CN101933169A - 包括异质结的半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光器件(10)包括半导体结构(12)，该半导体结构包括：第一半导体材料(在本实例中为Ge)的第一主体(14)，该第一主体包括第一掺杂种类(在本实例中为n)的第一区；以及第二半导体材料(在本实例中为Si)的第二主体(18)，该第二主体包括第二掺杂种类(在本实例中为p)的第一区。所述结构包括结区(15)，该结区分别包括形成在第一主体(14)与第二主体(18)之间的第一异质结(16)，和形成在所述结构的第一和第二掺杂种类的区之间的pn结(17)。偏置装置(20)连接到所述结构，其在使用时反向偏置该pn结，从而致使发光。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件，更具体地涉及半导体发光器件和发光方法。
背景技术
已知在使用时反向偏置成击穿模式而发光的单片半导体发光器件，例如包括pn结的硅(Si)器件。在雪崩或场致发射击穿时偏置pn结引起电流增加，并且，由于与该结相关联的耗尽区的高电场中的高能载体，发生辐射复合和跃迁，产生光子。在间接能带隙半导体材料中，这一辐射过程不是所发生的主要的载体交互，该载体交互呈现可能不令人满意的电子到光子的量子效应。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可供选择的半导体发光器件和发光方法，申请人相信以此至少可以消除上述缺点。
按照本发明，提供一种发光器件，包括：
半导体结构，包括：
第一半导体材料的第一主体，该第一主体包括第一掺杂种类的第一区；
第二半导体材料的第二主体，该第二主体包括第二掺杂种类的第一区；
结区，该结区分别包括形成在第一主体与第二主体之间的第一异质结，和形成在该结构的第一和第二掺杂种类的区之间的pn结；以及
偏置装置，该偏置装置连接到该结构，其在使用时反向偏置该pn结，从而致使发光。
该第一半导体材料和该第二半导体材料两者中的至少一个可以包括间接能带隙半导体材料。在其他的实施例中，第一半导体材料和第二半导体材料两者中至少一个可以包括直接能带隙半导体材料。
优选地，第一半导体材料包括间接能带隙半导体材料，并且第二半导体材料包括间接能带隙半导体材料。
在一实施例中，第一和第二半导体材料两者包括间接能带隙半导体材料，优选地，第一半导体材料的导带与价带之间的能带隙小于第二半导体材料的导带与价带之间的能带隙。
至少第一半导体材料可以包括硅锗合金Si1-xGex，其中0≤x≤1。
在其他的实施例中，第一半导体材料可以包括硅锗合金Si1-x1Gex1，并且第二半导体材料可以包括Si1-x2Gex2，其中x2＜X1。
第一掺杂种类可以为n，并且第二掺杂种类可以为p。在其他的实施例中，可以使用相反的掺杂种类。
偏置装置可以用于将第一pn结反向偏置成击穿模式。该击穿模式可以为雪崩击穿、场致发射击穿、以及雪崩击穿和场发射击穿的组合三者中的一个。
第一异质结和pn结重合。在其他的实施例中，它们可以相互分隔开。
第一主体可以包括位于包括集成电路技术中通常使用的例如CMOS的硅或SOI(绝缘硅)衬底的第二主体上的锗层。
结区可以包括第一掺杂种类的第二半导体材料的第二区，异质结可以形成在第一主体与第二主体的第二区之间，并且pn结可以形成在第二主体的第二区与第二主体的第一区之间，以使得异质结通过第二主体的第二区与pn结分隔开。
在器件的另一个实施例中，第二pn结可以形成在第一主体的第一区、第二掺杂种类的第二半导体材料的另一主体和第二掺杂种类的第一主体的第二区两者中的一个之间，并且偏置装置可以构造为正向偏置第二pn结。
在器件的又一实施例中，结区可以包括在第二主体与该另一主体或第二掺杂种类的第一主体的第二区之间的第一掺杂种类的第二半导体材料和第一掺杂种类的第一半导体材料的一列交替层。
根据本发明的另一方案，提供一种发光方法，包括下列步骤：
使用半导体结构，该半导体结构包括：第一半导体材料的第一主体，该第一主体包括第一掺杂种类的第一区；第二半导体材料的第二主体，该第二主体包括第二掺杂种类的第一区；结区，该结区包括形成在第一主体与第二主体之间的第一异质结，和分别形成在第一和第二掺杂种类的结构的区之间的pn结；以及
反向偏置第一pn结，从而致使发光。
优选地，第一异质结被反向偏置成击穿模式。该击穿模式为雪崩击穿、场致发射击穿、以及雪崩击穿和场致发射击穿的组合三者中的一个。
附图说明
现在，参考附图，仅以实例的方式进一步描述本发明，其中：
图1为间接能带隙半导体材料硅的图解已知能带图；
图2为间接能带隙半导体材料锗的图解已知能带图；
图3为根据本发明的发光器件的第一实施例的图解表示；
图4为图3中的器件的图解能带图；
图5为发光器件的另一个实施例的图解表示；
图6为发光器件的又一实施例的图解表示；以及
图7为发光器件的再一实施例的图解表示。
具体实施方式
根据本发明的发光器件一般由图3中的附图标记10表示。
器件10包括半导体结构12。该结构包括：第一半导体材料(在本实例中为Ge)的第一主体14，该第一主体包括第一掺杂种类(在本实例中为n)的第一区；以及第二半导体材料(在本实例中为Si)的第二主体18，该第二主体包括第二掺杂种类(在本实例中为p)的第一区。结区15分别包括第一主体14与第二主体18之间的第一异质结16，以及在结构12的第一和第二掺杂种类的区之间的pn结17。偏置装置20连接到结构，其在使用时反向偏置pn结从而致使发光。在这一实施例中，异质结16和pn结17重合。在其他的实施例中，如下文所说明的，它们可以相互分隔开。
参考图1和图2，说明现有技术的器件的缺点。在图1中，示出了间接能带隙半导体材料硅的图解能带图。两个可能的辐射且有效的直接带间复合和能量跃迁表示为跃迁I和跃迁II。为了激活这两个跃迁，电子必须出现在图1所示的谷B(在锗的科学文献中也通称作T(“Tau”)谷)中。因为是有效的最低能量的点，所以通常谷A(在锗的科学文献中也通称作L谷)中有电子出现。然而，如果能够建立适合的条件，则谷B也可以填充有载体。从图1中可以看出，电子需要至少4eV的额外能量穿越势垒并填充谷B。在雪崩的条件下，Si中电子的碰撞电离能为1.8eV的阶(通常，碰撞电离的阀值能量被估计为能带隙能量的1.5倍，在图1中，Si的能带隙能量表示为1.2eV)。这意味着，一给予导带中的电子大于1.8eV的电压，电子就与主Si原子反应，并引起原子的碰撞电离。这样，电子在碰撞电离的过程中将损失它的能量。在雪崩的条件下电子获得足以穿越4eV势垒到达谷B的能量的可能性很小，因此不会发生辐射直接跃迁I和II。
参考图2中的间接能带隙半导体材料Ge的图解能带图，显然，从导带最小谷A穿越到局部最小谷B的势垒仅为1eV。由于Ge的较低的能带隙能量(0.66eV)，其碰撞电离的阀值能量也小于Si的碰撞电离的阀值能量。对于Ge而言，碰撞电离的阀值能量通常为0.8eV至0.9eV的阶。这意味着，在雪崩的条件下，少量电子可以穿越从谷A到谷B的势垒，但平均而言，电子的能量仍太小以至于不能对光发射的量子效应有大的影响。然而，已注意到，与Si相比较，Ge中的辐射跃迁导致较高的量子效应。
再次参考图3并且按照本发明，半导体发光器件10包括半导体结构12，该半导体结构包括：第一半导体材料(在本实例中为Ge)的第一主体14，该第一主体包括第一掺杂种类(在本实例中为n)的第一区；以及第二半导体材料(在本实例中为Si)的第二主体18，该第二主体包括第二掺杂种类(在本实例中为p)的第一区。结区15分别包括第一主体14与第二主体18之间的第一异质结16，以及在该结构12的第一和第二掺杂种类的区之间的pn结17。偏置装置20连接到该结构，在使用时反向偏置pn结，从而致使发光。
锗主体可以包括在如集成电路技术中通常使用的例如CMOS的硅或SOI(绝缘硅)衬底上的锗层。该结可以以诸如外延附生或化学键接等任何适当的生长和处理方式形成。
图4示出了图3中的器件的图解能带图。结17被反向偏置(由费米(Fermi)能级EF的移动表示)。由于电子将从p型材料移动到耗尽区20中，并且在硅中电子的电离概率将大于在空穴中电子的电离概率，所以作为碰撞电离的结果，在硅侧的耗尽区中将产生大量的过剩电子。在电场的影响下，这些电子朝着结16、17的n侧14漂移。当电子从Si到Ge穿越冶金结16时，在导带的上方大量的这些电子被激活到大于1eV的能量级。(在Si中碰撞电离的阀值能量约为1.8eV)。这意味着，如图2所示，随着电子进入结的Ge侧，它们具有比防止电子向谷B移动的1eV势垒高的能量。这意味着，从Si侧漂移到结的Ge侧的大量电子将填充Ge侧的谷B。在Ge中，空穴的电离系数大于电子的电离系数，并且，期望的是，如图2中的跃迁I所示，漂移到Ge侧的大量电子不参与碰撞电离，而是可用于与空穴的直接复合。与此同时，空穴将从n侧移动到耗尽区20中。由于在Ge中，空穴碰撞电离大于电子的碰撞电离，所以空穴在结的Ge侧增加，产生能够与从Si侧漂移且填充谷B的电子复合的大量空穴。也期望，在异质结16的Ge侧形成类似于量子阱的区22，在该区中载体可以被限制到pn结区中的一定体积或空间中，便于高能载体的进一步直接复合。
因此，期望的是，借助于反向偏置的异质结16，高能电子从结16的Si侧18被注入到Ge 14。期望至少这些电子中的一些填充图2所示的局部谷B，并且期望激活直接辐射跃迁，增加光发射过程的量子效应。与此同时，势阱22(或量子阱)形成在与冶金结16相邻的Ge主体14中，使得载体限制在那个体积中，导致甚至更多的辐射跃迁。
半导体材料的第一主体14可以包括Si1-x1Gex1，并且半导体材料的第二主体18可以包括Si1-x2Gex2。在上述的实施例中，X2＜X1。使用Si1-xGex合金，通过改变合金合成因子x，可以改变能带结构。Si:Si1-xGex异质结可以用于改变能带结构、以及碰撞电离的阀值能量的值，从而满足发射波长、操作电压等的不同要求。
期望的是，在一定的条件下，与掺杂种类为n的Si主体18和掺杂种类为p的Ge主体14相反极性的pn异质结也可以导致量子效应的提高。
作为Ge主体14与Si主体18的距离的函数的电场强度可以为相当的值。在载体的碰撞电离系数在Ge中高于Si中的情况下，期望的是，在结的Si侧发生击穿之前，随着反向电流的关联增加，首先在结16的Ge侧发生雪崩击穿机制。这可能导致仅少量高能电子从结的Si侧移动到Ge侧，导致较高的电子注入级，并减少了如上所述的增加量子效应的优点。
器件100的另一个实施例表示在图5中，该器件包括第一主体14与第二主体18之间的薄的第二n型Si区30。在本实例中，异质结16通过第二Si区30与第一pn结17分隔开。在图5所示的pnn Si:Ge异质结的电场分布32中，已忽略了结晶应变的二阶效应、界面电荷、介电常数差等，这些可能导致异质结中电场分布的不连续(未示出)。
第二中央n型Si区30可以是窄的，导致耗尽区的少许扩散到n型Ge中，导致n型Ge内的电场强度较低。这一构造可以用于确保，随着高能电子从Si注入到Ge，雪崩击穿将首先发生在结的较高电场强度Si侧。
为了有辐射复合和能量跃迁，漂移到n型Ge中的大量高能电子必须以相同的体积与大量空穴混合。按照Ge中的电场的值，可以从两个来源提供n型Ge中的空穴。如果n型Ge中的电场足够大，则雪崩碰撞电离也可以发生在n型Ge中，在n型Ge中产生大量空穴，以与从Si侧漂移的大量电子相互作用。这将增加光子产生的量子效应。作为选择，如图6中的实施例200所示，如果n型Ge中的电场不存在或太小以至于不能发起碰撞电离，则大量空穴可以从形成在n型Ge主体14与p型Si主体36或p型Ge区之间的邻近的正向偏置的第二pn结34注入到n型Ge 14中。
在图7中，示出了指示为300的发光器件的又一实施例。邻近p型Si的第二主体18设置n型Ge(14.1至14.n)和n型Si(30.1至30.n)的一列交替的薄层。使得n型层的厚度很薄(大约几nm的厚度)，可以形成一连串的量子阱。期望的是，量子阱具有限制在小体积中的高浓度的电子和空穴，并且这一构造将增强电子和空穴的直接带间复合，导致随着量子效应的增加发射光子。
器件400的又一实施例表示在图8中，其中用p型Ge区代替图5所示的器件的外n型Ge区14。在本实例中，异质结16通过第二Si区30与第一pn结17分隔开。在图8所示的pnp Si:Ge异质结中的电场分布32中，已忽略结晶应变的二阶效应、界面电荷、介电常数差等，这些可能导致异质结中的电场分布的不连续(未示出)。
第二中央n型Si区30可以是窄的，使得耗尽区的少许扩散到p型Ge中，导致p型Ge内的电场强度较低。这一构造可以用于确保，随着高能电子从Si注入到Ge中，雪崩击穿首先发生在结的较高电场强度Si侧。
如果器件尺寸适当并且被适当地偏置，则这一构造允许Si pn结产生的高能电子穿透p型Ge。由于电子是高能的而注入到p型Ge的低电场区中，所以它们主要填充到Ge中的B谷，增强了直接复合。Ge的掺杂为p型确保了直接复合。Ge的掺杂为p型进一步确保大密度的环绕空穴出现在Ge中，导致增强直接复合和光发射。由于造成载体能量转换以及载体密度总体反转，所以器件也能够激发激光操作。
在一定的条件下，结合载体和光子限制技术的直接带间复合在结构的反向偏置模式下可以导致激光作用。
Claims (17)
1.一种发光器件，包括：
半导体结构，包括：
第一半导体材料的第一主体，所述第一主体包括第一掺杂种类的第一区；
第二半导体材料的第二主体，所述第二主体包括第二掺杂种类的第一区；
结区，所述结区分别包括形成在第一主体与第二主体之间的第一异质结，和形成在所述结构的第一和第二掺杂种类的区之间的pn结；以及
偏置装置，该偏置装置连接到所述结构，其在使用时反向偏置所述pn结，从而致使发光。
2.如权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一半导体材料和所述第二半导体材料两者中的至少一个为间接能带隙半导体材料。
3.如权利要求2所述的发光器件，其中，所述第一半导体材料为间接能带隙半导体材料，并且所述第二半导体材料为间接能带隙半导体材料。
4.如权利要求3所述的发光器件，其中，第一半导体材料的导带与价带之间的能带隙小于第二半导体材料的导带与价带之间的能带隙。
5.如权利要求4所述的发光器件，其中，至少第一半导体材料包括Si1-xGex，其中0≤x≤1。
6.如权利要求5所述的发光器件，其中，第一半导体材料包括Si1-x1Gex1，其中第二半导体材料包括Si1-x2Gex2，其中x2＜X1。
7.如权利要求6所述的发光器件，其中，第一掺杂种类为n，并且第二掺杂种类为p。
8.如前述权利要求中任一项所述的发光器件，其中，pn结被反向偏置成击穿模式。
9.如权利要求8所述的发光器件，其中，所述击穿模式是雪崩击穿、场致发射击穿、以及雪崩击穿和场致发射击穿的组合三者中的一种。
10.如权利要求1至9中任一项所述的发光器件，其中，第一异质结和pn结重合。
11.如权利要求10所述的发光器件，其中，第一主体包括位于包括硅衬底的第二主体上的锗层。
12.如权利要求1至9中任一项所述的发光器件，其中，所述结区包括第一掺杂种类的第二半导体材料的第二区，其中所述异质结形成在第一主体与第二主体的第二区之间，并且其中pn结形成在第二主体的第二区与第二主体的所述第一区之间。
13.如权利要求12所述的发光器件，其中，第二pn结形成在第一主体的第一区与在第二掺杂种类的第二半导体材料的另一主体或者第二掺杂种类的第一主体的第二区中的一个之间，其中偏置装置构造为正向偏置第二pn结。
14.如权利要求14所述的发光器件，其包括在第二主体与所述另一主体或第二掺杂种类的第一主体的第二区之间的第一掺杂种类的第二半导体材料和第一掺杂种类的第一半导体材料的一列交替层。
15.一种发光方法，包括下列步骤：
使用包括第一掺杂种类的第一半导体材料的第一主体的半导体结构，所述半导体结构包括：第二半导体材料的第二主体，所述第二主体包括第二掺杂种类的第一区；结区，所述结区分别包括形成在所述第一主体与第二主体之间的第一异质结，以及形成在所述结构的第一和第二掺杂种类的区之间的pn结；以及
反向偏置第一pn结，从而致使发光。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一异质结被反向偏置成击穿模式。
17.如权利要求12所述的方法，其中，所述击穿模式是雪崩击穿、场致发射击穿、以及雪崩击穿和场致发射击穿的组合三者中的一种。
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