RU2642132C1 - Optoelectronic device - Google Patents
Optoelectronic device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2642132C1 RU2642132C1 RU2016129923A RU2016129923A RU2642132C1 RU 2642132 C1 RU2642132 C1 RU 2642132C1 RU 2016129923 A RU2016129923 A RU 2016129923A RU 2016129923 A RU2016129923 A RU 2016129923A RU 2642132 C1 RU2642132 C1 RU 2642132C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- emitter
- photodetector
- optoelectronic device
- ohmic contacts
- Prior art date
Links
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims abstract description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910021423 nanocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 229910017214 AsGa Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- -1 epoxy resins Chemical class 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
- H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
- H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области опто- и наноэлектроники и может быть использовано в оптоэлектронных интегральных схемах, а также для создания микро- и нанооптоэлектронных и нанооптических систем, в квантовых и оптических компьютерах и в других областях науки и промышленного производства.The present invention relates to the field of opto-and nanoelectronics and can be used in optoelectronic integrated circuits, as well as to create micro- and nano-optoelectronic and nano-optical systems, in quantum and optical computers and in other fields of science and industrial production.
Известна конструкция оптоэлектронного устройства (Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001), состоящего из гетеросветодиода на основе арсенида галлия (AlxGa1-xAs/GaAs) в качестве излучателя и кремниевого фотодиода в качестве приемника. В качестве светопроводящей среды, соединяющей оптически излучатель и приемник, используют прозрачные компаунды, в том числе эпоксидные смолы, оптические клеи, вазелиноподобные полимеры и т.п. Они же осуществляют механическое крепление элементов оптопары.A known design of an optoelectronic device (AN Pikhtin, Optical and quantum electronics. M: Higher school, 2001), consisting of a hetero-LED based on gallium arsenide (AlxGa1-xAs / GaAs) as a radiator and a silicon photodiode as a receiver. Transparent compounds, including epoxy resins, optical adhesives, petroleum jelly-like polymers, and the like, are used as the light guide medium connecting the optical emitter and the receiver. They also carry out the mechanical fastening of the optocoupler elements.
Однако в указанном устройстве имеются следующие недостатки:However, the specified device has the following disadvantages:
- высокая стоимость и низкая радиационная стойкость данных устройств на основе соединений А3В5 (AsGa - арсенид галлия, GaP - фосфид галлия и др.);- high cost and low radiation resistance of these devices based on compounds A 3 B 5 (AsGa - gallium arsenide, GaP - gallium phosphide, etc.);
- невозможность создания оптоэлектронных устройств в монолитном исполнении, т.е. создание в рамках одного чипа схемы управления и излучателей.- the impossibility of creating optoelectronic devices in a monolithic design, i.e. creation of a control circuit and emitters within a single chip.
Кроме того, известна конструкция оптоэлектронного устройства, являющегося прототипом предлагаемого изобретения (Носов В.Ю. «Оптоэлектроника», 1989), в котором излучатель и фотоприемник, выполненные из арсенида галлия, расположены на некотором расстоянии друг от друга на подложке сапфира. На краях излучателя и фотоприемника сформированы омические контакты.In addition, the known design of the optoelectronic device that is the prototype of the invention (Nosov V.Yu. "Optoelectronics", 1989), in which the emitter and photodetector made of gallium arsenide are located at some distance from each other on the sapphire substrate. Ohmic contacts are formed at the edges of the emitter and photodetector.
Однако в указанном устройстве имеются следующие недостатки:However, the specified device has the following disadvantages:
- высокая стоимость устройств на основе соединений элементов III и V групп периодической системы (А3В5);- the high cost of devices based on compounds of elements of groups III and V of the periodic system (A 3 B 5 );
- высокая стоимость подложек сапфира;- the high cost of sapphire substrates;
- данная конструкция является не монолитной, т.е. гибридной, что приводит к низкой надежности и большим габаритам.- this design is not monolithic, i.e. hybrid, which leads to low reliability and large dimensions.
Задачей (технический результат) предлагаемого изобретения является создание монолитного, малоразмерного, более надежного и менее дорогостоящего оптоэлектронного устройства.The objective (technical result) of the present invention is the creation of a monolithic, small, more reliable and less expensive optoelectronic device.
Поставленная задача достигается тем, что в оптоэлектронном устройстве, содержащем излучатель и фотоприемник, расположенные в одной плоскости на некотором расстоянии друг от друга, омические контакты, излучатель и фотоприемник выполнены из последовательно выращенных гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика и нанокристаллического кремния на кремниевой подложке. При этом каждый слой кремния состоит из p- и n-типа областей с резкими границами раздела.The problem is achieved in that in an optoelectronic device containing an emitter and a photodetector located in the same plane at a certain distance from each other, ohmic contacts, an emitter and a photodetector are made of sequentially grown heteroepitaxial layers of a dielectric and nanocrystalline silicon on a silicon substrate. In addition, each silicon layer consists of p- and n-type regions with sharp interfaces.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлена конструкция светоизлучающего устройства, вид сверху и 3D-изображение соответственно. На фиг. 3 приведена схема уровней энергии носителей заряда в квантовой яме.In FIG. 1 and FIG. 2 shows the construction of a light emitting device, a top view and a 3D image, respectively. In FIG. Figure 3 shows a diagram of the energy levels of charge carriers in a quantum well.
Предлагаемое устройство содержит кремневую подложку 1, на которой расположены излучатель 2 и фотоприемник 3, сформированные из последовательно выращенных гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика 4 и нанокристаллического кремния, состоящего из областей p- 5 и n-типа 6. По краям устройств находятся омические контакты 7, сформированные путем нанесения слоев металлизации на торцы многослойной системы с последующей пайкой проводов.The proposed device contains a
Предлагаемое устройство может быть получено:The proposed device can be obtained:
- процессом последовательно наращиваемых молекулярно-лучевой эпитаксией слоев фторида кальция и кремния необходимой толщины;- a process of successively growing molecular beam epitaxy of layers of calcium fluoride and silicon of the required thickness;
- процессом многократного окисления кремния и нанесения поликристаллического кремния;- the process of multiple oxidation of silicon and deposition of polycrystalline silicon;
- проведением ионной имплантации в слои кремния для формирования p - n-переходов с резкой границей раздела;- conducting ion implantation into silicon layers to form p - n junctions with a sharp interface;
- с последующим плазмохимическим травлением структур для получения оптического канала.- followed by plasma-chemical etching of structures to obtain an optical channel.
Оптоэлектронное устройство работает следующим образом: при подаче напряжения на омические контакты 7 излучателя 2 создается продольное электрическое поле в областях 5 и 6, которое вызывает перенос носителей в активную область p - n-перехода. Диэлектрические слои 4 являются барьерами квантовой ямы для носителей заряда. Известно, что энергетическая диаграмма наноразмерных слоев кремния имеет более сложную структуру, состоящую из набора минизон в зоне проводимости и в валентной зоне, уровни энергии дна (зона проводимости) Ее1, Ее2 и потолка (валентная зона) Eh1, Eh2, Eh3 подзон размерного квантования показаны на фиг. 3 по сравнению с зонной структурой объемного кремния.The optoelectronic device works as follows: when voltage is applied to the
Энергия электронного межзонного перехода Een→Ehm (фиг. 3) равнаThe energy of the electronic interband transition E en → E hm (Fig. 3) is equal to
где в рамках модели потенциальной ямы с бесконечно высокими вертикальными стенкамиwhere in the framework of the model of a potential well with infinitely high vertical walls
Здесь mn, mp - эффективные массы электрона и дырки соответственно, n, m - номера уровней размерного квантования подзон в зоне проводимости и валентной зоне соответственно. Ширина запрещенной зоны кремния Eg=1.12 эВ при Т=300 К, величина ΔEn,m может иметь значения, сравнимые с Eg, а соответствующее рекомбинационное излучение будет в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах.Here, m n , m p are the effective masses of the electron and the hole, respectively, n, m are the numbers of dimensional quantization levels of the subbands in the conduction and valence bands, respectively. The band gap of silicon E g = 1.12 eV at T = 300 K, the value ΔE n, m can have values comparable to E g , and the corresponding recombination radiation will be in the near infrared and visible ranges.
Таким образом, квантовое ограничение носителей заряда в нанокристаллическом кремнии приводит к увеличению вероятности излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар (V. Ioannou-Sougleridis, A.G. Nassiopoulou, T. Ouisse, F. Bassani. Electroluminescence from silicon nanocrystals in Si/CaF2 superlattices // Appl. Phys. Letters, 2001, V. 79, N13, pp. 2076-2078; Takeo Maruyama, Naoto Nakamura, Masahiro Watanabe. Visible Electroluminescence from Nanocrystalline Silicon Embedden in Single-Crystalline CaF2/Si(111) with Rapid Thermal Anneal // Jpn. J. Appl. Phys. 1999, Vol. 38, pp. 904-906). В результате за счет рекомбинационных процессов в латеральных p - n-переходах излучателя 2 происходит электролюминесценция, которая через оптический канал регистрируется фотоприемником 3.Thus, the quantum restriction of charge carriers in nanocrystalline silicon leads to an increase in the probability of radiative recombination of electron-hole pairs (V. Ioannou-Sougleridis, AG Nassiopoulou, T. Ouisse, F. Bassani. Electroluminescence from silicon nanocrystals in Si / CaF 2 superlattices // Appl. Phys. Letters, 2001, V. 79, N13, pp. 2076-2078; Takeo Maruyama, Naoto Nakamura, Masahiro Watanabe. Visible Electroluminescence from Nanocrystalline Silicon Embedden in Single-Crystalline CaF 2 / Si (111) with Rapid Thermal Anneal // Jpn. J. Appl. Phys. 1999, Vol. 38, pp. 904-906). As a result, due to recombination processes in the lateral p - n junctions of the
Таким образом, изготовление излучательных элементов на основе нанокристаллического кремния позволит создавать монолитные оптоэлектронные устройства, в которых излучатель, фотоприемник и схема обработки будут выполнены в едином (одном) кремниевом кристалле (чипе) и выполнены в едином технологическом процессе изготовления ИС.Thus, the manufacture of emitting elements based on nanocrystalline silicon will allow the creation of monolithic optoelectronic devices in which the emitter, photodetector and processing circuit will be made in a single (single) silicon crystal (chip) and made in a single technological process for manufacturing ICs.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129923A RU2642132C1 (en) | 2016-07-20 | 2016-07-20 | Optoelectronic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129923A RU2642132C1 (en) | 2016-07-20 | 2016-07-20 | Optoelectronic device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2642132C1 true RU2642132C1 (en) | 2018-01-24 |
Family
ID=61023650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016129923A RU2642132C1 (en) | 2016-07-20 | 2016-07-20 | Optoelectronic device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2642132C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993007647A1 (en) * | 1991-10-01 | 1993-04-15 | Asea Brown Boveri Ab | A monolithic optocoupler |
| RU2261502C1 (en) * | 2004-02-05 | 2005-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт ГИРИКОНД" | Photo-luminescent emitter, semiconductor element and optron based on said devices |
| US20080173879A1 (en) * | 2007-01-24 | 2008-07-24 | Stmicroelectronics S.R.L. | Galvanic optocoupler and method of making |
| CN103390681A (en) * | 2012-05-11 | 2013-11-13 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | GaN-Based Optocoupler |
-
2016
- 2016-07-20 RU RU2016129923A patent/RU2642132C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993007647A1 (en) * | 1991-10-01 | 1993-04-15 | Asea Brown Boveri Ab | A monolithic optocoupler |
| RU2261502C1 (en) * | 2004-02-05 | 2005-09-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт ГИРИКОНД" | Photo-luminescent emitter, semiconductor element and optron based on said devices |
| US20080173879A1 (en) * | 2007-01-24 | 2008-07-24 | Stmicroelectronics S.R.L. | Galvanic optocoupler and method of making |
| CN103390681A (en) * | 2012-05-11 | 2013-11-13 | 英飞凌科技奥地利有限公司 | GaN-Based Optocoupler |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5293050A (en) | Semiconductor quantum dot light emitting/detecting devices | |
| US20140077240A1 (en) | Iv material photonic device on dbr | |
| JP4612671B2 (en) | Light emitting device and semiconductor device | |
| US9117954B2 (en) | High efficiency nanostructured photovoltaic device manufacturing | |
| Seo et al. | Low dimensional freestanding semiconductors for flexible optoelectronics: materials, synthesis, process, and applications | |
| US20070227588A1 (en) | Enhanced tunnel junction for improved performance in cascaded solar cells | |
| CN103985628A (en) | Method for wafer transfer | |
| US20060197436A1 (en) | ZnO nanotip electrode electroluminescence device on silicon substrate | |
| KR101702943B1 (en) | Fabrication method of light emitting device | |
| KR20160010474A (en) | Optoelectronic device and method for manufacturing same | |
| US20140299885A1 (en) | Substrate structures and semiconductor devices employing the same | |
| US20220005970A1 (en) | Semiconductor light emitting device and manufacturing method | |
| US20150037925A1 (en) | Method of fabricating a superlattice structure | |
| RU2642132C1 (en) | Optoelectronic device | |
| RU2300855C2 (en) | Injection light-emitting device | |
| US8847204B2 (en) | Germanium electroluminescence device and fabrication method of the same | |
| RU160901U1 (en) | Light emitting device | |
| JP5305000B2 (en) | Structure and semiconductor optical device | |
| Bhattacharya et al. | Efficient electroluminescence from III/V quantum-well-in-nanopillar light emitting diodes directly grown on silicon | |
| TWI714891B (en) | Light-emitting device and manufacturing metode thereof | |
| US10804428B2 (en) | High efficiency light emitting diode (LED) with low injection current | |
| US20200350409A1 (en) | Growth of Single Atom Chains for Nano-Electronics and Quantum Circuits | |
| US20170084786A1 (en) | Electronic devices with nanorings, and methods of manufacture thereof | |
| KR100765387B1 (en) | Luminance device having quantum well | |
| RU2650606C2 (en) | HETEROSTRUCTURE OF GaPAsN LED AND PHOTODETECTOR ON Si SUBSTRATE AND METHOD OF ITS MANUFACTURE |