CN117751451A - 用于生成单光子的光电器件、相关存储器、复用器、植入物和方法 - Google Patents

用于生成单光子的光电器件、相关存储器、复用器、植入物和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117751451A
CN117751451A CN202280036200.5A CN202280036200A CN117751451A CN 117751451 A CN117751451 A CN 117751451A CN 202280036200 A CN202280036200 A CN 202280036200A CN 117751451 A CN117751451 A CN 117751451A
Authority
CN
China
Prior art keywords
contact
energy
value
voltage
optoelectronic device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280036200.5A
Other languages
English (en)
Inventor
朱利安·佩尔诺
塞德里克·马桑特
尼古拉斯·鲁热
马丁·卡
克莱芒特·埃贝尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Institut Polytechnique de Grenoble
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Universite Grenoble Alpes
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Institut Polytechnique de Grenoble
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Universite Grenoble Alpes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National Polytechnique de Toulouse INPT, Institut Polytechnique de Grenoble, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM, Universite Toulouse III Paul Sabatier, Universite Grenoble Alpes filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of CN117751451A publication Critical patent/CN117751451A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H01L25/167—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits comprising optoelectronic devices, e.g. LED, photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/0008—Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/0041—Devices characterised by their operation characterised by field-effect operation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/38—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/62—Arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body, e.g. lead-frames, wire-bonds or solder balls

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

本发明涉及一种器件(10)，所述器件(10)包括第一段(15)、第二段(20)、第一接触件(25)和第二接触件(30)，第一段(15)由具有第一掺杂的半导体制成，第二段(20)由具有第二掺杂的半导体制成，第二掺杂与第一掺杂不同，第一段(15)和第二段(20)形成pn结，所述pn结在第一段(15)中包括耗尽区(70)，接触件(25，30)被配置成使得：当在接触件(25，30)两端施加电压(V1)时，耗尽区(70)的尺寸取决于电压的值，第二段(20)的掺杂剂限定了电离能。该器件(10)包括发射器(40)，发射器(40)生成具有大于电离能的能量的辐射，并且利用该辐射对第二段(20)进行照射。

Description

用于生成单光子的光电器件、相关存储器、复用器、植入物和 方法
本发明涉及一种光电器件。本发明还涉及单光子生成器、存储器、复用器、植入物以及实现这种光电器件的方法。
包括至少一部分半导体材料的电子器件被用在多种应用中，该半导体材料的特性由施加在两个接触件之间的电压控制。
例如，晶体管使用具有不同类型掺杂的两个掺杂半导体部分之间的结，两个接触件之间的电压会改变所述结的耗尽区在两个部分中的至少一个中的延伸。具体地，使用具有给定值的电压可能导致耗尽区在一个部分的大比例中的延伸。
由于耗尽区是其中不存在自由载流子或存在非常少自由载流子的区域，因此在某些情况下，耗尽区的大延伸可能会阻断连接至其中一个部分的两个电焊盘之间的所有电传导，而对于其他值的电压，这两个焊盘之间存在导电沟道。
因此，此类器件可以根据其接触件之间是否施加电压以及根据该电压的值而在两种状态之间快速切换，并且此类器件被称为“结型场效应晶体管”或“JFET”。使用相同类型的控制的其他类型的器件，例如MOSFET晶体管或单光子发射器(尤其是单光子发射器)，有利地利用这种类型的控制来以简单且快速的方式进行切换。
然而，这些器件需要不可忽略的能量来保持其需要施加电压的状态，因为该电压必须永久施加。由于这种不稳定的性质，它们的能量消耗可能会很高，特别是在长时间段维持给定状态的情况下。
因此，需要一种在长时间段维持给定状态的情况下具有比现有技术的器件更低的能量消耗的光电器件。
为此目的，提出了一种光电器件，该光电器件包括第一部分、第二部分、第一接触件和第二接触件，第一部分由具有n型掺杂和p型掺杂中的第一类型掺杂的第一半导体材料制成，第二部分由具有n型掺杂和p型掺杂中的第二类型掺杂的第二半导体材料制成，第二类型掺杂与第一类型掺杂不同，第一部分和第二部分彼此接触并且形成p/n结，所述p/n结在第一部分中包括耗尽区，第一接触件电连接至第一部分，第二接触件电连接至第二部分，第一接触件和第二接触件被配置成使得：当在第一接触件与第二接触件之间施加电压时，耗尽区的尺寸取决于电压的值，
第二部分的掺杂剂限定了电离能，该电离能对于n型材料是掺杂剂的能级与导带能级之间的能量差，并且该电离能对于p型材料是价带能级与掺杂剂能级之间的能量差。
该光电器件还包括发射器，该发射器被配置成：生成具有大于或等于第二部分的掺杂剂的电离能的光子能量的电磁辐射，并且利用该辐射对第二部分进行照射。
根据有利但非强制性的实施方式，该器件具有单独地或根据所有技术上可能的组合的下述特征中的一个或更多个特征：
-光子能量严格小于第二部分的带隙值，所述带隙值是第二部分的导带与价带之间的能量差。
-该器件还包括温度调节器，所述温度调节器被配置成：将第二部分的温度维持在下述值：所述值使得第二部分中的载流子的热能小于或等于电离能的十分之一。
-该器件还包括控制器，该控制器被配置成：控制由所述发射器生成所述辐射；以及在利用所述辐射对第二部分进行照射时，对第一接触件与第二接触件之间的电压的值进行修改。
-光电器件是晶体管，并且光电器件还包括第三电接触件，第三电接触件电连接至第一部分，第一接触件是晶体管的源极，第二接触件是晶体管的栅极，以及第三接触件是晶体管的漏极，第一接触件和第二接触件被配置成使得：对于第一接触件与第二接触件之间的电压的给定值，耗尽区阻止电荷载流子在第一部分中在第一接触件与第三接触件之间通过。
-电离能大于或等于0.4电子伏特，特别地，电离能大于或等于1电子伏特，特别地，电离能大于或等于1.5电子伏特。
-第二种材料是金刚石。
-该器件在第一部分中包括至少一个NV中心，第一接触件和第二接触件被配置成使得：对于第一接触件与第二接触件之间的电压的第一值，耗尽区包括NV中心，并且对于电压的第二值，耗尽区不包括NV中心。
还提出了一种单光子生成器，所述单光子生成器包括如上所述的光电器件。
还提出了一种存储器，所述存储器包括至少一个如上所述的晶体管，该存储器被配置成：以晶体管的导通或截止状态的形式对至少一条信息进行存储。
还提出了一种时间复用器，所述时间复用器包括至少一个如上所述的晶体管。
还提出了一种植入物，所述植入物适合于植入人体或动物体内，所述植入物包括如上所述的复用器和/或至少一个如上所述的晶体管。
还提出了一种用于操作光电器件的方法，所述光电器件包括第一部分、第二部分、第一接触件和第二接触件，第一部分由具有n型掺杂和p型掺杂中的第一类型掺杂的第一半导体材料制成，第二部分由具有n型掺杂和p型掺杂中的第二类型掺杂的第二半导体材料制成，第二类型掺杂与第一类型掺杂不同，第一部分和第二部分彼此接触并且形成p/n结，所述p/n结在第一部分中包括耗尽区，第一接触件电连接至第一部分，第二接触件电连接至第二部分。
第二部分的掺杂剂限定了电离能，该电离能对于n型材料是掺杂剂的能级与导带能级之间的能量差，并且该电离能对于p型材料是价带能级与掺杂剂能级之间的能量差，该方法包括第一步骤，在该第一步骤期间，第一接触件与第二接触件之间的电压具有第一值并且耗尽区具有初始尺寸。
该方法包括以下步骤：
-利用电磁辐射对第二部分进行照射，所述电磁辐射具有大于第二部分的掺杂剂的电离能的光子能量，并且在对第二部分进行照射的同时，将电压从第一值修改为第二值，
-响应于电压的值的修改，对耗尽区的尺寸进行修改，
-停止照射，
-在没有照射的情况下，将电压从第二值修改为第一值，耗尽区的尺寸保持不变，以及
-利用辐射对第二部分进行照射，电压具有第一值，并且作为响应，
将耗尽区的尺寸修改为初始尺寸。
本发明的特征和优点将在阅读以下仅作为非限制性示例给出并参考附图进行的描述后呈现，其中：
-图1是根据本发明的器件的示例的图，
-图2是由图1的器件实现的方法的步骤的流程图，以及
-图3是一组图表，其示出了在图2的方法期间器件的某些参数的变化。
图1中示出了光电器件10的第一示例。
器件10例如是形成诸如下述的装置的一组器件10中的器件10：存储器、植入物、电力电子设备或者通信或加密装置。
光电器件10包括第一部分15、第二部分20、第一接触件25、第二接触件30、第三接触件35、发射器40、控制器45以及可选的温度调节器50。
光电器件10的第一示例例如是晶体管。
第一部分15例如是平行六面体。
第一部分15在第一端部55与第二端部60之间沿延伸方向DE延伸。
第一部分15例如在与延伸方向DE垂直的平面中具有表面积小于或等于0.1平方毫米(mm2)的截面。
第一部分15例如是由与衬底65的法线方向D垂直的面承载的层。
第一部分15在与延伸方向DE垂直的第一方向上具有例如在10纳米(nm)至10微米(μm)之间的厚度，以及/或者在与第一方向垂直并且与延伸方向DE垂直的第二方向上具有在1μm至1厘米(cm)之间的宽度，所述第一方向特别是法线方向D。
第一部分15例如在法线方向D上由第一部分15的第一面67和第二面68限定。
第一面67与衬底65接触。
第二面68与第二部分20接触。
第一部分15由第一半导体材料制成。
半导体材料是具有严格大于零且小于或等于8电子伏特(eV)、特别是小于或等于6.5eV的带隙值的材料。
表述“带隙值”必须被理解为材料的价带与导带之间的带隙的值。
价带被定义为材料中允许电子的能带中，在小于或等于20开尔文(K)的温度下完全充满时具有最高能量的能带。
针对每个价带限定第一能级。第一能级是价带的最高能级。
导带被定义为材料中允许电子的能带中，在小于或等于20K的温度下未完全充满时具有最低能量的能带。
针对每个导带限定第二能级。第二能级是导带的最低能级。
因此，对在材料的第一能级与第二能级之间的每个带隙值进行测量。
具有直接带隙的半导体构成半导体材料的示例。当导带的最小值和价带的最大值对应于相同值的载流子动量时，材料被认为具有“直接带隙”。当导带的最小值和价带的最大值对应于不同值的载流子动量时，材料被认为具有“间接带隙”。
每种半导体材料可以选自例如由III-V族半导体、II-VI族半导体或IV-IV族半导体形成的组，III-V族半导体特别是III族元素的氮化物。
III-V族半导体特别地包括：InAs、GaAs、AlAs及其合金，InP、GaP、AlP及其合金，以及III族元素的氮化物，其为AlN、GaN、InN及其合金，例如AlGaN或InGaN。
II-VI半导体特别地包括CdTe、HgTe、CdSe、HgSe及其合金。
IV-IV半导体特别地包括某些形式的C碳，包括金刚石、Si、Ge及其合金，特别是SiC。
第一材料具有例如大于或等于3eV的带隙，特别地，第一材料具有大于或等于5eV的带隙。
第一材料例如是金刚石。
替选地，第一材料例如为SiC、GaN、AlN、BN、Ga2O3、MgGa2O4、Al2O3、ZnSiN2、AlGaInN、MgSiN2或ZnO、或这些材料中的几种的合金。
第一材料具有第一类型的掺杂。
第一类型的掺杂选自p型掺杂和n型掺杂。例如，第一类型的掺杂为p型掺杂。
掺杂被定义为材料中存在提供自由电荷载流子的杂质。杂质例如是材料中不天然存在的元素的原子。
相对于未掺杂的材料，当杂质增加材料中的空穴密度时，掺杂是p型掺杂。例如，金刚石通过添加硼(B)原子进行p掺杂。
相对于未掺杂的材料，当杂质增加材料中自由电子的密度时，掺杂是n型掺杂。例如，金刚石通过添加氮(N)或磷(P)原子进行n掺杂。
例如，第一材料通过将硼原子插入到金刚石中来掺杂。
第一材料具有例如大于或等于1014每立方厘米(cm-3)、特别是大于或等于1017cm-3、特别是等于2.1017cm-3的掺杂剂密度。然而，第一部分的掺杂剂的密度能够变化。
第二部分20由第二半导体材料制成。
一般而言，除了掺杂之外，第二材料特别地与第一材料相同。
第二材料具有p型掺杂和n型掺杂中的第二类型掺杂，第二类型掺杂与第一类型掺杂不同。例如，第二类型掺杂是n型掺杂。
例如，除了掺杂类型之外，第二材料是与第一材料相同的材料。
第二材料例如是金刚石。
第二材料限定了电离能。
当第二材料是n掺杂时，电离能是与带隙中的掺杂剂对应的能级与导带的底部能级之间的能量差。
当第二材料是p掺杂时，电离能是与带隙中的掺杂剂对应的能级与价带的顶部能级之间的能量差。
第二材料的电离能大于或等于0.4eV，例如大于或等于1eV，特别是大于或等于1.5eV。
当第二材料为金刚石时，掺杂例如为用氮(N)原子掺杂，在这种情况下，电离能接近1.7eV。
根据另一示例，掺杂为用磷(P)原子掺杂，在这种情况下，电离能接近1.2eV。
如下面将清楚的，第二部分20由于其掺杂而在某些情况下是导电的，但在其他情况下不导电。
一般而言，掺杂半导体就是这种情况，因为当价带的电子被p掺杂剂捕获(因而在价带中留下移动空穴)或当n掺杂剂的电子被导带(它们可以在其中自由移动)捕获时，掺杂允许导电。
然而，为此，这些电子必须获得等于电子在两种状态之间移动的能量差的能量。实际上，该能量在现有技术的使用中是热能。然而，如下文所示，除热之外的能源也是可能的。
第二部分20与第一部分15接触。
第二部分20例如是由第一部分15的第二面68承载的第二材料层。
特别地，第二部分20和第一部分15形成p/n结。
p/n结被定义为分别具有p型掺杂和n型掺杂的半导体材料的两部分之间的界面。
pn结特别地包括耗尽区70。
耗尽区70是第一部分15和/或第二部分20的区域，该区域由于第一类型的掺杂剂提供的自由载流子与另一种类型的掺杂剂提供的自由载流子重新组合而缺乏自由载流子，耗尽区70位于第一部分15与第二部分20之间的界面附近。
耗尽区70包括第一部分15的至少一部分。耗尽区70还包括第二部分20的一部分。
以本身已知的方式，耗尽区70的延伸取决于第一部分15和第二部分20的每个点中的电势。
第一接触件25由导电材料或此类材料的组件制成。
第一接触件25电连接至第一部分15。
例如，第一接触件25由第一部分15的面(特别是第二面68)承载的一层或更多层金属形成，例如由钛、铂和金层的堆叠形成。
特别地，第一接触件25电连接至第一端部55。
可选地，在第一接触件25与第一端部55之间置于具有第一类型的掺杂和比第一部分15更大浓度的自由载流子的第一材料的一部分。该部分例如具有(在第一接触件25与第一端部55之间测量的)在50纳米至300纳米(nm)之间的厚度。
当光电器件10是晶体管时，第一接触件25例如是晶体管的漏极或源极，特别是漏极。
第二接触件30电连接至第二部分20。
例如，第二接触件30由第二部分20的面承载的一层或更多层金属形成，例如由钛、铂和金层的堆叠形成。
替选地，第二接触件30由具有第二类型掺杂的半导体材料制成，例如由掺杂有硼的金刚石制成。
第二接触件30例如由第二部分20的在法线方向D上限定第二部分20的面承载。
第二部分20置于在第二接触件30与第一部分15之间。
当光电器件10为晶体管时，第二接触件30例如为晶体管的栅极。
第二接触件30特别地被配置成使得：当在第一接触件25与第二接触件30之间施加电压V1时，耗尽区70的尺寸取决于电压V1的值。
“尺寸”意指耗尽区70的延伸的测量值，例如耗尽区70的体积或pn结的给定点与耗尽区70的最远点之间的距离。
例如，第二接触件30和第一接触件25一起被配置成使得：第一部分15的第二面68与耗尽区70的在法线方向D上距第二面68最远的点之间的距离取决于第一接触件25与第二接触件30之间的电压V1的值。
本身已知的效应被称为“场效应”并且被用在某些晶体管中，特别是前述的JFET中。
特别地，第二接触件30和第一接触件25一起被配置成使得：当这两个接触件25、30之间的电压V1等于预定值(下文中称为“截止值VC”)时，耗尽区70阻断电流在第一接触件25与第三接触件35之间通过第一部分15。
例如，当电压V1具有其截止值VC时，耗尽区70在第一部分15的至少一个截面中从第二面68延伸到第一面67。
截止值VC的绝对值例如大于或等于10伏(V)，例如等于40V。截止值VC例如在-100V与+100V之间。
这种类型的操作特别是前述JFET类型的晶体管的操作。
为此，如上所述，第二接触件30和第一接触件25特别地由第一部分15和第二部分20形成的组件的不同面承载。
第三接触件35由导电材料或此类材料的组件制成。
第三接触件35电连接至第一部分15。
例如，第三接触件35由第一部分15的面承载的一层或更多层金属形成，例如由钛、铂和金层的堆叠形成。
特别地，第三接触件35电连接至第二端部60。
可选地，在第三接触件35与第二端部60之间置于具有第一类型的掺杂和比第一部分15更大浓度的自由载流子的第一材料的一部分。该部分例如具有(在第三接触件35与第二端部60之间测量的)在100nm至300nm之间的厚度。
当光电器件10是晶体管时，第三接触件35例如是晶体管的漏极或源极，特别是源极。
发射器40被配置成：生成电磁辐射，并且利用该辐射对第二部分20进行照射。
发射器40包括例如发光二极管75和至少一个第四电接触件80。
发射器40例如由第二部分20的与第二接触件30相同的面承载，或者由第二接触件30本身承载，在这种情况下，第二接触件30对于辐射是部分透明的或完全透明的。
替选地，发射器40不与器件10的其余部分接触，例如，如果发射器40由若干器件10共享，或者如果由发射器40生成的辐射通过诸如透镜的聚焦设备聚焦在第二部分20上，或者通过诸如光纤的光导体带到第二部分20。
一般而言，发射器40可以采用多种形式，例如由若干个器件10共享的光源，并且对于每个器件10，如果需要，包括适合于阻止辐射照射到相应器件10的元件，例如由液晶制成的元件。
特别地，发射器40被配置成：如果存在若干个器件10，则仅对单个器件10进行照射。例如，在相邻器件10之间设置有不透明屏障。
发光二极管75被配置成：当在二极管75的两个面之间施加电压时，生成辐射，例如在当发射器40由第二接触件25承载时在第四接触件80与第二接触件25之间施加电压的情况下，生成辐射。
发光二极管75例如是由在法线方向D上叠置的层的堆叠所形成的平面二极管。
替选地，发光二极管75由一组纳米结构形成，每个纳米结构均沿法线方向D延伸，每个纳米结构例如是纳米线或纳米柱。在这种情况下，每个纳米结构具有例如发光二极管结构，特别是具有第二类型掺杂的基部、具有第一类型掺杂的顶部、以及介于基部与顶部之间的中间部分，并且每个纳米结构被配置成生成辐射。
辐射具有光子能量。光子能量被定义为辐射光子的能量。
特别地，光子能量被定义为辐射的最大数量的光子所具有的能量，换言之，与表示根据光子能量的辐射的光强度的曲线的顶部峰值相对应的能量。
辐射的光子能量大于或等于第二部分的电离能。
特别地，光子能量严格小于第二材料的带隙值。
光子能量例如在1.7eV与3.3eV之间，特别是在2.6eV与3.3eV之间。在这种情况下，辐射是蓝色或紫色辐射。
辐射例如在法线方向D上从发光二极管75向衬底65的方向传播。
辐射具有例如在1毫瓦每平方厘米与10瓦每平方厘米之间的光子功率P，例如等于11毫瓦每平方厘米的光子功率P。
控制器45被配置成：控制在第一接触件25与第二接触件30之间施加的电压V1、在第一接触件25与第三接触件35之间施加的电压V2、和/或在第二接触件30与第四接触件80之间施加的电压。
特别地，控制器45被配置成：控制发射器40生成辐射；以及利用辐射对第二部分20的照射。
控制器45和/或温度调节器50例如由多个器件10共享。根据可能的实施方式，单个控制器45例如适合于控制每个器件10，特别是用于控制每个器件的电压V1和V2以及各种发射器40。
温度调节器50是可选的，温度调节器50被配置成：将至少第二部分20(例如整个器件10)维持在设定温度。
特别地，温度调节器50被配置成：将第二部分20维持在下述温度：所述温度使得第二部分20中的自由载流子的热能小于或等于第二部分20的电离能的十分之一。
热能与玻尔兹曼常数k和开尔文温度的乘积成正比。玻尔兹曼常数k等于1.380649×10-23焦耳每开尔文。
例如，提供温度调节器50以将温度维持在下述值：所述值使得玻尔兹曼常数与温度的乘积小于或等于电离能的十分之一。
现在将参照图2和图3对第一示例的操作进行描述。
图2示出了用于操作电子设备10的方法的步骤的流程图。
图3示出了在该方法的实施期间，辐射的光子功率P的值、接触件25和30之间的电压V1的值、以及接触件25和30之间循环的电流的电流密度I的值的变化。
该方法包括初始步骤100、第一照射步骤110、第一修改步骤120、停止步骤130、第二修改步骤140和第二照射步骤150。
在初始步骤100期间，第一接触件25与第二接触件30之间的电压V1等于初始值，该初始值例如为零伏。此外，辐射不是由发射器40发射的。
在初始步骤100期间，耗尽区70具有最小尺寸。例如，初始步骤100之前是其中利用辐射对第二部分20进行照射而电压V1等于初始值的步骤，如下文所呈现的。
耗尽区70的最小尺寸是当电压V1具有其初始值并且第二部分20是导电的时的尺寸，例如当第二部分20的温度足以使第二部分20中的自由载流子浓度在没有辐射的情况下大于或等于1010cm-3时，或者当在低于该温度下第二部分20被辐射照射时。
图1中象征性地示出了耗尽区70的最小尺寸。
当耗尽区70具有其最小尺寸时，耗尽区70允许电流在第一接触件15与第三接触件35之间通过第一部分15。
因此，在初始步骤100期间，晶体管10处于“导通”状态，因为第一部分15对于在源极35与漏极25之间循环的电流而言是导电的，或者反之亦然。
在此描述的方法示例中，控制器45在第一接触件25与第三接触件35之间施加-40V与40V之间的电压V2。因此，电流在第一接触件25与第三接触件35之间循环。
在初始步骤100期间器件10的配置由图3中的箭头200指示。电流密度I具体地等于0.1毫安每毫米(mA/mm)，然而该电流密度可以根据电压V2而变化。
在第一照射步骤110期间，利用辐射对第二部分20进行照射。
例如，控制器45对发射器40进行电力供应，以使发射器40生成辐射。
在第一照射步骤110期间，控制器45将电压V1从初始值修改为截止值VC。
特别地，在第一步骤110期间，存在至少一个时间间隔，在该时间间隔期间电压V1具有截止值VC并且利用辐射对第二部分20进行照射。该时间间隔具有大于或等于1纳秒(ns)的持续时间，例如在10ns与100微秒(μs)之间的持续时间。
例如，在利用辐射对第一部分20进行照射之前，电压V1维持在截止值VC。替选地，在对电压V1的值进行修改之前，开始照射。
应当注意的是，在对电压V1的修改发生在照射开始之前的情况下，耗尽区70的延伸在照射开始之前不会改变。
事实上，耗尽区的尺寸取决于两种类型的自由载流子(空穴和自由电子)在pn结中移动以重新组合的能力，这导致耗尽区70缺乏大量的自由载流子。
在当前情况下，由于第二部分20的温度为使得载流子可用的热能明显小于电离能，因此其中自然存在很少的自由载流子，因为很少的掺杂剂可以被热电离并且因此释放他们的载流子。因此，尽管由两个接触件25、30和它们之间的电压V1引起的场效应应当倾向于增加耗尽区70的尺寸，但这实际上不会发生。
第一修改步骤120发生在第二部分20被照射且电压V1具有截止值VC的时间间隔期间。
该时间间隔在图3中可见并且由箭头210指示。
由于辐射具有大于或等于电离能的光子能量，因此掺杂剂通过吸收一部分辐射而被电离，从而释放第二部分20中的自由载流子。
因此，利用辐射的照射以及处于其截止值VC的第二电压Vl的存在导致耗尽区70的延伸的修改。
特别地，耗尽区70的至少一个尺寸增加直到其切断电流在第一接触件25与第三接触件35之间的通路。晶体管因此截止。因此，测量到的电流密度I相对于初始步骤大大减小，并且为约10-7mA/mm。
特别地，在电压V1和照射的作用下，耗尽区从第二面68延伸至第一面67。
在停止步骤130期间，停止照射。例如，控制器45停止对发射器40进行电力供应。
照射的停止使得第二部分20再次电绝缘，因为它的掺杂剂现在只能依靠热能，热能不足以电离。
照射的停止由图3中的箭头220指示。
在第二修改步骤140期间，电压V1从其截止值修改为其初始值。
由于第二部分20在没有照射的情况下是电绝缘的，所以耗尽区70保持在其最大尺寸，并且因此阻止电流在第一接触件25与第三接触件35之间通过。
这在图3中的箭头230指示的区域中是可见的，其中，虽然如在初始步骤100中那样，电压V1为零并且不存在照射，但是所测量的电流密度I仍比初始步骤100(参见箭头200)中的电流密度低约6个数量级。
在第二照射步骤150期间，利用辐射对第二部分20进行照射，电压V1保持在其初始值。
因此，第二部分20的掺杂剂通过辐射的电离导致对耗尽区70的尺寸的修改。
特别地，耗尽区70的尺寸回到其初始值(即，初始步骤100期间的值)。这样，在电压V2的作用下，电流可以再次在第一接触件25与第三接触件35之间循环。这出现在图3中的箭头240处，电流密度I回到其初始水平。
例如，在器件10的操作期间根据需要重复步骤100至150。
通过本发明，耗尽区70的尺寸仅在利用辐射对第二部分20进行照射时被修改，而与电压V1的值无关。
因此，器件10以非易失性方式在其两种状态(对应于耗尽区70的两个维度)之间切换。
特别地，发明人能够测量到，在没有照射的情况下，即使电压V1为零，晶体管在297K下仍保持在截止状态持续48小时，照射开始导致电流增加多于4个数量级。在373K下，当一小时后对第二部分20进行照射时，观察到多于三个数量级的差异。
特别地，即使在没有电压的情况下(即，当V1等于0时)，器件10也保持在其每个状态。事实上，电压V1的值仅在第二部分20被照射时才具有一定重要性。
结果，当需要将该器件从一种状态切换到另一种状态时，器件10才需要电力供应(除了例如可选电压V2之外)，因为此时至少需要生成辐射，并且，如有必要，在接触件25和30之间施加电压V1及其截止值VC。
因此，减少了器件10的能量消耗。
应当指出的是，本发明特别在于器件10的操作温度和第二部分20的电离能之间的组合的选择，这防止第二部分20在该温度下在仅热能的作用下导电。换言之，第二部分的掺杂太深而在没有在期望的操作温度下的辐射的情况下无法发挥作用。因此，对于本领域技术人员而言，在没有发射器的现有技术的器件中，这种掺杂将被认为是无用且低效的。
如果光子能量严格小于第二部分20的带隙值，则只有掺杂剂吸收辐射，因此辐射可以深度地照射第二部分，因为它几乎不被第二部分吸收。因此，发射的辐射强度较低，能量消耗也减少。
温度调节器50的存在允许将第二部分20维持在掺杂剂仅轻微热电离的温度，并因此使用多种可能的半导体材料。
当电离能大于或等于0.4eV时，器件10能够不具有温度调节器50，因为在环境温度(约20℃至30℃)下，第二部分20的掺杂剂仅非常轻微地电离。
特别地，金刚石具有非常宽的带隙，因此允许选择具有高电离能的掺杂剂，特别是其电离能为1.7eV的氮或其电离能为1.2eV的磷。
这样的器件10，特别是这样的晶体管，有利地可用于例如存储器中，存储在状态存储器中的信息例如以晶体管的导通或截止状态的形式(例如，导通晶体管指示值“0”，以及截止晶体管指示状态为“1”，反之亦然)。
晶体管10的低消耗使得它们特别适合于形成模块的一部分，例如存储器或复用器的一部分，旨在植入患者或动物体内的植入物的一部分，例如植入在大脑中的植入物的一部分。
例如，使用晶体管10来创建将各个电极连接至信息处理模块的时间复用器，该复用器被提供来将各个电极依次连接至信息处理模块，以便允许在电极和处理模块之间交换的信号的复用。
特别地，金刚石是生物相容性材料并且因此将特别适合于这样的植入，因为例如将器件10放置成与体液接触将因此既不会损害患者也不会对器件10的操作有损害。
尽管在附图中示出并且在上面描述了晶体管10形式的器件10的示例，但是本领域技术人员将清楚，本发明能够应用于其他类型的器件10。特别地，耗尽区的延伸的修改不一定用于允许或阻断电流的通过。
例如，器件10是单光子生成器并且在第一部分15中包括XV中心。
这些缺陷是由原子(X)取代晶格中的碳原子并与相邻的空位(V表示空位)耦合形成的。X是取代碳原子的原子的通称(例如N、Si、Sn等)。
这些中心根据其载荷可以有若干个状态。特别地，它们的状态可以根据局部费米能级而变化，并且因此根据XV中心是否位于耗尽区70中而被修改。
通过激发XV中心，可以获得单光子的发射，特别是其用于量子通信或密码学的用途。
NV中心例如被设置为由可见光源光学激发，以便执行从基态到激发态的跃迁。NV中心的发光光信号的强度对外部干扰敏感，例如温度、晶体变形以及磁场和电场。发光强度可以用于定量地测量环境温度下的这些物理值之一。可以通过修改费米能级从NV0中心获得NV-中心，这通过本发明以非易失性方式进行。
在器件10的情况下，接触件25和30被配置成使得：在存在辐射20的情况下，当电压V1具有其初始值时，XV中心位于耗尽区70的外部，并且当电压V1具有截止值VC时，XV中心包括在耗尽区70中。
因此，当辐射对第二部分20进行照射时，XV中心的状态，特别是其电荷状态，通过控制电压V1来修改，并且在没有辐射的情况下保持不变，无论电压V1的值如何。
与晶体管的情况类似，这导致相对于现有技术的单光子生成器的能量消耗的减少。
应当注意的是，这种类型的单光子生成器例如没有第三接触件35。
根据另一可能的替代方案，器件10是MOSFET类型的晶体管，特别是通过反转操作的MOSFET，第一部分15是承载晶体管的衬底的一部分。因此，耗尽区的延伸允许以非易失性方式极化衬底，从而修改阈值电压，为此在漏极与源极之间出现导电沟道。
还应当注意的是，器件10的几何形状能够改变。例如，能够存在多个第二部分20，这些第二部分均连接至相应的第二接触件30，第二接触件30例如彼此电连接以具有相同的电势。在这种情况下，第一部分15例如置于在若干个第二部分20之间，使得当电压V1具有截止值VC时，第二部分20的耗尽区70朝向彼此延伸，直到它们合并，并且因此，在第一部分15的整个截面上形成电流在接触件25和35之间通过的屏障。
根据另一替代方案，第二部分20是承载第一部分15的衬底的一部分或全部，因此接触件30例如设置在衬底的与承载第一部分15的面相对的面上。

Claims (15)

1.一种光电器件(10)，所述光电器件(10)包括第一部分(15)、第二部分(20)、第一接触件(25)和第二接触件(30)，所述第一部分(15)由具有n型掺杂和p型掺杂中的第一类型掺杂的第一半导体材料制成，所述第二部分(20)由具有n型掺杂和p型掺杂中的第二类型掺杂的第二半导体材料制成，所述第二类型掺杂与所述第一类型掺杂不同，所述第一部分(15)和所述第二部分(20)彼此接触并且形成p/n结，所述p/n结在所述第一部分(15)中包括耗尽区(70)，所述第一接触件(25)电连接至所述第一部分(15)，所述第二接触件(30)电连接至所述第二部分(20)，所述第一接触件(25)和所述第二接触件(30)被配置成使得：当在所述第一接触件(25)与所述第二接触件(30)之间施加电压(V1)时，所述耗尽区(70)的尺寸取决于所述电压(V1)的值，
所述第二部分(20)的掺杂剂限定了电离能，所述电离能对于n型材料是掺杂剂的能级与导带能级之间的能量差，并且所述电离能对于p型材料是价带能级与掺杂剂能级之间的能量差，
所述光电器件(10)还包括发射器(40)，所述发射器(40)被配置成：生成具有大于或等于所述第二部分(20)的掺杂剂的电离能的光子能量的电磁辐射，并且利用所述辐射对所述第二部分(20)进行照射。
2.根据权利要求1所述的光电器件，其中，所述光子能量严格小于所述第二部分(20)的带隙值，所述带隙值是所述第二部分(20)的导带与价带之间的能量差。
3.根据权利要求1或2所述的光电器件，所述光电器件还包括温度调节器(50)，所述温度调节器(50)被配置成：将所述第二部分(20)的温度维持在下述值：所述值使得所述第二部分(20)中的载流子的热能小于或等于所述电离能的十分之一。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电器件，所述光电器件还包括控制器(45)，所述控制器(45)被配置成：控制由所述发射器(40)生成所述辐射；以及在利用所述辐射对所述第二部分(20)进行照射时，对所述第一接触件(25)与所述第二接触件(30)之间的电压(V1)的值进行修改。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电器件，所述光电器件(10)是晶体管，并且所述光电器件(10)还包括第三电接触件(35)，所述第三电接触件(35)电连接至所述第一部分(15)，所述第一接触件(25)是所述晶体管的源极，所述第二接触件(30)是所述晶体管的栅极，所述第三接触件(35)是所述晶体管的漏极，所述第一接触件(25)和所述第二接触件(30)被配置成使得：对于所述第一接触件(25)与所述第二接触件(30)之间的电压(V1)的给定值，所述耗尽区(70)阻止电荷载流子在所述第一部分(15)中在所述第一接触件(25)与所述第三接触件(35)之间通过。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电器件，其中，所述电离能大于或等于0.4电子伏特，特别地，所述电离能大于或等于1电子伏特，特别地，所述电离能大于或等于1.5电子伏特。
7.根据权利要求6所述的光电器件，其中，所述第二材料是金刚石。
8.根据权利要求7所述的光电器件，其中，所述第二材料的所述掺杂剂是氮原子。
9.根据权利要求7所述的光电器件，其中，所述第二材料的所述掺杂剂是磷原子。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的光电器件，所述光电器件在所述第一部分(15)中包括至少一个NV中心，所述第一接触件(25)和所述第二接触件(30)被配置成使得：对于在所述第一接触件(25)与所述第二接触件(30)之间的电压(V1)的第一值，所述耗尽区(70)包括所述NV中心，并且对于所述电压(V1)的第二值，所述耗尽区(70)不包括所述NV中心。
11.一种单光子生成器，所述单光子生成器包括根据权利要求10所述的光电器件(10)。
12.一种存储器，所述存储器包括至少一个根据权利要求5所述的晶体管(10)，所述存储器被配置成：以所述晶体管的导通或截止状态的形式对至少一条信息进行存储。
13.一种时间复用器，所述时间复用器包括至少一个根据权利要求5所述的晶体管(10)。
14.一种植入物，所述植入物适合于植入在人体或动物体内，所述植入物包括根据权利要求13所述的复用器和/或至少一个根据权利要求5所述的晶体管(10)。
15.一种用于操作光电器件(10)的方法，所述光电器件(10)包括第一部分(15)、第二部分(20)、第一接触件(25)和第二接触件(30)，所述第一部分(15)由具有n型掺杂和p型掺杂中的第一类型掺杂的第一半导体材料制成，所述第二部分(20)由具有n型掺杂和p型掺杂中的第二类型掺杂的第二半导体材料制成，所述第二类型掺杂与所述第一类型掺杂不同，所述第一部分(15)和所述第二部分(20)彼此接触并且形成p/n结，所述p/n结在所述第一部分(15)中包括耗尽区(70)，所述第一接触件(25)电连接至所述第一部分(15)，所述第二接触件(30)电连接至所述第二部分(20)，
所述第二部分(20)的掺杂剂限定了电离能，所述电离能对于n型材料是掺杂剂的能级与导带能级之间的能量差，并且所述电离能对于p型材料是价带能级与掺杂剂能级之间的能量差，所述方法包括第一步骤(100)，在所述第一步骤(100)期间，所述第一接触件(25)与所述第二接触件(30)之间的电压(V1)具有第一值并且所述耗尽区(70)具有初始尺寸，
所述方法的特征在于，所述方法包括下述步骤：
利用电磁辐射对所述第二部分(20)进行照射(110)，所述电磁辐射具有大于所述第二部分(20)的掺杂剂的电离能的光子能量，并且在对所述第二部分(20)进行照射的同时，将所述电压(V1)从所述第一值修改为第二值，
响应于所述电压(V1)的值的修改，对所述耗尽区(70)的尺寸进行修改(120)，
停止(130)所述照射，
在没有照射的情况下，将所述电压(V1)从所述第二值修改(140)为所述第一值，所述耗尽区(70)的尺寸保持不变，以及
利用所述辐射对所述第二部分(20)进行照射(150)，所述电压(V1)具有所述第一值，并且作为响应，将所述耗尽区(70)的尺寸修改为所述初始尺寸。
CN202280036200.5A 2021-05-18 2022-05-18 用于生成单光子的光电器件、相关存储器、复用器、植入物和方法 Pending CN117751451A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FRFR2105172 2021-05-18
FR2105172A FR3123149B1 (fr) 2021-05-18 2021-05-18 Dispositif optoélectronique, générateur de photons uniques, mémoire, multiplexeur, implant et procédé associés
PCT/EP2022/063421 WO2022243364A1 (fr) 2021-05-18 2022-05-18 Dispositif optoélectronique, générateur de photons uniques, mémoire, multiplexeur, implant et procédé associés

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117751451A true CN117751451A (zh) 2024-03-22

Family

ID=78770659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280036200.5A Pending CN117751451A (zh) 2021-05-18 2022-05-18 用于生成单光子的光电器件、相关存储器、复用器、植入物和方法

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4341996A1 (zh)
JP (1) JP2024519876A (zh)
CN (1) CN117751451A (zh)
FR (1) FR3123149B1 (zh)
WO (1) WO2022243364A1 (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008198731A (ja) * 2007-02-09 2008-08-28 Toshiba Corp 半導体装置
JP5655654B2 (ja) * 2011-03-18 2015-01-21 富士通株式会社 増幅装置
FR3026631B1 (fr) * 2014-10-03 2016-12-09 Ecole Polytech Dispositif medical implantable muni de capteurs
WO2016203354A1 (en) * 2015-06-19 2016-12-22 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device, manufacturing method thereof, and electronic device

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022243364A1 (fr) 2022-11-24
FR3123149A1 (fr) 2022-11-25
FR3123149B1 (fr) 2023-12-15
EP4341996A1 (fr) 2024-03-27
JP2024519876A (ja) 2024-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8598596B2 (en) Method for producing an optoelectronic semiconductor chip and optoelectronic semiconductor chip
US3102201A (en) Semiconductor device for generating modulated radiation
US8890177B2 (en) Semiconductor devices made from crystalline materials with locally modifying electronic and optoelectronic properties
JP2010041048A (ja) 半導体材料からなる発光ダイオード及び当該発光ダイオードの製造方法
Kawazoe et al. Bulk crystal SiC blue LED with p–n homojunction structure fabricated by dressed-photon-phonon–assisted annealing
Glaab et al. Impact of operation parameters on the degradation of 233 nm AlGaN-based far-UVC LEDs
Kantner et al. Efficient current injection into single quantum dots through oxide-confined pn-diodes
US9640717B2 (en) Ultraviolet light emitting apparatus
KR20100108560A (ko) 이종접합을 포함하는 반도체 발광소자
Morgan et al. Effect of Deep Levels on the Optical and Electrical Properties of Copper-Doped GaAs p− n Junctions
CN117751451A (zh) 用于生成单光子的光电器件、相关存储器、复用器、植入物和方法
Riuttanen et al. Diffusion injection in a buried multiquantum well light-emitting diode structure
KR20070117238A (ko) 반도체 발광 트랜지스터
Wang et al. A GaN-based insulated-gate photoconductive semiconductor switch for ultrashort high-power electric pulses
Becla HgMnTe light emitting diodes and laser heterostructures
US3745429A (en) Controllable junction device and radiationgenerating method of utilizing it
Morehead Injection mechanism and recombination kinetics in electroluminescent cdte diodes
US20210135043A1 (en) Light-emitting metal-oxide-semiconductor devices and associated systems, devices, and methods
O’Brien et al. Ultra bright surface emission from a distributed Bragg reflector hot electron light emitter
Ivey Electroluminescence and semiconductor lasers
Kasap Pn junction devices and light emitting diodes
US11996840B1 (en) Light controlled switch module
Keong et al. The optimal input voltage and emission rate characteristics for different LED chips material
Peak Many-particle Systems, 10
JPH02155263A (ja) 半導体光メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination