KR20130126897A - 발광 및 레이징 반도체 소자 및 방법 - Google Patents

발광 및 레이징 반도체 소자 및 방법 Download PDF

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가브리엘 월터
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퀀텀 일렉트로 아프투 시스템즈 에스디엔.비에이치디.
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Abstract

본 발명은, 양자 크기 영역을 포함하고 제2 전도성 타입의 반도체 입력 영역에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 전도성 타입의 반도체 활성 영역을 포함하고, 상기 활성 영역으로부터 발광을 발생하도록 상기 활성 영역 및 입력 영역에 대해 전위를 인가하여 동작되는 발광 반도체 구조와 함께 사용하는데 적용된다. 상기 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위해 제공되는 방법은, 상기 활성 영역의 상기 제1 표면과 마주보는, 제2 표면에 인접한 상기 제1 전도성 타입의 반도체 보조층을 포함하는 반도체 출력 영역을 제공하는 단계, 및 상기 활성 영역의 반도체 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리보다 상당히 짧은, 제1 전도성 타입 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리를 갖는 반도체 물질로서 상기 보조층을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

발광 및 레이징 반도체 소자 및 방법{LIGHT EMITTING AND LASING SEMICONDUCTOR METHODS AND DEVICES}
본 발명은 전기 신호에 응답하여 발광 및 레이저 발광을 발생하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 향상된 효율과 속도를 갖는 반도체 소자로부터 발광 및 레이저 발광을 발생하고, 반도체 발광 소자로부터 광출력을 증가시키는 소자 및 방법에 관한 것이다.
여기에서, 배경 기술의 일부는 발광 트랜지스터 및 트랜지스터 레이저로서 동작하는 헤테로정션 바이폴라 트랜지스터들(HBT; Heterojunction bipolar transistors)의 개발에 관한 것이다. 예를 들어 미국특허번호 7,091,082, 7,286,583, 7,354,780, 7,535,034 및 7,693,195; 미국특허출원 공개번호 US2005/0040432, US2005/0054172, US2008/0240173, US2009/0134939 및 US2010/0034228, US2010/0202483, 및 US2010/0202484; 및 PCT 국제특허공개번호 WO/2005/020287 및 WO/2006/093883을 참조할 수 있다. 또한 다음의 공개물들을 참조할 수 있다: Light-Emitting Transistor: Light Emission From InGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and W. Hafez, Appl. Phys. Lett. 84,151(2004); Quantum-Well-Base Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84,1952(2004); Type-II GaAsSb/lnP Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor, M. Feng, N. Holonyak, Jr., B. Chu-Kung, G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84,4792(2004); Laser Operation Of A Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor, G. Walter, N. Holonyak, Jr., M. Feng, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 85,4768(2004); Microwave Operation And Modulation Of A Transistor Laser, R. Chan, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 86,131114(2005); Room Temperature Continuous Wave Operation Of A Heterojunction Bipolar Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 87,131103(2005); Visible Spectrum Light-Emitting Transistors, F. Dixon, R. Chan, G. Walter, N. Holonyak, Jr., M. Feng, X. B. Zhang, J. H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 88,012108(2006); The Transistor Laser, N. Holonyak and M Feng, Spectrum, IEEE Volume 43, Issue 2, Feb. 2006; Signal Mixing In A Multiple Input Transistor Laser Near Threshold, M. Feng, N. Holonyak, Jr., R. Chan, A. James, and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 88,063509(2006); and Collector Current Map Of Gain And Stimulated Recombination On The Base Quantum Well Transitions Of A Transistor Laser, R. Chan, N. Holonyak, Jr., A. James, and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 88,14508(2006); Collector Breakdown In The Heterojunction Bipolar Transistor Laser, G. Walter, A. James, N. Holonyak, Jr., M. Feng, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 88,232105(2006); High-Speed(/spl ges/1 GHz)Electrical And Optical Adding, Mixing, And Processing Of Square-Wave Signals With A Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., R. Chan, A. James, and G. Walter, Photonics Technology Letters, IEEE Volume: 18 Issue: 11(2006); Graded-Base InGaN/GaN Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistors, B. F. Chu-Kung et al., Appl. Phys. Lett. 89,082108(2006); Carrier Lifetime And Modulation Bandwidth Of A Quantum Well AIGaAs/lnGaP/GaAs/lnGaAs Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., A. James, K. Cimino, G. Walter, and R. Chan, Appl. Phys. Lett. 89,113504(2006); Chirp In A Transistor Laser, Franz-Keldysh Reduction of The Linewidth Enhancement, G. Walter, A. James, N. Holonyak, Jr., and M. Feng, Appl. Phys. Lett. 90,091109(2007); Photon-Assisted Breakdown, Negative Resistance, And Switching In A Quantum-Well Transistor Laser, A. James, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 90,152109(2007); Franz-Keldysh Photon-Assisted Voltage-Operated Switching of a Transistor Laser, A. James, N. Holonyak, M. Feng, and G. Walter, Photonics Technology Letters, IEEE Volume: 19 Issue: 9(2007); Experimental Determination Of The Effective Minority Carrier Lifetime In The Operation Of A Quantum-Well n-p-n Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor Of Varying Base Quantum-Well Design And Doping, H.W. Then, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and C. H. Wu, Appl. Phys. Lett. 91,033505(2007); Charge Control Analysis Of Transistor Laser Operation, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H. W. Then, and G. Walter, Appl. Phys. Lett. 91,053501(2007); Optical Bandwidth Enhancement By Operation And Modulation Of The First Excited State Of A Transistor Laser, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 91,183505(2007); Modulation Of High Current Gain(β>49) Light-Emitting InGaN/GaN Heterojunction Bipolar Transistors, B. F. Chu-Kung, C. H. Wu, G. Walter, M. Feng, N. Holonyak, Jr., T. Chung, J. -H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 91,232114(2007); Collector Characteristics And The Differential Optical Gain Of A Quantum-Well Transistor Laser, H. W. Then, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr., Appl. Phys. Lett. 91,243508(2007); Transistor Laser With Emission Wavelength at 1544 nm, F. Dixon, M. Feng, N. Holonyak, Jr., Yong Huang, X. B. Zhang, J. H. Ryou, and R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 93,021111(2008); Optical Bandwidth Enhancement Of Heterojunction Bipolar Transistor Laser Operation With An Auxiliary Base Signal, H.W. Then, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 93,163504(2008); Bandwidth Extension By Trade-Off Of Electrical And Optical Gain In A Transistor Laser: Three-Terminal Control, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94,013509(2009); Tunnel Junction Transistor Laser, M. Feng, N. Holonyak, Jr., H. W. Then, C. H. Wu, and G. Walter Appl. Phys. Lett. 94,041118(2009); Electrical-Optical Signal Mixing And Multiplication(2→22 GHz) With A Tunnel Junction Transistor Laser, H. W. Then, C. H. Wu, G. Walter, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94,101114(2009); Scaling Of Light Emitting Transistor For Multigigahertz Optical Bandwidth, C. H. Wu, G. Walter, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94,171101(2009). Device Performance Of Light Emitting Transistors With C-Doped And Zn-Doped Base Layers, Huang, Y., Ryou, J.-H., Dupuis, R.D., Dixon, F., Holonyak, N., Feng, M., Indium Phosphide & Related Materials, 2009; IPRM '09. IEEE International Conference, 10-14 May 2009, Pages 387 - 390; Tilted-Charge High Speed(7 GHz) Light Emitting Diode, G. Walter, C. H. Wu, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94,231125(2009); 4.3 GHz Optical Bandwidth Light Emitting Transistor, G. Walter, C. H. Wu, H. W. Then, M. Feng, and N. Holonyak, Jr. Appl. Phys. Lett. 94,241101(2009); and Resonance-Free Frequency Response Of A Semiconductor Laser, M. Feng, H. W. Then, N. Holonyak, Jr., G. Walter, and A. James Appl. Phys. Lett. 95,033509(2009).
위에서 참조된 특허들, 특허 출원 공개물들 및 공개된 논문들에 기술된 것들을 포함하는 경사 전하 발광 소자(tilted-charge light-emitting devices)에 있어서, 광출력, 동작의 응답시간(속도) 및 제조의 용이성을 극대화하고자 할 때, 디바이스 디자인에서 트레이드 오프(trade-off)가 일어난다.
본 발명의 목적은 이러한 트레이드 오프 및 경사 전하 발광 소자 및 방법에 존재하는 다른 한계 요소들을 다루는데 있다.
경사 전하 소자의 고속의 광학 능력은, 소자의 활성 영역(일반적으로, 베이스 영역)에서 전하 경사(charge tilt)를 유지하기 위한 소자의 기능에 달려 있다. (전하 경사는 베이스-컬렉터 정션 또는 베이스-드레인 정션에서 작은 초기값을 갖는 소자의 에너지 다이어그램에서 램프(ramp)로 특징지어 진다. 이 정션에서 전하 증가(charge build-up)가 있다면, 유리한 전하 경사 특성은 존재하지 않을 것이다.) 전하 경사는, 원하는 광학적 재결합의 영역들(예로써, 양자우물(들), 양자점, 등.)에서 재결합하지 않는 소수 전하들(minority charges)이 빠른 2차 메커니즘(예로써, 트랜지스터의 컬렉터 또는 경사 전하 발광 다이오드의 드레인)에 의해 수집되거나 소모되게 함으로써 가능해진다. 그래서, 소자의 고유한 고속 특성은, 주행시간 τt로 알려진, 2차 메커니즘에 접속하기 위해 요구된 시간에 의해 제한된다.
이미터, 베이스 및 컬렉터를 포함하는 구조의 트랜지스터는, 물질 연구(material study)에 사용하기 위한 훌륭한 소자일 수 있다. 또한, 베이스 전류 Ib에 대한 컬렉터 전류 Ic의 비인 이미터 이득 β(β = Ic/Ib)은, 베이스 주행 시간에 대한 베이스 재결합 시간의 비(τB/τt)로 주어질 수 있다. 그러므로, 비슷한 정션 특성들, 유사한 물리적 차원들 및 베이스 저항률의 트랜지스터들에 대해, 로어 베타 소자(lower beta device)는 보통 작은(그러므로, 빠른) 베이스 재결합 수명을 나타낸다.
베이스 물질의 재결합 수명을 연구하기 위해 트랜지스터 기술을 사용함으로써, 본 출원인은, 고농도로 도프된(highly doped) 반도체 물질에서 결함 준위(defect levels)는 도핑 농도, 가스 흐름 및 성장 온도(growth temperature)와 같은 성장 변동(growth variation)을 통해 제어될 수 있다는 것을 알아냈다. 레이어(layer)에서 결함 준위를 증가시킴으로써, 해당 레이어의 재결합 속도가 증가하여 매우 낮은 이미터 이득 β를 갖는 소자를 야기한다. 또한, 본 출원인은 AIGaAs와 같은 합금들이 GaAs와 같은 이진 시스템과 비교할 때, 재결합 수명이 더 감소되기 쉬운 경향이 있다는 것을 알아냈다.(이하에서는, 반도체 물질에서 소수 캐리어를 위한 확산 거리(diffusion length)가 그 물질의 결함 농도(defect concentration)와 반비례 관계에 있다고 하여 다루어질 것이다.) 또한, 본 출원인은 0.01만큼 낮은 β를 갖는 트랜지스터들(즉, 소수 캐리어의 99%는 베이스 영역의 단일 패스 내에서 재결합되었다)이 달성되면, 매우 빠른 비방사 재결합 물질이 결함 엔지니어링(defect engineering)을 통해 가능해진다는 것을 나타낸다는 것을 알아냈다. 중요한 것은, 결함들의 엔지니어링이 레이어의 다수 캐리어 전기 특성(저항률)을 낮추는 일 없이 이루어질 수 있다는 것이다. 이런 빠른 재결합 특성은, 조작된 높은 결함 레이어(또는 조작된 짧은 확산 거리 레이어)가 초과 소수 캐리어의 수집(collection)/소모(draining)를 위한 효과적인 2차 메커니즘으로서 이용될 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 경사 전하 발광 소자의 설계에 있어서, 하나 이상의 조작된 높은 결함 농도 레이어들(짧은 확산 거리 레이어들) 및 하나 이상의 조작된 낮은 결함 농도 레이어들(긴 확산 거리 레이어들)의 결합들(combinations)은 상당한 이득을 제공할 수 있다.
상기에서 주목할 점은, 반도체 물질에서 소수 캐리어를 위한 확산 거리는 그 물질의 결함 농도와 반비례 관계에 있다는 것이다. 비록 본 발명에서는 결함 농도 또는 그 반대인, 확산 거리가 언급하는 특정 레이어들에서 사용될 수 있지만, 이어지는 실시예 및 청구항에서는 확산 거리가 주로 이용되는 메트릭(metric)일 것이다. 그러나, 반대적 의미로 이용된 결함 농도가 대안으로 암시될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 일 형태는, 양자 크기 영역을 포함하고 제2 전도성 타입의 반도체 입력 영역에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 전도성 타입의 반도체 활성 영역을 포함하며, 상기 활성 영역으로부터 발광을 발생하도록 상기 활성 영역 및 입력 영역에 대해 전위를 인가하여 동작되는 발광 반도체 구조와 함께 사용하는데 적용된다. 상기 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위해 제공되는 방법은, 상기 활성 영역의 상기 제1 표면과 마주보는, 제2 표면에 인접한 상기 제1 전도성 타입의 반도체 보조층을 포함하는 반도체 출력 영역을 제공하는 단계, 및 상기 활성 영역의 반도체 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리보다 상당히 짧은, 제1 전도성 타입 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리를 갖는 반도체 물질을 포함하는 상기 보조층을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 형태의 일실시예로서, 상기 출력 영역을 제공하는 단계는, 상기 반도체 보조층에 인접한 상기 제2 전도성 타입의 반도체 드레인 영역을 제공하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 형태의 또 다른 실시예로서, 상기 출력 영역을 제공하는 단계는, 상기 반도체 보조층에 인접한 상기 제2 전도성 타입의 반도체 컬렉터 영역을 제공하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 형태의 일실시예로서, 상기 활성 영역의 제2 표면에 인접한 반도체 보조층을 포함하는 출력 영역을 제공하는 단계는, 상기 활성 영역의 제2 표면의 반도체 물질과 같은 대체로 동일한 기초 성분(elemental constituents)을 갖는 반도체 물질의 보조층을 제공하는 단계를 포함한다. 여기서 일실시예로서, 양쪽 모두의 반도체 물질은 주로 GaAs이지만, 각각 다른 결함 농도(및, 따라서, 소수 캐리어에 대한 다른 확산 거리)를 갖는다.
본 발명의 또 다른 형태로서, 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위해 제시되는 방법으로서, 제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역과 마주 보는 제2 전도성 타입의 반도체 이미터 영역과, 상기 제2 전도성 타입의 반도체 드레인 영역 사이에서, 비교적 긴 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역을 포함하는 반도체 구조를 제공하는 단계; 상기 베이스 영역과 상기 드레인 영역 사이에서, 비교적 짧은 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 상기 제1 전도성 타입의 반도체 보조 영역을 제공하는 단계; 상기 베이스 영역 내에, 양자 크기 효과(quantum size effects)를 나타내는 영역을 제공하는 단계; 상기 이미터 영역에 연결된 이미터 전극을 제공하는 단계; 상기 베이스 영역과 상기 드레인 영역에 연결된 베이스/드레인 전극을 제공하는 단계; 및 상기 반도체 구조로부터 발광을 얻기 위해 상기 이미터 전극 및 베이스/드레인 전극에 대하여 신호를 인가하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 형태의 일실시예로서, 베이스/드레인 전극을 제공하는 단계는, 상기 베이스 영역, 상기 보조 영역, 및 상기 드레인 영역에 연결된 베이스/드레인 전극을 제공하는 단계를 포함한다. 이러한 실시예에서, 상기 제1 전도성 타입은 p-타입이며, 제2 전도성 타입은 n-타입이고, 상기 반도체 베이스 영역을 제공하는 단계는, 적어도 약 1019/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 p-타입 베이스 영역을 제공하는 단계를 포함하며, 그리고, 상기 보조층을 제공하는 단계는, 적어도 약 1019/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 p-타입 물질을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적 형태로서, 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위해 제시된 방법은, 제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역과 마주 보는 제2 전도성 타입의 반도체 이미터 영역과 상기 제2 전도성 타입의 반도체 컬렉터 영역 간에, 비교적 긴 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역을 포함하는 트랜지스터를 제공하는 단계; 상기 베이스 영역과 상기 컬렉터 영역 간에, 비교적 짧은 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 상기 제1 전도성 타입의 반도체 보조 영역을 제공하는 단계; 상기 베이스 영역 내에, 양자 크기 효과를 나타내는 영역을 제공하는 단계; 상기 이미터 영역과 연결된 이미터 전극, 상기 베이스 영역과 연결된 베이스 전극과, 상기 컬렉터 영역과 연결된 컬렉터 전극을 제공하는 단계; 및 상기 반도체 구조로부터 발광을 얻기 위해 상기 이미터 전극, 베이스 전극 및 컬렉터 전극에 대하여 신호를 인가하는 단계를 포함한다.
또한, 반도체 발광 소자의 실시 형태를 제시한다. 반도체 발광 소자는 양자 크기 영역을 포함하며, 제2 전도성 타입의 반도체 입력 영역에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 전도성 타입의 반도체 활성 영역; 상기 활성 영역의 상기 제1 표면과 마주 보는 제2 표면에 인접한 제1 전도성 타입의 반도체 보조층을 포함하는 반도체 출력 영역을 포함하며, 상기 보조층은 상기 활성 영역의 반도체 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리보다 상당히 짧은, 제1 전도성 타입 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리를 갖는 반도체 물질을 포함하며, 상기 활성 영역 및 입력 영역에 대하여 전위를 인가하는 것에 의해, 반도체 구조의 활성 영역으로부터 발광을 발생한다. 일실시예로서, 상기 출력 영역은 상기 반도체 보조층에 인접한 제2 전도성 타입의 반도체 드레인 영역을 더 포함한다. 그리고, 또다른 실시예로서, 상기 출력 영역은 상기 반도체 보조층에 인접한 제2 전도성 타입의 반도체 컬렉터 영역을 더 포함한다.
본 발명의 추가적 특징들 및 이점은 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 향상된 동작을 얻기 위해 조작된 긴 확산 거리(ELDL; engineered long diffusion length) 및 조작된 짧은 확산 거리(ESDL; engineered short diffusion length)의 레이어들을 적용한, 본 발명의 일실시예에 따라 동작이 유용한 경사 전하 발광 소자의 레이어들 및 영역들의 간소화된 단면도(일정 비율로 그려진 것이 아님)이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동작 이해에 유용한 도 1의 소자 타입의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 경사 전하 발광 소자의 레이어 구조(일정 비율로 그려진 것이 아님)를 나타내는 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 경사 전하 발광 소자의 레이어 구조(일정 비율로 그려진 것이 아님)를 나타내는 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 추가적인 경사 전하 발광 소자의 레이어 구조(일정 비율로 그려진 것이 아님)을 나타내는 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 경사 전하 발광 소자의 레이어 구조(일정 비율로 그려진 것이 아님)를 나타내는 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 추가적인 경사 전하 발광 소자의 레이어 구조(일정 비율로 그려진 것이 아님)를 나타내는 횡단면도이다.
도 8은 처리 온도의 기능으로서, 소수 캐리어의 확산 거리 특성의 일예를 나타내는 그래프이다.
도 9는 소수 캐리어 확산 거리의 기능으로서, 이미터 전류 이득의 일예를 나타내는 그래프이다.
반도체 소자 물질에서 소수 캐리어의 확산 거리(L)는 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00001
여기서, D는 반도체 내 캐리어 이동도(carrier mobility)에 따른 확산 계수이다. 그리고, μ가 다음식 내에 표현된다.
Figure pct00002
여기서, q는 전하이고, T는 온도이며, k는 볼츠만 상수이다. 캐리어 이동도 μ는 많은 요소들 중에, 도핑 농도, 결함 농도 및 반도체 물질 구성요소(예로써, GaAs 대 AIGaAs(2진 vs. 합금), 또는 GaAs 대 InP(다른 물질 시스템))에 의존하는, 평균 산란 시간에 비례한다. 또한, 소수 캐리어 수명 τ는 다른 요소들 중에서, (도핑 농도와 관련된) 프리 캐리어 농도, 결함 에너지 레벨 및, 결함 농도에 의존한다. 짧은 소수 캐리어 확산 거리의 영역에서, 소수 캐리어는 단위 거리(unit distance)당 다수 캐리어와 재결합할 가능성이 높다.
경사 전하 소자는 하나의 극성(polarity)의 내장된 프리 다수 캐리어를 갖는 활성 영역을 갖는다. 그리고, 이 활성 영역에 대한 하나의 입력으로, 또 다른 극성의 소수 캐리어의 하나의 종류(species)만 상기 활성 영역을 가로질러 확산하도록 주입되고 허용된다. 이 활성 영역은 다수 캐리어의 전도(conduction) 및 소수 캐리어의 재결합을 향상시키는 특징을 갖는다. 그리고, 그 영역의 출력 측에, 소수 캐리어는 독립되고 빠른 메커니즘에 의해 수집(collected)되거나, 소모(drained)되거나, 공핍(depleted)되거나, 재결합(recombined)된다. 전기 접점들은 이러한 모든 기능을 갖춘 영역(full-featured region)과 연결된다.
여기서, 실시예로서, 발광 트랜지스터, 경사 전하 발광 다이오드 또는 트랜지스터 레이저와 같은 경사 전하 소자에서 짧은 소수 확산 거리 레이어가 이용된다. 이 실시예에서, 활성 영역은 광학적 재결합을 위해 양자 크기 영역(들)과 비교적 긴 소수 캐리어 확산 거리(ELDL; engineered long diffusion length)를 갖도록 조작된 도핑된 레이어들을 포함한다. 바람직한 실시예로서, 조작된 비교적 짧은 소수 캐리어 확산 거리(ESDL; engineered short diffusion length) 레이어는 경사 전하 소자의 출력 영역에서 활성 영역 뒤에 제공된다. ESDL 및 ELDL 레이어들은 유사한 전도성 타입(예로써, p-타입 물질)이 되도록 (직접적으로 또는 간접적으로)도핑된다.
여기서, 실시예들의 기술은, 고속 동작을 위해 작은 활성 영역이 선호되는 환경에서, 활성 영역의 두께를 증가시키는 일 없이 다수 캐리어의 전도성을 증가시킬 수 있다. 또한, 이는 전기 접점에 확실하게 연결되어, 다수 캐리어를 활성 영역으로 전송하기 위해 필요한 두께를 갖지만, 매우 작은 (예로써, 약 25nm보다 더 작은) 활성 영역의 사용을 가능하게 한다.
도 1의 간소화된 다이어그램은 경사 전하 발광 반도체 소자에서 조작된 긴 확산 거리(ELDL) 및 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 레이어들의 유용한 사용을 나타낸다. 도 1의 다이어그램에서, 소자의 입력 영역은 이미터(110)이다. 소자의 활성 영역은, 조작된 긴 확산 거리(ELDL) 레이어들(121, 123) 내에 도핑되지 않거나 낮게 도핑된 장벽들(barriers) 사이에서 하나 이상의 양자 우물(122)을 포함한다. 소자의 출력 영역은, 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 레이어(131) 및 전기 컬렉터(132)를 포함한다. 전기 컬렉터(132)는 예로써, 발광 트랜지스터의 컬렉터 혹은 경사 전하 발광 다이오드의 드레인일 수 있다. 이 경사 전하 소자의 활성 영역은, 활성 영역으로 소수 캐리어가 주입되는 입력 영역과 풍부한 내장 캐리어들(예로써, 고농도로 도프된 P-타입 영역 내의 정공)을 갖는다. 출력 영역에서, 활성 영역보다 빠른 메커니즘을 통해 소수 캐리어가 공핍 및/또는 재결합 및/또는 수집된다. 이하에서 기술되는 바와 같이, 2개의 단자 동작(terminal operation)을 위해 입력 및 출력 영역들에 전극들이 적용될 수 있고, 3개의 단자 동작을 위해 활성영역에 전극들이 더 적용될 수 있다.
속도를 향상시키기 위해, 주행 시간 τT의 경사 전하 소자는 최적화되어야 한다. 주행 시간(transit time)은 주행하는 영역의 (확산 상수와 같은 다른 요소들 중에서) 폭의 제곱 W2 transit에 비례함에도 불구하고, 전체 베이스 영역(Wbase = Wtransit)은 일반적으로 얇게 만들어진다. 그래서, 예를 들면, n-타입 이미터를 갖는 광학 경사 전하 소자에서, p-타입 베이스 영역 내 정공들의 전도(conduction)를 위한 비교적 큰 측면 저항(lateral resistance)(높은 저항률)을 초래한다. 그런 큰 저항은 이미터 메사(emitter mesa)의 엣지를 따르는 작은 영역들에 대한 소자의 동작을 제한하는 경향이 있다. 본 발명의 일실시예로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 초과 다수 캐리어를 수집/소모 또는 제거하는 2차 메커니즘으로서 작용하는, 낮은 저항률 P-타입 물질의 조작된 짧은 확산 거리(ESDL)의 보조층(131)을 도입함으로써, (베이스를 포함하는) 전체 p-타입 영역의 저항률이 낮아지는 반면에, 주행 시간은 유지될 수 있다. 이는 주행 폭(transit width)을 증가시키는 일 없이 베이스 폭을 효과적으로 증가시킨다(즉, Wbase > Wtransit). p-타입 물질은 적어도 1E19cm-3의 도핑 농도(예로써, 카본 도핑)를 갖는 것이 바람직하다. 그 후에, 수집(collection) 또는 소모(drain) 메커니즘이 포함될 수 있다. 또한, ESDL 보조층의 도핑 농도가 적어도 1E18 cm-3인 경우에, n-타입 베이스들과 p-타입 이미터들을 갖는 광학적 경사 전하 소자들에 대해 동일한 원리가 적용될 수 있는 것으로 이해될 것이다.
도 2는 도 1 구조의 실시예를 특징짓는 에너지 밴드 다이어그램의 타입을 나타낸다. 도 2에서, 이미터에 인접한 영역 121은 비대칭의 베이스를 형성하기 위해 영역 123 보다 비교적 더 큰 밴드갭 물질을 이용할 수 있다(미국 특허출원 공개번호 US2010/0202484 참조). 앞서 언급한 바와 같이, 레이어 121의 물질은 소수 캐리어를 위한 조작된 긴 확산 거리(ELDL; engineered long diffusion length)이다. 영역 122는 도핑되지 않거나 낮게 도핑된 장벽들을 갖는 하나 이상의 양자 우물을 포함한다. 또한, 활성 영역의 레이어 123 부분은 ELDL이다. 보조층(131)은 영역 123과 유사하거나 영역 123 보다 낮은 밴드갭을 갖는 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 물질이다. 앞서 기술된 바와 같이, 비교적 짧은 확산 거리(높은 결함 농도) 물질이 다수 캐리어를 수집/소모하는 2차 메커니즘으로서 작용하므로, 영역 131은, 다수 캐리어에 대해 추가적인 낮은 저항률 경로를 제공하도록 기여하는 동안(즉, 증가된 Wbase), 주행 폭 Wtransit을 대체로 증가시키지 않는다.
예로써, 금속 산화 화학 증착법(MOCVD; metal oxide chemical vapor deposition) 또는 분자선 에피택셜법(MBE; molecular beam epitaxy)에 의한, 반도체 에피레이어(epilayer)의 성장(growth)은, 가스 흐름 속도(gas flow rate), 성장률, 성장 온도 및 진공(vacuum)을 포함하는 몇 가지 변수의 정밀 제어를 요구한다. 또한, 후속 성장 처리(post-growth processes)는 반도체의 결과적인 전체 물질 특성에 영향을 미칠 수 있다. 일례로서, 물질 품질(material quality)은, 다른 변수들을 가능한 한 일정하게 유지하는 동안, 반도체의 성장 온도를 변화시킴으로써, 조정되거나 최적화될 수 있다. 그러한 조정(tuning)은 도 8에 보여지는 바와 같이, 확산 거리 특성을 갖는 전형적인 에피레이어를 야기한다. (소수 캐리어 확산 거리를 측정하기 위해 알려진 몇 가지 방법이 있다. 앞서 언급된 한가지 방법은, 헤테로정션 바이폴라 트랜지스터 구조의 베이스 영역과 같이 계획된 레이어를 끼워 넣는 것이다.) 도 8은 온도 변화의 기능으로서, p-타입 GaAs 물질에서 소수 캐리어(전자들)의 확산 거리 그래프이다. 결과 물질(resulting material)은 거의 같은 시트 저항을 갖는다. (이러한 예시에 있어서는, ~4E19cm-3의 도펀트 농도와, ~165 Ohm/sq의 시트 저항이 존재한다.)
도 8은 특정한 조건의 세트에 대해, 물질의 소수 캐리어의 확산 거리를 최대화하기 위해, 최적의 성장 온도가 존재하는 것을 보여준다. 이러한 최적 온도로부터 디튜닝(detuning)함으로써, 확산 거리는 물질의 시트 저항 내 오직 작은 변화들과 함께 짧아질 수 있다. 이러한 예시에서는, 특정한 성장률 및 진공 세팅을 위해 선택된 가스 흐름 속도(gas flow rate)를 가지고 MOCVD 처리가 이용되며, 희망하는 확산 거리 특성을 갖는 에피레이어를 얻기 위해 성장 온도가 조정된다.
그래서, 예로써, 비교적 긴 소수 캐리어 확산 거리 p-타입 GaAs 반도체를 얻기 위해서(이것은, 후속 성장 도핑 및 어닐링 처리(annealing process)가 적절하게 이용될 수 있다는 것을 의미한다), 도 8의 그래프에서 보여지는 바와 같이, 주로 최대 획득가능한 확산 거리를 얻기 위해 대략 섭씨 580도의 성장온도가 이용될 수 있다. 이는 예로써, 도 1의 ELDL 레이어들 121, 123을 형성하는 방법일 수 있다. 이 예시에서 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 물질의 에피레이어가 성장되길 원할 때, 상기 최대 획득가능한 확산 거리의 대략 절반인, 소수 캐리어의 확산 거리를 얻기 위해 섭씨 555도 또는 섭씨 605도의 온도가 이용될 수 있다; 즉, (예로써, 도 1의 레이어 131에 대한) ESDL 물질은 레이어들 121, 123의 ELDL 물질의 확산 거리에 대략 절반을 갖는다. 바람직하게는, ESDL 물질은 그 물질의 레이어 두께에 대략 0.7 배보다 작은 확산 거리를 갖는 것이 바람직하며, 반면에, ELDL 물질은 그 물질의 레이어 두께 보다 큰 확산 거리를 갖는 것이 바람직하다.
도 9는 대략 165 Ohm sq.의 시트 저항 및 100nm의 베이스 두께를 갖는 InGaP/GaAs HBT의 이미터 전류 이득이 확산 거리의 기능으로서 어떻게 변화하는지를 보여준다. 이는 긴 확산 거리 물질이 높은 β에 비례해서 나타나고 이에 따라 소수 캐리어의 재결합이 적어지는 것을 입증한다.
도 3은 하부 발광(bottom light emission)을 위한, p-타입 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 보조층을 적용한 경사 전하 발광 다이오드의 실시예를 나타낸다. 이 예시에서, GaAs 버퍼 레이어(315)가 도핑되지 않은 GaAs 기판(310) 상에 첫번째로 성장된다. 이 버퍼 레이어는 도핑되지 않거나 p-타입 조작된 긴 확산 거리 레이어일 수 있다. 그 다음에, 드레인으로서 역할을 하는 p-타입 GaAs 조작된 짧은 확산 거리 레이어(ESDL)(320)이 상기 버퍼 레이어 상에 성장된다. 그 다음에, p-타입 GaAs 베이스-2 영역(330)이 조작된 긴 확산 거리 레이어(330)로서 성장된다. 단일 또는 다수의 양자 우물 영역(340)이 도핑되지 않거나 낮게 도핑된 장벽 레이어들을 가지고 성장된다. 이 예시에서, 양자 우물(들)은 GaAs 장벽을 갖는 InGaAs이다. 그 다음 GaAs p-타입 ELDL 레이어를 갖는 베이스-1 영역으로서, 베이스 영역이 완성된다. 베이스-1 영역은 베이스-2 영역 보다 큰 밴드갭이거나 크지 않은 밴드갭일 수 있다(대칭 대 비대칭의 베이스 설계; 동시계속(copending)의 미국 특허 출원 공개 번호 US2010/0202484 참조). 그 다음에 비교적 큰 밴드갭 InGaP 또는 InAIGaP n-타입 이미터(370)가 성장되고, 뒤이어 전기적 한정 개구(electrical confining aperture)를 형성하기 위해 선택적인 산화성 AIGaAs 레이어 및 접점 레이어를 포함하는 n-타입 이미터 클래딩 레이어(380)가 성장된다. 그 다음에, p-타입 베이스 물질에 접점(352)을 형성하기 위해, p-타입 베이스 영역의 노출된 표면 상에, Ti-Pt-Au 또는 AuGe가 금속화된다. 이어서, 이미터 메사 상에 아래쪽으로 빛을 반사하기 위해 미러(mirror)로서 기능하는, AuGe 접점 금속막(382)이 위치한다. 마지막으로, 이어서, 콜리메이터 또는 포커싱 렌즈(305)가 얇은 GaAs 기판 아래에 만들어지거나 붙여진다. 그 소자는, 베이스 바이어스 전압 VB 및 이미터 바이어스 전압 VE가 바이어스되어 VBE > EQW 인 경우의, 순방향 바이어스 조건하에서 동작된다. 여기서, EQW는 양자 우물의 에너지 갭이다. 그 밖에, 부분적인 DBR 혹은 최대 DBR 공동(cavity)이 이 구조에 편입될 수 있다. 또한 이 실시예 및 다른 실시예들은, 적절한 공진 광학 공동(resonant optical cavity)을 제공함으로써 레이저로서 동작될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상부 발광을 위해 p-타입 조작된 짧은 확산 거리(ESDL)를 적용한 경사 전하 발광 다이오드의 실시예가 보여진다. 이 실시예에서, 레이어들(310, 315, 320, 340, 315, 320, 340, 350, 및 370) 및 접점(352)는 도 3의 동일 도면 부호의 대응되는 구성과 유사하다. 상부 발광(top light emission)을 위하여, 본 실시에는 n-타입 이미터 클래딩 영역(480) 내에 고리 모양의 산화된 영역(483)으로 정의된 산화막 개구(oxide aperture)가 적용된다. 하부 분배 브래그 반사기(DBR; distributed Bragg reflector)(412)는 아래쪽으로 빛을 반사하기 위해 사용된다. 선택적인 상부 DBR(자발적 동작을 위한 낮은 반사율과 레이저 동작을 위한 높은 반사율)이 공진 공동 설계(resonant cavity design)를 위해 이미터 클래딩 레이어(480) 내에 내장될 수 있다. 이미터 접점 금속막(482)은 환상형 고리(annular ring) 모양이다. 그 다음에 콜리메이팅 또는 포커싱 렌즈가 상단 표면 상에 만들어지거나 부착된다. 또한, 동작은 순방향 바이어스 모드로 이루어질 수 있다.
도 5는 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 보조/드레인 영역과 높은 임피던스 컬렉터가 일체화된 3 단자 발광 트랜지스터의 형태를 갖는 경사 전하 소자의 일실시예를 나타낸다. 이번 실시예에서, 소자는 도핑되지 않은 GaAs 기판(510), 접점(522)을 갖는 n-타입 서브컬렉터(520), 높은 임피던스(도핑되지 않은) 컬렉터(525) 및, p-타입 ESDL 보조/드레인 레이어(540)를 포함한다. 레이어들(330, 340, 350, 370 및 380) 및 접점들(352, 382)은 도 3의 동일 도면 부호의 대응되는 구성과 유사하다. 소자는 공통 베이스, 공통 컬렉터, 혹은 공통 이미터 모드에서 동작될 수 있다.
도 6은 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 레이어를 갖는 경사 전하 발광 다이오드의 일실시예를 보여준다. 이 실시예에서, 베이스-2 레이어(330), 버퍼 영역을 갖는 양자 우물(들)(340), 베이스-1 레이어(350), 이미터 레이어(370), 이미터 레이딩(emitter lading)(382)과 이미터 접점 뿐만 아니라, 도핑되지 않은 GaAs 기판(310) 및 하부 콜리메이팅 또는 포커싱 렌즈(305)가 도 3의 동일 도면 부호의 대응되는 구성과 유사하다. 본 실시예에서, n-타입 서브드레인 레이어(620)가 상기 기판 상에 성장된다. 그리고 이어서, 도핑되지 않은 드레인 레이어(622)가 성장된다. 드레인 레이어(622) 상에 놓여지는 보조 드레인 레이어(625)는 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 레이어로서 성장된다. 앞서 기술된 바와 같이, 추가적인 레이어들의 배치는 도시된 바와 같이 형성된 메사(mesa)들로 시행된다. 그 다음에, 이미터 접점(382)과 베이스/드레인 접점(392)을 위한 금속막이 형성된다. 상기 베이스/드레인 접점(392)은 베이스 레이어(350)와 서브드레인 레이어(620)의 각각의 선반들과 접촉하는 고리 모양의 상부와 하부를 가지며, 그 사이의 레이어들의 주변부의 가장자리들에 접촉하는 측면부를 갖는다.
도 7은 내장된 조작된 짧은 확산 거리(ESDL) 레이어를 갖는 경사 전하 발광 다이오드의 또 다른 실시예를 보여준다. (대응하는 요소들을 나타내는 같은 도면 부호에 의해 지시된 바와 같이) 일반적인 구성 및 레이어 구조는 도 6과 유사하지만, 도 7의 실시예는 도 6의 드레인 레이어(622) 대신에 터널 정션(722)을 갖는다. 터널 정션(722)은 고농도로 도핑된 (p++)영역(723)과 인접한 고농도로 도핑된(n++) 영역(724)를 포함한다. (터널 정션을 적용한 경사 전하 발광 소자의 설명에 대해, 미국 특허 출원 공개 번호 US2010/0202483이 참조될 수 있다.) 동작에 있어서, ESDL 보조 드레인 레이어(625)는, (도면에서 줄어드는 화살표 폭에 의해 나타내는 바와 같이) 베이스-드레인 전자 전류 흐름을 줄임으로써, 터널 정션을 가로지르는 전자사태 전류(avalanche current)를 줄이도록 하는 역할을 한다.

Claims (23)

  1. 양자 크기 영역을 포함하고 제2 전도성 타입의 반도체 입력 영역에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 전도성 타입의 반도체 활성 영역을 포함하며, 상기 활성 영역으로부터 발광을 발생하도록 상기 활성 및 입력 영역에 대해 전위를 인가하여 동작되는 발광 반도체 구조와 함께 사용하기 위한 것으로, 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법에 있어서,
    상기 활성 영역의 상기 제1 표면과 마주보는, 제2 표면에 인접한 상기 제1 전도성 타입의 반도체 보조층을 포함하는 반도체 출력 영역을 제공하는 단계,
    상기 활성 영역의 반도체 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리보다 상당히 짧은, 제1 전도성 타입 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리를 갖는 반도체 물질을 포함하는 상기 보조층을 제공하는 단계
    를 포함하는 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 영역을 제공하는 단계는, 상기 반도체 보조층에 인접한 상기 제2 전도성 타입의 반도체 드레인 영역을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 영역을 제공하는 단계는, 상기 반도체 보조층에 인접한 상기 제2 전도성 타입의 반도체 컬렉터 영역을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    다른 영역들에 대해서 상기 컬렉터 영역에 전위를 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 영역의 제2 표면에 인접한 반도체 보조층을 포함하는 출력 영역을 제공하는 단계는, 상기 활성 영역의 제2 표면의 반도체 물질과 같은 대체로 동일한 기초 성분을 갖는 반도체 물질의 보조층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성 영역의 제2 표면에서와 같은 대체로 동일한 기초 성분을 갖는 반도체 물질의 보조층을 제공하는 단계는, 주로 GaAs와 같은 반도체 물질을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    광학 공진 공동(optical resonant cavity)내에 상기 활성 영역을 배치하는 단계를 더 포함하며,
    상기 발광은 레이저 발광인 것을 특징으로 하는 발광 반도체 구조의 동작을 향상하기 위한 방법.
  8. 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법으로서,
    제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역과 마주 보는 제2 전도성 타입의 반도체 이미터 영역과, 상기 제2 전도성 타입의 반도체 드레인 영역 간에, 비교적 긴 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역을 포함하는 반도체 구조를 제공하는 단계;
    상기 베이스 영역과 상기 드레인 영역 간에, 비교적 짧은 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 상기 제1 전도성 타입의 반도체 보조 영역을 제공하는 단계;
    상기 베이스 영역 내에, 양자 크기 효과를 나타내는 영역을 제공하는 단계;
    상기 이미터 영역에 연결된 이미터 전극을 제공하는 단계;
    상기 베이스 영역과 상기 드레인 영역에 연결된 베이스/드레인 전극을 제공하는 단계; 및
    상기 반도체 구조로부터 발광을 얻기 위해 상기 이미터 전극 및 베이스/드레인 전극에 대하여 신호를 인가하는 단계;
    를 포함하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 베이스/드레인 전극을 제공하는 단계는, 상기 베이스 영역, 상기 보조 영역, 및 상기 드레인 영역에 연결된 베이스/드레인 전극을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보조 영역과 상기 드레인 영역 간에 도핑되지 않은 반도체 영역을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 타입은 p-타입이며, 제2 전도성 타입은 n-타입인 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반도체 베이스 영역을 제공하는 단계는, 적어도 약 1019/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 p-타입 베이스 영역을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 보조층을 제공하는 단계는, 적어도 약 1019/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 p-타입 물질을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 타입은 n-타입이고, 상기 제2 전도성 타입은 p-타입인 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 반도체 베이스 영역을 제공하는 단계는 적어도 약 1018/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 n-타입 베이스 영역을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 보조층을 제공하는 단계는 적어도 약 1018/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 n-타입 물질을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 베이스 영역을 제공하는 단계는,
    상기 이미터 영역에 인접한 상기 양자 크기 영역의 일측에 제1 베이스 영역 부분을 제공하는 단계; 및
    상기 보조 영역에 인접한 상기 양자 크기 영역의 일측에 제2 베이스 영역 부분을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 베이스 영역 부분은 상기 제2 베이스 영역 부분보다 더 큰 밴드 갭을 갖는 반도체 물질로서 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 양자 크기 효과를 나타내는 영역을 제공하는 단계는 적어도 하나의 양자 우물(quantum well)을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 드레인 영역과 함께 터널 정션을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  18. 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법으로서,
    제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역과 마주 보는 제2 전도성 타입의 반도체 이미터 영역과 상기 제2 전도성 타입의 반도체 컬렉터 영역 간에, 비교적 긴 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 제1 전도성 타입의 반도체 베이스 영역을 포함하는 트랜지스터를 제공하는 단계;
    상기 베이스 영역과 상기 컬렉터 영역 간에, 비교적 짧은 소수 캐리어 확산 거리 특성을 가지며 상기 제1 전도성 타입의 반도체 보조 영역을 제공하는 단계;
    상기 베이스 영역 내에, 양자 크기 효과를 나타내는 영역을 제공하는 단계;
    상기 이미터 영역과 연결된 이미터 전극, 상기 베이스 영역과 연결된 베이스 전극 및 상기 컬렉터 영역과 연결된 컬렉터 전극을 제공하는 단계; 및
    상기 반도체 구조로부터 발광을 얻기 위해 상기 이미터 전극, 베이스 전극 및 컬렉터 전극에 대하여 신호를 인가하는 단계
    를 포함하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 타입은 p-타입이며 상기 제2 전도성 타입은 n-타입인 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 반도체 베이스 영역을 제공하는 단계는 적어도 약 1019/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 p-타입 베이스 영역을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 보조층을 제공하는 단계는 적어도 약 1019/cm3의 평균 도핑 농도를 갖는 p-타입 물질을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 구조로부터 발광을 발생하기 위한 방법.
  21. 반도체 발광 소자로서,
    양자 크기 영역을 포함하며, 제2 전도성 타입의 반도체 입력 영역에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 전도성 타입의 반도체 활성 영역;
    상기 활성 영역의 상기 제1 표면과 마주 보는 제2 표면에 인접한 제1 전도성 타입의 반도체 보조층을 포함하는 반도체 출력 영역을 포함하며,
    상기 보조층은 상기 활성 영역의 반도체 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리보다 상당히 짧은, 제1 전도성 타입 물질의 소수 캐리어를 위한 확산 거리를 갖는 반도체 물질을 포함하며,
    상기 활성 영역 및 입력 영역에 대하여 전위를 인가하는 것에 의해, 반도체 구조의 활성 영역으로부터 발광을 발생하는 반도체 발광 소자.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 출력 영역은 상기 반도체 보조층에 인접한 제2 전도성 타입의 반도체 드레인 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 출력 영역은 상기 반도체 보조층에 인접한 제2 전도성 타입의 반도체 컬렉터 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013048191A (ja) * 2011-08-29 2013-03-07 Mitsubishi Electric Corp ワイドバンドギャップ半導体デバイス
TW201314943A (zh) 2011-09-02 2013-04-01 Quantum Electro Opto Sys Sdn 光電電路及技術
US8842706B2 (en) 2011-10-07 2014-09-23 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Opto-electronic oscillator and method
US8970126B2 (en) 2011-10-07 2015-03-03 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Opto-electronic devices and methods
US9159873B2 (en) * 2011-11-14 2015-10-13 Quantum Electro Opto Systems Sdn. Bhd. High speed optical tilted charge devices and methods
WO2014004375A1 (en) 2012-06-25 2014-01-03 Quantum Electro Opto Systems Sdn. Bhd. Method and apparatus for aligning of opto-electronic components
CN104685628A (zh) 2012-08-02 2015-06-03 量子电镀光学系统有限公司 双模式倾斜充电装置及方法
US9304267B2 (en) 2012-09-11 2016-04-05 Quantum Electro Opto Systems Sdn. Bhd. Method and apparatus for optical coupling and opto-electronic conversion
US20140145647A1 (en) * 2012-11-26 2014-05-29 Quantum Electro Opto Systems Sdn. Bhd. Optical Tilted Charge Devices And Techniques
WO2014089355A1 (en) * 2012-12-06 2014-06-12 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Transistor laser optical switching and memory techniques and devices
US9478942B2 (en) 2012-12-06 2016-10-25 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Transistor laser optical switching and memory techniques and devices
FR3003402B1 (fr) * 2013-03-14 2016-11-04 Centre Nat Rech Scient Dispositif monolithique emetteur de lumiere.
US10283933B1 (en) 2017-10-23 2019-05-07 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Transistor laser electrical and optical bistable switching
US10874876B2 (en) * 2018-01-26 2020-12-29 International Business Machines Corporation Multiple light sources integrated in a neural probe for multi-wavelength activation
JP2019161172A (ja) * 2018-03-16 2019-09-19 株式会社ブイ・テクノロジー Ｌｅｄ・トランジスタ複合素子
US20190305188A1 (en) * 2018-03-30 2019-10-03 Facebook Technologies, Llc Reduction of surface recombination losses in micro-leds
US10622519B2 (en) 2018-03-30 2020-04-14 Facebook Technologies, Llc Reduction of surface recombination losses in micro-LEDs
CN109193341B (zh) * 2018-09-28 2020-07-24 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 垂直腔面发射激光器及其制作方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61270885A (ja) 1985-05-24 1986-12-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光素子
JPH071798B2 (ja) * 1986-09-12 1995-01-11 日本電気株式会社 発光ダイオ−ド
US6262359B1 (en) * 1999-03-17 2001-07-17 Ebara Solar, Inc. Aluminum alloy back junction solar cell and a process for fabrication thereof
JP4882141B2 (ja) * 2000-08-16 2012-02-22 富士通株式会社 ヘテロバイポーラトランジスタ
US6849874B2 (en) * 2001-10-26 2005-02-01 Cree, Inc. Minimizing degradation of SiC bipolar semiconductor devices
JP4156873B2 (ja) * 2002-07-02 2008-09-24 三菱化学株式会社 エピタキシャルウエハの製造方法
US7286583B2 (en) 2003-08-22 2007-10-23 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Semiconductor laser devices and methods
US7998807B2 (en) 2003-08-22 2011-08-16 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Method for increasing the speed of a light emitting biopolar transistor device
US20050040432A1 (en) 2003-08-22 2005-02-24 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Light emitting device and method
US7091082B2 (en) 2003-08-22 2006-08-15 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Semiconductor method and device
US7354780B2 (en) 2003-08-22 2008-04-08 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Semiconductor light emitting devices and methods
FI20041213A0 (fi) * 2004-09-17 2004-09-17 Optogan Oy Puolijohdeheterorakenne
US7535034B2 (en) * 2006-02-27 2009-05-19 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois PNP light emitting transistor and method
WO2008073469A1 (en) * 2006-12-11 2008-06-19 Lumenz, Llc Zinc oxide multi-junction photovoltaic cells and optoelectronic devices
US7711015B2 (en) 2007-04-02 2010-05-04 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Method for controlling operation of light emitting transistors and laser transistors
US7813396B2 (en) 2007-10-12 2010-10-12 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Transistor laser devices and methods
WO2009051663A2 (en) 2007-10-12 2009-04-23 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Transistor device and method
WO2009051664A2 (en) 2007-10-12 2009-04-23 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Light emitting and lasing semiconductor devices and methods
DE102008013030A1 (de) * 2007-12-14 2009-06-25 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierende Vorrichtung
US7888625B2 (en) 2008-09-25 2011-02-15 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Method and apparatus for producing linearized optical signals with a light-emitting transistor
US8005124B2 (en) 2008-10-15 2011-08-23 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Optical bandwidth enhancement of light emitting and lasing transistor devices and circuits
KR20110112415A (ko) 2009-01-08 2011-10-12 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 일리노이 발광 및 레이저 반도체 소자들 및 방법들
US8509274B2 (en) 2009-01-08 2013-08-13 Quantum Electro Opto Systems Sdn. Bhd. Light emitting and lasing semiconductor methods and devices
US8179937B2 (en) 2009-01-08 2012-05-15 Quantum Electro Opto Systems Sdn. Bhd. High speed light emitting semiconductor methods and devices
US8269431B2 (en) 2009-06-15 2012-09-18 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Method and apparatus for producing linearized optical signals
CN102668394B (zh) 2009-11-09 2014-12-03 量子电镀光学系统有限公司 高速通信

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