KR20000052787A - 광전반도체장치 - Google Patents

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레옹다니엘
해리밀튼앤소니
홈우드케빈
리슨카렌조이
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제임스 빅터 리드
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Abstract

LED 형태의 광전반도체장치가 베타 - 철이규화물(β-FeSi2)을 함유하는 광활성영역(19)을 갖는 실리콘 p-n 접합(10)을 갖는다. LED 는 약 1.5 ㎛ 의 파장에서 전계발광을 발생한다. 또한 광검출기장치가 기술되어 있다.

Description

광전반도체장치{Optoelectronic semiconductor devices}
광전반도체장치에 있어서 광자의 방출 또는 검출이 이루어지는 "광활성" 영역이 있다. 인가전류가 접합부를 통하여 정공과 전자를 주입하고 전자와 정공이 광활성영역에서 결합할 수 있을 때 광자의 방출이 일어나고 그 결과의 에너지가 광자의 형태로 방출된다. 광자의 검출은 광활성영역으로 입사된 광자가 전자 - 정공쌍을 만들어 전류가 흐르게 될 때에 일어난다.
실리콘은 간접밴드갭을 가지고 이는 집적실리콘광전분야에 사용하기에 적합한 허용가능한 실리콘 포토에미터의 개발에 방해가 되었다. 또한 실리콘의 밴드갭은 커서 1 ㎛ 이상의 파장에 반응하는 광검출기의 개발을 방해한다. 광섬유시스템의 기초가 되는 약 1.5 ㎛ 의 전자기파를 방출하거나 이에 반응하는 광전장치는 심한 전자기간섭(EMI)에 대하여 내성을 갖는 통신분야와 광컴퓨터시스템에서는 특히 중요하다. 본 발명에 의하여 제안된 장치의 구조는 실리콘기재의 이러한 광전장치의 제작이 가능하도록 한다.
실리콘을 기초로 한 장치로부터 약 1.5 ㎛ 의 전자기파를 발생할 수 있는 적당한 광방출장치를 개발하기 위하여 여러 가지 방법이 연구되었다.
한 가지 방법으로 SiGe 초격자형 구조가 의사직접밴드갭을 형성토록 존 폴딩방법을 이용할 수 있도록 개발되었다. 다른 방법으로서 실리콘이 1.5 ㎛ 과 동일한 내부전이에너지를 갖는 에르븀으로 도포되었다. 그러나, 이들 방법은 실제의 장치로 실시되지 못하였다.
본 발명은 예를 들어 포토에미터와 광검출기와 같은 광전반도체장치에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 발광다이오드(LED)개략 단면도.
도 2 는 3 개의 상이한 온도 80K, 180K 및 30OK에서 인가된 순방향바이어스전압의 함수로서 도 1 의 장치에 의하여 발생된 전계발광강도를 보인 그래프.
도 3 은 온도 80K 에서 도 1 의 장치에 의하여 발생된 전계발광스펙트럼을 보인 그래프.
도 4 는 온도의 함수로서 도 1 의 장치의 전계발광강도의 변화를 보인 그래프.
도 5 는 본 발명에 따른 포토에미터가 결합된 레이저의 개략 단면도.
도 6 은 본 발명에 따른 다른 포토에미터의 횡단면도.
도 7-11 은 본 발명에 따른 여러 광검출기장치의 횡단면도.
본 발명의 한 관점에 따라서, 간접밴드갭 반도체기재에 형성된 접합부가 별개의 광활성영역을 형성토록 직접밴드갭 반도체물질이 사용된 구조를 갖는 광전반도체장치가 제공된다. 접합부에 관련된, 그러나 이로부터 분리된 별개의 광활성층을 형성하기 위하여 직접밴드갭물질을 도입하는 것은 새로운 셋트의 반도체장치를 제작할 수 있도록 한다. 직접밴드갭 격자구조를 갖지 않는 반도체는 "간접밴드갭" 반도체라 하며 일반적으로 효율적인 전계발광이 불가능하다.
본 발명의 발명자들은 본문에 정의된 바와 같은 직접밴드갭 반도체 물질의 제공으로 광활성영역에 의하여 광자가 흡수되거나 이로부터 방출될 수 있는 효율을 개선할 수 있음을 발견하였다.
본 발명의 다른 관점에 따라서 간접밴드갭 반도체물질의 층에 의하여 적어도 부분적으로 형성된 접합부로 구성되는 광전반도체장치가 제공되는 바, 상기 층은 장치의 동작시 전자 - 정공쌍이 발생되거나 결합되고 간접밴드갭 반도체물질의 에너지갭과 같거나 작은 에너지갭을 갖는 직접밴드갭 반도체물질을 함유하는 광활성영역을 갖는다.
본 발명에 따른 광전반도체장치는 예를 들어 발광다이오드와 같은 포토에미터와 포토다이오드와 같은 광검출기를 포함한다.
포토에미터의 경우에 있어서, 전하캐리어가 접합부를 통하여 이동되며 이들이 복사전이되는 광활성영역으로 주입된다. 즉, 여기에서 전자와 정공이 재결합되고 에너지가 직접밴드갭 반도체물질의 밴드갭에너지보다 작거나 같은 광자를 발생한다.
광검출기의 경우에 있어서, 직접밴드갭 반도체물질의 밴드갭에너지와 같거나 큰 에너지를 갖는 입사광자가 광활성영역에서 전자 - 정공쌍을 발생하여 광전류를 발생한다.
좋기로는, 상기 직접밴드갭 반도체물질이 격리된 침전물 또는 미결정체의 형태를 갖는 것이 좋다. 전형적으로 이들은 50 - 수 백 나노메타정도이어서 현저한 양자차단효과가 거의 일어나지 않는다.
비록 바람직하지는 않으나, 달리 직접밴드갭 반도체물질이 연속층 또는 일련의 연속층을 형성할 수 도 있다.
본 발명의 우선실시형태에서, 직접밴드갭 반도체물질은 베타 - 철이규화물(β-FeSi2)이다.
β-FeSi2는 1,5 ㎛ 의 전이에너지를 갖는 직접밴드갭 반도체물질이다. 따라서, 이들의 광활성영역에 β-FeSi2를 이용한 본 발명의 실시형태는 광섬유통신에 적용할 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, β-FeSi2는 격리된 침전물 또는 미결정체의 형태를 갖는 것이 좋다. 그러나, 연속층이 사용될 수 도 있다. 더욱이, β-FeSi2는 합금 또는 합금되지 않거나 도포 또는 도포되지 않을 수 도 있다. 예를 들어, 코발트 게르마늄, 인듐 또는 알루미늄으로 합금된 β-FeSi2는 도포되지 않은 물질보다 약간 낮은 전이에너지를 갖는다.
예를 들어, 발광다이오드와 같은 본 발명에 따른 우선형태의 포토에미터에 있어서, 상기 접합부는 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층에 의하여 형성된 p-n 접합이다.
이 명세서에 있어서는 n-형 반도체물질의 층이 p-형 반도체물질의 층보다 과중하게 도포된 것으로 규정되었다. 이러한 상황에서 광활성영역은 상기 p-형 반도체물질의 층에 배치되어 순방향바이어스 조건하에서 전자가 접합부를 통하여 주입되고 광활성영역에 의하여 포착될 것이다. 또한 p-형 반도체물질의 층은 n-형 반도체물질의 층보다 과중하게 도포될 수 있다. 이 경우에 있어서, 광활성영역은 상기 n-형 반도체물질의 층에 배치될 수 있고 정공이 p-형 반도체물질의 층으로부터 접합부를 통하여 주입되고 광활성영역에 의하여 포착된다.
p-n 접합 에미터의 경우, 광활성영역은 순방향바이어스 전압이 접합부를 통하여 인가될 때 효과를 보이는 비교적 협소한 디플리션층에 가능한한 근접하게, 그러나, 전체적으로 외측에 배치되는 것이 좋다. 이러한 구성은 전하캐리어가 이들이 복사전이될 수 있는 광활성영역에 의하여 포착되는 효율을 최대화하는데 좋다. 또는 광활성영역은 디플리션층으로부터 간격을 둘 수 있다. 그러나, 광활성영역에 의한 전하의 포착은 효율이 낮을 수 있다.
p-n 접합은 실리콘 p-n 접합일 수 있다. 그러나, 간접밴드갭 반도체물질로부터 형성되는 상이한 호모접합 또는 헤테로접합이 이용될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 다른 포토에미터에 있어서, 상기 접합은 간접밴드갭 반도체물질의 층과 쇼트키 배리어를 형성하는 금속층으로 형성되고, 상기 광활성영역은 상기 간접밴드갭 반도체물질의 층에 배치된다. 순방향바이어스 조건하에서 캐리어는 접합부를 통하여 이동되며 이들이 복사전이될 때 광활성영역에 의하여 포착될 수 있다.
광활성영역은 포착효율을 최대화하기 위하여 디플리션층의 외측에 배치되는 것이 좋다. 이 실시형태에 있어서, 간접밴드갭 반도체물질은 n-형 물질 또는 p-형 물질이고, 좋기로는 필수적인 것은 아니나 실리콘이다.
본 발명에 따른 광검출기는 애벌랜치 포토다이오드와 디플리션 - 층 포토다이오드와 같은 포토다이오드를 포함한다.
애벌랜치 포토다이오드의 경우에 있어서, 상기 접합은 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층에 의하여 형성되는 p-n 접합이고, 상기 광활성영역은 디플리션층의 외측에서 상기 n- 및 p-형 층의 일측 또는 타측에 배치된다. 역방향바이어스 조건하에서, 항복전압이상에서는 광활성영역에 입사되는 광자에 의하여 발생된 전자와 정공은 애벌랜치 과정에 의하여 증가된다.
p-n 접합은 실리콘 p-n접합이다. 그러나, 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 다른 호모접합 또는 헤테로접합이 이용될 수 있다.
디플리션 - 층 포토다이오드의 경우에 있어서, 광활성영역은 디플리션층에 배치된다. 광활성영역에 입사되는 광자는 보다 많이 흡수되어 종래의 기술보다 큰 광전류가 발생토록 한다.
본 발명에 따른 디플리션 - 층 포토다이오드의 한 예는 p-i-n 포토다이오드이다. p-i-n 포토다이오드에서 상기 접합은 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층사이에 개재된 고유간접밴드갭 반도체물질의 층에 의하여 형성되고, 상기 광활성영역이 상기 고유간접밴드갭 반도체물질의 층에 배치된다. 적당한 역방향바이어스 조건하에서, 항복전압이하에서는 광활성영역이 고유간접밴드갭 반도체물질의 층의 디플리션층내에 놓일 것이며 광활성영역에 입사되는 광자에 의하여 발생된 전자 - 정공쌍은 광전류를 발생한다.
p-i-n 접합은 실리콘 p-i-n 접합일 수 있다. 그러나, 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 다른 호모접합 또는 헤테로접합이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 디플리션 - 층 포토다이오드의 다른 실시형태는 쇼트키 포토다이오드이다. 이 실시형태에 있어서, 상기 접합은 간접밴드갭 반도체물질의 층과 쇼트키 배리어를 형성하는 금속층으로 형성되고, 상기 광활성층은 디플리션층의 내측에서 상기 간접밴드갭 반도체물질의 층에 배치된다. 광활성영역에 입사되는 광자에 의하여 발생된 전자 - 정공쌍이 광전류를 발생한다. 간접밴드갭 반도체물질은 n-형 물질 또는 p-형 물질일 수 있으며, 좋기로는 필수적인 것은 아니나 실리콘이다.
본 발명에 따른 디플리션 - 층 포토다이오드의 또 다른 실시형태는 태양전지이다. 이 실시형태에서, 상기 접합은 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층으로 형성된 p-n 접합이고, 상기 광활성영역은 접합의 디플리션층내에 배치된다. 광활성영역에 입사되는 광자에 의하여 발생된 전자 - 정공쌍이 광전류를 발생한다. 태양전지의 p-n 접합은 실리콘 p-n 접합일 수 있다. 그러나, 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 다른 호모접합 또는 헤테로접합이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 광검출기의 다른 실시형태는 n-p-n 포토트랜지스터 또는 p-n-p 포토트랜지스터인 양극성접합 트랜지스터이다. 양극성접합은 트랜지스터의 에미터, 베이스 및 콜렉터영역을 형성하는 p- 및 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층으로 형성되며, 상기 광활성영역은 접합의 베이스영역에 배치된다.
양극성접합은 실리콘접합일 수 있다. 또는 이 접합은 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 다른 호모접합 또는 헤테로접합일 수 있다.
예를 들어, 불순물의 이동을 제어하기 위하여 상기 언급된 장치의 구조에 하나 이상의 배리어층을 갖는 것이 바람직하다.
상기 언급된 본 발명의 모든 실시형태에서, 직접밴드갭 반도체물질은 β-FeSi2(도포되거나 도포되지 않은 것 또는 합금되거나 합금되지 않은 것)가 좋으며, 이는 비록 연속층 또는 일련의 층이 이용될 수 있으나 격리된 침전물 또는 미세결정의 형태가 바람직하다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라서, 본문에 정의 된 바와 같은 포토에미터가 결합된 레이저가 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 접합을 포함하는 광전반도체장치의 제조방법이 제공되는 바, 이 방법은 상기 접합부분을 형성하는 간접밴드갭 반도체물질의 층을 형성하는 단계와, 상기 층에 간접밴드갭 반도체물질의 에너지갭과 같거나 작은 에너지갭을 가지고 장치의 동작시 전자 - 정공쌍이 발생되거나 결합되는 직접밴드갭 반도체물질을 함유하는 광활성영역을 제공하는 단계를 포함한다.
이 방법은 분자선에피택시와 같은 성장기술에 의하여 접합을 수행하는 단계와, 예를 들어 이온주입방법으로 상기 직접밴드갭 반도체물질을 제공하는 단계를 포함한다. 직접밴드갭 반도체물질은 광활성영역에 하나 이상의 층을 형성한다. 또한 장치는 이온주입방법에 의하여 그 전체가 제조될 수 있다. 또한 전체장치는 분자선에피택시와 같은 상이한 성장기술로 제조될 수 있다.
본 발명의 특별한 실시에 있어서, 상기 직접밴드갭 반도체물질이 격리된 침전물 또는 미세결정으로서 상기 층에 제공된다. 상기 직접밴드갭 반도체물질의 한 예는 β-FeSi2이다.
본 발명을 첨부 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 에서, LED는 실리콘기재(20)상에 형성된 실리콘 p-n 접합(10)으로 구성된다. 이 예에서, 실리콘기재(20)는 n-형 (100)물질로 형성되고, p-n 접합(10)은 0.4 ㎛ 의 두께를 갖는 안티몬 - 도포형 n-형 영역(12)상에 분자선에피택시에 의하여 성장된 두께 1.0 ㎛ 의 보론 - 도포형 p-형 영역(11)으로 구성된다. p- 및 n-형 영역(11)(12)의 도핑밀도는 각각 1 x 1017cm-3과 5 x 1018cm-3이며, 0.008-0.02 Ωcm 의 저항을 갖는 실리콘기재(20)으로부터 성장되었다.
장치는 또한 p-형 영역(11)의 외면과 기재(20)의 외면에 각각 형성되어 접합부를 통하여 바이어스전압 V 가 인가되도록 하는 옴접점(15)(16)이 구비되어 있다. 통상적으로 접점은 증착으로 형성되고 각 표면에서 합금되며, 이러한 특별한 예에서는 접점은 직경이 1 mm 이고 p-형 영역의 접점(15)는 Al 으로 형성되고 기재의 접점(16)은 AuSb 공융물로 형성된다. 물론 다른 적당한 접점물질이 사용될 수 있다.
기재상의 접점(16)은 윈도우(17)를 갖는다.
실리콘 p-n 접합(10)은 p- 및 n-형 영역(11)(12)의 경계면에 디플리션영역(18)(도 1 에서 점선으로 표시함)과, 이 디플리션영역(18)에 인접하여 p-형 영역(11)에 제공된 광활성영역(19)(빗금친 부분)을 갖는다.
이 실시형태에서, 이후 상세히 설명되는 바와 같이 광활성영역(19)은 베타 - 철이규화물(β-FeSi2)인 직접밴드갭 반도체물질을 함유하거나 이로서 구성된다. 이미 설명된 바와 같이, β-FeSi2는 약 1.5 ㎛ 의 파장에 일치하는 밴드갭을 갖는다. p-n 접합의 순방향바이어스 조건하에서 접합의 n-형 영역(12)의 전도대의 다수캐리어(전자)가 접합부에 주입되고 광활성영역(19)에 의하여 포착되며 여기에서 이들은 복사전이되어 약 1.5 ㎛ 파장의 광자를 발생한다. 그 결과의 전계발광은 장치의 투명실리콘층을 통하여 전달되고 접점(16)에 형성된 윈도우(17)을 통하여 장치에서 방출된다.
광활성영역(19)은 이 광활성영역에 의하여 다수캐리어의 포착이 최대화될 수 있도록 순방향바이어스 전압이 접합부를 통하여 인가되는 디플리션층(18)에 가능한 한 근접하게 p-형 영역(11)에 배치된다.
본 발명의 이러한 실시형태에서, 실리콘 p-n 접합(1O)이 먼저 분자선에피택시에 의하여 기재(20)상에서 성장되었으며 이어서 광활성영역(19)이 이온주입방법, 즉 Fe 이온의 주입에 의하여 형성되었다.
만약 비교적 높은 주입량이 사용된 경우에, 영역(19)은 β-FeSi2의 연속층으로 형성될 수 있다. 그러나, 어닐링단계에 이어 β-FeSi2의 격리된 침전물을 형성토록 비교적 낮은 주입량(예를 들어 약 1 x 1O16cm-2)이 사용될 수 있다. 적당한 어닐링방법이 Reeson 등의 J Mat Res Soc Proc 316, 433 1994 에 기술되어 있다.
격리침전물의 형성은 상업적으로 입수가능한 주입기를 이용할 수 있도록 하며, 또한 공정시간이 짧고 제조비용이 크게 낮이질 수 있다. 이 예에서, 도 1 에서 보인 바와 같이 디플리션영역(18)에 근접하여 β-FeSi2의 침전물을 형성토록 950keV 의 주입에너지가 사용되었다.
전형적으로 침전물의 크기는 50-수 백 나노메타이어서 양자차단효과는 거의 발생치 않았다.
별도 단계에서 p-n 접합(10)과 광활성영역(19)을 형성하는 대신에, 이들은 이온빔합성으로 단일단계에서 형성될 수 있다.
LED 는 1.5 ㎛ 의 파장에서 전계발광이 이루어지는 것으로 확인되었다. 이미 언급된 바와 같이, 이러한 파장은 광섬유통신시스템의 기초가 되는 상업적으로 중요한 것이다.
LED 의 성질과 특성을 연구하기 위하여, 다수의 다이오드가 초기에 기재(20)에 메사 엣칭되어 "격리" 되었고, 장치의 전류 - 전압(I-V)특성이 다이오드무결성을 연구하기 위하여 측정되었다.
그리고 각 다이오드가 분리되어 통상적인 하프 - 미터 분광계의 전면에 배치된 가변온도 다이나믹 연속유동 액체질소저온유지장치에 착설되었다. 전계발광을 검출하기 위하여 액체질소냉각형 게르마늄 p-i-n 다이오드가 사용되었다.
처음에 측정은 80K 에서 이루어졌다. 이 온도에서 전계발광의 개시가 약 0.8V 의 순방향바이어스 전압에서 이루어지는 것으로 관측되었다. 순방향바이어스 전압의 함수로서 관측된 전계발광강도가 3 개의 상이한 온도 80K, 180K 및 30OK 에 대하여 도 2 에 도시되어 있다.
도시된 곡선의 형태와 "턴 - 온" 전압의 값으로부터 순방향바이어스형 p-n 접합을 통한 통상적인 주입이 전제적으로 일관됨을 알 수 있다.
도 3 은 80K 에서 순방향바이어스전류가 15 ㎃ 인 LED 에 의하여 발생된 전계발광 스펙트럼을 보이고 있다. 이 스펙트럼은 1.54 ㎛ 에서 피크이고 50meV 의 반높이에서 전폭을 갖는다.
도 4 는 관측된 전계발광강도가 온도의 증가에 따라 감소함을 보이고 있으나 그럼에도 불구하고 실온(30OK)에서 관측될 수 있다. 전계발광강도 스펙트럼에서 피크점은 작동온도가 증가함에 따라 낮은 에너지쪽으로 약간 이동하며, 이는 밴드 - 엣지관련 방사특징이다.
장치는 실온과 80K 사이에서 온도순환되었으며 수 백 시간동안 연속 웨이브모드에서 만족스럽게 작동하는 것으로 확인되었고, 전계발광품질, 강도 또는 작동조건에서 현저한 변화나 열화가 관측되지 않았다. 비록 도 1 이 발광다이오드에 관하여 설명되었으나 이 형태의 p-n 구조는 예를 들어 도 5 에서 보인 바와 같은 인젝션 레이저와 같은 다른 형태에 적용할 수 있음을 이해할 것이다.
레이저는 도 1 에 관련하여 설명된 LED 와 유사한 구조를 갖는다. 그러나, n-형 층(12')의 도핑농도는 1O19cm3의 정도로 약간 높다. 광공진기가 장치의 각 단부에서 반사 및 부분반사요소(각각 R 및 PR)에 의하여 형성된다. 다른 실시형태에 있어서, p- 및 n-형 층(11')(12')이 교차될 수 있으며 반사요소가 수직공동레이저를 형성토록 디플리션층 (18')과 광활성 영역(19')의 상하에 배치될 수 있다.
도 6 은 쇼트키효과를 이용한 본 발명에 따른 상이한 종류의 포토에미터장치의 단면을 보이고 있다. 이 도면에서, 장치는 p-형 또는 n-형 실리콘의 층(30)과 쇼트키배리어를 함께 형성하는 금속층(31)으로 구성된다. 광활성영역은 β-FeSi2의 직접밴드갭 반도체물질의 층(32)으로 층(30)에 형성된다. 순방향바이어스 조건하에서 전자가 층(30)(31)으로 형성된 접합부를 통하여 주입되고 광활성영역에 의하여 포착되며 여기에서 이들은 방사전이된다. 층(30)은 실리콘과는 상이한 p-형 또는 n-형 간접밴드갭 반도체물질로 형성될 수 있다.
도 7-11 은 본 발명에 따른 여러 광검출기장치의 단면을 보인 것이다.
도 7 은 p-형 실리콘의 층(40)과 n-형 실리콘의 층(41)으로 형성된 실리콘 p-n 접합으로 구성되고 디플리션층 D 의 외측에서 p-형 층(40)에 배치된 β-FeSi2의 층(42)으로 형성된 광활성영역을 갖는 애벌랜치 포토다이오드를 보이고 있다. 다른 실시형태에서, 광활성영역은 역시 디플리션층 D 의 외측에서 n-형 층(41)에 배치된다. 이들 구조에 있어서, 광활성영역은 높은 필드 디플리션층에 애벌랜칭되기 전에 빛의 흡수와 캐리어의 발생을 향상시킨다.
도 8 은 p-형 실리콘의 층(51)과 n-형 실리콘의 층(52)사이에 개재된 고유실리콘의 층(50)으로 구성된 p-i-n 포토다이오드를 보이고 있다. 이 실시형태에서, 광활성영역은 고유실리콘의 층(5O)에 배치된 β-FeSi2의 층(53)으로 형성된다.
도 9 는 p-형 실리콘의 층(60)(n-형 실리콘이 사용될 수 있으나)과 쇼트키배리어를 함께 형성하는 금속층(61)으로 구성된 쇼트키 포토다이오드를 보이고 있다. 이 실시형태에서, 광활성영역은 디플리션층 D 내에 배치된 β-FeSi2의 층(62)으로 형성된다. 광활성영역은 디플리션층의 흡수와 캐리어발생을 증가시킨다.
도 10 은 n-형 실리콘의 층(70)(에미터영역을 형성함), n-형 실리콘의 층(72)(콜렉터영역을 형성함)과, p-형 실리콘의 층(71)(베이스영역을 형성함)으로 형성되는 양극성 접합트랜지스터로 구성된 포토트랜지스터를 보이고 있다. 이 실시형태에서, 광활성영역은 베이스영역에 배치된 β-FeSi2의 층(73)으로 형성된다.
p-n-p 양극성 접합이 이용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 11 은 p-형 실리콘의 층(80)과 n-형 실리콘의 층(81)으로 형성된 실리콘 p-n 접합으로 구성된 태양전지를 보이고 있다. 이 실시형태에서, 광활성영역은 디플리션층 D 내에 배치된 β-FeSi2의 층(82)으로 형성된다. 광활성영역은 디플리션층의 흡수와 캐리어발생을 증가시킨다.
도 5-11 에 관련하여 설명된 모든 실시형태에서, β-FeSi2의 직접밴드갭 반도체물질은 격리침전물 또는 미세결정의 형태가 좋음을 이해할 것이다. 그러나, β-FeSi2의 연속층이 이용될 수 있다. 이 물질은 도 1 의 장치의 제조에 관련하여 설명된 것과 유사한 방법으로 형성될 수 있다.
비록 직접밴드갭 반도체물질이 β-FeSi2(합금 또는 합금되지 않거나 도프 또는 도프되지 않음)인 것이 좋으나, 다른 직접밴드갭 반도체물질이 사용될 수 있을 것이다. 그러나, 이들 물질의 밴드갭은 이것이 놓이는 간접밴드갭 반도체물질의 것과 동일하거나 작아야 한다.
이상의 설명으로부터 본 발명에 따른 반도체장치는 광전자소오스와 광전자감지기와 같은 광범위한 분야에 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (49)

  1. 광전반도체장치에 있어서, 간접밴드갭 반도체기재에 형성된 접합부가 별개의 광활성영역을 형성토록 결합된 직접밴드갭 반도체물질을 갖는 구조를 가짐을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  2. 간접밴드갭 반도체물질의 층에 의하여 부분적으로 형성된 접합부로 구성되는 광전반도체장치에 있어서, 상기 층이 장치의 동작시 전자 - 정공쌍이 발생되거나 결합되고 간접밴드갭 반도체물질의 에너지갭과 같거나 작은 에너지갭을 갖는 직접밴드갭 반도체물질을 함유하는 광활성영역을 가짐을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 포토에미터의 형태임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 포토에미터가 발광다이오드(LED)임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 광검출기의 형태임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 광검출기가 포토다이오드임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  7. 제 1 항 - 제 6 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 직접밴드갭 반도체물질이 격리침전물 또는 미세결정의 형태를 가짐을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 격리침전물 또는 미세결정의 크기가 50-수 백 나노메타임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  9. 제 1 항 - 제 6 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 직접밴드갭 반도체물질이 연속층 또는 일련의 연속층을 형성함을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  10. 제 1 항 - 제 9 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 직접밴드갭 반도체물질이 베타 - 철이규화물(β-FeSi2)임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  11. 제 1O 항에 있어서, 상기 β-FeSi2가 합금되지 않거나 합금되고 또는 도포되지 않거나 도포됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 β-FeSi2가 코발트, 게르마늄, 인듐 및 알루미늄 중 하나 이상과 합금됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  13. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 접합이 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층으로 형성된 p-n 접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 광활성영역이 순방향바이어스가 접합을 통하여 인가되는 디플리션층에 가능한 한 근접하게 그러나 전체적으로 그 외측에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 p-n 접합이 실리콘 p-n 접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 p-n 접합이 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 비 - 실리콘 호모접합 또는 헤테로접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  17. 제 3 항에 있어서, 상기 접합이 간접밴드갭 반도체물질의 층과 쇼트키 배리어를 형성하는 금속층으로 형성되고, 상기 광활성영역이 상기 간접밴드갭 반도체물질의 층에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 광활성영역이 디플리션층의 외측에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 간접밴드갭 반도체물질이 n-형 물질 또는 p-형 물질임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 간접밴드갭 반도체물질이 실리콘임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  21. 제 6 항에 있어서, 상기 포토다이오드가 애벌랜치 포토다이오드이고, 상기 접합이 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층에 의하여 형성되는 p-n접합이고, 상기 광활성영역이 디플리션층의 외측에서 상기 n- 및 p-형 층의 일측 또는 타측에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 p-n 접합이 실리콘 p-n 접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 접합이 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 비 - 실리콘 호모접합 또는 헤테로접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  24. 제 6 항에 있어서, 상기 포토다이오드가 디플리션층 포토다이오드임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 디플리션층 포토다이오드가 p-i-n 포토다이오드임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 접합이 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층사이에 개재된 고유간접밴드갭 반도체물질의 층에 의하여 형성되고, 상기 광활성영역이 상기 고유간접밴드갭 반도체물질의 층에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서, 상기 p-i-n 접합이 실리콘 p-i-n 접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  28. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서, 상기 p-i-n 접합이 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 비 - 실리콘 호모접합 또는 헤테로접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  29. 제 24 항에 있어서, 상기 디플리션층 포토다이오드가 쇼트키 포토다이오드임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 접합이 간접밴드갭 반도체물질의 층과 쇼트키 배리어를 형성하는 금속층으로 형성되고, 상기 광활성층은 디플리션층의 내측에서 상기 간접밴드갭 반도체물질의 층에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 간접밴드갭 반도체물질이 n-형 물질 또는 p-형 물질임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 간접밴드갭 반도체물질이 실리콘임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  33. 제 24 항에 있어서, 상기 디플리션 - 층 포토다이오드가 태양전지이고, 상기 접합이 p-형 간접밴드갭 반도체물질의 층과 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층으로 형성된 p-n 접합이고, 상기 광활성영역이 접합의 디플리션층내에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 p-n 접합이 실리콘 p-n 접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 p-n 접합이 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 비 - 실리콘 호모접합 또는 헤테로접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  36. 제 5 항에 있어서, 상기 광검출기가 트랜지스터의 에미터, 베이스 및 콜렉터영역을 형성하는 p- 및 n-형 간접밴드갭 반도체물질의 층으로 구성된 양극성 접합트랜지스터이고, 상기 광활성영역이 베이스영역에 배치됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 양극성 접합이 실리콘접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  38. 제 36 항에 있어서, 상기 양극성 접합이 간접밴드갭 반도체물질로 형성된 비 - 실리콘 호모접합 또는 헤테로접합임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  39. 제 13 항 - 제 38 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 직접밴드갭 반도체물질이 β-FeSi2임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 β-FeSi2가 합금되지 않거나 합금되고 또는 도포되지 않거나 도포됨을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  41. 제 39 항 또는 제 40 항에 있어서, 상기 β-FeSi2가 격리침전물 또는 미세결정의 형태임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  42. 제 39 항 또는 제 40 항에 있어서, 상기 β-FeSi2가 연속층 또는 일련의 층 형태임을 특징으로 하는 광전반도체장치.
  43. 제 13 항 - 제 16 항의 어느 한 항에 청구된 바와 같은 포토에미터가 결합된 레이저.
  44. 접합을 포함하는 광전반도체장치의 제조방법에 있어서, 이 방법이 상기 접합부분을 형성하는 간접밴드갭 반도체물질의 층을 형성하는 단계와, 상기 층에 간접밴드갭 반도체물질의 에너지갭과 같거나 작은 에너지갭을 가지고 장치의 동작시 전자 - 정공쌍이 발생되거나 결합되는 직접밴드갭 반도체물질을 함유하는 광활성영역을 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광전반도체장치의 제조방법.
  45. 제 44 항에 있어서, 분자선에피택시와 같은 성장기술에 의하여 접합을 수행하는 단계와, 이온주입방법으로 상기 직접밴드갭 반도체물질을 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광전반도체장치의 제조방법.
  46. 제 44 항에 있어서, 이온주입방법에 의하여 장치 전체를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광전반도체장치의 제조방법.
  47. 제 44 항에 있어서, 분자선에피택시에 의하여 장치 전체를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광전반도체장치의 제조방법.
  48. 본문에 상술하고 도시한 바와 같은 광전반도체장치.
  49. 본문에 상술한 바와 같은 광전반도체장치의 제조방법.
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