TWI475719B - 包含異質接面之半導體發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於半導體光電裝置，且更特定而言係關於一種半導體發光裝置及一種發射光之方法。
已知例如包括一pn接面之矽(Si)裝置的單片式半導體發光裝置，在使用中該pn接面被反向偏壓為一崩潰模式以發射光。將該pn接面偏壓為突崩崩潰或場發射崩潰導致一電流增加，且由於在一與該接面相關聯之一空泛區域之高電場中之高能載子，輻射複合及躍遷發生以產生光子。在一間接帶隙半導體材料中，此輻射過程並非係發生主載子交互作用，其致使一可能不令人滿意之電子至光子量子效率。
因此，本發明之一目的係提供一種替代半導體發光裝置及一種申請者認為至少可減輕上述缺點之發射光之方法。
根據本發明，提供一種發光裝置，其包括：
- 一半導體結構，其包括：
- 一第一半導體材料之一第一本體，其包括一第一摻雜種類之一第一區域；
- 一第二半導體材料之一第二本體，其包括一第二摻雜種類之一第一區域；
- 一接面區域，其包括一形成於該第一本體與該第二本體之間的第一異質接面及一形成於該結構中分別為該第一及第二摻雜種類之區域之間的pn接面；及
- 一偏壓配置，其連接至該結構供在使用中反向偏壓該pn接面，藉此導致光之發射。
該第一半導體材料及該第二半導體材料中之至少一者可包括一間接帶隙半導體材料。在其他實施例中，該第一半導體材料及該第二半導體材料中之至少一者可包括一直接帶隙半導體材料。
較佳地，該第一半導體材料包括一間接帶隙半導體材料且該第二半導體材料包括一間接帶隙半導體材料。
在一其中該第一及該第二半導體材料兩者皆包括一間接帶隙半導體材料之實施例中，該第一半導體材料之一導電帶與一價帶之間的一能帶隙較佳係小於該第二半導體材料之一導電帶與一價帶之間的能帶隙。
至少該第一半導體材料可包括一矽鍺合金Si1-x
Gex
，且其中。
在其他實施例中，該第一半導體材料可包括一矽鍺合金Si1-x1
Gex1
，且該第二半導體材料可包括Si1-x2
Gex2
，其中x2<x1。
該第一摻雜種類可係n且該第二摻雜種類可係p。在其他實施例中可使用相反之摻雜種類。
該偏壓配置可用於將該第一pn接面反向偏壓成一崩潰模式。該崩潰模式可係突崩崩潰；場發射崩潰；及突崩崩潰與場發射崩潰之組合中之一者。
該第一異質接面與該pn接面重合。在其他實施例中，其可彼此間隔開。
該第一本體可包括一位於第二本體上之鍺層，該第二本體包括一通常在積體電路技術中使用之矽或SOI(絕緣體上之矽)之基板(例如CMOS)。
該接面區域可包括該第一摻雜種類之第二半導體材料之一第二區域，該異質接面可形成於該第一本體與該第二本體之第二區域之間且該pn接面可形成於該第二本體之第二區域與該第二本體之第一區域之間，以使該異質接面藉由第二本體之第二區域與該pn接面間隔開。
在該裝置之另一實施例中，一第二pn接面可形成於該第一本體之第一區域與該第二摻雜種類之第二半導體材料之一其他本體及該第二摻雜種類之第一本體之一第二區域中之一者之間，且該偏壓構件可經組態以正向偏壓該第二pn接面。
在該裝置之再一實施例中，該接面區域可包括位於該第二本體與該其他本體或該第二摻雜種類之第一本體之第二區域之間的該第一摻雜種類之第二半導體材料及該第一摻雜種類之第一半導體材料的一系列交替層。
根據本發明之另一態樣，提供一種發射光之方法，其包括以下步驟：
- 利用一半導體結構，該半導體結構包括：一第一半導體材料之一第一本體，其包括一第一摻雜種類之一第一區域；一第二半導體材料之第二本體，其包括一第二摻雜種類之一第一區域；一接面區域，其包括一形成於該第一本體與該第二本體之間的第一異質接面；及一pn接面，其形成於該結構中分別為該第一及該第二摻雜種類之區域之間；及
- 反向偏壓該第一pn接面，藉此導致光之發射。
較佳地，將該第一異質接面反向偏壓成一崩潰模式。該崩潰模式係突崩崩潰、場發射崩潰及突崩崩潰與場發射崩潰之組合中之一者。
在圖3中，通常以參考編號10表示根據本發明之一發光裝置。
裝置10包括一半導體結構12。該結構包括：一第一半導體材料(在此情況下係Ge)之一第一本體14，其包括一第一摻雜種類(在此情況下係n)之一第一區域；及一第二半導體材料(在此情況下係Si)之一第二本體18，其包括一第二摻雜種類(在此情況下係p)之一第一區域。一接面區域15包括一位於第一本體14與第二本體18之間的第一異質接面16及一位於結構12中分別為第一及第二摻雜種類之區域之間的pn接面17。一偏壓配置20連接至該結構供在使用中反向偏壓該pn接面，藉此導致光之發射。在此實施例中，異質接面16與pn接面17重合。在其他實施例中，其可如下文所述彼此間隔開。
參照圖1及2，闡述先前技術裝置之缺點。在圖1中顯示間接帶隙半導體材料矽之一示意性能帶圖。兩個可能之輻射及高效直接帶間複合以及能階躍遷係顯示為躍遷I及躍遷II。為啟動此兩個躍遷，電子必須存在於圖1中所示之穀B(在關於鍺的科學文獻中通常亦稱為T("Tau")穀)中。通常穀A(在關於鍺的科學文獻中通常亦稱為L穀)存在電子，此乃因其係可用之最低能量之點。然而，若可建立合適條件，則穀B亦可填充有載子。自圖1中可看出，電子需要一至少4eV之額外能量以跨越障壁來填充穀B。在突崩條件下，Si中電子之碰撞游離能量係約為1.8eV(通常將碰撞游離之臨限能量估計為帶隙能量的1.5倍，其中圖1中將Si之帶隙能量指示為1.2eV)。此意謂著一藉由大於1.8eV來激勵導電帶中之一電子，該電子就將與主體Si原子反應，且導致該原子之碰撞游離。因此該電子將在碰撞游離期間丟失其能量。一電子在突崩條件下得到足夠能量跨越4eV障壁而到達穀B之概率非常小，且因此將不會發生輻射直接躍遷I及II。
參照圖2中間接帶隙半導體材料Ge之示意性能帶圖，顯然自導電帶最低谷A跨越至局部最低谷B之障壁僅係1eV。由於Ge之較低帶隙能量(0.66eV)，因此用於碰撞游離之臨限能量亦將小於Si之臨限能量。對於Ge而言，用於碰撞游離之臨限能量通常係大約0.8eV至0.9eV。此意謂著在突崩條件下，少量電子可跨越能障自谷A到達穀B，但平均而言，電子之能量仍然太小而不能對發射光之量子效率產生一大的影響。然而，應注意與Si相比，Ge中之輻射躍遷產生一較高量子效率。
再次參照圖3且根據本發明，半導體發光裝置10包括一半導體結構12，其包括：一第一半導體材料(在此情況下係Ge)之一第一本體14，其包括一第一摻雜種類(在此情況下係n)之一第一區域；及一第二半導體材料(在此情況下係Si)之一第二本體18，其包括一第二摻雜種類(在此情況下係p)之一第一區域。一接面區域15包括一位於第一本體14與第二本體18之間的第一異質接面16及一位於結構12中分別為第一及第二摻雜種類之區域之間的pn接面17。一偏壓配置20連接至該結構供在使用中反向偏壓pn接面，藉此導致光之發射。
鍺本體可包括一鍺層，其位於一通常在一積體電路技術中使用之矽或SOI(絕緣體上之矽)基板上(例如，CMOS)。該接面可以(例如)磊晶或化學鍵合之任一合適生長及處理方式形成。
圖4顯示圖3中之裝置之一示意性能帶圖。反向偏壓接面17(由費米能階EF
之移位指示)。由於電子將自p型材料移動至空泛區域20，且在矽中電子之游離概率將大於電洞之概率，因此作為碰撞游離之一結果將在矽側上之空泛區域中產生大量過剩電子。此等電子將在電場影響下朝向接面16、17之n側14移位。當電子跨越冶金接面16自Si到達Ge時，大量此等電子將被啟動為一高於導電帶1eV之能階。(矽中之碰撞游離之臨限能量係大約1.8eV)。此意謂著隨著電子進入接面之Ge側，其具有高於障壁1eV之能量以阻止電子移動至穀B，如圖2中所示。此意謂著自Si側移位至接面之Ge側之大量電子將填充Ge側上之穀B。在Ge中，電洞之游離係數大於電子之游離係數，且期望移位至Ge側中之顯著數量之電子將不參與碰撞游離，但將可用於與電洞之直接複合，如圖2中躍遷I所示。同時，電洞將自n側移動至空泛區域20中。由於Ge中之電洞碰撞游離大於電子之碰撞游離，因此電洞將在接面之Ge側上倍增，產生大量可與自Si側移位且填充穀B之電子複合之電洞。亦期望在異質接面16之Ge側上形成一類似於一量子井之區域22，其中可將載子約束至pn接面區域中之某一體積或空間，以進一步促進高能載子之直接複合。
因此，期望藉助經反向偏壓之異質接面16，將高能電子自接面16之Si側18注入至Ge 14中。期望此等電子中之至少某些電子填充圖2中所示之局部穀B，且期望啟動直接輻射躍遷，增加光發射過程之量子效率。同時，在Ge本體14中毗鄰冶金接面16形成一勢井22(或量子井)，導致載子被約束於彼體積中，產生甚至更多輻射躍遷。
一半導體材料之第一本體14可包括Si1-x1
Gex1
且半導體材料之第二本體18可包括Si1-x2
Gex2
。在上文闡述之實施例中X2<X1。藉由使用Si1-x
Gex
合金，帶結構可因改變該合金組合物因數x而改變。一Si:Si1-x
Gex
異質接面可用於改變帶結構，以及碰撞游離之臨限能量值，以滿足發射波長、運作電壓等不同要求。
期望在特定條件下，一反向極性pn型異質接面(亦即，其中Si本體18係摻雜種類n而Ge本體14係摻雜種類p)亦可導致量子效率之改良。
Ge本體14及Si本體18中作為距離之一函數之電場強度可係可比值。由於載子之碰撞游離係數在Ge中比在Si中高，因此可期望突崩崩潰機制首先在接面16之Ge側上發生，但隨著反向電流之相關聯地增加，崩潰已在此之前在接面之Si側中發生。此可導致僅少量高能電子自接面之Si側移動至Ge側，產生較高之電子注入能階且減小如上文中所述之增加之量子效率之優點。
圖5中顯示裝置100之一其他實施例，該裝置包括一位於第一本體14與第二本體18之間的薄第二n型Si區域30。在此情況下，異質接面16係藉由第二Si區域30與第一pn接面17間隔開。在圖5中所示之pnn型Si:Ge異質接面中之電場分佈32中，已忽略了晶體應變、介面電荷、電容率差等等二階效應，而此等效應可導致在異質接面接面處電場分佈中之一不連續性(未示出)。
第二及中心n型Si區域30可係窄，導致某些空泛區域擴展至n型Ge中，從而在n型Ge內導致一較低電場強度。此組態可用於確保突崩崩潰將隨著高能電子自Si注入至Ge中而首先在接面之較高電場強度Si側中發生。
為達成輻射複合及能量躍遷，必須在相同體積中將移位至n型Ge中之大量高能電子與大量電洞混合在一起。端視Ge中之電場值，可自兩個源提供n型Ge中之電洞。若n型Ge中之電場足夠大，則突崩碰撞游離亦可在n型Ge中發生，從而在n型Ge中產生大量電洞以與自Si側移位之大量電子交相作用。此將增加光子產生之量子效率。另一選擇係，且如圖6中之實施例200中所示，若n型Ge中之電場不存在或太小而不能起始碰撞游離，則可自一附近經正向偏壓之第二pn接面34將大量電洞注入至n型Ge 14中，該第二pn接面34形成於n型Ge本體14與一p型Si本體36或P型Ge區域之間。
在圖7中，顯示表示為300之發光裝置之再一其他實施例。毗鄰p型Si之第二本體18提供n型Ge(14.1至14.n)及n型Si(30.1至30.n)之一系列交替薄層。使該等n型層之厚度非常薄(厚度大約為幾個nm)，可形成一量子井級聯。期望量子井具有約束於一小體積中之高濃度的電子及電洞二者，且此組態將增強電子及電洞之直接帶間複合，從而導致以增加之量子效率發射光子。
圖8中顯示裝置400之又一其他實施例，其中圖5中所示之裝置之外部n型Ge區域14由一p型Ge區域代替。在此情況下，異質接面16係藉由第二Si區域30與第一pn接面17間隔開。在圖8中所示之pnp Si:Ge異質接面中之電場分佈32中，已忽略了晶體應變、介面電荷、電容率差等等之二階效應，此可導致在異質接面處電場分佈中之一不連續性(未示出)。
第二及中心n型Si區域30可係窄，導致某些空泛區域擴展至p型Ge中，從而在p型Ge內導致一較低電場強度。此組態可用於確保突崩崩潰將隨著高能電子自Si注入至Ge中而首先在接面之較高電場強度Si側中發生。
若該裝置經適當尺寸確定且經偏壓，則此組態將允許Sipn接面所產生之高能量電子滲入p型Ge。由於此等電子具有高能量但被注入至p型Ge之一低電場區域中，因此其將主要填入Ge中之B谷，從而增強直接複合。將Ge摻雜為p型確保直接複合。將Ge摻雜為p型進一步確保一大密度之周圍電洞存在於Ge中，導致一增強之直接複合及光發射。由於形成一載子能量轉換以及一載子密度居量反轉二者，因此該裝置亦可激發雷射運作。
在某些條件下，直接帶間複合結合載子及光子約束技術可在該結構之經反向偏壓模式中產生雷射動作。
10．．．半導體發光裝置
12．．．半導體結構
14．．．第一本體
14.1．．．n型Ge
14.2．．．n型Ge
14.n．．．n型Ge
15．．．接面區域
16．．．異質接面/冶金接面
17．．．pn接面
18．．．第二本體
20．．．偏壓配置/空泛區域
22．．．區域/勢井
30．．．第二n型Si區域
30.1．．．n型Si
30.2．．．n型Si
30.n．．．n型Si
32．．．電場分佈
34．．．第二pn接面
36．．．p型Si本體
100．．．裝置
300．．．發光裝置
400．．．裝置
上文已參照附圖以實例方式進一步闡釋了本發明，其中：
圖1係間接帶隙半導體材料矽之一示意性且已知之能帶圖；
圖2係間接帶隙半導體材料鍺之一示意性且已知之能帶圖；
圖3係根據本發明之一發光裝置之一第一實施例之一示意性表示；
圖4係圖3中裝置之一示意性能帶圖；
圖5係發光裝置之一其他實施例之一示意性表示；
圖6係發光裝置之又一實施例之一示意性表示；及
圖7係發光裝置之再一實施例之一示意性表示；及
圖8發光裝置之又一其他實施例之一示意性表示。
10．．．半導體發光裝置
12．．．半導體結構
14．．．第一本體
15．．．接面區域
16．．．異質接面/冶金接面
17．．．pn接面
18．．．第二本體
20．．．偏壓配置/空泛區域
Claims (11)
- 一種發光裝置，其包括：- 半導體結構，其包括- 第一半導體材料之第一本體，其係具有第一帶隙的間接帶隙材料，且其包括第一摻雜種類之第一區域；- 第二半導體材料之第二本體，其具有第二帶隙且包括第二摻雜種類之第一區域；其中該第一帶隙小於該第二帶隙；- 接面區域，其包括形成於該第一本體與該第二本體之間的第一異質接面，及形成於該第一及第二摻雜種類之結構的個別鄰近區域之間的第一pn接面；該第一pn接面位於該第一異質接面之一側的第二本體中，且係藉由第二本體之第一摻雜種類的第二區域與該第一異質接面間隔開；- 偏壓配置，其連接至該結構且併有包含第一pn接面之第一載子注入機制，且經配置以反向偏壓該第一pn接面至崩潰模式並完全耗盡該第二本體之第二區域，以使第一極性之載子被注入至該第一本體中，以填充直接谷並於第一本體中造成載子之直接輻射複合，藉此導致光自第一本體發射；- 第二載子注入機制，其包含提供於第一異質接面之另一側的第二pn接面；及其中該偏壓配置亦經配置以正向偏壓該第二pn接面以將 相反極性載子注入該第一本體中。
- 如請求項1之發光裝置，其中該第二半導體材料係一間接帶隙半導體材料。
- 如請求項1之發光裝置，其中至少該第一半導體材料包括Si1-x Gex ，且其中0x1。
- 如請求項3之發光裝置，其中該第一半導體材料包括Si1-x1 Gex1 ，其中該第二半導體材料包括Si1-x2 Gex2 ，且其中x2<x1。
- 如請求項1之發光裝置，其中該第一摻雜種類係n且該第二摻雜種類係p。
- 如請求項1之發光裝置，其中該第一摻雜種類係p且該第二摻雜種類係n。
- 如請求項1之發光裝置，其中該崩潰模式係突崩崩潰；場發射崩潰；及突崩崩潰與場發射崩潰之組合中之一者。
- 如請求項1之發光裝置，其中該第二pn接面係形成於該第一本體之該第一區域與該第二摻雜種類之該第二半導體材料之其他本體或該第二摻雜種類之該第一本體之第二區域中之一者之間。
- 如請求項8之發光裝置，其包括位於該第二本體與該第一本體之間的該第一摻雜種類之該第二半導體材料及該第一摻雜種類之該第一半導體材料之一系列交替層。
- 一種發射光之方法，其包括以下步驟：提供半導體結構，其包含： - 第一半導體材料之第一本體，其係具有第一帶隙的間接帶隙材料，且其包括第一摻雜種類之第一區域；- 第二半導體材料之第二本體，其具有第二帶隙且包括第二摻雜種類之第一區域，該第一帶隙小於該第二帶隙；- 接面區域，其包括形成於該第一本體與該第二本體之間的第一異質接面，及形成於該第一及第二摻雜種類之結構的個別鄰近區域之間的第一pn接面；該第一pn接面位於該第一異質接面之一側的第二本體中，且係藉由第二本體之第一摻雜種類的第二區域與該第一異質接面間隔開；- 第二pn接面，其係被提供於第一異質接面之另一側；及- 偏壓配置，其連接至該結構以併有包含該第一pn接面之第一載子注入機制及包含該第二pn接面之第二載子注入機制；反向偏壓該第一pn接面至崩潰模式以完全耗盡該第二本體之第二區域，以使第一極性之載子被注入至該第一本體中，以填充直接谷並於第一本體中造成載子之直接輻射複合，藉此導致光自第一本體發射；及正向偏壓該第二pn接面以將相反極性載子注入該第一本體中。
- 如請求項10之方法，其中該崩潰模式係突崩崩潰、場發射崩潰及突崩崩潰與場發射崩潰之組合中之一者。
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