JP5676273B2 - パンチスルー効果を利用した半導体発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、オプトエレクトロニック・デバイスに関し、より詳細には、半導体材料から製作される発光デバイス、および半導体材料内で光を発生させる方法に関する。

単結晶間接遷移型半導体（例えばシリコン）内でのアバランシェ・エレクトロルミネセント発光は、逆バイアスがかけられたｐｎ接合部内での移動キャリア（例えば電子と正孔の再結合）と格子フォノンの相互作用によって発生する。「クールな」（低エネルギーの）キャリアが、密に離隔された、順バイアスがかけられた接合部から、逆バイアスがかけられた接合部に注入されて、「ホットな」高エネルギーのキャリアと空乏領域内で相互作用する場合、内部量子効率（電子１個当たりに発生する光子の数）を高めることができる。

しかし、従来型デバイスでは、順バイアスがかけられた接合部から注入されるキャリアが、順バイアスがかけられた接合部全体（側壁および底壁）を横切って注入される。これは、全注入キャリアのうち比較的少ないパーセンテージだけが、逆バイアスがかけられた空乏領域に到達して、光の発生を開始することを意味する。逆バイアスがかけられたアバランシェ空乏層に到達していないキャリアは失われ、光の発生に利用されていないデバイス電流になり、したがって、光源の電力効率が低減する。

したがって、前述の欠点を少なくとも軽減することができると出願人が考える、代替の発光デバイスおよび関連する方法を提供することが、本発明の目的である。

本発明によれば、
−半導体からなるボディと、
−ボディ内の、第１のドーピング・タイプをもつボディの第１の領域と第２のドーピング・タイプをもつボディの第２の領域との間に形成された、第１の接合領域と、
−ボディ内の、ボディの第２の領域と第１のドーピング・タイプをもつボディの第３の領域との間に形成された、第２の接合領域と、
−使用の際に、第１の接合領域に逆バイアスをかけて降伏モードにし、また第２の接合領域の少なくとも一部に順バイアスをかけて、第１の接合領域に向かってキャリアを注入するために、ボディに接続された端子構成と
を備え、
−逆バイアスがかけられた第１の接合領域に関連する第１の空乏領域が、第２の領域をパンチスルーして、第２の接合領域の順バイアスがかけられた少なくとも一部に関連する第２の空乏領域に至るように構成された
発光デバイスが提供される。

半導体材料は、間接遷移型材料とすることができる。あるいは、半導体材料は、直接遷移型材料とすることもできる。

降伏モードは、アバランシェ・モードでも、別法として、電界放出モードでも、さらに別法として、アバランシェと電界放出の組合せでもよい。

いくつかの実施形態では、第１のドーピング・タイプをｎとし、第２のドーピング・タイプをｐとすることができる。他の実施形態では、第１のドーピング・タイプをｐとし、第２のドーピング・タイプをｎとすることができる。

いくつかの実施形態では、第１の空乏領域が第２の接合領域にパンチスルーすることができる。

端子構成は、ボディの第１の領域に接続された、第１の極性の電圧を第１の領域に印加するための第１の端子と、ボディの第３の領域に接続された、反対極性の電圧を第３の領域に印加するための第２の端子との２つの端子を備えることができる。

あるいは、端子構成は、ボディの第１の領域に接続された第１の端子と、ボディの第３の領域に接続された第２の端子と、ボディの第２の領域に接続された第３の端子との３つの端子を備えることもできる。第３の端子には、変調信号を印加することができる。したがって、第１および第２の端子を、エレクトロルミネセンス過程、キャリア・エネルギー、およびキャリア密度プロファイルを制御するのに使用することができ、第３の端子を、デバイスの出力エレクトロルミネセンスの変調を制御するのに使用することができる。

本発明はさらに、発光デバイスを動作させる方法であって、
−半導体材料からなるボディを利用するステップと、
−第１のドーピング・タイプをもつボディの第１の領域と第２のドーピング・タイプをもつボディの第２の領域との間に、第１の接合領域が形成されるようにし、ボディ内の、ボディの第２の領域と第１のドーピング・タイプをもつボディの第３の領域との間に、第２の接合領域が形成されるようにするステップと、
−第１の接合領域に逆バイアスをかけて降伏モードにするステップと、
−第２の接合領域の少なくとも一部に順バイアスをかけて、第１の接合領域に向かってキャリアが注入されるようにするステップと、
−逆バイアスがかけられた第１の接合領域に関連する第１の空乏領域に、ボディの第２の領域をパンチスルーさせて、順バイアスがかけられた第２の接合領域に関連する第２の空乏領域に至らせるステップと
を含む方法を、本発明の範囲内に含む。

第２の接合部に、わずかに逆バイアスをかけることができ、パンチスルーさせた第１の空乏領域によって、第２の接合領域の第１の部分に順バイアスがかかるようにすることができる。

次に本発明を、ほんの一例として、添付の図面を参照してさらに説明する。

シリコン発光デバイスの概略図である。 従来型のシリコン・キャリア注入発光デバイスの平面レイアウトの概略図である。 図２の線ＩＩＩに沿った概略断面図である。 図２および３の従来型デバイスに関するエネルギー・バンド図である。 図２に類似した、本発明によるデバイスに関する図である。 本発明によるキャリア注入デバイスに関するエネルギー・バンド図である。 本発明による２端子デバイスの概略図である。 従来型のｎ^＋ｐダイオードにおけるキャリア濃度プロファイルの図である。 本発明によるパンチスルーｎ^＋ｐｎ^＋デバイスにおける類似の図である。 本発明によるデバイスの一代替実施形態の概略図である。 図１０のデバイスの電界強度および分布の図である。 図１０のデバイスの別の図である。 図１０のデバイスに関する、キャリア・エネルギー対距離の概略図である。 図１０のデバイスに関する、キャリア濃度対距離の図である。 起こり得るさまざまな光エネルギー遷移を示す、Ｓｉバンド図である。

半導体材料から製作される複数端子発光デバイスが、図１に参照番号１０で全体的に示されている。この材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＳｉ−Ｇｅなどの間接遷移型半導体材料とすることができる。他の実施形態では、直接遷移型材料を使用することができる。

図示の実施形態では、デバイス１０が、間接遷移型半導体材料、この場合にはＳｉからなるボディ１２を備える。ボディは、第１のドーピング・タイプをもつボディの第１の領域１２．１と第２のドーピング・タイプをもつ第１のボディの第２の領域１２．２との間に、第１の接合領域１４を備える。第１のボディはさらに、第２の領域１２．２と、やはり第１のドーピング・タイプをもつボディの第３の領域１２．３との間に、第２の接合領域１６を備える。第１のドーピング・タイプは、ｎ^＋とすることができ、第２のドーピング・タイプは、ｐとすることができる。他の実施形態では、反対のドーピング・タイプを使用することができる。使用の際に、第１の接合領域１４に逆バイアスをかけて降伏モードにし、また第２の接合領域１６の少なくとも一部に順バイアスをかけて、第１の接合領域に向かってキャリアを注入するために、端子構成１８がボディに接続される。降伏モードは、アバランシェ・モードでも、別法として、電界放出モードでも、さらに別法として、アバランシェと電界放出の組合せでもよい。

ここで図５も参照すると、デバイス１０は、逆バイアスがかけられた第１の接合領域１４に関連する第１の空乏領域２０が、順バイアスがかけられた第２の接合領域１６に関連する第２の空乏領域にパンチスルーするように構成される。図５に示す実施形態では、第１の空乏領域２０が、第２の接合領域１６の少なくとも第１の部分１６．１にパンチスルーする。

図２および３を参照すると、従来型デバイス１００では、ｐ型材料１１２．２に注入されるキャリア１０２が、順バイアスがかけられた接合領域１１６の側壁１１６．１および底壁１１６．２を含めて、接合領域１１６全体を横切って注入される。これは、全注入キャリア１０２のうち比較的少ないパーセンテージ１０２．１だけが、逆バイアスがかけられた空乏領域１２０に到達して、光の発生を開始することを意味する。逆バイアスがかけられたアバランシェ空乏層に到達していないキャリアは失われ、光の発生に利用されていないデバイス電流になり、したがって、光源の電力効率が低減する。

一方、図５に示すもののようなパンチスルー構造の場合、逆バイアスがかけられたアバランシェ接合部１４に到達する注入キャリアのパーセンテージは増大すると考えられる。

図４に示すエネルギー図は、図２および３に示す従来型デバイス１００内の２つの接合部１１４および１１６のエネルギー障壁を示す。逆バイアスがかけられた接合部１１４の障壁は、平衡状態よりも増大し、順バイアスがかけられた接合部１１６の障壁は、平衡（ゼロ・ボルト・バイアス）状態に比べて低減する。図４では、逆バイアスがかけられた接合部１１４の空乏領域１２０の幅が１２２で示されており、順バイアスがかけられた接合部１１６のエネルギー障壁が１２４で示されている。

ここで図５を再度参照すると、逆バイアスがかけられた接合部１４の空乏領域２０を、順バイアスがかけられた接合部１６の空乏領域に到達するようにすることができる場合、逆バイアスがかけられた接合部１４の静電気の影響により、順バイアスがかけられた接合部１６の、局所的には両空乏領域がそこでのみ出会う１６．１のところの（図６の２４で示す）エネルギー障壁が、図４に１２４で示す従来型デバイスのエネルギー障壁に比べて低下すると考えられる。

図６に示すように、順バイアスがかけられた接合部のところのエネルギー障壁２４は、逆バイアスがかけられた接合部１４から侵入する空乏領域２０によってさらに低下する。この効果は一般に、パンチスルーとして知られており、通常は負の寄生効果として見なされているが、この場合にはその効果が、アバランシェ・エレクトロルミネセンス効果を高めるために積極的に使用される。

パンチスルー効果は、図５の１６．１で示すように局所化することができる。図５のデバイスでは、逆バイアスがかけられた接合部の空乏領域２０が、横方向に離隔された隣接する接合部１６に、局所的な明確に定義された部分またはインターフェース１６．１内でパンチスルーする。隣接する接合部のエネルギー障壁２４が、局所的に交差インターフェース１６．１のところで低下し、それにより、接合部１６のその部分１６．１に、接合部の残りの部分よりも順バイアスがかかる。実際のところ、隣接する接合部１６には、隣接する接合部全体を全面的に横切るキャリア注入を停止させるために、実際にわずかに逆バイアスをかけることができる。この場合、パンチスルー・インターフェース１６．１は、隣接する接合部の、エネルギー障壁低下効果によって順バイアスがかけられている唯一の部分となり、逆バイアスがかけられた接合部の空乏領域への独占的なキャリア注入を引き起こす。デバイスをこのモードで用いることによって、バルクへのキャリア注入が逆バイアスがかけられた空乏領域に到達しないことによる損失が、より小さくなり得ると考えられ、さらに、エレクトロルミネセンス効率が向上し得ると考えられる。

図７に示すように、本発明によるキャリア注入パンチスルー・デバイス１０は、２端子デバイスとして動作させることもできる。この動作モードでは、端子構成１８のｐ型バルク・コンタクトが不要である。

アバランシェ接合部へのキャリア注入を用いる利点は、従来型のｎ^＋ｐ接合部と、それと比較してパンチスルーｎ^＋ｐｎ^＋構造について、空乏領域内のキャリア濃度プロファイルを調査することによって実証することができる。

アバランシェ降伏状態にある従来型のｎ^＋ｐ接合部に関するキャリア濃度プロファイルが、図８に示されており、パンチスルーｎ^＋ｐｎ^＋構造に関するキャリア濃度プロファイルが、図９に示されている。

図８に示すデバイスは、空乏領域が比較的広く、アバランシェ利得が高く、ｐ領域に隣接する空乏領域縁部で電子キャリア濃度が低い。アバランシェ増倍すべきキャリアは、ｐ領域内で熱的に生成され、熱的に生成されたわずかな漏れ電流を構成する。このわずかな漏れ電流を比較的大きな逆アバランシェ電流に増大して光を発生させるために、アバランシェ利得は高くなければならない。

一方、図９に示すパンチスルー・デバイス１０の場合、アバランシェ増倍すべき電流は、順バイアスがかけられた接合部１６からの注入電流であり、これは、熱的に生成された漏れ電流よりもずっと大きい。このデバイスでは、同じ光発生電流を達成するのに、必要なアバランシェ利得がより小さく、それにより空乏領域２０がより狭くなり、その結果、デバイス１０を通るキャリアの走行時間がより短くなり、したがってスイッチング応答がより速くなるはずである。空乏領域２０がより狭いことにより、動作電圧もより低くなり、その結果、光発生過程の電力効率が向上し得る。

やはり図９から明白なのは、パンチスルーの場合の方が、電子のキャリア濃度が大幅に高いことであり、それにより、特に放射性の直接キャリア（電子−正孔）再結合が電子／正孔キャリア濃度ｐｎ積に比例する場合、高電界空乏領域内でキャリアとフォノン、およびキャリアとキャリアの放射性相互作用（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）が起こる確率がより高くなり得る。

パンチスルー・デバイス１０の別の利点に、順バイアスがかけられた接合部１６からキャリア注入される地点、すなわち順バイアスがかけられた接合部付近で、多数の「クールな」（低エネルギーの）電子が、空乏領域２０の、多数の加速された「ホットな」（高エネルギーの）正孔があるのと同じ容積領域内にあり、それにより、放射性の直接遷移型キャリア再結合過程が向上することがあり得る。

図１０には、ｐ^＋ｎｐ^＋アバランシェ注入シリコン・エレクトロルミネセント・デバイス１０の形をとる、本発明による一代替デバイスの概略図が示されている。図１１には、デバイス１０全体にわたる電界強度および分布の図が示されている。第１のｐ^＋ｎ接合部１４付近で、電界状態が、ホスト原子のイオン化および増倍を可能にするのに十分大きな大きさに達する。この領域を励起ゾーンと呼ぶ。中心のｎ領域でホスト原子がイオン化されるため、電界強度は、第２のｐ^＋ｎ接合部１６に到達するまで次第に減衰する。２つの接合部間の領域を、ドリフト・ゾーン３０と呼ぶ。残りの短い電界減衰は、高ドープｐ^＋領域１２．３内でのホスト・ドーパント原子のイオン化により占められる。特定のバイアス条件のため、また図１２に示すように、高密度の低エネルギーの（クールな）正孔が、注入ゾーンとも呼ぶ第２のｐ^＋ｎ接合部１６からドリフト・ゾーン３０に注入される。

励起された両方の高エネルギー電子の分布が、励起接合部１４に形成される。これらの電子は、デバイスのドリフト・ゾーン３０を横断する。電子はその横断中、再結合中心または緩和中心として働くことのできる欠陥中心と相互作用することができる。注入ゾーン１６から高密度の正孔が注入され、それが電子の方向とは反対方向に移動するので、ドリフト・ゾーン３０全体において、高エネルギーのドリフトしている電子と低エネルギーの注入された正孔との間で再結合が起こり得る。

電子と正孔がドリフト領域３０を横断しているときのそれらに関するキャリア・エネルギーの図が、図１３に示されている。励起された電子は、その最大のホスト原子イオン化エネルギーをほぼ維持しながらドリフト・ゾーン３０を横断し、そのエネルギーは約１．８ｅＶである。電界強度は、電子のこのエネルギーをドリフト領域全体にわたって維持するのに十分なほど高い。電子は、パンチスルー・インターフェース（空乏領域２０と注入用接合部の空乏領域が出会うインターフェース）に到達したとき、注入ゾーンに侵入し、しかもそのエネルギーを注入ゾーンの空乏領域の終わりまで維持すると考えることができる。高エネルギー電子は、そのエネルギーを失うまでに約１５０ｎｍの平均的な平均自由行程長を有するので、大部分の電子は、注入接合部のほぼ中性のｐ^＋領域１２．３にも侵入する。電子はそこで、ｐ^＋領域１２．３内に存在する多数の自由な低エネルギーの正孔と、後に相互作用することができる。注入用ｐ^＋ｎ接合部からドリフト・ゾーンに注入されている正孔は、エネルギーをすばやく獲得し、正孔にとって最大の、約２．３ｅＶというホスト・シリコンのイオン化エネルギーを、１５０〜２００ｎｍ以内で獲得すると考えられる。正孔はそのエネルギーを、ドリフト・ゾーン３０の残りの部分を横断するときに維持する。高エネルギー電子と中エネルギーおよび高エネルギーの正孔との間の再結合過程が、ドリフト・ゾーン全体にわたって起こり得るが、この再結合過程は、エネルギーとキャリアの分布にそれほど影響を及ぼし得ない。

図１４は、電子と正孔がドリフト・ゾーン３０を横断するときのそれらに関する、対応する予測キャリア密度プロファイルを示す。ドリフト・ゾーン３０内の高電界強度のため、電子はこのゾーンを、キャリア密度が大きく減少することなく（飽和速度に近い）高速で横断する。電子は、注入用接合部１６から注入された高密度の正孔と相互作用して再結合するとき、全ての電子が正孔と再結合するまで、その濃度が急速に減衰し得ると考えることができる。この過程は、主としてドリフト・ゾーン３０の終わりの部分内で起こり、さらには中性のｐ^＋領域内に及ぶこともある。同様に、高密度の低エネルギー正孔が接合部１６から注入されて、横断している高エネルギーの放出電子と相互作用する。したがって、正孔濃度が接合部１６から急速に減衰して、ある特定の中程度のレベルに至ると考えることができる。正孔は、ひとたび高電界ドリフト・ゾーン３０に入ると飽和速度に達し、ドリフト・ゾーンの残りの部分の中を、それほど再結合せずにドリフトする。最大のエレクトロルミネセント収量を得るのに特に好都合な領域が、横断している高エネルギー電子と注入された低エネルギー正孔の両方の密度が高い、注入ゾーン１６の付近になるものと現在予想されている。図１３に示すキャリアの対応する予測エネルギーを考慮すると、図１５に示す、それぞれ２．３ｅＶおよび０．５ｅＶのエネルギー遷移を生じさせるタイプＤの遷移が起こり得ると現在予想されている。ドリフト領域３０内のより深いところでは、約２．８〜２．９ｅＶのタイプＣの遷移が起こり得る。タイプＡおよびＢの遷移は、ドリフト・ゾーンの接合部１４により近いさらに深い領域内で起こり得る。

Claims (15)

1. 半導体材料からなるボディと、
   前記ボディ内の、第１のドーピング・タイプをもつ前記ボディの第１の領域と第２のドーピング・タイプをもつ前記ボディの第２の領域との間に形成された、第１の接合領域と、
   前記ボディ内の、前記ボディの前記第２の領域と前記第１のドーピング・タイプをもつ前記ボディの第３の領域との間に形成された、第２の接合領域と、
   前記ボディに接続され、第２の接合領域の少なくとも一部に順バイアスをかけ、前記第１の接合領域が降伏モードとなるように第１の接合領域へと逆バイアスを印加するように構成された端子構成と
   を備え、
   前記逆バイアスがかけられた第１の接合領域に関連する第１の空乏領域が、前記第２の接合領域の少なくとも一部のエネルギー障壁を低くするために、前記第２の接合領域の前記順バイアスがかけられた少なくとも一部に関連する第２の空乏領域にパンチスルーするように構成されるとともに、キャリアを前記第２の接合領域の少なくとも一部から第１の空乏領域へと注入し、これによりデバイスにおけるエレクトロルミネセンス効果を向上させるように構成された
   発光デバイス。
   
2. 前記第２の接合領域の前記少なくとも一部は前記第１の接合領域および前記第１の接合領域の表面から横方向に離隔され、前記第２の接合領域の他の領域は逆バイアスがかけられる請求項１に記載の発光デバイス。
   
3. 前記半導体材料が単結晶間接遷移型半導体材料である、請求項１または２に記載の発光デバイス。
   
4. 前記半導体材料がシリコンを含む、請求項３に記載の発光デバイス。
   
5. 記半導体材料が直接遷移型半導体材料である、請求項１または２に記載の発光デバイス。
   
6. 前記第１のドーピング・タイプがｎであり、前記第２のドーピング・タイプがｐである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
   
7. 前記第１のドーピング・タイプがｐであり、前記第２のドーピング・タイプがｎである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
   
8. 降伏モードが、アバランシェ・モード、電界放出モード、およびアバランシェ・モードと電界放出モードの組合せのうちの１つである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
   
9. 前記第１の空乏領域が前記第２の接合領域にパンチスルーする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光デバイス。
   
10. 前記端子構成が、前記ボディの前記第１の領域に接続された、第１の極性の電圧を前記第１の領域に印加するための第１の端子と、前記ボディの前記第３の領域に接続された、反対極性の電圧を前記第３の領域に印加するための第２の端子との２つの端子を備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発光デバイス。
    
11. 前記端子構成が、前記ボディの前記第１の領域に接続されている、第１の極性の電圧を前記ボディの前記第１の領域に印加するための第１の端子と、前記ボディの前記第３の領域に接続されている、反対極性の電圧を前記第３の領域に印加するための第２の端子と、前記ボディの前記第２の領域に接続されている第３の端子との３つの端子を備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発光デバイス。
    
12. 発光デバイスを動作させる方法であって、
    第１のドーピング・タイプをもつ前記ボディの第１の領域と第２のドーピング・タイプをもつ前記ボディの第２の領域との間に形成された第１の接合領域と、前記ボディの前記第２の領域と前記第１のドーピング・タイプをもつ前記ボディの第３の領域との間のボディ内部に形成された第２の接合領域とを備える半導体材料のボディを供給するステップと、
    前記第１の接合領域に逆バイアスをかけて降伏モードにするステップと、
    前記第２の接合領域の少なくとも第１の部分に順バイアスをかけるステップと、
    前記逆バイアスがかけられた第１の接合領域に関連する第１の空乏領域に、前記ボディの前記第２の領域を前記第２の接合領域の少なくとも一部のエネルギー障壁を低くするために、前記第２の接合領域の前記少なくとも第１の部分と関連する第２の空乏領域へとパンチスルーさせるとともに、キャリアを前記第２の接合領域の少なくとも第１の部分から第１の空乏領域へと注入させ、これによりデバイスにおけるエレクトロルミネセンス効果を向上させるステップと
    を含む方法。
    
13. 前記第２の接合領域には逆バイアスがかけられ、前記パンチスルーさせた第１の空乏領域によって、前記第２の接合領域の前記第１の部分に順バイアスがかけられる、請求項１２に記載の方法。
    
14. 前記半導体材料が単結晶間接遷移型半導体材料である、請求項１２または１３に記載の方法。
    
15. 前記半導体材料が直接遷移型半導体材料である、請求項１３または１４に記載の方法。

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