利用穿通效應的矽發光器件的製作方法

2023-05-14 08:59:11

專利名稱：利用穿通效應的矽發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子器件，並且更具體地涉及由間接帶隙半導體材料製造的發光器件，涉及操作發光器件的方法，並且涉及在間接帶隙半導體材料中製造發光器件的方法。
背景技術：
移動的熱載流子之間的相互作用(例如，電子和空穴的複合)和反向偏置pn結中的晶格聲子會在單晶間接帶隙半導體(例如，矽)中產生雪崩電致發光。如參考下面附圖中的圖1所示，在矽器件中的常規反向偏置n+p結中，載流子僅在耗盡區中的短距離上經歷碰撞電離。遠離結的P側一端的低電場意味著熱或高能載流子僅僅存在於耗盡區的n+側，並且在其相反側離開耗盡區的空穴是低能載流子。如果載流子複合率與空穴P和電子η的濃度的乘積ρ女η成正比，則載流子複合將僅僅發生在耗盡區的一個短區域中。這些特徵和參數導致了不令人滿意的內量子效率。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種替代的發光器件、一種操作發光器件的方法以及一種製造發光器件的方法，申請人相信利用該發光器件和方法可以至少減輕上述的缺
點ο根據本發明，提供了一種發光器件，包括-間接帶隙半導體材料的主體；-在該主體中的第一摻雜類型的第一區域和該主體的第一濃度的第二摻雜類型的第二區域之間形成的結區域；-該主體包括第二濃度的第二摻雜類型的第三區域，第三區域和結區域被第二區域間隔開；-其中第二濃度高於第一濃度；和-連接到主體的端子布置，用於在使用時將第一結區域反向偏置為擊穿模式，從而引起發光。擊穿模式可以是場發射擊穿，可替換地可以是雪崩擊穿，可替換地可以是場發射擊穿和雪崩擊穿的組合。第三區域可以位於第二區域的相對於第一區域的另一側，第二區域可被夾在第一區域和第二區域之間。該器件可被配置為在結區域進入擊穿前，與結區域相關聯的耗盡區到達主體的第三區域。端子布置可以包括連接到主體的第一區域的第一接觸件，和連接到主體的第三區域的第二接觸件。在本發明的一個實施例中，在第二區域上不提供接觸件，從而該器件本質上是兩端子器件。本發明的範圍還包括一種操作發光器件的方法，該方法包括步驟
-使用間接帶隙半導體材料的主體，在該主體中的第一摻雜類型的第一區域和該主體的第一濃度的第二摻雜類型的第二區域之間形成有結區域，該主體包括第二濃度的第二摻雜類型的第三區域，第三區域和結區域被第二區域間隔開，並且其中第二濃度高於第一濃度；和-將第一結區域反向偏置為擊穿模式；和-在結區域進入擊穿模式前，使得與結區域相關聯的耗盡區到達主體的第三區域。本發明的範圍還包括一種製造發光器件的方法，該方法包括步驟-使用間接帶隙半導體材料的主體；-在主體中的第一摻雜類型的第一區域和該主體的第一濃度的第二摻雜類型的第二區域之間形成結區域；-形成主體的第二濃度的第二摻雜類型的第三區域，第三區域和結區域被第二區域間隔開；和-使第二濃度高於第一濃度。該方法可以包括使第二區域的至少一部分成形以符合所需要的發光形狀的另一步驟。


現在參考附圖僅以示例方式進一步描述本發明，其中圖1 (a)到1 (d)是示出了常規雪崩n+p矽結的各種特徵和參數的圖；圖2是根據本發明的發光器件的圖示；圖3(a)到3(d)是對於根據本發明的器件，與圖1 (a)到1 (d)相對應的圖；圖4是根據本發明的發光器件的另一個實施例的圖示。
具體實施例方式在圖2中，附圖標記10 —般表示由間接帶隙半導體材料(諸如Si、Ge和Si-Ge) 製造的多端子發光器件。器件10包括間接帶隙半導體材料的主體(body) 12，在該例子中，該間接帶隙半導體材料為Si。該主體包括在該主體的第一摻雜類型的第一區域12. 1和該主體的第一摻雜濃度的第二摻雜類型的第二區域12. 2之間的第一結區域14。在第二區域12. 2的相對於第一區域12. 1的另一側或相對側提供主體的第二摻雜濃度的第二摻雜類型的第三區域 12. 3，以便通過第二區域12. 2與結區域14間隔開。第二摻雜濃度高於第一摻雜濃度。第一摻雜類型可以是n，第二摻雜類型可以是ρ。在其它實施例中，可以使用相反的摻雜類型。 端子布置18被連接到主體，以便在使用時將結區域14反向偏置為擊穿模式以便發光，所述擊穿模式是雪崩或場發射或它們的組合。現在參考圖1(a)到1(d)中示出的常規或現有技術的n+p結矽器件110，其中分別示出了在雪崩工作點處的常規電場、電子雪崩電離係數、載流子濃度和載流子pn乘積曲線。圖中還示出了典型值。給出的量綱針對典型的n+p結矽器件110，其具有摻雜濃度或密度為IO"5受主原子/cm3的低摻雜ρ區域112. 2，和摻雜密度為102°施主原子/cm3的高摻雜 n+區域112. 1。耗盡區116的寬度在擊穿時大約為400nm。載流子濃度是近似103A/cm2電流密度所需的值。該器件的擊穿電壓在12V的級別。圖1(a)示出了在擊穿時結耗盡區116中的電場曲線。圖1 (b)示出了耗盡區116 中的電子的電離係數。從這兩個圖可見，載流子僅在耗盡區116內的短距離上經歷碰撞電離。遠離結114的低電場還意味著高能熱載流子僅僅存在於耗盡區的η+側附近，並且在ρ 側附近離開耗盡區116的空穴是低能載流子。圖1(c)示出了耗盡區116中的載流子濃度曲線，並且圖1(d)示出了 ρ * η載流子乘積。如果載流子複合率與耗盡區116中的空穴ρ和電子η濃度的乘積ρη成正比，則載流子複合將僅僅發生在耗盡區的短區域中。我們認為，利用圖2所示的根據本發明的器件10，尤其是通過利用穿通效應 (reach through effect)，可以改進光子產生的內量子效率。如果相同體積中能夠發生更多的載流子與載流子或載流子與光子的相互作用，則增強了內量子效率(每個電子產生的光子數)。如果器件能夠以較低的工作電壓工作，還可以實現改進的功率效率(光學功率輸出相對於電功率輸入)。現在再次參考根據本發明的器件10，如圖3(a)到3 (d)所示，緊鄰反向偏置的n+p 結14放置與輕摻雜區域12. 2具有相同極性的高摻雜區域12. 3。因此，形成n+pp+摻雜輪廓的結。當結14被反向偏置時，耗盡區16主要伸入輕摻雜ρ區12.2。如果在發生擊穿之前耗盡區到達P+區12. 3，結將處於穿通工作區。進一步增大反向電壓將使得耗盡區伸入ρ+區 12. 3，從而引起擊穿而沒有穿通電壓的太多進一步增加。圖3(a)示出了穿通n+pp+器件，其在ρ區域12. 2的受主摻雜為Na = IO1Vcm3,並且η.區12. 1和ρ+區12. 3之間的間隔等於 400nm。這樣做以便對具有400nm耗盡區的穿通器件10和具有相同耗盡區寬度並且在前面提及的常規n+p器件110進行比較。在穿通狀態下，電場20 (見圖3(a))相對高，並且在整個耗盡區16上幾乎恆定。這意味著電離係數在整個耗盡區16上也相對恆定，如圖3(b)所示。可以根據電場曲線確定擊穿電壓，其也近似為12V。這種穿通器件10確保穿越耗盡區16的載流子在整個耗盡區中直到它們離開耗盡區時都保持「熱」(高能載流子)。另外，預期會在基本上整個耗盡區16中發生雪崩碰撞電離事件。這種類型的穿通器件10的另一個優點是由於耗盡區16各處都是高電場20，載流子以載流子飽和速度穿過整個耗盡區16。這預期使得穿通器件的載流子傳送時間比常規二極體的少，並且因此增加光產生過程的開關速度。圖3(c)中示出了 n+pp+穿通器件10的載流子濃度曲線。耗盡區16中的電子濃度高於常規器件中的電子濃度，並且由於電子與空穴相比具有更高的電離係數，可以發生更多的碰撞電離事件。圖3(d)示出了載流子濃度乘積η女P。可以看到，對於耗盡區16中的大部分區域，當與常規器件110相比時，載流子濃度乘積ρ * η高得多。如果在耗盡區的整個長度上對P * η乘積積分，與常規n+p器件相比會獲得高得多的積分後的ρ女η乘積。因此，可以預期，在相同電流密度和擊穿電壓下，與常規器件相比，穿通器件10具有更高的輻射載流子複合率。穿通器件10可以具有更快的開關速度，並且可以通過改變η+和P+區之間的距離，提供將擊穿電壓調節到更低或更高值的能力。減小η.到ρ+的距離將減小擊穿電壓。
如圖4所示，通過為第二區域12. 2的至少一部分並因此為耗盡區16提供適合的幾何形狀，光產生區域30的形狀可被設計為所希望的幾何形狀。在常規器件的情況下，擊穿是主要受周界(perimeter)影響的過程，並且將發生在電場最高的位置，例如，周界上存在尖角的位置。用常規二極體不可能塑造光產生區域的幾何形狀。
權利要求
1.一種發光器件，包括-間接帶隙半導體材料的主體；-在該主體中的第一摻雜類型的第一區域和該主體的第一濃度的第二摻雜類型的第二區域之間形成的結區域；-該主體包括第二濃度的第二摻雜類型的第三區域，第三區域和結區域被第二區域間隔開；-其中第二濃度高於第一濃度；和-連接到主體的端子布置，用於在使用時將第一結區域反向偏置為擊穿模式，從而引起發光。
2.如權利要求1所述的器件，被配置為在結區域進入擊穿模式前，與結區域相關聯的耗盡區到達主體的第三區域。
3.如權利要求1或2所述的器件，其中端子布置包括與主體的第一區域相連接的第一接觸件，和與主體的第三區域相連接的第二接觸件。
4.如權利要求3所述的器件，其中在第二區域上不提供接觸件。
5.如權利要求1到4中任一項所述的器件，其中第一摻雜類型是n，第二摻雜類型是P。
6.如權利要求1到4中任一項所述的器件，其中第一摻雜類型是p，第二摻雜類型是η。
7.一種操作發光器件的方法，該方法包括步驟-使用間接帶隙半導體材料的主體，在該主體中的第一摻雜類型的第一區域和該主體的第一濃度的第二摻雜類型的第二區域之間形成有結區域，該主體包括第二濃度的第二摻雜類型的第三區域，第三區域和結區域被第二區域間隔開，並且其中第二濃度高於第一濃度；和-將第一結區域反向偏置為擊穿模式；和-在結區域進入擊穿模式前，使得與結區域相關聯的耗盡區到達主體的第三區域。
8.—種製造發光器件的方法，該方法包括步驟-使用間接帶隙半導體材料的主體；-在主體中的第一摻雜類型的第一區域和該主體的第一濃度的第二摻雜類型的第二區域之間形成結區域；-形成主體的第二濃度的第二摻雜類型的第三區域，第三區域和結區域被第二區域間隔開；和-使第二濃度高於第一濃度。
9.如權利要求6所述的方法，包括使第二區域的至少一部分成形以符合所需要的發光形狀的另一步驟。
全文摘要
一種發光器件(10)包括間接帶隙半導體材料的主體(12)。在該主體中的第一摻雜類型的第一區域(12.1)和該主體的第一濃度的第二摻雜類型的第二區域(12.2)之間形成有結區域。第二濃度的第二摻雜類型的第三區域(12.3)和結區域(14)被第二區域(12.2)間隔開。第二濃度高於第一濃度。端子布置(18)連接到主體，以便在使用時將第一結區域(14)反向偏置為擊穿模式，從而引起發光。該器件被配置為在結區域進入擊穿前，與結區域(14)相關聯的耗盡區到達第三區域(12.3)。
文檔編號H01L33/00GK102292834SQ200980155227
公開日2011年12月21日 申請日期2009年1月20日 優先權日2008年12月15日
發明者M·杜普勒西斯 申請人:因西亞瓦(控股)有限公司