TW533456B - Radiation-emissive optoelectronic device and method for making the same - Google Patents

Description

3456 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域 本發明係有關一種由結晶材料製成之電子及光電子裝置 及其製造方法。吾人發現其於由初始具有間接能帶縫隙之 半導體材料製成的輻射放射性光電子裝置上具有特殊的應 用。 相關技術說明 結晶材料係由呈規則圖形配置之原子陣列構成的。與成 分電子及原子核之類粒子相關的電荷會在晶體內產生隨著 由晶體內各原子間隔定出之週期性作區域性改變的電場。 由結晶材料構成之半導體及絕緣體的特徵係指所謂的導 電及價電能帶，藉由這類特徵電荷載子會在所加電場的影 響下傳播。該導電及價電能帶的能量分離係藉由該晶體之 組成原子的本性及尺寸而定出的。於某些材料中，該價電 能帶的最小値可能係與該導電能帶內的最大値相對的，而 其他材料中則是自其上位移開的。這類材料分別爲已知的 直接和間接能帶縫隙材料。 某一材料之能帶結構的本性及量値都是會影響由該材料 製成之電子及光電子裝置的參數。例如，由具有寬能帶之 半導體製成的二極體將會傾向於具有較高的擊穿電壓，因 爲這類材料在任何給定溫度上都含有較少的熱生成電荷載 子’且因此較不易受雪崩效應的影響。因爲具有直接的能 帶縫隙故砷化鎵將可以選作用於輻射產生裝置的材料。另 一方面，矽則基本上已被認定是一種不適合用來當作輻射 533456 五'發明説明（2) 發射器的材料。這是因爲矽係一種具有間接能帶縫隙的材 料’其中快速而非輻射性的重組程序完全超越了慢得多的 輻射性重組程序。事實上在室溫下的體塊矽幾乎完全看不 見輻射放射現象。 在電腦處理器的連續而快速的發展下，對增加處理功率 及速率並減小尺寸的定常需求必然會因交互連接的金屬化 結構而更增加其複雜度。可預料的是這種複雜度終究會在 進一步發展上出現無法克服的障礙（莫爾定律的崩潰），因 爲電子會將不成比例的時間量額花費在金屬化作用上而不 是它們交互連接的成分內，因而削減了其處理功率及速 率。 發明之扼要說明 以矽技術爲基礎的光電子電路會提供一種向前的方法， 這是因爲光學耦合作用會比以電荷載子之擴散爲基礎的連 接作用還要快了很多等級的緣故◦不過，這種趨近法需要 發展出以矽爲基礎的有效室溫輻射放射性裝置。很淸楚地 ，能夠使用這種裝置以強化其他矽裝置的功能且能夠引致 一種全-矽的積體光電子系統。 藉著將由原子比例上之區域性變形產生的應變力引進半 導電性或絕緣晶體的結構內’吾人發現能夠局部地修飾有 關能帶縫隙的性質。這麼做的必然結果是證明了很容易從 諸如矽之類的材料製作出輻射放射裝置。 一種用於產生應變場的較佳機構是形成了具有差排迴路 的陣列。 - 4- 533456 五、發明説明（3 ) 根據本發明提供了一種由結晶材料製成的電子及光電子 裝置，其中已藉由將原子比例上之變形引進該結晶材料白勺 晶格結構內，而局部地修飾了該結晶材料具有能帶結構特 徵的參數，且其中因爲修飾該能帶結構的結果得到了該裝 置的必要電子及光電子參數。 根據本發明之特定槪念提供了一種輻射放射性光電子裝 置’係包括至少部分由具有P-型間接能帶縫隙半導體材料 之區域及/或具有Π-型間接能帶縫隙半導體材料之區域形 成的接面，其中該接面係結合了各機制而在裝置的作業中 有效地施行空間限制且因此提高其電荷載子的輻射性重組 作用。 較佳的是該電荷載子限制機制係一種應變場。 於本發明的較佳實施例中，較佳的是該應變場係由諸如 具有差排迴路的陣列之類內稟延伸之晶格缺陷產生的。 取決於所用的材料，根據本發明之裝置可能放射出具有 從紅外線延伸到紫外線的範圍內之不同波長的輻射。於本 發明的較佳實施例中，該裝置係包括由具有η-型矽之區域 及具有Ρ-型矽之區域形成的ρ-η接面，於作業中，這種裝 置放射出紅外線中波長大約1 1 50奈米的輻射。如同將要證 明的，吾人可以利用ULS I技術中常用的處理技術迅速地製 造出這種型式的矽基裝置。 根據本發明的裝置的另一優點是使作業效率最佳化，亦 即在室溫或靠近室溫下達成最大的總電發光強度。因此， 這類裝置特別適用於前述應用中。 533456 五'發明説明（4 ) 根據本發明之另一槪念提供了一種輻射放射性光電子裝 置的製造方法，其中包含的步驟有：形成至少含有由P-型間接能帶縫隙半導體材料構成之區域及/或由n _型間接 能帶縫隙半導體材料構成之區域的接面；以及於該接面 內結合了各機制而在裝置的作業中有效地施行空間限制且 因此提高其電荷載子的輻射性重組作用。 於本發明的較佳實施例中，形成了至少部分由具有ρ -型 間接能帶縫隙半導體材料之區域及/或具有η -型間接能帶 縫隊半導體材料之區域構成的接面。 圖式簡單說明： 現在吾人將藉由實例並參照各附圖以說明本發明的實 施例。 第1圖係用以顯示穿過一種根據本發明之輻射放射性光 電子裝置的橫截面示意圖。 第2圖係將在室溫下從第1圖之裝置得到以偏置電壓V 函數繪製出之電流I的曲線圖。 第3圖係將在80 Κ、180Κ、及300Κ下從第1圖之裝置得 到的積體電發光強度當作向前偏置電壓V之函數繪製出的 曲線圖。 第4圖係將在80Κ、140Κ、200Κ、260Κ、及320Κ下從第 1圖之裝置得到的積體電發光強度當作波長函數繪製出的 曲線圖。 第5圖係將從第4圖各曲線導出之積體電發光強度當作 溫度函數繪製出的曲線圖。 -6- 533456 五、發明説明（5 ) 第6a和6b圖分別係用以顯示一種根據本發明特定實施 例之光電子積體電路的截面圖示及方塊圖。 較佳實施例的詳細說明 現在參照第1圖，具有二極體形式之輻射放射性光電子 裝置係包括由p -型砂區域1 1及η -型砂區域1 2定義出的p -η接面10。於本發明的施行中，該ρ_型矽區域11係攙雜有 硼（Β)而該η-型矽區域12則攙雜有砷（As)。不過，吾人將 會了解的是能夠替代地使用其他爲熟悉習知設計的人所 熟知的適合攙雜物。 歐姆接點1 3，1 4係提供於該裝置的前方及後方表面1 5 , 1 6上，以便跨越該接面1 〇施加偏置電壓。於本實施例中 ’提供於該裝置之前方表面1 5上的歐姆接點1 3係由鋁 (A 1 )製成的，而提供於該裝置之後方表面1 6上的歐姆接 點14係由易熔的金/銻（AuSb)合金製成的。歐姆接點14含 有中央視窗1 7，且能夠透過該視窗使由該裝置產生之電 發光通過。 接面區域1 0會結合一種應變場。於本實施例中，該應變 場係由諸如位於如第1圖所示之p-型矽區域11內具有差排 迴路的陣列之類內稟延伸之晶格缺陷產生的。 該應變場是區域性的以便修飾該矽能帶縫隙的結構。 更特別的是，圍繞每一個延伸晶格缺陷的應變場都會產 生一種隨著量自該差排迴路核心之距離函數而改變的三維 電位阱。吾人應該相信的是該電位阱的組合效應會造成可 動電荷載子的空間限制，因而顯著地減小了他們朝矽內 533456 五'發明説明（6 ) 各點缺陷（在其他情形下可能發生快速的非輻射性重組程 序處）的擴散作用。吾人已發現所說明這種應變場中，用 來抑制通常佔優勢之電荷載子的非輻射性重組作用，並 提高各電荷載子的輻射性重組作用的效應，在由諸如矽之 類間接能帶縫隙材料製成的裝置中幾乎是完全看不見的。 如同以下更詳盡的說明，在跨越該接面1 〇施加向前偏置電 壓時會由該裝置產生顯著量額的電發光。 若差排迴路陣列A係沿著接面的橫軸方向呈（或是近乎） 週期性的，也就是說沿著平行於該接面之p-型及n-型區域 11，1 2的介面，則強化了輻射性重組處理的提升作用。於 本實施例中，該差排迴路陣列具有100奈米左右的週期性 且係位於區域1 1內深度大約1 00奈米處。 參照第1圖加以說明的裝置係利用習知離子植入法藉由 將硼原子植入由η-型矽構成而具有2到4歐姆之裝置級基 板製成的。於本實施例中，其植入劑量爲lx l〇15cm·2且其 植入能量爲30keV。 然後在1000°C下令經植入的基板於氮大氣內接受大約 20分鐘的退火處理。然後藉由蒸發或另一種適用的澱積 方法將歐姆接點1 3，1 4加到基板上且在3 6 0 °C下進行大約 2分鐘的燒結。 於本實施例中，所植入之硼原子係扮演著雙重功能以 減少處理步驟的數目；也就是說，所植入之硼原子會被 當作用來定義出該接面之P-型區域11的攙雜物原子，同 時它們也被用來於該區域內產生差排現象。隨後的退火 533456 五、發明説明（7 ) 步驟會活化所植入之攙雜物原子，同時會引致差排的集 結而導致差排迴路陣列的形成。 於另一施行方法中，藉由分開地植入不同種類的原子 例如矽原子而依與攙雜處理無關的方式形成了差排迴路 陣列。再次使用的是大約30keV的植入能量。 於前述兩種施行方法中，慎重地修飾製造方法以便將差 排引進基板之內（通常被認定是非必要的步驟）使之於退火 步驟期間形成必要的差排迴路陣列。 吾人將會了解的是所說明之製造方法中使用的技術（亦 即離子植入法、蒸發、退火）係與現有的ULSI技術完全相 容的。據此，能夠在標準的生產線上快速地製造出所說 明的裝置。 爲了檢查所說明裝置的操作特徵，將偏置電壓加到跨越 歐姆接點1 3，1 4處並量測各接點之間電流I。第2圖顯示的 是以偏置電壓V函數繪製出之電流I變化的曲線圖，且用 來證明該裝置會呈現出二極體的特徵行爲。 爲了檢查輻射的放射性，將該裝置安裝於連續流動之液 態氮衡溫器內部的夾持器上。使由該裝置產生的電發光聚 焦於習知的半計量光譜儀之內並利用經液態氮冷卻的鍺 P-ι-η偵測器進行偵測。 第3圖係將在80Κ、180Κ、及300Κ下從第1圖之裝置得 到的積體電發光強度當作向前偏置電壓V之函數繪製出的 曲線圖，且用來證明如何觀測到隨著打開二極體而開始的 電發光作用。第4圖係將在80Κ、140Κ、200Κ、260Κ、及 533456 五、發明説明（8 ) 3 20K下從第1圖之裝置得到的積體電發光強度當作波長函 數繪製出的曲線圖，而第5圖係將從第4圖各曲線導出之 積體電發光強度當作溫度函數繪製出的曲線圖。參照第4 圖，在80K下得到的低溫光譜會呈現出在矽能帶邊緣上之 輻射性放射上所期望的結構特徵。室溫下光譜的峰値係落 在波長1150奈米上且具有80奈米之全半高寬（FWHM)。參 照第5圖，可以看出該積體電發光強度會穩定地隨著溫 度函數而增加，這種效應被認定係歸因於輻射重組程序 中聲子耦合作用扮演著日益重要之角色的緣故。據此， 在室溫以及更高的溫度下達成最佳化放射性。這對爲矽 中之輻射性放射提出的已知系統而言會呈現出鮮明的反 差，隨著溫度升高而強烈猝滅的電發光作用使得實用的 室溫裝置變得有問題。 吾人將會了解的是雖則已參照第1圖加以說明的裝置包 括有矽的同構接面，然而本發明會接受的裝置包括的是 由包含矽合金之其他間接能帶縫隙材料製成的同構接面 。例如，包括由其範圍落在從100%的鍺到鍺/矽合金以及 從1 00%的砂到碳化矽（S i C )合金之類材料製成之同構接面 的裝置，會分別在從近紅外光（包含1 . 3及1 . 5微米附近 的區域）上達紫外光範圍內的不同波長上放射出輻射。 吾人將會了解的是本發明也會接受包括例如矽和鍺之類 異構接面的裝置。 吾人將會了解的是透過這類規格，有意以p - η接面的表 現法接受一種Ρ - i - η接面，其中由內禀半導體材料（例如 -10- 533456 五、發明説明（9 ) 內稟的矽）構成的區域係三夾於該接面的p -型矽區域與η -型矽區域之間。 吾人應該正視的是根據本發明之輻射放射性光電子裝置 將會具有很寬廣的可應用性；特別是（雖則並非專屬於）必 需作有效率之室溫電發光作用的應用上。根據本發明之 全矽裝置可能在所有全矽積體光學系統上找到其應用。 通常，可以將根據本發明而製造的裝置結合於光電子 積體電路內。這種電路可能結合了會呈現出光子能帶縫 隙的區域。 現在參照第6a和6b圖，一種平面光電子積體電路61係 包括可能是非調和發光二極體（LED )或雷射且藉由平面波 導64耦合於矽-鍺光學偵測器65上的矽基光學發射器63。 該電路係形成在結合於埋入式二氧化矽層69內之矽基板 67上。該光學發射器係在差排迴路陣列75與p-n接面77 相鄰下藉由離子植入法形成於含有P-型區域73的η-型區 域7 1內。金屬接點79，8 1係分別附著於ρ +及η +表面區域 上。 波導區域83係藉由埋入式二氧化矽層69以及含有由低 折射指數區域構成之陣列的區域85而鍵結以產生光子能 帶縫隙，因此修飾該波導的波長傳輸特徵。在某些情況 下，這類傳輸特徵可能藉由結合光子能帶縫隙區域之內 的差排迴路陣列而獲致進一步的修飾。 該光學偵測器65係包含藉由涉及將鍺植入矽基板之離 子光束合成法或是選擇性的磊晶法而形成的矽鍺p-n接 -11- 533456 五、發明説明（10 ) 面區域87。將接點89，9 1製作於活性區域上。區域性P + 植入區93會有利於此。 該積體電路的單獨元件係藉由塡充有氧化物的絕緣溝 渠95,97,99，101而分離的。 垂直式積體作用也可以藉由採用這類技術加以施行而 引致三維的積體能力。光學的活性區域會結合諸如餌或 其他稀土族之類雜質，或者也可以於積體電路或甚至於 分離式元件的製程中將例如具有準穩態躍遷的碳之類用 來當作建造積塊。 於另一種應用中，可以將根據本發明的輻射放射性光電 子裝置用來當作注入式雷射的輻射源。於這種應用中，該 裝置可能包含一種或更多種額外區域，係配置有η -型及/ 或Ρ -型及/或未攙雜之半導體材料，以提供載子數反轉及 /或用來爲所發射之輻射定義出光學空腔。這類雷射的實 例包含分離限制性異質結構式（SCH)雷射以及大型光學空 腔式（LOC)雷射。 雖則已將退火處理說明成在1000°C下施行20分鐘，然 而也可以使用由時間及溫度構成的替代組合。其方式將 會是諸如形成包含變形之區域性修飾並使之穩定化爲晶 體結構甚至可能在靠近該材料之熔點的溫度下接受快閃 退火處理之類組合。 在某些情況下，可能需要執行多重的離子植入法以便在 量自該晶體表面的不同距離處形成差排迴路陣列或其他包 含變形之微型結構。這種技術會在最終裝置的拓樸上分派 -12- 533456 五、發明説明（11 ) 另一程度的自由度。 可以使用該技術以修飾或微調藉由例如由具有不同折射 指數之材料陣列製成的光子能帶縫隙之類其他方法製造之 裝置的特徵。 也可以藉由光刻遮罩法依區域方式將該技術限制於基板 內。 符號之說明 10 ........p - η接面 11 ........ρ -型矽區域 12 ........η -型矽區域 13,14.....歐姆接點 15 ........裝置之前方表面 16 ........裝置之後方表面 17 ........中央視窗 61........平面光電子積體電路 63 ........矽基光學發射器 64 ........平面波導 65 ........鍺化矽光學偵測器 67........矽基板 69........埋入式二氧化矽層 71........η-型區域 73........ρ-型區域 75........差排迴路陣列 77........ρ-η接面 -13- 533456 五、發明説明（12 ) 79, 81.....金屬接點 83........波導區域 85........光子能帶縫隙區域 87........矽鍺p-n接面區域 93........區域性p +植入區 95,97,99,1 0 1. ...塡充有氧化物的絕緣溝渠 -14-

Claims (1)

1. 533456 :βΙ：ι〇，ι^,:六、申請專利範圍 第90 1 1 3 804號「輻射放射性光電子裝置及其製造方法」 專利案 （9 1年1 0月修正） 六、申請專利範圍 1. 一種輻射放射性光電子裝置，係包括至少部分由具 有Ρ -型間接能帶縫隙半導體材料之區域及/或具有 η -型間接能帶縫隙半導體材料之區域形成的接面； 其中該接面係結合了各機制，而在裝置的作業中有 效地施行空間限制，且因此提高其電荷載子的輻射 性重組作用。 2. 如申請專利範圍第1項之輻射放射性光電子裝置， 其中該電荷載子限制機制係一種應變場。 3·如申請專利範圍第2項之輻射放射性光電子裝置， 其中該應變場係由差排迴路陣列產生的。 4·如申請專利範圍第3項之輻射放射性光電子裝置， 其中該差排迴路陣列至少在該接面之某一橫軸方向 上具有實質的空間週期。 5·如申請專利範圍第1至4項中任一項之輻射放射性 光電子裝置，其中該接面係一種同構接面。 6.如申請專利範圍第5項之輻射放射性光電子裝置， 其中該Ρ -型間接能帶縫隙半導體材料係一種ρ _型矽 且該η -型間接能帶縫隙半導體材料係一種心型矽。 7·如申請專利範圍第6項之輻射放射性光電子裝置， 其中該應變場係由形成於該ρ -型矽區域內之差排迴 456 456

   年/。月/夕E] f;言上匕 彌无 六、申請專利範圍 路陣列產生的。 8·如申請專利範圍第6項之輻射放射性光電子裝置， 其中該Ρ -型矽區域係攙雜有硼。 9·如申請專利範圍第7項之輻射放射性光電子裝置， 其中該Ρ -型矽區域係攙雜有硼。 10.如申請專利範圍第1至4項中任一項之輻射放射性 光電子裝置，其中該接面係一種異構接面。

   11·如申請專利範圍第4項之輻射放射性光電子裝置， 其中該Ρ -型間接能帶縫隙半導體材料係一種ρ -型矽 且該η -型間接能帶縫隙半導體材料係一種η -型5夕， 且該差排迴路陣列係形成於該ρ -型矽區域內且在該 接面之某一橫軸方向上具有大約1 〇〇奈米的空間週 期。 12. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之輻射放射性 光電子裝置，係被利用作爲一種注入式雷射。

   13. 如申請專利範圍第1 2項之輻射放射性光電子裝置， 係被利用作爲一種注入式雷射，其中，該裝置係包 含一個或更多個配置有η -型及/或ρ -型及/或未攙雜 之半導體材料的區域，以提供載子數反轉及/或用來 爲所發射之輻射定義出光學空腔。 14. 如申請專利範圍第丨至4項中任一項之輻射放射性 光電子裝置，係被用在一種積體式光電子系統中。 15· —種輻射放射性光電子裝置的製造方法，其中包含 533456 彳“…/加P jt 六、申請專利範圍 的 步 驟 有 形成至少含有由ρ -型間接能帶 縫 隙 半 導 體 材 料 構 成 之區域及/或由η -型間接能帶 縫 隙 半 導 體 材 料 構 成 之區域的接面；以及於該接面 內 結 合 了 各 機 制 而 在 裝置的作業中有效地施行空間 限 制 且 因 此 提 高 其 電 荷載子的輻射性重組作用。 16.如 甲 三主 δ円 專 利 範圍第1 5項之方法，其中該電 荷 載 子 限 制 機 制係 -- 種應變場。 17·如 串 請 專 利 範圍第16項之方法，其中該應 場 之 結 合 步 驟 係 包 含將差排迴路陣列形成於該接 面 的 某 — 或另 一 域 內的步驟。 18.如 甲 三主 日円 專 利 範圍第1 7項之方法，其中該差 排 迴 路 陣 列 的 形 成 步 驟係在形成該接以面的同時施行的。 19.如 甲 三主 δ円 專 利 範圍第1 8項之方法，其中該接 面 的 形成 步 驟 係 包 含 提供由具有某一極性形式之間 接 能 帶 縫 隙 半 導 體 材 料製成的基板，將攙雜物原子 植 入 該 基 板 內 以 便 於 其內定義出由具有另一極性形 式 之 間 接 能 帶 縫 隙 半 導體材料構成的該區域，以及 使 已 植 入 基 板 接 受 熱 處理，其中該攙雜物原子植入 的 步 驟 及 使 已 植 入 基 板接受熱處理的步驟對將該差 排 迴 路 陣 列 形成於 該 定義區域內而言都是很有效的。 20.如 串 三主 δ円 專 利 範圍第19項之方法，其中該 基 板 係 由 η - 型 矽 製 成 的而該攙雜物原子係硼原子° 21.如 串 Ξ主 δ円 專 利 範圍第1 7項之方法，其中該差 -3- 排迴 路 陣 533456 CU It I rj 六、申請專利範圍 列的形成步驟係包含在該區域或另一區域內植入與 該區域內攙雜物原子不同的原子物種，並使該接面 接受熱處理的步驟。 22. 如申請專利範圍第2 1項之方法，其中該p -型及η -型的間接能帶縫隙半導體材料分別是ρ -型及η -型的 石夕’且該不同物種的原子指的是5夕原子。 23. 如申請專利範圍第1 9至22項中任一項之方法，係 包含使用落在從1 keV到1 000 keV範圍內的植入能 量。 24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中該植入能量爲 30 keV ° 25. 如申請專利範圍第1 9至22項中任一項之方法，其 中該熱處理係於落在從500 °C到141 2°C之溫度範圍 內施行的。 26如申請專利範圍第23項之方法，其中該熱處理係於 落在從50(TC到1412°C之溫度範圍內施行的。 27. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該熱處理係於 落在從500°C到1412°C之溫度範圍內施行的。 28. 如申請專利範圍第25項之方法，其中該熱處理係在 大約100(TC之溫度下施行的。 29. 如申請專利範圍第26項之方法，其中該熱處理係在 大約1 000°C之溫度下施行的。 30·如申請專利範圍第27項之方法，其中該熱處理係在 -4- 533456 六、申請專利範圍 大約100(TC之溫度下施行的。 31.如申請專利範圍第25項之方法 氮氣之大氣內施行的° 32如申請專利範圍第26項之方法 氮氣之大氣內施行的° 33.如申請專利範圍第27項之方法 氮氣之大氣內施行的° 汉如申請專利範圍第28項之方法 氮氣之大氣內施行的。 35如申請專利範圍第29項之方法 氮氣之大氣內施行的。 %如申請專利範圍第30項之方法 氣氣之大氣內施行的。 其中該熱處理係於 其中該熱處理係於 其中該熱處理係於 其中該熱處理係於 其中該熱處理係於 其中該熱處理係於

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