發光和雷射作用半導體裝置和方法
2023-06-12 22:54:51 2
發光和雷射作用半導體裝置和方法
【專利摘要】本申請涉及發光和雷射作用半導體裝置和方法。本發明揭示一種半導體發光裝置，其包含：異質結雙極型發光電晶體，其具有位於發射極區與集極區之間的基極區；發射極電極、基極電極和集極電極，其分別用於使電信號與所述發射極區、基極區和集極區耦合；以及位於所述基極區中的量子大小區；所述基極區包含位於所述量子大小區的發射極側上的第一基極子區，和位於所述量子大小區的集極側上的第二基極子區；且所述第一和第二基極子區具有不對稱帶結構。還揭示一種從兩端半導體結構產生光發射的方法。
【專利說明】發光和雷射作用半導體裝置和方法
[0001]分案申請的相關信息
[0002]本案是分案申請。該分案的母案是申請日為2010年I月7日、申請號為201080004170.7、發明名稱為「發光和雷射作用半導體裝置和方法」的發明專利申請案。
【技術領域】
[0003]本發明涉及用於響應於電信號而產生光發射和雷射發射的方法和裝置。本發明的一方面還涉及用於以改進的效率從半導體電晶體裝置產生光發射和雷射發射的方法。本發明的另一方面涉及用於從兩端半導體裝置產生光發射和雷射發射的方法和裝置。
【背景技術】
[0004]本發明【背景技術】的一部分在於寬帶隙半導體的開發以實現稱為異質結雙極型電晶體(HBT)的裝置中的較高少數載流子注射效率。這些電晶體裝置能夠以極高的速度操作。舉例來說，近年來，InP HBT已被證明展現500GHz以上速度的操作。
[0005]本發明的【背景技術】的另一部分在於作為發光電晶體和電晶體雷射器而操作的異質結雙極型電晶體的開發。可(例如)參考--第7，091，082號、第7，286，583號、第7，354，780 號和第 7，535，034 號美國專利；第 US2005/0040432 號、第 US2005/0054172 號、第US2008/0240173號和第US2009/0134939號美國專利申請公開案；以及第W0/2005/020287號和第W0/2006/093883號PCT國際專利公開案。還可參考以下公開案:發光電晶體:來自InGaP/GaAs異質結雙極型電晶體的光發射(Light-Emitting Transistor:LightEmission From InGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors), M ?馮(M.Feng)、N ?奧隆尼亞克(N.Holonyak, Jr)以及W ?哈菲茲(W.Hafez)，應用物理快報(Appl.Phys.Lett.),84, 151(2004);量子阱基極異質結雙極型發光電晶體(Qu`antum-Well-BaseHeterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor), M ?馮、N ?奧隆尼亞克以及R-陳(R.Chan)，應用物理快報，84，1952(2004) ;11型GaAsSb/InP異質結雙極型發光電晶體(Type-1I GaAsSb/InP Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor),M ?馮、N*奧隆尼亞克、B ?楚昆(B.Chu-Kung)、G ?沃特(G.Walter)以及R ?陳，應用物理快報，84，4792 (2004);異質結雙極型發光電晶體的雷射器操作(Laser OperationOf A Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor), G ?沃特、N ?奧隆尼亞克、M*馮以及R*陳，應用物理快報，85，4768(2004);電晶體雷射器的微波操作和調製(Microwave Operation And Modulation Of A Transistor Laser), R ?陳、M ?馮、N ?奧隆尼亞克以及G ?沃特，應用物理快報，86，131114(2005);異質結雙極型電晶體雷射器的室溫連續波操作(Room Temperature Continuous Wave Operation Of A HeterojunctionBipolar Transistor Laser), M ?馮、N ?奧隆尼亞克、G ?沃特以及R ?陳，應用物理快報，87，131103(2005);可見光譜發光電晶體(Visible Spectrum Light-EmittingTransistors), F ?狄克遜(F.Dixon)、R ?陳、G ?沃特、N ?奧隆尼亞克、M ?馮、X ? B ?張(X.B.Zhang)、J ? H ?亮(J.H.Ryou)以及 R ? D ?迪普斯(R.D.Dupuis),應用物理快報，88,012108(2006);電晶體雷射器(The Transistor Laser), Ν.奧隆尼亞克以及M.馮，波譜(Spectrum)，IEEE第43卷、第2期，2006年2月；多輸入電晶體雷射器近閾值中的信號混合(Signal Mixing In A Multiple Input Transistor Laser Near Threshold)，M.馮、N.奧隆尼亞克、R.陳、Α.詹姆斯(A.James)以及G.沃特，應用物理快報，88,063509(2006);以及電晶體雷射器的基極量子阱轉變上的增益的集極電流映射和模擬重組(Collector Current Map Of Gain And Stimulated Recombination On The BaseQuantum Well Transitions Of A Transistor Laser)，R.陳、N.奧隆尼亞克、A.詹姆斯以及G.沃特，應用物理快報，88，14508(2006);異質結雙極型電晶體雷射器中的集極崩潰(Collector Breakdown In The Heterojunction Bipolar Transistor Laser)，G.沃特、A.詹姆斯、N.奧隆尼亞克、M.馮以及R.陳，應用物理快報，88，232105 (2006)；用電晶體雷射器來進行高速(/spl ges/lGHz)電和光學相加、混合以及處理方波信號(High-Speed (/spl ges/lGHz)Electrical And Optical Adding, Mixing, And ProcessingOf Square-Wave Signals With A Transistor Laser)，M.馮、N.奧隆尼亞克、R.陳、A ?詹姆斯以及G ?沃特，光子學技術快報(Photonics Technology Letters)，IEEE第18卷，第11期(2006);分級基極InGaN/GaN異質結雙極型發光電晶體(Graded-Base InGaN/GaNHeterojunction Bipolar Light-Emitting Transistors)，B *F.楚昆等人，應用物理快報，89，082108(2006);量子阱AlGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs電晶體雷射器的載流子壽命和調製帶寬(Carrier Lifetime And Modulation Bandwidth Of A Quantum Well AIGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs Transistor Laser)，M ?馮、N ?奧隆尼亞克、A ?詹姆斯、K ?西米諾(K.Cimino)、G.沃特以及R.陳，應用物理快報，89，113504(2006);電晶體雷射器中的線性調頻脈衝、線寬增強的夫蘭茲_凱耳什降低(Chirp In A Transistor Laser, Franz-KeldyshReduction of The Linewidth Enhancement)，G.沃特、A.詹姆斯、N.奧隆尼亞克以及M.馮，應用物理快報，90，091109(2007);量子阱電晶體雷射器中的光子輔助的崩潰、負電阻以及切換(Photon-Assisted Breakdown, Negative Resistance, And Switching In AQuantum-Well Transistor Laser)，A.詹姆斯、G.沃特、M.馮以及N.奧隆尼亞克，應用物理快報，90，152109(2007);電晶體雷射器的夫蘭茲-凱耳什光子輔助的電壓操作的切換(Franz-Keldysh Photon-Assisted Voltage-Operated Switching of a TransistorLaser)，A.詹姆斯、N.奧隆尼亞克、M.馮以及G.沃特，光子學技術快報，IEEE第19卷，第9期(2007);具有不同基極量子阱設計和摻雜的量子阱n-p-n異質結雙極型發光電晶體的操作中對有效少數載流子壽命的實驗確定(Experimental Determination Of TheEffective Minority Carrier Lifetime In The Operation Of A Quantum-Well n-p-nHeterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor Of Varying Base Quantum-WellDesign And Doping)，H *W.然(H.W.Then)、M ?馮、N ?奧隆尼亞克以及 C.Η.吳(C.H.Wu)，應用物理快報，91，033505(2007);電晶體雷射器操作的電荷控制分析(Charge ControlAnalysis Of Transistor Laser Operation)，M.馮、N.奧隆尼亞克、H.W.然以及 G.沃特，應用物理快報，91，053501 (2007);通過電晶體雷射器的首次激勵狀態的操作和調製來增強光學帶寬(Optical Bandwidth Enhancement By Operation And Modulation OfThe First Excited State Of A Transistor Laser)，H.W.然、M.馮以及 N.奧隆尼亞克，應用物理快報，91，183505(2007);高電流增益(β>49)發光InGaN/GaN異質結雙極型電晶體的調製(Modulation Of High Current Gain ( P >49) Light-Emitting InGaN/GaNHetero junction Bipolar Transistors), B ? F ?楚昆、C*H?吳、G* 沃特、M ?馮、N ?奧隆尼亞克、T*張(T.Chung)、J ? H?亮以及R* D ?迪普斯，應用物理快報，91，232114 (2007)；量子講電晶體雷射器的集極特性和差分光學增益(Collector Characteristics And TheDifferential Optical Gain Of A Quantum-Well Transistor Laser), H ? W ?然、G ?沃特、M ?馮以及N ?奧隆尼亞克，應用物理快報，91，243508 (2007);具有1544nm下的發射波長的電晶體雷射器(Transistor Laser With Emission Wavelength atl544nm), F ?狄克遜、M ?馮、N ?奧隆尼亞克、黃勇(Yong Huang)、X ? B ?張、J ? H ?亮以及R ? D ?迪普斯，應用物理快報，93，021111 (2008);以及利用輔助基極信號的異質結雙極型電晶體雷射器操作的光學帶寬增強(Optical Bandwidth Enhancement Of Heterojunction Bipolar TransistorLaser Operation With An Auxiliary Base Signal), H ? W ?然、G ?沃特、M ?馮以及 N ?奧隆尼亞克，應用物理快報，93，163504(2008)。
[0006]快速電晶體的基礎在於其能夠增強穿過基極中的較大內建多數載流子的電子空穴對重組、快速輸送少數載流子穿過基極，以及收集基極區之外未經重組的少數載流子的收集機制(電集極)；所有這些均支持基極區中的電荷儲存電容的快速充電和放電。
[0007]如上文參考的專利和公開案中所述，異質結雙極型發光電晶體(HBLET)的光學操作取決於基極區中的輻射重組分量，其通常主要出現在基極中的嵌入式量子大小區(例如未經摻雜的量子阱(QW))中。同時，主要出現在基極的高度摻雜區中的非輻射重組電流分量與基極中的輻射重組分量(Irad)的總和等於所供應的基極電流(Ib=I_-rad+Irad)。
[0008]基極區中的QW的添加允許併入高效輻射重組中心。從一維觀點來看,載流子在QW中被捕捉且輻射重組，或從基極掃掠到電集極中。然而，實際上，捕捉到的載流子並不立即重組，從而導致潛在的電荷堆積在量子阱中。累積在量子阱區中的載流子將通過高效橫向擴散來再分配，從而向旁邊且遠離裝置的光學腔而傳播載流子和重組事件。捕捉到的載流子還可在其橫向行進的同時再熱化回到基極區中。
[0009]本發明的一方面的目標之一是克服現有技術發光電晶體(LET)和電晶體雷射器(TL)的限制，例如上文剛剛描述類型的限制。
[0010]本發明的【背景技術】的另一部分涉及對用於某些應用的兩端光發射器中的改進的需要。
[0011]由於對高解析度數字視頻數據的傳送和存儲的需求不斷增加，因此高速通信鏈路正開始以曾經幾乎僅在商業市場中專門要求的鏈路速度，經由例如HDMI1.3和1.4、USB3.0、Displayport (顯示埠)2.0以及PCI2.0等標準而遍布消費者電子市場。然而，不斷變高的數據速度(對於新的HDMI1.4標準，現在接近約6.SGbps/信道)增加了經由銅線的傳統傳輸媒體上的設計、技術和製造複雜性。結果是消費者產品越來越龐大、不美觀且不靈活。
[0012]基於光纖的通信鏈路長久以來已開始代替銅媒體鏈路，但主要是在大於30米的非消費者市場距離處。在小於5米的距離(大部分消費者市場處於其中)處，基於VCSEL(垂直腔表面發射 雷射器)的光學解決方案從價格且甚至功耗來看是無法完成的。
[0013]對電晶體基極輸送機制的研究導致出現一類新的高速OlGHz)傾斜電荷自發光發射器，作為量子阱發光電晶體(QW-LET)和電晶體雷射器(TL)，其有希望比傳統的二極體雷射器裝置(例如，見上文所列的專利文獻和公開案)製造或操作起來較便宜。遺憾的是，廣泛可用的低成本高速驅動器IC和偏置電路以及光製造設施是基於例如LED和雷射二極體等兩端裝置來建置的。因此，從兩端裝置到三端裝置的轉變要求支持產業(例如，IC設計者，以及製造設施)也轉變，這於是延遲並增加了實施QW-LET和TL的成本。
[0014]本發明的目標之一是設計一種兩端半導體光發射器或雷射器，其具有優於現有半導體光發射器和雷射器的優點，包含設計簡單、製造方便且高效的高速光產生的能力，且還具有三端發光電晶體或電晶體雷射器的某些屬性，還與偏愛或要求兩端操作的應用兼容。
【發明內容】
[0015]如上文所指示，捕捉到的載流子不會立即重組，從而導致潛在電荷堆積在(例如，LET或TL的)量子阱中，且累積的載流子通過橫向擴散而再分配，從而向旁邊且遠離裝置的光學腔而傳播載流子和重組事件。捕捉到的載流子還可在其橫向行進的同時再熱化回到基極區中。
[0016] 申請人:相信:導致所描述裝置中的飽和行為和量子效率降低的主要因素之一是載流子返回向發射極側的再熱化(反向擴散)。因此，根據本發明的一個方面，使用不對稱基極設計來最小化因載流子的反向擴散而導致的非輻射重組分量。
[0017]根據本發明的第一方面的一種形式，陳述一種用於改進發光電晶體的操作的方法，其包含以下步驟:提供發光電晶體，其包含發射極半導體區、基極半導體區和集極半導體區，和位於基極區內的量子大小區，基極區包括位於所述量子大小區的發射極側上的第一基極子區和位於所述量子大小區的集極側上的第二基極子區；和向所述第一和第二基極子區提供不對稱帶結構。在本發明的此形式的實施例中，向第一和第二基極子區提供不對稱帶結構的步驟包括向第一基極子區提供比第二基極子區的半導體材料高的帶隙的半導體材料。在此實施例的一種形式中，向第一基極子區提供比第二基極子區的半導體材料高的帶隙的半導體材料的步驟包含向第一基極子區提供分級帶隙半導體材料。分級帶隙半導體材料經分級而在所述發射極的方向上具有逐漸增加的帶隙。在此實施例的另一形式中，向第一基極子區提供比第二基極子區的半導體材料高的帶隙的半導體材料的步驟包含向第一基極子區提供階梯狀帶隙半導體材料。在此實施例的又一形式中，向第一基極子區提供比第二基極子區的半導體材料高的帶隙的半導體材料的步驟包含向第一基極子區提供分級且階梯狀帶隙半導體材料。
[0018]根據本發明的第一方面的另一形式，提供一種半導體發光裝置，其包括:異質結雙極型發光電晶體，其具有位於發射極區與集極區之間的基極區；發射極電極、基極電極和集極電極，分別用於使電信號與發射極區、基極區和集極區耦合；以及位於基極區中的量子大小區；所述基極區包含位於量子大小區的發射極側上的第一基極子區，和位於量子大小區的集極側上的第二基極子區；且第一和第二基極子區具有不對稱帶結構。共振光學腔可封圍基極區的至少一部分，藉此裝置可包括電晶體雷射器。在本發明的此形式的實施例中，基極區內的量子大小區包括基極區內的至少一個量子阱。在本發明的此形式的另一實施例中，基極區內的量子大小區包括基極區內的至少一個量子點層。
[0019]接下來，處理本發明的第二方面。
[0020]電晶體是具有兩個半導體結——基極-發射極(BE)結和集極-基極(CB)結的裝置。為了作為電晶體操作，BE結需要處於低阻抗(正向偏置(見圖17a)，通常Vbe>1.2V)，而集極-基極結需要處於高阻抗((見圖1713)，通常0.8>￥^>-5￥)。在共用集極配置下，集極通常接地(OV)且Ve和Vb經選擇以便維持電晶體偏置(VBE>1.2V，且0.8>Vcb>-5V)，如圖18所示。
[0021]然而， 申請人:已注意到，存在一種特殊狀況，其中VB=Ve=0(因此，Vra=OV,見圖19a)，且因此對於典型高速HBT (例如InGaP/GaAs HBT)中的高阻抗操作還滿足0.8>VCB>-5V的電晶體要求。此狀況還意味著，基極端子和集極端子可電連接(在裝置上通過製造或在外部)，同時仍維持電晶體操作(見圖1%)。
[0022]電晶體雷射器是三端且兩埠的電裝置，其中第一電輸入具有低阻抗，且電流(稱為集極電流)是從高阻抗第二電輸出汲取的。所述裝置還具有光學輸出埠。【可參考本發明的【背景技術】部分中提到的專利文檔和公開案文檔。】在常規電晶體中，此從低到高的電阻抗(或電阻)傳遞是其名稱的來源，即，「傳遞電阻器」裝置或「電晶體」。可測量的集極電流對於電晶體的操作來說至關重要。然而，支持電晶體雷射器(例如在NPN電晶體雷射器中)的快速操作的主要因素是有助於消除未在電晶體的高度摻雜基極區中重組的注入電子的機制，這是通過使用高阻抗集極設計實現的。
[0023]然而，具有兩個電埠可能使製造變得複雜，從而影響產量和成本兩者。此外，對於某些應用，有必要或需要僅具有一個電輸入埠和一光學輸出。
[0024]根據本發明的第二方面，通過用漏極來替換集極結，仍可在兩端裝置(即，單個電輸入埠的裝置)中維持發光電晶體或電晶體雷射器的固有快速操作。漏極用於允許多餘電子從裝置N-P的(發射極-基極)結退 出的相同用途。然而，因為使電子朝共用觸點處的非輻射重組排出，所以其消除了此多餘電流的功能性(因為多餘電流不再被收集而是被消除)。需要漏極在高阻抗模式下操作，這可通過具有與基極的P端子共用的偏置而實現。
[0025]根據本發明的第二方面的一種形式，陳述一種從半導體結構產生光發射的方法，其包含以下步驟:提供半導體結構，所述半導體結構包含位於第一導電類型的發射極區與同所述第一導電類型相反的第二導電類型的基極區之間的第一半導體結，和位於所述基極區與漏極區之間的第二半導體結；在所述基極區內提供展現量子大小效應的區；提供與所述發射極區耦合的發射極電極；提供與所述基極區和所述漏極區耦合的基極/漏極電極；以及相對於所述發射極電極和基極/漏極電極施加信號以從所述半導體結構獲得光發射。
[0026]在本發明的第二方面的此形式的優選實施例中，所述在基極區與漏極區之間提供第二半導體結的步驟包含將漏極區提供為鄰近於基極區的漏極層和鄰近於漏極層的子漏極層，且其中所述提供與基極區和漏極區耦合的基極/漏極電極的步驟包括提供與基極區和子漏極層耦合的基極/漏極電極。在此實施例中，所述提供半導體結構的步驟包括提供平面半導體層，且所述提供基極/漏極電極的步驟包括提供接觸基極區的周邊且接觸子漏極層的傳導基極/漏極觸點。此外，在此實施例中，所述在第一導電類型的發射極區與第二導電類型的基極區之間提供第一半導體結的步驟包括提供第一半導體結作為異質結。第二半導體結可提供為同質結或異質結。
[0027]根據本發明的第二方面的另一形式，陳述一種用於產生光發射的半導體裝置，其包括:半導體結構，所述半導體結構包含位於第一導電類型的發射極區與同所述第一導電類型相反的第二導電類型的基極區之間的第一半導體結，和位於基極區與漏極區之間的第二半導體結；位於基極區內的量子大小區；與發射極區耦合的發射極電極；以及與基極區和漏極區耦合的基極/漏極電極；其中相對於所述發射極電極和基極/漏極電極施加的信號從半導體裝置的基極產生光發射。
[0028]本發明的第二方面的兩端裝置保留LET和TL的快速電晶體基極輸送機制，同時允許裝置與現有二極體電路和製造設施兼容。作為兩端裝置，其製造和封裝起來還將往往比三端裝置便宜。舉例來說，其需要更少的光刻步驟、更少的接合墊和更少的製造時間，且將提供更高的產量。
[0029]通過結合附圖進行的以下詳細描述，將更容易明白本發明的其它特徵和優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是展示從量子阱異質結雙極型發光電晶體輸出的測得光子隨基極電流而變的曲線圖。
[0031]圖2是基極區中的典型量子阱的能帶圖，其對理解熱化電流現象有用。
[0032]圖3是本發明的第一方面的類型I布置的能帶圖，其中量子阱的發射極側上的第一基極子區的材料具有比量子阱的集極側上的第二基極子區的材料大的帶隙。
[0033]圖4是本發明的第一方面的類型2布置的能帶圖，其具有第一基極子區的分級較寬帶隙結構。
[0034]圖5是本發明的第一方面的類型3布置的能帶圖，其中第一基極子區具有階梯狀帶隙。
[0035]圖6是本發明的第一方面的類型4布置的能帶圖，其中第一基極子區具有分級且接著階梯狀帶隙。
[0036]圖7是根據本發明的第一方面的實施例的裝置的能帶圖，所述裝置在此實例中為npn發光電晶體或電晶體雷射器，其包含具有量子阱的基極區以及位於量子阱的相對側的不對稱帶結構。
[0037]圖8是具有深QW設計和同質慘雜基極區的常規QW異質結雙極型發光電晶體(Qff-HBLET)的橫截面圖。(圖式未按比例繪製)。
[0038]圖9是根據本發明的第一方面的實施例的QW-HBLET結構的橫截面圖，所述結構具有不對稱基極設計，以便消除或減少載流子朝發射極的再熱化。
[0039]圖10是根據本發明的第一方面的另一實施例的QW-HBLET結構的橫截面圖，所述結構具有不對稱基極設計，以減少載流子朝發射極側的再熱化，以及一個或一個以上淺量子阱[QW]的使用，以便限制所捕捉載流子的橫向擴散。
[0040]圖11是根據本發明的第一方面的實施例的具有不對稱基極的QW-HBLET的基礎層結構的圖。
[0041]圖12展示具有根據本發明的第一方面的實施例的QW-HBLET的層結構的更詳細實例的表，且所述實例使用經分級以具有在發射極的方向上逐漸增加的帶隙的第一基極子區。
[0042]圖13是展示根據本發明的第一方面的原理且具備共振腔(RC)並被稱為QW-RCLET的具有不對稱基極設計的QW-HBLET的層結構的實例的表。
[0043]圖14是展示根據本發明的第一方面的原理的具有不對稱基極設計的量子阱垂直腔電晶體雷射器(QW-VCTL)的層結構的實例的表。
[0044]圖15是展示根據本發明的第一方面的原理的具有邊緣發射設計(其可使用反射性邊緣小面)且具有不對稱基極設計的量子阱異質結雙極型電晶體雷射器(QW-HBTL)的層結構的實例的表。
[0045]圖16是如圖11中的但經修改以使用隧道結集極的QW-HBLET的基礎層結構的局部分離圖。
[0046]圖17a展示簡化的電晶體I對Vbe曲線圖。
[0047]圖17b展示簡化的電晶體I對Vra曲線圖。
[0048]圖18展示常見集極配置中的電晶體的實例。
[0049]圖19a展示仍維持電晶體操作的特殊偏置條件下的常見集極配置中的電晶體。
[0050]圖19b展示基極和集極端子電連接且同時維持電晶體操作的電晶體配置。
[0051]圖20展示根據本發明的第二方面的實施例且可用於實踐本發明的方法的實施例的雙結髮光二極體的橫截面圖。
[0052]圖21在左側的(a)中展示雙結二極體的等效DC電路，且在右側的(b)中展示Ie對V特性。第二結用以通過允 許基極層主要傳導空穴來減小電路的總電阻，且電子由N型漏極傳導。
[0053]圖22在左側的(a)中展示如現有技術中的單結二極體的等效電路，且在右側的
(b)中展示、對￥特性。基極層負責空穴和少數電子兩者的流動。
[0054]圖23展示針對本發明的第二方面的實施例的光學輸出(光學檢測器電壓)隨時間而變的示波器顯示。所述顯示展示15攝氏度下70mA的發射極電流下的5Gbps眼圖。時間標度為50微微秒每分度。
[0055]圖24展示針對本發明的第二方面的實施例的光學輸出隨時間而變的另一示波器顯示。所述顯示展示IOOmA的發射極電流下的10.3125Gbps眼圖。時間標度為20微微秒每分度。
[0056]圖25展示本發明的第二方面的另一實施例的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0057] 申請人:已觀察到輻射重組分量並不隨著基極電流而線性地增加。圖1展示從在指示非輻射重組分量的增加的較高基極電流下展現飽和行為(偏離線性曲線)的QW-HBLET輸出的測得光子。另外， 申請人:還已觀察到，輻射重組分量也隨溫度較強變化。這些觀察結果進一步暗示，非輻射重組活動且因此大量基極重組也隨電流密度和溫度兩者而增加。
[0058]參看圖2，其展示基極區中的典型量子阱的能帶圖，熱化電流(Ithmial)主要取決於兩個變量:光子能量(與溫度T成比例)和將載流子限於其中的勢壘高度(V)，如從以下關係看出:
【權利要求】
1.一種用於從半導體結構產生光發射的方法，其包括以下步驟: 提供半導體結構，所述半導體結構包含位於第一導電類型的發射極區與同所述第一導電類型相反的第二導電類型的基極區之間的第一半導體結，和位於所述基極區與漏極區之間的第二半導體結； 在所述基極區內提供展現量子大小效應的區； 提供與所述發射極區耦合的發射極電極； 提供與所述基極區和所述漏極區耦合的基極/漏極電極；以及 相對於所述發射極電極和基極/漏極電極施加信號以從所述半導體結構獲得光發射。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述在所述基極區與所述漏極區之間提供所述第二半導體結的步驟包含將所述漏極區提供為鄰近於所述基極區的漏極層和鄰近於所述漏極層的子漏極層，且其中所述提供與所述基極區和所述漏極區耦合的基極/漏極電極的步驟包括提供與所述基極區和所述子漏極層耦合的基極/漏極電極。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述提供半導體結構的步驟包括提供平面半導體層，且其中所述提供基極/漏極電極的步驟包括提供接觸所述基極區的周邊且接觸所述子漏極層的傳導基極/漏極觸點。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述在所述第一導電類型的所述發射極區與第二導電類型的所述基極 區之間提供第一半導體結的步驟包括將所述第一半導體結提供為異質結。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述在所述基極區與漏極區之間提供所述第二半導體結的步驟包括將所述第二半導體結提供為同質結。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述在所述基極區與漏極區之間提供所述第二半導體結的步驟包括將所述第二半導體結提供為異質結。
7.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述第一導電類型為n型，且所述第二半導體類型為P型。
8.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述第一導電類型為p型，且所述第二半導體類型為n型。
9.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述在所述第一導電類型的所述發射極區與所述第二導電類型的基極區之間提供第一半導體結的步驟包含提供重度摻雜的P型的所述基極區。
10.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述在所述基極區內提供展現量子大小效應的區的步驟包括在所述基極區中提供至少一個量子阱。
11.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述在所述基極區內提供展現量子大小效應的區的步驟包括在所述基極區中提供至少一個量子點層。
12.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其進一步包括提供封圍所述基極區的至少一部分的光學腔。
13.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其進一步包括提供封圍所述基極區的至少一部分的光學共振腔，且其中所述光發射是雷射發射。
14.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述提供與所述發射極區耦合的發射極電極的步驟包含提供經由發射極覆層與所述發射極區耦合的發射極觸點。
15.根據權利要求7所述的方法，其中所述相對於所述發射極電極和基極/漏極電極施加信號以從所述半導體結構獲得光發射的步驟包含相對於所述發射極電極向所述基極/漏極電極施加正偏壓，且還包含相對於所述電極施加AC信號。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述相對於所述發射極電極和基極/漏極電極施加信號以從所述半導體結構獲得光發射的步驟包含相對於所述發射極電極向所述基極/漏極電極施加正偏壓，且還包含相對於所述電極施加具有大於IGHz的頻率的AC信號。
17.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述提供所述漏極層的步驟包括提供經無意摻雜的漏極層。
18.根據權利要求1到6中任一權利要求所述的方法，其中所述基極區包含位於所述量子大小區的發射極側上的第一基極子區，和位於所述量子大小區的漏極側上的第二基極子區，且其中所述第一和第二基極子區具有不對稱的帶結構。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述第一基極子區包括相對較高的帶隙的半導體材料，且所述第二基極子區包括相對較低的帶隙的半導體材料；藉此減少從所述量子大小區朝所述發射極區的載流子再熱化。
20.根據權利要求7所述的方法，其進一步包括將所述漏極區提供為隧道結，所述隧道結包括η+層和ρ+層，其中所述ρ+層鄰近於所述基極區。
21.一種用於產生光發射的半導體裝置，其包括: 半導體結構，所述半導體結構包含位於第一導電類型的發射極區與同所述第一導電類型相反的第二導電類型的基極區之間的第一半導體結，和位於所述基極區與漏極區之間的第二半導體結； 位於所述基極區內的量子大小區；` 與所述發射極區耦合的發射極電極；以及 與所述基極區和所述漏極區耦合的基極/漏極電極； 藉此相對於所述發射極電極和基極/漏極電極施加的信號從所述半導體裝置的所述基極產生光發射。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中所述漏極區包含鄰近於所述基極區的漏極層和鄰近於所述漏極層的子漏極層，且其中所述基極/漏極電極與所述基極區和所述子漏極層耦合。
23.根據權利要求22所述的裝置，其中所述半導體結構包括平面半導體層，且其中所述基極/漏極電極包括接觸所述基極區的周邊且接觸所述子漏極層的傳導基極/漏極觸點。
24.根據權利要求21到23中任一權利要求所述的裝置，其中第一半導體結包括異質結。
25.根據權利要求24所述的裝置，其中所述第二半導體結包括同質結。
26.根據權利要求24所述的裝置，其中所述第二半導體結包括異質結。
27.根據權利要求21到23中任一權利要求所述的裝置，其進一步包括封圍所述基極區的至少一部分的光學共振腔，且其中所述裝置是半導體雷射器。
【文檔編號】H01S5/00GK103701031SQ201310531174
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2010年1月7日 優先權日:2009年1月8日
【發明者】加布裡埃爾·沃爾特, 尼克·霍倫亞克, 米爾頓·馮 申請人:伊利諾斯大學理事會, 量子電鍍光學系統有限公司