ES2256877T3 - Dispositivo semiconductor optoelectronico. - Google Patents

Dispositivo semiconductor optoelectronico.

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ES2256877T3 ES97909487T ES97909487T ES2256877T3 ES 2256877 T3 ES2256877 T3 ES 2256877T3 ES 97909487 T ES97909487 T ES 97909487T ES 97909487 T ES97909487 T ES 97909487T ES 2256877 T3 ES2256877 T3 ES 2256877T3
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Milton Anthony Harry
Kevin Homewood
Karen Joy Reeson
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University of Surrey
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Abstract

SE EXPONE UN DISPOSITIVO OPTOELECTRONICO DE SEMICONDUCTOR EN FORMA DE UN LED, QUE COMPRENDE UNA UNION P - N DE SILICIO (10) QUE TIENE UNA REGION FOTOACTIVA (18) QUE CONTIENE BETA DISILICIURO DE HIERRO ( BE - FESI 2 ). EL LED PRODUCE ELECTR OLUMINISCENCIA A UNA LONGITUD DE ONDA DE APROXIMADAMENTE 1,5 MI UM. SE DESCRIBEN TAMBIEN DISPOSITIVOS FOTODETECTORES.

Description

Dispositivo semiconductor optoelectrónico.
Esta invención se refiere a dispositivos semiconductores optoelectrónicos, por ejemplo fotoemisores y fotodetectores.
En un dispositivo semiconductor optoelectrónico hay regiones "fotoactivas" en las que puede tener lugar emisión o detección de fotones. La emisión de fotones tiene lugar cuando una corriente eléctrica aplicada inyecta agujeros y electrones a través de una unión y los electrones y agujeros pueden combinarse en la región fotoactiva, siendo liberada la energía resultante en forma de fotones. La detección de fotones tiene lugar cuando los fotones incidentes en la región fotoactiva crean pares electrón-hueco, haciendo que fluya una corriente eléctrica.
El silicio tiene una banda prohibida indirecta y esto ha impedido el desarrollo de fotoemisores basados en silicio aceptables, adecuados para su uso en aplicaciones optoelectrónicas de silicio integrado. La banda prohibida de silicio es también alta, impidiendo el desarrollo de fotodetectores sensibles a longitudes de onda de más de aproximadamente 1 \mum. Los dispositivos optoelectrónicos que son emisores de, o sensibles a, radiación electromagnética de aproximadamente 1,5 \mum, que es la base de los sistemas de fibra óptica, serían particularmente significativos en aplicaciones de comunicaciones y en sistemas informáticos ópticos que son resistentes a interferencia electromagnética (IEM) severa. La arquitectura del dispositivo propuesta por esta invención permite que se hagan tales dispositivos optoelectrónicos basados en silicio.
Han sido ya investigados varios enfoques diferentes con un interés en desarrollar un dispositivo fotoemisor adecuado que sea capaz de producir radiación a una longitud de onda de aproximadamente 1,5 \mum desde un dispositivo basado en silicio.
En un enfoque han sido desarrolladas estructuras basadas en superredes de SiGe que hacen uso de pliegue de zonas para producir una pseudobanda prohibida directa. En otro enfoque, el silicio ha sido dopado con erbio que tiene una energía de transición interna equivalente a 1,5 \mum. Sin embargo, ninguno de estos enfoques ha conducido a un dispositivo práctico.
El documento WO-A-9309564 muestra dispositivos semiconductores optoelectrónicos que tienen uniones p-n formadas por una capa de Si de banda prohibida indirecta y una capa de \beta-FeSi_{2} de banda prohibida directa.
La introducción del material de banda prohibida directa para formar una capa fotoactiva distinguida relativa a la unión, pero separada de ella, permite que sea creado un conjunto nuevo de dispositivos semiconductores. Los semiconductores que no poseen una red de banda prohibida directa son llamados semiconductores de "banda prohibida indirecta" y son generalmente incapaces de electroluminiscencia eficaz.
Los inventores han descubierto que la provisión de un material semiconductor de banda prohibida directa como se define en esta memoria mejora la eficacia con que pueden ser absorbidos los fotones o, alternativamente, emitidos desde la región fotoactiva.
Según un aspecto de la invención se prevé un dispositivo semiconductor optoelectrónico que comprende una unión (10) formada, al menos en parte, por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta, en el que dicha capa incluye una región fotoactiva (19) en la que, en operación del dispositivo, pares electrón-hueco son creados o combinados, conteniendo dicha región fotoactiva un material semiconductor de banda prohibida directa y definiendo un salto de energía igual o menor que el salto de energía del material semiconductor de banda prohibida indirecta, caracterizado porque dicha región fotoactiva está separada de dicha unión.
Los dispositivos semiconductores optoelectrónicos según la invención incluyen fotoemisores, por ejemplo un diodo emisor de luz y fotodetectores, por ejemplo un fotodiodo.
En el caso de un fotoemisor, los portadores de carga son transferidos a través de la unión y son inyectados en la región fotoactiva donde pueden experimentar transiciones radiantes; esto es, los electrones y los huecos son recombinados allí creando fotones cuya energía es menor o igual que la energía de banda prohibida del material semiconductor de banda prohibida directa.
En el caso de un fotodetector, los fotones incidentes que tienen una energía igual o mayor que la energía de salto de banda del material semiconductor de banda prohibida directa crean pares electrón-hueco en la región fotoactiva que da lugar a una fotocorriente.
Preferiblemente, dicho material semiconductor de banda prohibida directa tiene la forma de precipitados aislados o microcristales. Típicamente, éstos son del orden de cincuenta a varios cientos de nanómetros para que no surjan efectos de confinamiento cuántico significativos.
Alternativamente, aunque menos deseablemente, el material semiconductor de banda prohibida directa puede formar una capa continua, o una serie de capas continuas.
En realizaciones preferidas de la invención, el material semiconductor de banda prohibida directa es disiliciuro de hierro beta (\beta-FeSi_{2}).
El \beta-FeSi_{2} es un material semiconductor de banda prohibida directa que tiene una energía de transición correspondiente a 1,5 \mum. Por consiguiente, las realizaciones de la invención que incorporan \beta-FeSi_{2} en sus regiones fotoactivas pueden encontrar aplicación en comunicaciones de fibra óptica. Como ya se explicó, es preferible que el \beta-FeSi_{2} esté en forma de precipitados aislados o microcristales; sin embargo, podría ser usada alternativamente una capa continua. Además, el \beta-FeSi_{2} puede estar no aleado o aleado, no dopado o dopado. El \beta-FeSi_{2} aleado con cobalto, germanio, indio o aluminio, por ejemplo, tiene una energía de transición ligeramente inferior que la del material dopado.
En un fotoemisor preferido según la invención, por ejemplo un diodo emisor de luz, dicha unión es una unión p-n formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p y una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo n.
En esta memoria se adopta el convenio de que la capa de material semiconductor de tipo n está más fuertemente dopada que la capa de material semiconductor de tipo p. En tales circunstancias, la región fotoactiva está situada en dicha capa de material semiconductor de tipo p, de manera que bajo condiciones de polarización directa los electrones sean inyectados a través de la unión y capturados por la región fotoactiva. Alternativamente, la capa de material semiconductor de tipo p podría ser más fuertemente dopada que la capa de material semiconductor de tipo n. En este caso, la región fotoactiva estaría situada en dicha capa de material semiconductor de tipo n y los huecos son inyectados a través de la unión desde la capa de material semiconductor de tipo p y capturados por la región fotoactiva.
En el caso de un emisor de la unión p-n, la región fotoactiva está situada preferiblemente tan próxima como sea posible, pero completamente fuera de la capa agotada relativamente estrecha que prevalece cuando un voltaje de polarización directa está siendo aplicado a través de la unión. Esta configuración es preferida para maximizar la eficacia con que son capturados los portadores de carga por la región fotoactiva donde pueden experimentar transiciones radiantes. Alternativamente, la región fotoactiva podría estar separada de la capa agotada; sin embargo, la captura de portadores por la región fotoactiva sería entonces menos eficaz.
La unión p-n puede ser una unión p-n de silicio; sin embargo, está previsto que podría usarse alternativamente una homounión diferente o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
En otro fotoemisor según la invención, dicha unión está formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta y una capa metálica que define una barrera de Schottky, y dicha región fotoactiva está situada en dicha capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta. Bajo condiciones de polarización directa los portadores son transferidos a través de la unión y son capturados por la región fotoactiva donde pueden experimentar transiciones radiantes.
La región fotoactiva está situada preferiblemente fuera de la capa agotada para maximizar la eficacia de captura. En esta realización, el material semiconductor de banda prohibida indirecta es cualquier material de tipo n o material de tipo p, y es preferiblemente, aunque no necesariamente, silicio.
Los fotodetectores según la invención incluyen fotodiodos, tales como fotodiodos de avalancha y fotodiodos de capa agotada.
En el caso de un fotodiodo de avalancha, dicha unión es una unión p-n formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p y una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo n, y dicha región fotoactiva está situada en una o la otra de dichas capas de tipo n y p, por fuera de la capa agotada. Bajo condiciones de polarización inversa, por encima del voltaje de ruptura, los electrones y los huecos creados por los fotones incidentes en la región fotoactiva sufren multiplicación debido al proceso de avalancha.
La unión p-n puede ser una unión p-n de silicio; sin embargo, podría ser usada una homounión diferente o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
En el caso de fotodiodos de la capa agotada, la región fotoactiva está situada en la capa agotada. Los fotones incidentes en la región fotoactiva son absorbidos con más probabilidad y, por tanto, dan lugar a una fotocorriente mayor que en la técnica anterior.
Un ejemplo de un fotodiodo de capa agotada según la invención es un fotodiodo p-i-n. En un fotodiodo p-i-n dicha unión está formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta intrínseca emparedada entre una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p y una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo n, y dicha región fotoactiva está situada en dicha capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta intrínseca. Bajo condiciones de polarización inversa adecuadas, por encima del voltaje de ruptura, la región fotoactiva estará dentro de la capa agotada en la capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta intrínseca y los pares electrón-hueco creados por los fotones incidentes en la región fotoactiva dan lugar a una fotocorriente.
La unión p-i-n puede ser una unión p-i-n de silicio; sin embargo, alternativamente podría ser usada una homounión diferente o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
Otra realización de un fotodiodo de capa agotada según la invención es un fotodiodo Schottky. En esta realización, dicha unión está formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta y una capa metálica que define una barrera de Schottky, y dicha capa fotoactiva está situada en dicha capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta; dentro de la capa agotada. Los pares electrón-hueco creados por los fotones incidentes en la región fotoactiva dan lugar a una fotocorriente. El material semiconductor de banda prohibida indirecta puede ser cualquier material de tipo n o material de tipo p, y es preferiblemente, aunque no necesariamente, silicio.
Aún otra realización de un fotodiodo de capa agotada según la invención es una célula solar. En esta realización, dicha unión es una unión p-n formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p y una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecto de tipo n, y dicha región fotoactiva está situada dentro de la capa agotada de la unión. Los pares electrón-hueco creados por los fotones incidentes en la región fotoactiva dan lugar a una fotocorriente. La unión p-n de la célula solar puede ser una unión p-n de silicio; sin embargo, alternativamente, podría ser usada una homounión diferente o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
Otra realización de un fotodetector según la invención es un transistor de unión bipolar - bien un fototransistor n-p-n, o bien un fototransistor p-n-p. La unión bipolar está formada por capas de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p y n que forman las regiones del emisor, base y colector del transistor y dicha región fotoactiva está situada en la región de la base de la unión.
La unión bipolar puede ser una unión de silicio; alternativamente, la unión puede ser una homounión diferente o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
Puede ser deseable tener una o más capas de barrera en la estructura de los dispositivos descritos anteriormente, por ejemplo, para controlar la migración de impurezas.
En todas las realizaciones anteriores de la invención, el material semiconductor de banda prohibida directa es preferiblemente \beta-FeSi_{2} (dopado o no dopado, aleado o no aleado), que está deseablemente en forma de precipitados aislados o microcristales, aunque de forma menos deseable podría ser usada una capa continua o una serie de capas.
Según aún otro aspecto de la invención está previsto un láser que incorpora un fotoemisor como se define en esta memoria.
Según otro aspecto de la invención está previsto un método para producir un dispositivo semiconductor optoelectrónico que incluye una unión (10), incluyendo el método las etapas de: formar una capa de un material semiconductor de banda prohibida indirecta que define parte de dicha unión, y prever en dicha capa una región fotoactiva (19) que contiene un material semiconductor de banda prohibida directa que tiene un salto de energía menor o igual que el del material semiconductor de banda prohibida indirecta y, en el que durante la operación del dispositivo, pares electrón-hueco son creados o combinados en dicha región fotoactiva, caracterizado porque dicha región fotoactiva (19) está separada de dicha unión.
El método puede incluir preformar la unión mediante una técnica de crecimiento, tal como epitaxia de haz molecular, por ejemplo, y proporcionar dicho material semiconductor de banda prohibida directa mediante un proceso de implantación de iones, o viceversa. El material de banda prohibida directa puede formar una o más capas en la región fotoactiva. Alternativamente, el dispositivo podría ser producido en su totalidad mediante un proceso de implantación de haces de iones. Alternativamente, el dispositivo completo podría ser producido mediante una técnica de crecimiento diferente tal como epitaxia de haz molecular.
En una implementación particular de la invención, dicho material semiconductor de banda prohibida directa está previsto en dicha capa como precipitados aislados o microcristales. Un ejemplo de dicho material semiconductor de banda prohibida directa es FeSi_{2}.
Los dispositivos semiconductores según la invención serán descritos ahora, sólo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
Fig. 1, muestra una vista en sección transversal esquemática a través de un diodo emisor de luz (LED) según la invención;
Fig. 2, muestra gráficas de la intensidad de luminiscencia producidas por el dispositivo de la Fig. 1 como función de un voltaje de polarización directa aplicado a tres temperaturas diferentes 80 K, 180 K y 300 K;
Fig. 3, muestra el espectro de electroluminiscencia producido por el dispositivo de la Fig. 1 a la temperatura 80 K;
Fig. 4, muestra la variación de la intensidad de electroluminiscencia del dispositivo de la Fig. 1 como función de la temperatura;
Fig. 5, muestra una vista en sección transversal esquemática a través de un láser que incorpora un fotoemisor según la invención;
Fig. 6, muestra una vista en sección transversal a través de otro dispositivo fotoemisor según la invención, y
Figs. 7-11, muestran vistas en sección transversal a través de diferentes dispositivos fotodetectores según la invención.
Con referencia a la Fig. 1, el LED comprende una unión p-n 10 de silicio formada sobre un substrato de silicio 20. En este ejemplo, el substrato de silicio 20 está formado por material de tipo n (100), y la unión p-n 10 comprende una región de tipo p 11 dopada con boro, de 1,0 \mum de espesor generada mediante epitaxia de haz molecular sobre una región de tipo n 12 dopada con antimonio, de 0,4 \mum de espesor. Las regiones de tipo p y n 11, 12 tienen densidades de dopado de 1 x 10^{17} cm^{-3} y 5 x 10^{18} cm^{-3}, respectivamente, y fueron generadas sobre el substrato de silicio 20 con una resistividad en el intervalo de 0,008 a 0,02 \Omegacm.
El dispositivo está dotado también de contactos óhmicos 15, 16 que están formados, respectivamente, en la superficie exterior de la región de tipo p 11 y sobre la superficie exterior del substrato 20, permitiendo así que un voltaje de polarización V sea aplicado a través de la unión. Los contactos 15, 16 pueden ser formados convenientemente por evaporación y luego aleados sobre las superficies respectivas; en este ejemplo particular, los contactos son de un 1 mm de diámetro, estando formado el contacto 15, sobre la región de tipo p, por Al y estando formado el contacto 16 en el substrato por AuSb eutéctico. Se apreciará, desde luego, que podrían ser usados otros materiales de contacto adecuados.
El contacto 16 en el substrato tiene una ventana 17.
La unión p-n de silicio 10 tiene una región agotada18 (limitada por las líneas quebradas en la Fig. 1) en la interfaz de las regiones de tipo p y n 11, 12, y una región fotoactiva 19 (mostrada sombreada con líneas) que está prevista en la región de tipo p 11 adyacente a la región agotada 18.
En esta realización, como se explicará con más detalle después, la región fotoactiva 19 contiene, o consiste en el material semiconductor de banda prohibida directa disiliciuro de hierra beta (\beta-FeSi_{2}).
Como ya se explicó, el \beta-FeSi_{2} tiene una banda prohibida correspondiente a una longitud de onda de aproximadamente 1,5 \mum. Bajo condiciones de polarización directa de la unión p-n la mayoría de los portadores (electrones) en la banda de conducción de la región de tipo n 12 de la unión son inyectados dentro de la unión y capturados por la región fotoactiva 19 donde pueden sufrir transiciones radiantes para producir fotones a una longitud de onda de aproximadamente 1,5 \mum. La electroluminiscencia resultante es transmitida a través de las capas transparentes de silicio en el dispositivo y salen del dispositivo por la ventana 17 en el contacto 16.
La región fotoactiva 19 está así posicionada en la región de tipo p 11 para estar tan próxima como sea posible a la capa agotada 18 que prevalece cuando un voltaje de polarización directa está siendo aplicado a través de la unión para maximizar la captura de la mayoría de los portadores por la región fotoactiva.
En esta implementación de la invención, la unión p-n de silicio 10 fue generada inicialmente en el substrato 20 mediante epitaxia de haz molecular y la región fotoactiva 19 fue formada posteriormente por implantación de iones; esto es, por la implantación de iones de Fe.
Si se usan dosis de implantación relativamente altas, la región 19 puede ser formada como una capa continua de \beta-FeSi_{2}. Sin embargo, se piensa que es preferible usar una velocidad de dosificación relativamente baja (por ejemplo, en torno a 1 x 10^{16} cm^{-2}) para formar precipitados aislados de \beta-FeSi_{2}, seguidos de una etapa de recocido. Un programa de recocido adecuado está descrito por Reeson et al. en J Mat Res Soc Proc 316, 433 1994.
La formación de precipitados aislados permite usar un implantador disponible comercialmente; esto es, se necesita menos tiempo de procesamiento y así los costes en producción serían reducidos muy significativamente. En este ejemplo fue usada una energía de implantación de 950 keV, formándose así precipitados de \beta-FeSi_{2} inmediatamente adyacentes a la región agotada 18, como está ilustrado en la Fig. 1.
Las dimensiones típicas de los precipitados fueron del orden de cincuenta a varios cientos de nanómetros y así no se producen efectos de confinamiento cuántico significativos.
En lugar de formar la unión p-n 10 y la región fotoactiva 19 en etapas separadas, podrían alternativamente ser formadas en un proceso de etapa única mediante síntesis de haz de iones.
Se encontró que el LED era emisor de electroluminiscencia a la longitud de onda de 1,54 \mum. Como ya se explicó, esta longitud de onda es significativa comercialmente porque forma la base de los sistemas de comunicaciones de fibra óptica.
Para investigar las propiedades y características del LED, varios diodos fueron "aislados" inicialmente por ataque químico de meseta por debajo del substrato 20, y las características del voltaje de corriente (I-V) de los dispositivos fueron medidas para investigar la integridad del diodo.
Diodos individuales fueron después separados y montados en un criostato de temperatura variable de nitrógeno líquido de flujo continuo, dinámico colocado delante de un espectrómetro de medio metro convencional. Fue usado un diodo p-i-n de germanio enfriado con nitrógeno líquido para detectar la electroluminiscencia.
Inicialmente, las mediciones fueron hechas a 80 K. A esta temperatura fue observado que el comienzo de electroluminiscencia se producía a un voltaje de polarización directa de aproximadamente 0,8 V. La intensidad de electroluminiscencia observada como función del voltaje de polarización directa se muestra en la Fig. 2 para tres temperaturas de operación diferentes 80 K, 180 K y 300 K.
La forma de las curvas ilustradas y los valores de los voltajes de "activación" se ha encontrado que eran totalmente consistentes con una inyección convencional a través de una unión p-n de polarización directa.
La Fig. 3 muestra el espectro de electroluminiscencia producido por el LED a 80 K con una corriente de polarización directa de 15 mA. Se observa que el espectro tiene su máximo a 1,54 \mum y tiene un ancho completo a media altura de 50 meV.
La Fig. 4 demuestra que la intensidad de electroluminiscencia observada decrece cuando la temperatura aumenta, pero sin embargo puede todavía ser observada a temperatura ambiente (300 K). Se advirtió que el máximo en el espectro de intensidad de electroluminiscencia se desplaza ligeramente hacia energías inferiores a medida que aumenta la temperatura de operación, siendo esto una característica de la emisión relativa al borde de banda.
El dispositivo fue sometido a ciclos de temperatura entre la temperatura ambiente y 80 K y se encontró que operaba satisfactoriamente en un modo de onda continua, durante varios cientos de horas - no fueron observados cambios significativos o deterioro en la calidad de electroluminiscencia, intensidad o condiciones de operación.
Se entenderá que aunque la Fig. 1 ha sido descrita con referencia a un diodo emisor de luz, es aplicable también una estructura p-n de esta forma a otras formas de dispositivos fotoemisores, por ejemplo un láser de inyección ilustrado esquemáticamente en la Fig. 5.
El láser tiene una estructura similar a la del LED descrito con referencia a la Fig. 1. Sin embargo, la concentración de dopado en la capa 12' de tipo n es algo mayor, siendo del orden de 10^{19} cm^{3}. Una cavidad óptica es formada por elementos reflectantes y parcialmente reflectantes (R y PR respectivamente) en cada extremo del dispositivo. En realizaciones alternativas, las capas 11', 12' de tipo p y n pueden ser intercambiadas y los elementos reflectantes podrían estar posicionados por encima y por debajo de la capa agotada 18' y la región fotoactiva 19' para formar un láser de cavidad vertical.
La Fig. 6 muestra una vista en sección transversal a través de un tipo diferente de dispositivo fotoemisor según la invención que utiliza el efecto Schottky. Con referencia a esta figura, el dispositivo comprende una capa 30 de silicio de tipo p o tipo n y una capa 31 de un metal que juntos forman una barrera de Schottky. Una región fotoactiva es formada en la capa 30 como capa 32 del material semiconductor de banda prohibida directa, \beta-FeSi_{2}. Bajo condiciones de polarización directa los electrones son inyectados a través de la unión formada por las capas 30 y 31 y son capturados por la región fotoactiva donde experimentan transiciones radiantes. La capa 30 puede estar formada por un material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p o tipo n diferente del silicio.
Las figuras 7 a 11 muestran vistas en sección transversal a través de dispositivos fotodetectores diferentes según la invención.
La Fig. 7 muestra un fotodiodo de avalancha que comprende una unión p-n de silicio formada por una capa 40 de silicio de tipo p y una capa 41 de tipo n de silicio y que tiene una región fotoactiva formada por una capa 42 de \beta-FeSi_{2} situada en la capa de tipo p 40, fuera de la capa agotada D. En una realización alternativa, la región fotoactiva está situada en la capa de tipo n 41, de nuevo fuera de la capa agotada D. En ambas configuraciones, la región fotoactiva mejora la absorción de la luz y la generación de portadores antes de la avalancha en la capa agotada de alto campo.
La Figura 8 muestra un fotodiodo p-i-n que comprende una capa 50 de silicio intrínseco emparedado entre una capa 51 de silicio de tipo p y una capa 52 de silicio de tipo n. En esta realización, una región fotoactiva está formada por una capa 53 de \beta-FeSi_{2}, situada en la capa 50 de silicio intrínseco.
La Fig. 9 muestra un fotodiodo Schottky que comprende una capa 60 de silicio de tipo p (aunque podría ser usado alternativamente silicio de tipo n) y una capa metálica 61 que juntas forman una barrera de Schottky. En esta realización, una región fotoactiva está formada por una capa 62 de \beta-FeSi_{2} situada dentro de la capa agotada D. La región fotoactiva incrementa la absorción y la generación de portadores en la capa agotada.
La Fig. 10 muestra un fototransistor que comprende un transistor de unión bipolar formado por una capa 70 de silicio de tipo n (que define la región del emisor), una capa 72 de silicio de tipo n (que define la región del colector) y una capa 71 de silicio de tipo p (que define la región de la base). En esta realización, la región fotoactiva está formada por una capa 73 de \beta-FeSi_{2}, situada en la región de la base. La región fotoactiva aumenta la absorción y la generación de portadores en la región de la base.
Se apreciará que puede ser usada alternativamente una unión bipolar p-n-p.
La Fig. 11 muestra una célula solar que comprende una unión p-n de silicio formada por una capa 80 de silicio de tipo p y una capa 81 de silicio de tipo n. En esta realización, la región fotoactiva está formada por una capa 82 de \beta-FeSi_{2} situada en la capa agotada D de la unión. La región fotoactiva aumenta la absorción y la generación de portadores en la capa agotada.
Se apreciará que en todas las realizaciones descritas con referencia las figuras 5 a 11, el material semiconductor de banda prohibida directa, \beta-FeSi_{2}, está preferiblemente en forma de precipitados aislados o microcristales. Sin embargo, podría ser usada alternativamente una capa de \beta-FeSi_{2}. Este material puede ser formado por procesos similares a aquellos descritos aquí antes en relación con la fabricación del dispositivo de la Fig. 1.
Aunque el material de banda prohibida directa preferido es \beta-FeSi_{2} (aleado o no aleado, dopado o no dopado), está previsto que podrían ser usados materiales de banda prohibida directos alternativos; sin embargo, se cree que el salto de banda de estos materiales debería ser igual o menor que el del material de banda prohibida indirecta en el que está situado.
Se entenderá de lo anterior que los dispositivos semiconductores según la presente invención encontrarán amplia aplicabilidad, aunque no exclusivamente, como fuentes optoelectrónicas y sensores optoelectrónicos.

Claims (39)

1. Dispositivo semiconductor optoelectrónico que comprende una unión (10) formada en parte por una capa de un material semiconductor de banda prohibida indirecta, en el que dicha capa incluye una región fotoactiva (19) diferenciada en la que, en operación del dispositivo, son creados o combinados pares electrón-hueco, conteniendo dicha región fotoactiva un material semiconductor de banda prohibida directa y que define un salto de energía igual o menor que el salto de energía de dicho material semiconductor de banda prohibida indirecta, en el que dicha región fotoactiva está separada de dicha unión.
2. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 1 en forma de un fotoemisor.
3. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 2, en el que dicho fotoemisor es un diodo emisor de luz.
4. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 1 en forma de un fotodetector.
5. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 4 en el que el fotodetector es un fotodiodo.
6. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho material semiconductor de banda prohibida directa tiene la forma de precipitados aislados o monocristales.
7. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 6, en el que dichos precipitados aislados o microcristales tienen dimensiones del orden de cincuenta a varios cientos de nanómetros.
8. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho material semiconductor de banda prohibida directa forma una capa continua o una serie de capas continuas.
9. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que dicha unión (10) es una unión p-n formada por una capa (11) de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p y una capa (12) de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo n.
10. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 9, en el que dicha región fotoactiva (19) está situada tan próxima como sea posible pero completamente fuera de la capa agotada (18) que prevalece cuando está siendo aplicada una polarización directa a través de la unión.
11. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 2, en el que dicha unión (10) está formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta y una capa metálica que define una barrera de Schottky, y dicha región fotoactiva (19) está situada en dicha capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta.
12. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 11, en el que dicha región fotoactiva (19) está situada fuera de la capa agotada (18) que prevalece cuando está siendo aplicada una polarización directa a través de la unión.
13. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 5, en el que dicho fotodiodo es un fotodiodo de avalancha, siendo dicha unión una unión p-n formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p (40) y una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo n (41) y estando dicha región fotoactiva (42) situada en una o la otra de dichas capas de tipo n y p fuera de la capa agotada, que prevalece cuando está siendo aplicada una polarización directa a través de la unión.
14. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 5, en el que dicho fotodiodo es un fotodiodo de capa agotada.
15. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 14, en el que dicho fotodiodo de capa agotada es un fotodiodo p-i-n.
16. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 15, en el que dicha unión (10) está formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta intrínseca (50) emparedada entre una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p (51) y una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo n (52), y dicha región fotoactiva (53) está situada en dicha capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta intrínseca.
17. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 15 o la reivindicación 16, en el que dicha unión p-i-n es una unión p-i-n de silicio.
18. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 15 o la reivindicación 16, en el que dicha unión p-i-n es una homounión no de silicio o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
19. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 14, en el que dicho fotodiodo de capa agotada es un es un fotodiodo Schottky.
20. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 19, en el que dicha unión (10) está formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta (60) y una capa metálica (61) que define una barrera de Schottky, y dicha capa fotoactiva (62) está situada en dicha capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta (60) dentro de la capa agotada (D) que prevalece cuando una polarización directa está siendo aplicada a través de la unión.
21. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera de las reivindicaciones 11, 12 y 20, en el que dicho material semiconductor de banda prohibida indirecta es un material de tipo n o un material de tipo p.
22. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 21, en el que dicho material semiconductor de banda prohibida indirecta es silicio.
23. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 14, en el que dicho fotodiodo de capa agotada es una célula solar, siendo dicha unión (10) una unión p-n formada por una capa de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p (80) y una capa de material semiconductor de banda prohibida continua indirecta de tipo n (81), y dicha región fotoactiva (82) está situada dentro de la capa agotada de la unión (10) que prevalece cuando una polarización directa está siendo aplicada a través de la unión.
24. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera de las reivindicaciones 9, 10, 13 ó 23, en el que dicha unión p-n es una unión p-n de silicio.
25. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera de las reivindicaciones 9, 10, 13 ó 23, en el que dicha unión p-n es una homounión no de silicio o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
26. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 4, en el que dicho fotodetector es un transistor de unión bipolar que comprende capas de material semiconductor de banda prohibida indirecta de tipo p y n que definen las regiones del emisor, base y colector del transistor, estando dicha región fotoactiva situada en la región de la base.
27. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 26, en el que dicha unión bipolar es una unión de silicio.
28. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 26, en el que dicha unión bipolar es una homounión no de silicio o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
29. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 28, en el que dicho material semiconductor de banda prohibida directa es disiliciuro de hierro beta.
30. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 29, en el que dicho \beta-FeSi_{2} está dopado o no dopado, aleado o no aleado.
31. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según la reivindicación 30, en el que dicho \beta-FeSi_{2} está aleado con uno o más de cobalto, germanio, indio y aluminio.
32. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera de las reivindicaciones 29 a 31, en el que dicho \beta-FeSi_{2} está en forma de precipitados aislados o microcristales.
33. Dispositivo semiconductor optoelectrónico según una cualquiera de las reivindicaciones 29 a 31, en el que dicho \betaFeSi_{2} está en forma de una capa continua o una serie de capas.
34. Láser que incorpora un fotoemisor según la reivindicación 9 ó la reivindicación 10.
35. Láser según la reivindicación 34 en el que dicha unión p-n es una unión p-n de silicio o una homounión no de silicio o una heterounión formada por materiales semiconductores de banda prohibida indirecta.
36. Método para producir un dispositivo semiconductor optoelectrónico que incluye una unión (10), incluyendo el método las etapas de: formar una capa de un material semiconductor de banda prohibida indirecta que define parte de dicha unión y proporcionar en dicha capa una región fotoactiva (19) diferenciada que contiene un material semiconductor de banda prohibida directa que tiene un salto de energía igual o menor que el del material semiconductor de banda prohibida indirecta y en el que durante la operación del dispositivo, pares electrón-hueco son creados o combinados en dicha región fotoactiva, en el que dicha región fotoactiva (19) está separada de dicha unión.
37. Método según la reivindicación 36, que incluye preformar la unión (10) mediante una técnica de crecimiento tal como epitaxia de haz molecular y proporcionar dicho material semiconductor de banda prohibida directa mediante implantación de iones.
38. Método según la reivindicación 36, que incluye producir el dispositivo en su integridad mediante un proceso de implantación de haz de iones.
39. Método según la reivindicación 36 que incluye producir el dispositivo en su integridad mediante epitaxia de haz molecular.
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