TW200947761A - Silicon light emitting device utilising reach-through effects - Google Patents
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Description
200947761 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光電子裝置’且更特定言之，係關 接帶隙半導體材料所製造之發光裝置、操作發光裝置之方 法及用間接帶隙半導體材料製造發光裝置之方法 【先前技術】 單晶體間接帶隙半導體（例如梦）之突崩電致發光光發射 係藉由在反向偏壓pn接面中可移動之熱栽流子（例如電子 ® 與電洞之再結合）與晶格聲子之間的相互作用所產生。 如下文參考附圖中之圖丨所說明，在矽裝置中之習知反 向偏壓心接面中，載流子在空乏區域中僅經歷短距離之 撞擊電離。處於遠離接面之P側之末端處的低電場意謂熱 載流子或高能載流子僅存在於空乏區域之n+側且在相反側 離開空乏區域的電洞將成為低能量載流子。若載流子再結 口率與電洞p及電子n濃度之乘積P*n成比例，則載流子再 ，、结合將僅出現於空乏區域之短區域中。此等特徵及參數導 致不令人滿意的内部量子效率。 【發明内容】 因此，本發明之目的在於提供一種替代發光裝置、一種 操作發光裝置之方法及一種製造發光裝置之方法，藉此， 本申請者相信至少可減少上述缺點。 根據本發明’提供一種發光裝置，其包含： -一間接帶隙半導體材料主體； -一介於該主體中之第一摻雜型之一第一區域與該主體 138002.doc 200947761 之具有第一濃度之第二摻雜型之一第二區域之間形成 之接面區域； -該主體包含一具有第二濃度之第二摻雜型之第三區 域，該第三區域藉由該第二區域與該接面區域隔開； -其中該第二濃度高於該第一濃度；及 _ 一與該主體連接之終端配置，以便在使用時使該第一 • 接面區域反向偏壓進入崩潰模式，從而引起光發射。 該崩潰模式可為場發射崩潰，或者突崩潰，或者進一步 為場發射崩潰與突崩潰之組合。 該第三區域如該第一區域可位於該第二區域之另一側 上在本發明之一形式中，該第二區域可夾於第一區域與 第二區域之間。 該裝置可組態成使得一與該接面區域相關之空乏區域在 該接面區域進入崩潰之前到達該主體之第三區域。 該終端配置可包含一與該主體之第一區域連接之第一接 φ 點及一與該主體之第三區域連接之第二接點。在本發明之 一實施例中，該第二區域上未提供接點，所以該裝置基本 上為兩終端裝置。 在本發明範圍内亦包括一種操作發光裝置之 法包含下列步驟·· 人方 •利用一間接帶隙半導體材料主體，該主體具有—介於 該主體中之第一摻雜型之一第一區域與該主體之具有 第一濃度之第二摻雜型之一第二區域之間所形成之接 面區域，該主餿包含一具有第二濃度之第二摻雜型之 138002.doc 200947761 第一區域’該第三區域藉由該第二區域與該接面區域 隔開其中該第二濃度高於該第一濃度；及 使該第-接面區域反向偏屬進入一崩潰模式·及 使得-與該接面區域相關之空乏區域在該接面區域進 入該朋潰模式之前到達該主體之第三區域。 在本發明範圍内進一步包括一種製造發光裝置之方法 方法包含下列步驟： 該
_利用一間接帶隙半導體材料主體； -形成一介於該主體中之第一摻雜型之一第一區域與該 主體之具有第一漠度之第二摻雜型之一第二區域之間 的接面區域； _形成該主體之具有第二濃度之第二摻雜型之一第三區 域，該第三區域藉由該第二區域與該接面區域隔開；及 -使得該第二濃度高於該第一濃度。
該方法可包含使該第二區域之至少一部分成形以符合所 需發光形狀的另一步驟。 【實施方式】 現參考附圖、僅舉例而言來進一步描述本發明。 由諸如Si、Ge及Si-Ge之間接帶隙半導體材料所製造之 多終端發光裝置一般由圖2中之參考數字1〇表示。 裝置10包含一間接帶隙半導體材料（在此狀況下為Si)主 體12°該主體包含一介於該主體之第一摻雜型之一第一區 域12.1與該主體之具有第一摻雜濃度之第二摻雜型之一第 二區域12.2之間之接面區域（14)。但具有第二摻雜濃度之 138002.doc -6 - 200947761 第一換雜型之該主體之一第二區域12.3如該第一區域12.1 提供於該第二區域12.2之另一側或對側上，以藉由該第二 區域12.2與該接面區域14隔開。第二摻雜濃度高於第一摻 雜濃度。第一摻雜型可為η型且第二摻雜型可為p型。在其 他實施例中’可使用相反之摻雜型。一終端配置丨8與該主 體連接，以便在使用時使該接面區域14反向偏壓進入崩潰 模式（突崩或場發射或其組合），從而發光。 現參看圖1(a)至1(d)中所示之習知或先前技術之n+p接面 石夕裝置110，圖中分別展示處於突崩操作點之習知電場、 電子突崩電離係數、載流子濃度及載流子叩乘積分布。圖 中亦展示典型值。所給尺度係針對具有10丨6個受體原子/立 方公分摻雜濃度或密度之低摻雜p區域112 2及1〇2〇個供體 原子/立方公分摻雜密度之高摻雜n+區域1121的典型n+p接 面矽裝置110。崩潰時空乏區域116之寬度為約400 nme載 流子濃度為約1〇3 A/cm2電流密度所需之值。此裝置之崩潰 電壓為約12 V。 圖1(a)描述崩潰時接面空乏區域116中之電場分布。圖 1(b)展示空乏區域116中電子電離係數。由此等兩圖顯而易 見’載流子在空乏區域116甲僅經歷短距離之撞擊電離。 遠離接面114之低電場亦意謂高能熱載流子僅存在於空乏 區域之η側附近且p側附近離開空乏區域11 6的電洞將成為 低能量載流子。 圖1(c)展示空乏區域116中之載流子濃度分布且圖1(句呈 現P*n載流子乘積。若載流子再結合率與空乏區域ιΐ6中之 138002.doc 200947761 電洞P及電子η漢度之乘積pn成比例，則載流子再結合將僅 出現於空乏區域之短區域中。 咸信使用圖2中所示之本發明之裝置1〇、更特定而古藉 由利用穿通效應可改良光子產生之内部量子效率。若相同 體積中可發生載流子與載流子或載流子與光子之更多相互 作用’則内部量子效率(每個電子所產生光子數目)增強。 若該裝置可在較低操作電麼下操作，則亦可達成改良之功 率效率（輸出之光功率與輸入之電功率的比值）。 ® 現再參看本發明之裝置10,且如圖3⑷至柳中所示， 一具有與輕微摻雜區域12.2之極性相同之極性的高摻雜區 域12.3緊鄰於反向偏壓之n+p接面14安置。因此形成+ 摻雜型接面。當使接面14反向偏壓時，空乏區域16主要向 輕微摻雜之p區域12·2中擴展。若空乏區域在崩潰發生之 前到達Ρ+區域12.3，則接面成為穿通之操作區域。反向電 麼之進一步増加將使空乏區域擴展至ρ+區域123中，在穿 藝通電壓未進一步過多增加之情況下引起崩潰。圖3(a)展示 在P區域12.2中受體摻雜NA = 1016 /cm3且n+區域^^與〆區 域12.3之間距等於400 nm之穿通η+ρρ+裝置。此舉係對具有 400 nm空乏區域之穿通裝置10與具有相同空乏區域寬度且 於上文中所提及之習知n+p裝置110進行比較。 在穿通條件下，電場20(參見圖3(a))在整個空乏區域16 中相對較高且幾乎恆定。此意謂在整個空乏區域16中電離 係數亦相對恆定，如圖3(b)中所示。崩潰電壓可依據電場 分布測定且亦為約12 V。 138002.doc 200947761 此穿通裝置ίο確保穿越空乏區域16之載流子在整個空乏 區域中保持「熱」（高能載流子）狀態，直至其離開空乏區 域之時。此外，在大體上整個空乏區域16中，預期發生突 崩撞擊電離事件。 此類型之穿通裝置10之另一優勢在於載流子因整個空乏 區域16中之高電場20而以載流子飽和速度移動穿過整個空 ' 乏區域16。預期此使得穿通裝置載流子渡越時間小於習知 二極體之載流子渡越時間，且因此增加光產生過程之轉換 _ 速度。 、 圖3(c)中展示n+pp+穿通裝置1〇之載流子濃度分布。空乏 區域16中之電子濃度高於習知裝置中之電子濃度，且與電 洞相比’電子電離係數愈高’則發生的撞擊電離事件愈 多。 圖3(d)描述載流子濃度乘積n*p。顯然，與習知裝置u〇 相比二乏區域16中大部分區域之載流子濃度乘積p*n顯 _ 著更高。若在空乏區域之整個長度上求取p*n乘積之積 分，則與習知n+P裝置相比，達成顯著更高之p*n乘積之積 分值。因此’可預期，與習知裝置相比，在相同之電流密 度及崩潰電壓下，穿通裝置10中之輻射載流子再結合率更 - 高。 穿通裝置10可具有更快轉換速度且可提供藉由改變n+區 域•與P區域之間距來將崩潰電壓調節至更低或更高值的能 力。減少Π+至P+距離使崩潰電壓降低。 如圖4中所示，藉由向第二區域12.2之至少一部分及因 138002.doc 200947761 而空乏區域16提供合適幾何形狀可將光產生區域3〇之形狀 "又汁成所要幾何形狀。在習知裝置之狀況下，崩潰為周邊 支配過程且在電場最高處（例如在周邊上存在尖角之任何 地方）出現。光產生區域幾何形狀之成形在習知二極體之 情況下係不可能的。 ' 【圖式簡單說明】 圖1(a)至1(d)為說明習知n+p矽接面突崩時之各種特徵及 參數之圖； φ 圓2為本發明之發光裝置之示意圖； 圖3(a)至（d)為本發明之裝置之對應於圖i(a)至1(幻中之 各種特徵及參數之圖；及 圖4為本發明之發光裝置之另一實施例之示意圖。 【主要元件符號說明】 10 12 12.1 12.2 12.3 14 n+pp+穿通裝置/多終端發光裝置 間接帶隙半導體材料主體 第一區域/n+區域 第二區域/p區域 第三區域/p+區域/ 接面區域/第一接面區域/反向偏壓之n+p接面/ 接面 16 18 30 110 空乏區域 終端配置 光產生區域 習知或先剛技術之n+p接面碎裝置 138002.doc 200947761 112.1 112.2 114 116 高摻雜n+區域 低摻雜P區域 接面 空乏區域/接面空乏區域 ⑩ 138002.doc -11 -
Claims (1)
- 200947761 七、申請專利範圍： l 一種發光裝置，其包含： •一間接帶隙半導體材料主體； _ 一介於該主體中之第—摻雜型之—第—區域與該主體 之具有第一濃度之第二摻雜型之一第二區域之間形成 之接面區域； ••該以包含一具有第二濃度之該第二摻雜型之第三區 域’該第三區域藉由該第二區域與該接面區域隔開； _其_該第二濃度高於該第一濃度；及 與該主體連接之終端配置，以便在使用時使該第一 接面區域反向偏壓進入一崩潰模式，從而引起光發 =托項1之裝置’其組態成使得-與該接面區域相關 之空乏區域在該接面區域進人該崩潰模式之前到達該主 體之該第三區域。 ❿3.如°月求項1或請求項2之裝置，其中該終端配置包含一與 體之該第—區域連接之第—接點及—與該主體之該 第三區域連接之第二接話。 請求項3之裝置，其中該第二區域上未提供接點。 青求項1至4中任一項之裝置，其中該第一換雜型為n型 且該第二捧雜型為ρ型。 吻求項1至4中任-項之裝置’其中該第-摻雜型為ρ 型且該第二摻雜型為η型。 操作發光裝置之方法，該方法包含下列步驟： 138002.doc 200947761 利用一間接帶隙半導體材料主體，該主體具有—介於 該主體中之第一摻雜型之一第一區域與該主體之具有 第一濃度之第二摻雜型之一第二區域之間形成之接面 區域，該主體包含一具有第二濃度之該第二摻雜型之 第三區域，該第三區域藉由該第二區域與該接面區域 隔開，且其中該第二濃度高於該第一濃度；8. 使該第一接面區域反向偏壓進入 使得-與該接面區域相關之空乏區域在該接面區域進 入該崩龍式之前到達該主體之該第三區域。 種製造-發光裝置之方法，該方法包含下列步驟： _利用一間接帶隙半導體材料主體； 朋潰模式；及 形成-介於該主體中之第一摻雜型之一第一區域與該 主體之具有第一濃度之第二摻雜型之一第二區域之間 的接面區域； 形成·該主體之具有 / 展度<該第二摻雜型之一區域，該第三區域藉由句笙-r_ 精由3第一區域與該接面區域隔 開； •使得該第二濃度高於該第一濃度。 9.如請求項6之方法’其包含使該第二 成形以符合所需發光形狀的另一步驟 138002.doc -2-
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