as partial layers at different heights, as shown in Figure 3 o layers 8 a, 8 b, 8 c, 8 d lie in various planes and are
recouvrent partiellement (voir la figure 4). partially overlap (see Figure 4).
Ia figure 5 montre un diagramme schématique d'énergie de la couche 3, vu dans la ligne V-V de la figure 3 Par suite de la pr&sence de la couche 8, il se produit une perturbation dans la structure de bande du matériau de matrice 7, qui pr 6 sente une autre forme que dans le cas d'un puits quantique, comme l'indique la ligne mixte 9 Dans ce dernier cas, 'plusieurs niveaux d'énergie discrets FIG. 5 shows a schematic energy diagram of layer 3, seen in line VV of FIG. 3 As a result of the presence of layer 8, there is a disturbance in the band structure of the matrix material 7, which has a different form than in the case of a quantum well, as indicated by the mixed line 9 In the latter case, 'several discrete energy levels
pour trous et électrons se trouvent dans le puits quantique, la re- for holes and electrons are in the quantum well, the re-
combinaison de rayonnement étant essentiellement présente entre le niveau le plus bas dans la bande de conduction et le niveau le plus combination of radiation being essentially present between the lowest level in the conduction band and the highest level
élevé de la bande de valence du matériau provoquant le puits quanti- high valence band of the material causing the quantum well
que (voir par exemple "Quantum-Well Heterostructure Lasers par N. Holonyak Jr et al, paru dans IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol GE- 16, N 2, février 1980, pages 170 et suivantes, notamment les pages 170 à 171) La recombinaison s'effectue à une fréquence that (see for example "Quantum-Well Heterostructure Lasers by N. Holonyak Jr et al, published in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol GE-16, N 2, February 1980, pages 170 and following, in particular pages 170 to 171) Recombination takes place at a frequency
située entre celle correspondant aux distances de bande des maté- located between that corresponding to the strip distances of the materials
riaux composants.components.
Dans la réalisation conforme à l'invention (une perturba- In the embodiment according to the invention (a disturbance
tion avec une épaisseur de couche d'au maximum deux couches molécu- tion with a layer thickness of up to two molecular layers
laires), la couche 8 fait pratiquement Office d'impureté Vue dans la direction suivant la ligne V-V, du point de vue de la mécanique laires), layer 8 is practically an office of impurity Seen in the direction along the line V-V, from the point of view of mechanics
quantique la perturbation ainsi introduite peut être considérée com- quantum the disturbance thus introduced can be considered as
me un puits de potentiel peu profond symétrique, pour lequel on peut démontrer qu'un seul niveau d'énergie n'est disponible près de la face supérieure du puits (voir entre autres Landau et Lifshitz "Quantum Mechanics", deuxième édition, Pergamon Press, 1965, pages à 67, 109 à 110, 156) Les trous et électrons liés par une couche me a symmetrical shallow potential well, for which it can be demonstrated that only one energy level is available near the upper face of the well (see among others Landau and Lifshitz "Quantum Mechanics", second edition, Pergamon Press , 1965, pages at 67, 109 to 110, 156) The holes and electrons linked by a layer
8 occupent par conséquent des niveaux d'énergie situés de façon di- 8 therefore occupy different energy levels
recte respectivement au-dessus de la bande de valence et au-dessous de la bande de conduction du matériau de matrice et constituent des excitons liés avec respectivement des électrons et des trous La distance d'énergie correspondante qui constitue une mesure de la 254413 r fréquence du rayonnement électromagnétique rayonné est représentée sur la figure 5 par le chiffre de référence 10 O la couche 8 se comporte comme une "face isoélectronique", ce qui veut dire une couche d'impuretés qui se manifestent comme des centres de rayonnement iso-électronique De tels centres sont formés par des impureteés présentant la propriété caractéristique de lier un électron et-un trou (dit exciton) à une énergie finie sans pouvoir recte respectively above the valence band and below the conduction band of the matrix material and constitute excitons linked with electrons and holes respectively The corresponding energy distance which constitutes a measure of the frequency 254413 radiated electromagnetic radiation is represented in FIG. 5 by the reference number 10 O layer 8 behaves like an "isoelectronic face", which means a layer of impurities which manifest themselves as centers of isoelectronic radiation such centers are formed by impurities having the characteristic property of binding an electron and a hole (called exciton) to a finite energy without being able
lier elles-mêmes une charge nette ou bien un électron ou-un trou. themselves link a net charge or an electron or a hole.
L'énergie de liaison élevée, provenant dans ce cas des The high bond energy, in this case from
niveaux d'énergie du puits de potentiel symétrique permet la recom- energy levels of the symmetric potential well allows the recom-
binaison dans la couche d'arséniure de gallium à une fréquence cor- hoeing in the gallium arsenide layer at a frequency
respondant à une énergie qui est pratiquement égale à la distance responding to an energy which is practically equal to the distance
d'énergie dans l'arséniure d'aluminium Ainsi, il est possible d'ob- of energy in aluminum arsenide So it is possible to
tenir du rayonnement d'une plus petite longueur d'onde que dans le hold radiation of a smaller wavelength than in the
matériau proprement dit de la couche 8. layer 8 material itself.
Par suite de ladite énergie de liaison élevée, les exci- As a result of said high bond energy, the exci-
tons présentent également une grande stabilité qui, de concert avec tones also exhibit great stability which together with
la densité élevée, augmente notablement, dans une couche iso-élec- the high density, notably increases, in an isoelectric layer
tronique, la possibilité de recombinaison de rayonnement à la fré- tronic, the possibility of recombination of radiation at the
quence correspondant à ladite énergie de liaison, notamment à la température ambiante normale les excitons sont liés pour ainsi dire à la couche In en résulte une densité de rayonnement élevée, le quence corresponding to said binding energy, in particular at normal ambient temperature the excitons are linked, so to speak, to the layer In, resulting in a high radiation density, the
long de la couche qui n'est pas perturbée par des pertes se produi- along the layer which is not disturbed by losses occurs
sant quelque part dans le matériau du fait que le rayonnement est essentiellement engendré le long de la couche, alors que l'arséniure health somewhere in the material because the radiation is essentially generated along the layer, while the arsenide
d'aluminium ne contient en outre pratiquement pas de centres de re- additionally contains practically no reference centers
combinaison Dans le présent exemple, il ne se présente également pas de pertes de rayonnement dues aux défauts de réseau du fait que combination In this example, there is also no radiation loss due to network faults because
l'arséniure d'aluminium et l'arséniure de gallium présentent prati- aluminum arsenide and gallium arsenide present practi-
quement la mêeme constante de réseauo N 1 en est de même pour les cou- the same network constant o N 1 is the same for the
ches ou les fils en phosphure de gallium dans du phosphure d'alumi- ches or gallium phosphide wires in aluminum phosphide
nium Des LED présentant une telle structure de couche active of- nium LEDs with such an active layer structure of-
frent par conséquent les avantages d'une plus petite longueur d'on- therefore have the advantages of a shorter wavelength
de, d'une efficacité plus élevée, alors que leur durée de vie est en of, of higher efficiency, while their lifespan is in
outre plus grande.besides larger.
254413-254413-
-9- Dans le cas de couches de phosphure de gallium dans du phosphure d'indium ou de l'arséniure de gallium dans de l'arséniure d'indium ou dans du gallium-antimoine, il se produit des différences -9- In the case of layers of gallium phosphide in indium phosphide or gallium arsenide in indium arsenide or in gallium-antimony, differences occur
de constantes de réseau Ainsi, des centres de recombinaison pour- network constants So, recombination centers for-
raient être introduits; il est cependant connu que dans des couches très minces (environ 10 couches monomoléculaires), la déformation de réseau peut être captée élastiquement sans provoquer la formation de centres de recombinaison (voir: Continuous 300 K-Laser operation of should be introduced; it is however known that in very thin layers (about 10 monomolecular layers), the network deformation can be captured elastically without causing the formation of recombination centers (see: Continuous 300 K-Laser operation of
strained Superlattices, par Mo J Ludowise et al, Appl Phys Iett. strained Superlattices, by Mo J Ludowise et al, Appl Phys Iett.
42 ( 6), 15 mars 1983, pages 487) Il est vrai que simultanément, 42 (6), March 15, 1983, pages 487) It is true that simultaneously,
l'énergie de liaison des excitons est notablement augmentée, de sor- the bonding energy of the excitons is notably increased, so
te que ceux-ci présentent une plus grande stabilité. te that these present a greater stability.
Un avantage analogue s'obtient dans le cas d'application de couches ou de fils en nitrure de gallium dans du phosphure de gallium, cas dans lequel le matériau de matrice présente une plus petit écartement de bande que le second matériau, il est vrai, mais l'application structurée permet d'obtenir une densité en excitons nette plus élevée dans du phosphure de gallium, notamment sur des faces ou fils isoélectroniques que selon les méthodes connues De plus, du fait que le matériau de matrice ne présente lui-même pas de centres de recombinaison indésirables, on a obtenu un LED présentant A similar advantage is obtained in the case of the application of layers or wires of gallium nitride in gallium phosphide, in which case the matrix material has a smaller band gap than the second material, it is true, but the structured application makes it possible to obtain a higher net exciton density in gallium phosphide, in particular on faces or isoelectronic wires than according to known methods. Furthermore, because the matrix material does not itself present of unwanted recombination centers, we obtained an LED with
un rendement plus élevé.higher yield.
le dispositif selon la figure 6 présente un laser semicon- the device according to FIG. 6 presents a semi-laser
ducteur 11 composé par un substrat 12 en arséniure de gallium de conductor 11 composed of a substrate 12 of gallium arsenide
type N à dopage élevé (Ga As) sur lequel sont formées plusieurs cou- type N with high doping (Ga As) on which several layers are formed
ches par croissance à l'aide d'épitaxie à faisceau moléculaire ou ches by growth using molecular beam epitaxy or
d'épitaxie en phase de vapeur métallo-organique -Le substrat 12 pré- metallo-organic vapor phase epitaxy -The substrate 12 pre-
sente par exemple une épaisseur de 200 micromètres et est dopé à l'aide d'environ 5 1018 atomes de sélénium/cm 3 Sur ce substrat sont appliquées respectivement une couche 13 en arséniure de gallium (Ga As) à dopage élevé d'une épaisseur d'environ 0,5 micromètre et un dopage de 3 1018 atomes de sélénium/cm 3, une couche 14 en feels for example a thickness of 200 micrometers and is doped with the aid of approximately 5 1018 selenium atoms / cm 3 On this substrate are applied respectively a layer 13 of gallium arsenide (Ga As) with high doping of a thickness about 0.5 micrometer and doping of 3 1018 selenium atoms / cm 3, a layer 14 in
Ga%,8 A 10,2 As de type N à dopage élevé (environ 1,5 1018 ato- Ga%, 8 A 10.2 As doped N-type As (about 1.5 1018 ato-
mes de sélénium/cm 3) d'une épaisseur d'environ 0,5 micromètre et une couche de type N 15 en arséniure d'aluminium d'une épaisseur de of selenium / cm 3) with a thickness of approximately 0.5 micrometer and a layer of type N 15 of aluminum arsenide with a thickness of
1,5 micromètre et à dopage de 8 1016 atomes de sélénium/cm 3. 1.5 micrometer and doped with 8 1016 selenium atoms / cm 3.
254413 z -10- Ensuite est appliquée la couche active 16 d'une épaisseur d'environ 50 nanomètres Cette couche est constituée par un matériau 254413 z -10- Next is applied the active layer 16 with a thickness of about 50 nanometers This layer consists of a material
de matrice en arséniure d'aluminium, dans lequel est/sont appli- of aluminum arsenide matrix, in which is / are applied
quée(s) de façon structurée une ou plusieurs couches en arséniure de gallilrn d'une façon analogue à la structure de la couche active 3 du quée (s) in a structured way one or more layers in gallilrn arsenide in a similar way to the structure of the active layer 3 of
LED comme décrit à l'aide des figures 1 à 4. LED as described using figures 1 to 4.
Le laser comporte en outre une couche de type p 17 en ar- The laser also has a p-type layer 17 at the rear.
séniure d'aluminium d'une épaisseur de 1,5 micromàtre présentant un 1.5 micrometer thick aluminum seniure with
17 317 3
dopage d'environ 3 1017 atomes/cm de zinc et une couche de con- doping of approximately 3 1017 atoms / cm of zinc and a layer of con-
tact de type p à dopage élevé 18 présentant un dopage d'environ high doped p-type tact 18 with doping of approximately
1.1019 atomes/cm 3 et une épaisseur de 0,1 micromètre. 1.1019 atoms / cm 3 and a thickness of 0.1 micrometer.
De plus, le laser 11 est muni de contacts metalliques 19 et 20 pour l'injection de courant Lorsqu'un certain courant de In addition, the laser 11 is provided with metal contacts 19 and 20 for current injection When a certain current of
seuil est dépassé, le laser 11 va émettre du rayonnement électroma- threshold is exceeded, the laser 11 will emit electromagnetic radiation
gnétique dans une direction perpendiculaire au plan du dessin. in a direction perpendicular to the plane of the drawing.
Dans le dispositif selon la figure 6, la largeur de la région active est limitée à par exemple 6 micromètres en réalisant, In the device according to FIG. 6, the width of the active region is limited to, for example, 6 micrometers by making,
à l'aide de l'électrode 20 qui,fait office de masque, un bombarde- using the electrode 20 which acts as a mask, a bombard-
ment de protons qui S 'étend jusque dans la région délimitée par la proton which extends to the region bounded by the
ligne interrompue 21 Ainsi, la région 16 est en majeure partie ren- broken line 21 So region 16 is mostly
due inactive et l'effet de laser ne s'effectue que dans une bande étroite. due inactive and the laser effect occurs only in a narrow band.
Le même résultat peut être obtenu par enlèvement par déca- The same result can be obtained by removal by deca-
page d'une partie de la structure de couches à l'aide de l'électrode 20 qui sert de masque Dans ce cas, on obtient un dispositif conmme page of part of the layer structure using the electrode 20 which serves as a mask In this case, a device is obtained as
représenté schématiquement sur la figure 7, les chiffres de référen- shown schematically in Figure 7, the reference figures
ce présentant la même signification que sur la figure 6 D'une façon générale, la cavité obtenue par décapage est remplie plus tard à this having the same meaning as in FIG. 6 In general, the cavity obtained by pickling is filled later at
l'aide d'un matériau de protection approprié. using suitable protective material.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux exem- It is obvious that the invention is not limited to the examples
ples décrits ci-dessus mais que plusieurs variantes sont possibles ples described above but that several variants are possible
pour le spécialiste sans sortir du cadre de la présente invention. for the specialist without departing from the scope of the present invention.
C'est ainsi que plusieurs autres combinaisons de matériaux peuvent This is how many other combinations of materials can
être choisies pour la couche active, émettant par exemple du rayon- be chosen for the active layer, for example emitting ray-
nement présentant une plus grande longueur d'onde Pour le matériau de matrice on peut choisir par exemple du phosphure d'indium et pour -11- les couches de l'antimoniure d'indium ou de l'arséniure d'indium De indation having a longer wavelength For the matrix material one can choose for example indium phosphide and for -11- the layers of indium antimonide or indium arsenide De
plus, il est possible d'utiliser des composés ternaires ou quater- more, it is possible to use ternary or quater-
naires choisis de façon appropriée De plus, comme on l'a déjà men- Appropriately chosen naires In addition, as already mentioned
tionné ci-dessus, il est possible d'appliquer des structures de fil mentioned above, it is possible to apply wire structures
au lieu de structures de couche.instead of layer structures.
De plus, au lieu d'injection de courant, il est possible d'utiliser l'injection d'électrons, par exemple dans le cas o une couche d'une composition mentionnée ci-dessus est utilisée dans un dispositif comme décrit dans la demande de brevet néerlandais In addition, instead of current injection, it is possible to use electron injection, for example in the case where a layer of a composition mentioned above is used in a device as described in the application. Dutch patent
N 8300631 au nom de la Demanderesse. N 8300631 in the name of the Applicant.
-12--12-
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