DE69735409T2 - Optoelektronische halbleiteranordnung - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf optoelektronische Halbleiteranordnungen, zum Beispiel Photoemitter und Photodektoren.
  • In einer optoelektronischen Halbleiteranordnung sind „lichtelektrisch aktive" Bereiche vorhanden, in denen entweder eine Emission oder eine Erfassung von Photonen stattfinden kann. Eine Emission von Photonen findet dann statt, wenn ein angelegter, elektrischer Strom Löcher und Elektronen über einen Übergang injiziert und sich die Elektronen und Löcher in dem lichtelektrisch aktiven Bereich kombinieren können, wodurch die sich ergebende Energie in der Form von Photonen freigesetzt wird. Eine Erfassung von Photonen findet dann statt, wenn Photonen, die in den lichtelektrisch aktiven Bereich einfallen, Elektronen-Loch-Paare erzeugen, was bewirkt, dass ein elektrischer Strom fließt.
  • Silizium besitzt einen indirekten Bandabstand, und dies hat die Entwicklung von akzeptablen, auf Silizium basierenden Photoemittern behindert, die zur Verwendung in integrierten, optoelektronischen Siliziumanwendungen geeignet sind. Der Bandabstand von Silizium ist auch hoch, was die Entwicklung von Photodetektoren behindert, die für Wellenlängen länger als ungefähr 1μm empfindlich sind. Optoelektronische Vorrichtungen, die für elektromagnetische Strahlung von ungefähr 1,5μm emissiv oder empfindlich sind, was die Basis von optischen Fasersystemen ist, würden besonders signifikant in Kommunikationsanwendungen und in optischen Rechensystemen sein, die für eine starke, elektromagnetische Interferenz (EMI) resistent sind. Die Vorrichtungsarchitektur, die durch diese Erfindung vorgeschlagen ist, ermöglicht, dass solche auf Silizium basierende, optoelektronische Vorrichtungen hergestellt werden können.
  • Mehrere, unterschiedliche Maßnahmen sind bereits untersucht worden mit einem Blick auf die Entwicklung einer geeigneten, photoempfindlichen Vorrichtung, die dazu geeignet ist, Strahlung von einer Wellenlänge von ungefähr 1,5μm für eine auf Silizium basierende Vorrichtung zu erzeugen.
  • In einer Maßnahme sind auf SiGe-Supergitter basierende Strukturen entwickelt worden, die von einem Zonen-Falten Gebrauch machen, um einen pseudo-direkten Bandabstand zu erzeugen. In einer anderen Maßnahme ist Silizium mit Erbium dotiert worden, das eine innere Übergangsenergie gleich zu 1,5μm besitzt. Allerdings hat keine dieser Maßnahmen zu einer praktischen Vorrichtung geführt.
  • WO-A-9 309 564 stellt optoelektronische Halbleitervorrichtungen dar, die p-n-Übergänge haben, die aus einem indirekten Bandabstand einer Si-Schicht und einem direkten Bandabstand einer β-FeSi2-Schicht gebildet sind.
  • Die Einführung des Materials mit direktem Bandabstand, um eine bestimmte, lichtelektrisch aktive Schicht, die sich auf den Übergang, allerdings getrennt davon, bezieht, ermöglicht, dass eine neuartige Art von Halbleitervorrichtungen gebildet werden kann. Halbleitervorrichtungen, die kein Gitter mit direktem Bandabstand besitzen, werden als Halbleiter mit „indirektem Bandabstand" bezeichnet und sind allgemein nicht für eine effiziente Elektrolumineszenz geeignet.
  • Die Erfinder haben entdeckt, dass die Bereitstellung eines Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand, wie zuvor definiert, die Effektivität verbessert, mit der Photonen durch den lichtelektrisch aktiven Bereich absorbiert werden können oder alternativ von diesem emittiert werden können.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine optoelektronische Halbleitervorrichtung geschaffen, die einen Übergang (10), der, zumindest teilweise, aus einer Schicht eines Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand gebildet ist, wobei die Schicht einen lichtelektrisch aktiven Bereich (19) enthält, in dem bei Betrieb der Anordnung Elektronen-Loch-Paare entweder erzeugt oder kombiniert werden, wobei der lichtelektrische aktive bzw. lichtelektrisch aktive Bereich ein Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand enthält und einen Energieabstand definiert, der gleich oder kleiner als der Energieabstand des Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand ist, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtelektrisch aktive Bereich von diesem Übergang getrennt ist.
  • Optoelektronische Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung umfassen Photoe mitter, d.h. eine Leuchtdiode, und Photodetektoren, z.B. eine Photodiode.
  • In dem Fall eines Photoemitters werden Ladungsträger über den Übergang überführt und in den lichtelektrisch aktiven Bereich injiziert, wo sie strahlungsmäßigen Übergängen unterliegen können; das bedeutet Elektronen und Löcher rekombininieren dort, was Photonen erzeugt, deren Energie geringer als oder gleich zu der Bandabstand-Energie des Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand ist.
  • In dem Fall eines Photodetektors erzeugen einfallende Photonen, die eine Energie gleich zu oder größer als die Bandabstand-Energie des Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand haben, Elektronen-Loch-Paare in dem lichtelektrisch aktiven Bereich, was zu einem Photostrom führt.
  • Vorzugsweise besitzt das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand die Form von isolierten Abscheidungsstoffen oder Mikrokristallen. Typischerweise liegen diese in der Größenordnung von fünfzig bis einigen hundert Nanometern, so dass keine wesentlichen Quantenbeschränkungseffekte entstehen werden.
  • Alternativ kann, obwohl es weniger erwünscht ist, das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand eine durchgängige Schicht oder eine Reihe durchgängiger Schichten bilden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand Beta-Eisendisilicid (β-FeSi2).
  • β-FeSi2 ist ein Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand, das eine Übergangs-Energie entsprechend 1,5μm besitzt. Dementsprechend können Ausführungsformen der Erfindung, die β-FeSi2 in deren lichtelektrisch aktiven Bereichen einsetzen, Anwendungen in Daten-Übertragungen über optische Fasern finden. Wie bereits erläutert ist, ist es bevorzugt, dass β-FeSi2 in der Form von isolierten Abscheidungsstoffen oder Mikrokristallen vorliegt; allerdings könnte alternativ eine durchgängige Schicht verwendet werden. Weiterhin kann das β-FeSi2 unlegiert oder legiert sein, oder kann nicht dotiert oder dotiert sein. β-FeSi2, das mit Kobalt-Germanium, Indium oder Aluminium, zum Beispiel, legiert ist, besitzt eine leicht niedrigere Übergangs-Energie als das nicht dotierte Material.
  • In einem bevorzugten Photoemitter gemäß der Erfindung, z.B. eine Licht emittierende Diode, ist der Übergang ein p-n-Übergang, der durch eine Schicht eines Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand vom p-Typ und einem Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand vom n-Typ gebildet ist.
  • In dieser Beschreibung wird die Konvention angewandt, dass die Schicht eines Halbleitermaterials vom n-Typ stärker dotiert ist als die Schicht eines Halbleitermaterials vom p-Typ. Unter solchen Umständen liegt der lichtelektrisch aktive Bereich in der Schicht des Halbleitermaterials vom p-Typ, so dass, unter vorwärts vorgespannten Zuständen, Elektronen über den Übergang injiziert werden und durch den lichtelektrisch aktiven Bereich aufgefangen werden. Alternativ könnte die Schicht des Halbleitermaterials vom p- Typ stärker dotiert sein als die Schicht des Halbleitermaterials vom n-Typ. In diesem Fall würde der lichtelektrisch aktive Bereich in der Schicht des Halbleitermaterials vom n-Typ liegen und Löcher werden über den Übergang von der Schicht des Halbleitermaterials vom p-Typ injiziert werden und werden durch den lichtelektrisch aktiven Bereich aufgenommen werden.
  • In dem Fall eines Emitters mit p-n-Übergang ist der lichtelektrisch aktive Bereich vorzugsweise so nahe wie möglich zu der relativ schmalen Verarmungs- bzw. Sperrschicht, allerdings vollständig außerhalb davon, gelegen, die dann vorherrscht, wenn eine Vorwärts-Biasspannung über den Übergang angelegt wird. Diese Anordnung ist bevorzugt, um die Effektivität zu maximieren, mit der Ladungsträger durch den lichtelektrisch aktiven Bereich erfasst werden, wo sie radioaktiven Übergängen unterliegen können. Alternativ könnte der lichtelektrisch aktive Bereich von der Sperrschicht beabstandet sein; allerdings würde ein Erfassen von Trägern durch den lichtelektrisch aktiven Bereich dann weniger effizient sein.
  • Der p-n-Übergang kann ein Silizium-p-n-Übergang sein; allerdings ist vorgesehen, dass ein unterschiedlicher Homo-Übergang oder ein Hetero-Übergang, gebildet aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand, alternativ verwendet werden könnte.
  • In einem anderen Photoemitter gemäß der Erfindung ist der Übergang durch eine Schicht eines Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand und einer metallischen Schicht, die eine Schottky-Barriere definiert, gebildet, und der lichtelektrisch aktive Bereich liegt in der Schicht des Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand. Unter nach vorne vorgespannten Zuständen werden Träger über den Übergang überführt und durch den lichtelektrisch aktiven Bereich erfasst, wo sie strahlenden Übergängen unterliegen können.
  • Der lichtelektrisch aktive Bereich liegt vorzugsweise außerhalb der Sperrschicht, um die Erfassungseffektivität zu maximieren. In dieser Ausführungsform ist das Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand entweder ein Material vom n-Typ oder ein Material vom p-Typ, und ist bevorzugt, obwohl nicht notwendigerweise, Silizium.
  • Photodetektoren gemäß der Erfindung umfassen Photodioden, wie beispielsweise Avalanche-Photodioden und Photodioden mit Sperrschicht.
  • In dem Fall einer Avalanche-Photodiode ist ein p-n-Übergang durch eine Schicht eines Halbleitermaterials vom p-Typ mit indirektem Bandabstand und eine Schicht eines Halbleitermaterials vom n-Typ mit indirektem Bandabstand gebildet, und der lichtelektrisch aktive Bereich liegt in der einen oder der anderen der Schichten vom n- und p-Typ, und zwar außerhalb der Sperrschicht. Unter umgekehrt vorgespannten Zuständen unterliegen, oberhalb der Durchschlagspannung, Elektronen und Löcher, erzeugt durch Photonen, die in den lichtelektrisch aktiven Bereich einfallen, einer Multiplikation aufgrund des Avalanche-Vorgangs.
  • Der p-n-Übergang kann ein Silizium-p-n-Übergang sein; allerdings könnte ein unterschiedlicher Homo-Übergang oder ein Hetero-Übergang, gebildet aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand, alternativ verwendet werden.
  • In dem Fall von Photodioden der Sperrschicht liegt der lichtelektrisch aktive Bereich in der Sperrschicht. Photonen, die in den lichtelektrisch aktiven Bereich einfallen, werden wahrscheinlicher absorbiert, und geben demzufolge Anlass zu einem größeren Photostrom als im Stand der Technik. Ein Beispiel einer Photodiode mit Sperrschicht gemäß der Erfindung ist eine p-i-n-Photodiode. Eine p-i-n-Photodiode, deren Übergang durch eine Schicht aus einem Halbleitermaterial mit selbst indirektem Bandabstand, zwischen einer Schicht eines Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand vom p-Typ und einer Schicht eines Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand vom n-Typ, gefügt, und der lichtelektrisch aktive Bereich liegt in der Schicht des Halbleitermaterials mit selbst indirektem Bandabstand. Unter geeignet umgekehrt vorgespannten Zuständen wird, unterhalb der Durchschlagspannung, der lichtelektrisch aktive Bereich innerhalb der Sperrschicht in der Schicht des Halbleitermaterials mit selbst indirektem Bandabstand liegen und die Elektronen-Loch-Paare, erzeugt durch Photonen, die in den lichtelektrisch aktiven Bereich einfallen, führen zu einem Photostrom.
  • Der p-i-n-Übergang kann ein Silizium-p-i-n-Übergang sein; allerdings könnte alternativ ein unterschiedlicher Homo-Übergang oder ein Hetero-Übergang, gebildet aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand, verwendet werden.
  • Eine andere Ausführungsform einer Photodiode mit Sperrschicht gemäß der Erfindung ist eine Schottky-Photodiode. In dieser Ausführungsform ist der Übergang durch eine Schicht eines Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand und einer metallischen Schicht, die eine Schottky-Barriere definiert, gebildet, und die lichtelektrisch aktive Schicht liegt in der Schicht des Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand, und zwar innerhalb der Sperrschicht. Elektronen-Loch-Paare, erzeugt durch Photonen, die in den lichtelektrisch aktiven Bereich einfallen, führen zu einem Photostrom. Das Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand kann entweder ein Material vom n-Typ oder ein Material vom p-Typ sein, und ist vorzugsweise, obwohl nicht notwendigerweise, Silizium.
  • Eine noch weitere Ausführungsform einer Photodiode mit Sperrschicht gemäß der Erfindung ist eine Solarzelle. Bei dieser Ausführungsform ist der Übergang ein p-n-Übergang, gebildet durch eine Schicht eines Halbleitermaterials vom p-Typ mit indirektem Bandabstand und einer Schicht eines Halbleitermaterials vom n-Typ mit indirektem Bandabstand, und der lichtelektrisch aktive Bereich liegt innerhalb der Sperrschicht des Übergangs. Elektronen-Loch-Paare, erzeugt durch Photonen, die in den lichtelektrisch aktiven Bereich einfallen, führen zu einem Photostrom. Der p-n-Übergang der Solarzelle kann ein Silizium-p-n-Übergang sein; allerdings könnte, alternativ, ein unterschiedlicher Homo-Übergang oder ein Hetero-Übergang, gebildet aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand, verwendet werden.
  • Eine andere Ausführungsform eines Photodetektors gemäß der Erfindung ist ein Bipolar-Übergangs-Transistor – entweder ein n-p-n-Phototransistor oder ein p-n-p-Phototransistor. Der bipolare Übergang ist durch Schichten eines Halbleitermaterials vom p- und n-Typ mit indirektem Bandabstand, die Transistoremitter-, Basis- und Kollektorbereiche bildend, gebildet, und der lichtelektrisch aktive Bereich liegt in dem Basisbereich des Übergangs.
  • Der bipolare Übergang kann ein Siliziumübergang sein; alternativ kann der Übergang ein unterschiedlicher Homo-Übergang oder ein Hetero-Übergang, gebildet aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand, sein.
  • Es kann erwünscht sein, eine oder mehrere Barriereschicht(en) in der Anordnung der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen zu haben, um, zum Beispiel, die Migration von Störstellen zu kontrollieren.
  • In allen vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung ist das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand vorzugsweise β-FeSi2 (dotiert oder nicht dotiert, legiert oder nicht legiert), das in der Form von isolierten Abscheidungsstoffen oder Mikrokristallen vorliegt, obwohl eine durchgängige Schicht oder Reihen von Schichten, obwohl weniger erwünscht, verwendet werden könnten.
  • Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Laser geschaffen, der einen Photoemitter, wie er hier definiert ist, einsetzt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Halbleiteranordnung mit einem Übergang (10) geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bilden einer Schicht aus Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand, die einen Teil des Übergangs bildet, und Bereitstellen eines lichtelektrisch aktiven Bereichs (19) in der Schicht, der ein Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand enthält, der einen Energieabstand gleich dem oder kleiner als der des Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand aufweist, und in dem während des Betriebes der Anordnung in dem lichtelektrisch aktiven Bereich Elektronen-Loch-Paare entweder erzeugt oder verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtelektrisch aktive Bereich (19) von dem Übergang getrennt ist.
  • Das Verfahren kann ein Vorformen des Übergangs durch eine Ziehtechnik, wie beispielsweise Molekularstrahlepitaxie, und Bereitstellen des Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand durch einen Ionen-Implantierungsvorgang, oder vice versa, umfassen. Das Material mit direktem Bandabstand kann eine Schicht oder mehrere Schichten in dem lichtelektrisch aktiven Bereich bilden. Alternativ könnte die Vorrichtung insgesamt durch einen Ionenstrahl-Implantierungsvorgang hergestellt werden. Alternativ könnte die gesamte Vorrichtung mittels einer unterschiedlichen Wachstums- bzw. Ziehtechnik, wie beispielsweise Molekularstrahlepitaxie, hergestellt werden.
  • In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand in der Schicht als isolierte Abscheidungsstoffe oder Mikrokristalle vorgesehen. Ein Beispiel des Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand ist β-FeSi2.
  • Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung werden nun, anhand nur eines Beispiels, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, beschrieben, in denen:
  • 1 stellt eine schematische Querschnittsansicht durch eine Licht emittierende Diode (LED) gemäß der Erfindung dar,
  • 2 stellt Ausdrucke einer Elektrolumineszenz-Intensität, erzeugt durch die Vorrichtung der 1, als eine Funktion der angelegten Vorwärts-Biasspannung bei drei unterschiedlichen Temperaturen von 80K, 180K und 300K, dar,
  • 3 stellt das Elektrolumineszenzspektrum, erzeugt durch die Vorrichtung der 1, bei der Temperatur von 80K dar,
  • 4 stellt die Variation der Elektrolumineszenzintensität der Vorrichtung der 1 als eine Funktion der Temperatur dar,
  • 5 stellt eine schematische Querschnittansicht durch einen Laser dar, der einen Photoemitter gemäß der Erfindung einsetzt,
  • 6 stellt eine Querschnittsansicht durch eine andere, photoemittierende Vorrichtung gemäß der Erfindung dar, und
  • 7–11 stellen Querschnittansichten durch unterschiedliche Photodetektoranordnungen gemäß der Erfindung dar.
  • Wie die 1 zeigt, weist die LED einen Silizium-p-n-Übergang 10, gebildet auf einem Siliziumsubstrat 20, auf. In diesem Beispiel ist das Siliziumsubstrat 20 aus einem (100)-Material vom n-Typ gebildet und der p-n-Übergang 10 weist einen mit Bor dotierten Bereich 11 vom p-Typ, 1,0μm dick, angewachsen durch Molekularstrahlepitaxie auf einem mit Antimon dotierten Bereich 12 vom n-Typ, 0,4μm dick, auf. Die Bereiche 11, 12 vom p- und n-Typ besitzen jeweils Dotierdichten von 1 × 1017cm-3 und 5 × a018cm-3, und wurden von dem Siliziumsubstrat 20 mit einer Widerstandsfähigkeit in dem Bereich von 0,008 bis 0,02Ωcm gezogen.
  • Die Vorrichtung ist auch mit Ohm'schen Kontakten 15, 16 versehen, die jeweils auf der äußeren Fläche des Bereichs 11 vom p-Typ und auf der äußeren Fläche des Substrats 20 gebildet sind, wodurch ermöglicht wird, dass eine Biasspannung V über den Übergang angelegt werden kann. Die Kontakte 15, 16 können passend durch Verdampfen und dann legiert, auf den jeweiligen Oberflächen, gebildet werden; in diesem bestimmten Beispiel sind die Kontakte 1mm im Durchmesser, der Kontakt 15, auf dem Bereich vom p-Typ, ist aus Al gebildet, und der Kontakt 16, auf dem Substrat, ist aus einem AuSb-Eutektikum gebildet. Es wird natürlich ersichtlich werden, dass andere, geeignete Kontaktmaterialien verwendet werden könnten.
  • Der Kontakt 16 auf dem Substrat besitzt ein Fenster 17.
  • Der Silizium-p-n-Übergang 10 besitzt einen Verarmungsbereich 18 (umgrenzt durch unterbrochene Linien in 1) an der Grenzfläche der Bereiche 11, 12 vom p- und n-Typ, und einen lichtelektrisch aktiven Bereich 19 (schraffiert dargestellt), der in dem Bereich 11 vom p-Typ, angrenzend an den Verarmungsbereich 18, vorgesehen ist.
  • In dieser Ausführungsform enthält, wie in größerem Detail nachfolgend erläutert werden wird, der lichtelektrisch aktive Bereich 19 das Halbleitermaterial mit direkten Bandabstand, Beta-Eisendisilicid (β-FeSi2), oder besteht daraus.
  • Wie bereits erläutert ist, besitzt β-FeSi2 einen Bandabstand entsprechend einer Wellenlänge von ungefähr 1,5μm. Unter vorwärts vorgespannten Zuständen des p-n-Übergangs werden Majoritätsträger (Elektronen) in dem Leitungsband des Bereichs 12 vom n-Typ des Übergangs in den Übergang injiziert und durch den lichtelektrisch aktiven Bereich 19 erfasst, wo sie radioaktiven Übergängen unterliegen können, um Photonen bei einer Wellenlänge von ungefähr 1,5μm zu erzeugen. Die sich ergebende Elektrolumineszenz wird durch die transparenten Schichten des Siliziums in der Vorrichtung übertragen und verlassen die Vorrichtung durch das Fenster 17 in dem Kontakt 16.
  • Der lichtelektrisch aktive Bereich 19 ist so in dem Bereich 11 vom p-Typ positioniert, um so nahe wie möglich zu der Sperrschicht 18 zu liegen, die dann vorherrscht, wenn eine Vorwärts-Biasspannung über den Übergang angelegt wird, um so das Erfassen der Majoritätsträger durch den lichtelektrisch aktiven Bereich zu maximieren.
  • Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wurde der Silizium-p-n-Übergang 10 zu Anfang auf dem Substrat 20 durch Molekularstrahlepitaxie angewachsen und dann wurde der lichtelektrisch aktive Bereich 19 darauf folgend durch Ionen-Implantierung gebildet; das bedeutet durch Implantierung von Fe-Ionen.
  • Wenn relativ hohe Implantierungsdosen verwendet werden, kann der Bereich 19 aus einer durchgehenden Schicht aus β-FeSi2 gebildet werden. Allerdings wird es als bevorzugt angesehen, relativ niedrige Dosis-Raten (zum Beispiel ungefähr 1 × 1016cm-2) zu verwenden, um so isolierte Abscheidungsstoffe aus β-FeSi2, gefolgt durch einen Glüh- bzw. Temperschritt, zu bilden. Ein geeigneter Temperablauf ist durch Reeson et al in J Material Res Soc Proc 316, 433 1994 beschrieben.
  • Die Bildung von isolierten Abscheidungsstoffen ermöglicht, dass eine kommerziell verfügbare Implantiereinrichtung verwendet werden kann; auch wird eine geringere Verarbeitungszeit benötigt, und so würden die Kosten bei der Produktion stark verringert werden. In diesem Beispiel wurde eine Implantierungsenergie von 950 keV verwendet, um dadurch β-FeSi2 Niederschlagsstoffe unmittelbar benachbart des Verarmungsbereichs 18 zu bilden, wie dies in 1 dargestellt ist.
  • Typische Dimensionen von Niederschlagsstoffen lagen in der Größenordnung von fünfzig bis zu einigen hundert Nanometern, und so werden keine wesentlichen Quanten-Beschränkungseffekte hervorgerufen.
  • Anstelle eines Bildens des p-n-Übergangs 10 und des lichtelektrisch aktiven Bereichs 19 in getrennten Stufen könnten sie alternativ in einem Vorgang einer einzelnen Stufe mittels einer Ionenstrahl-Synthese gebildet werden.
  • Die LED wurde dahingehend befunden, dass sie für Elektrolumineszenz bei der Wellenlänge von 1,54μm emissiv ist. Wie bereits erläutert ist, ist diese Wellenlänge kommerziell wesentlich dahingehend, dass sie die Basis von optischen Faser-Kommunikationssystemen bildet.
  • Um die Eigenschaften und Charakteristika der LED zu untersuchen, wurde eine Zahl von Dioden zu Anfang durch Mesa-Ätzen herunter bis zu dem Substrat 20 „isoliert" und die Strom-Spannungs-(I-V)-Charakteristika der Vorrichtungen wurden gemessen, um eine Dioden-Integrität zu untersuchen.
  • Einzelne Dioden wurden dann separiert und in einem Flüssigstickstoff-Cryostat mit dynamischer, fortlaufender Strömung, angeordnet vor einem herkömmlichen Halb-Meter-Spektrometer, montiert. Eine mittels flüssigem Stickstoff gekühlte Germanium-p-i-n-Diode wurde verwendet, um die Elektrolumineszenz zu erfassen.
  • Zu Anfang wurden die Messungen bei 80K vorgenommen. Bei dieser Temperatur wurde das Einsetzen der Elektrolumineszenz beobachtet, die bei einer vorwärtsvorgespannten Spannung von ungefähr 0,8V auftritt. Die Intensität der beobachteten Elektrolumineszenz als eine Funktion der Vorwärts-Biasspannung ist in 2 für drei unterschiedliche Betriebstemperaturen 80K, 180K und 300K dargestellt.
  • Die Formen der dargestellten Kurven und die Werte der „Einschalt" Spannungen wurden dahingehend befunden, dass sie vollständig mit einer herkömmlichen Injektion über einen vorwärts vorgespannten p-n-Übergang sind.
  • 3 stellt das Elektrolumineszenzspektrum, erzeugt durch die LED bei 80K, mit einem Vorwärts-Biasstrom von 15mA, dar. In dem Spektrum wird ein Peak bei 1,54μm beobachtet und es besitzt seine volle Breite bei der halben Höhe von 50meV.
  • 4 zeigt, dass die Intensität der beobachteten Elektrolumineszenz als eine Funktion einer zunehmenden Temperatur abnimmt, allerdings noch bei Raumtemperatur (300K) beobachtet werden kann. Es wurde festgestellt, dass sich der Peak in dem Intensitätsspektrum der Elektrolumineszenz leicht zu niedrigeren Energien hin verschiebt, wenn sich die Betriebstemperatur erhöht, wobei dies eine Charakteristik einer zu einer Bandkante in Bezug stehenden Emission ist.
  • Die Vorrichtung wurde zwischen Raumtemperatur und 80K in der Temperatur zyklisch betrieben und wurde als zufrieden stellend arbeitend befunden, und zwar in einem kontinuierlichen Wellenmodus, für mehrere hundert Stunden – keine wesentliche Änderung oder Verschlechterung in der Qualität der Elektrolumineszenz, der Intensität oder den Betriebsbedingungen wurde beobachtet.
  • Es wird verständlich sein, dass, obwohl 1 unter Bezugnahme auf eine Licht emittierende Diode beschrieben worden ist, eine p-n-Struktur dieser Form auch bei anderen Formen von photoemittierenden Vorrichtungen anwendbar ist, z.B. bei einem Injektionslaser, der schematisch in 5 dargestellt ist.
  • Der Laser besitzt eine Struktur ähnlich derjenigen der LED, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Allerdings ist die Dotierkonzentration in der Schicht 12' vom n-Typ etwas höher, wobei sie in der Größenordnung von 1019 cm3 liegt. Eine optische Kavität wird durch reflektierende und teilweise reflektierende Elemente (R und PR jeweils) an jedem Ende der Vorrichtung gebildet. In alternativen Ausführungsformen können die Schichten 11', 12' vom p- und n-Typ gegeneinander ausgetauscht werden, und die reflektierenden Elemente könnten oberhalb und unterhalb der Sperrschicht 18' und des lichtelektrisch aktiven Bereichs 19' positioniert werden, um einen Laser mit Vertikal-Kavität zu bilden.
  • 6 stellt eine Querschnittsansicht durch eine unterschiedliche Art einer photoemissiven Vorrichtung gemäß der Erfindung dar, die den Schottky-Effekt verwendet. Wie diese Figur zeigt, weist die Vorrichtung eine Schicht 30 aus Silizium vom p-Typ oder n-Typ und eine Schicht 31 aus einem Metall, die zusammen eine Schottky-Barriere bilden, auf. Ein lichtelektrisch aktiver Bereich ist in der Schicht 30 als eine Schicht 32 des Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand, β-FeSi2, gebildet. Unter vorwärts vorgespannten Zuständen werden Elektronen über den Übergang, gebildet durch Schichten 30 und 31, injiziert und durch den lichtelektrisch aktiven Bereich aufgefangen, wo sie strahlenden Übergängen unterworfen werden. Die Schicht 30 kann aus einem Halbleitermaterial vom p-Typ oder n-Typ mit indirektem Bandabstand, unterschiedlich zu Silizium, gebildet werden.
  • Die 7 bis 11 stellen Querschnittsansichten durch unterschiedliche Photodetektoranordnungen gemäß der Erfindung dar.
  • 7 stellt eine Avalanche-Photodiode dar, die einen Silizium-p-n-Übergang, gebildet durch eine Schicht 40 eines Siliziums vom p-Typ und eine Schicht 41 eines Siliziums vom n-Typ, aufweist, und besitzt einen lichtelektrisch aktiven Bereich, gebildet durch eine Schicht 42 aus β-FeSi2, der in der Schicht 40 vom p-Typ, außerhalb der Sperrschicht D, liegt. In einer alternativen Ausführungsform liegt der lichtelektrisch aktive Bereich in der Schicht 41 vom n-Typ, wiederum außerhalb der Sperrschicht D. In beiden Anordnungen erhöht der lichtelektrisch aktive Bereich eine Absorption von Licht und eine Trägererzeugung vor einem Avalanche-Effekt in der Sperrschicht des hohen Felds.
  • 8 stellt eine p-i-n-Photodiode dar, die eine Schicht 50 aus Intrinsic-Silizium aufweist, das zwischen einer Schicht 51 aus Silizium vom p-Typ und einer Schicht 52 aus Silizium vom n-Typ zwischengefügt ist. In dieser Ausführungsform ist ein lichtelektrisch aktiver Bereich durch eine Schicht 53 aus β-FeSi2, der in der Schicht 50 des Intrinsic-Siliziumsliegt, gebildet.
  • 9 stellt eine Schottky-Photodiode dar, die eine Schicht 60 aus Silizium vom p-Typ (obwohl Silizium vom n-Typ alternativ verwendet werden könnte) und eine Metallschicht 61 aufweist, die zusammen eine Schottky-Barriere bilden. In dieser Ausführungsform ist ein lichtelektrisch aktiver Bereich durch eine Schicht 62 aus β-FeSi2, der innerhalb der Sperrschicht D liegt, gebildet. Der lichtelektrisch aktive Bereich erhöht eine Absorption und eine Trägererzeugung in der Sperrschicht.
  • 10 stellt einen Phototransistor dar, der einen bipolaren Übergangs-Transistor, gebildet durch eine Schicht 70 aus Silizium vom n-Typ (die den Emitterbereich definiert), eine Schicht 72 aus Silizium vom n-Typ (die den Kollektorbereich definiert) und eine Schicht 71 aus Silizium vom p-Typ (die den Basisbereich definiert), aufweist. In dieser Ausführungsform ist der lichtelektrisch aktive Bereich durch eine Schicht 73 aus β-FeSi2, die in dem Basisbereich liegt, gebildet. Der lichtelektrisch aktive Bereich erhöht eine Absorption und eine Trägererzeugung in dem Basisbereich.
  • Es wird ersichtlich werden, dass ein p-n-p-Bipolar-Übergang alternativ verwendet werden kann.
  • 11 stellt eine Solarzelle dar, die einen Silizium-p-n-Übergang, gebildet aus einer Schicht 80 aus Silizium vom p-Typ und einer Schicht 81 aus Silizium vom n-Typ, aufweist. In dieser Ausführungsform ist der lichtelektrisch aktive Bereich durch eine Schicht 82 aus β-FeSi2, die in der Sperrschicht D des Übergangs liegt, gebildet. Der lichtelektrisch aktive Bereich erhöht eine Absorption und eine Trägererzeugung in der Sperrschicht.
  • Es wird ersichtlich werden, dass in allen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 5 bis 11 beschrieben sind, das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand, β-FeSi2, in der Form von isolierten Niederschlagsstoffen oder Mikrokristallen bevorzugt ist. Allerdings könnte eine durchgehende Schicht aus β-FeSi2 alternativ verwendet werden. Dieses Material kann durch Prozesse ähnlich zu solchen, die zuvor in Bezug auf die Herstellung der Vorrichtung in 1 beschrieben sind, gebildet werden.
  • Obwohl das bevorzugte Material, für einen direkten Bandabstand, β-FeSi2 ist (entweder legiert oder nicht legiert, oder dotiert oder nicht dotiert), ist vorgesehen, dass alternative Materialien mit direktem Bandabstand verwendet werden könnten; allerdings wird angenommen, dass der Bandabstand dieser Materialien gleich zu oder geringer als derjenige des Materials mit indirektem Bandabstand, in dem es vorhanden ist, sein sollte.
  • Es wird anhand des Vorstehenden verständlich werden, dass Halbleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine breite Anwendbarkeit, insbesondere, obwohl nicht ausschließlich, als optoelektronische Vorrichtungen und optoelektronische Sensoren, finden werden.

Claims (39)

  1. Optoelektronische Halbleiteranordnung, umfassend einen Übergang (10), der teilweise aus einer Schicht eines Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand gebildet ist, wobei die Schicht einen charakteristischen lichtelektrisch aktiven Bereich (19) enthält, in dem bei Betrieb der Anordnung Elektron-Loch-Paare entweder erzeugt oder verbunden werden, wobei der lichtelektrisch aktive Bereich ein Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand enthält und einen Energieabstand definiert, der gleich oder kleiner als der Energieabstand des Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand ist, wobei der lichtelektrisch aktive Bereich von diesem Übergang getrennt ist.
  2. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 in Form eines Photoemitters.
  3. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, bei der der Photoemitter eine Leuchtdiode ist.
  4. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 in Form eines lichtelektrischen Strahlungsempfängers.
  5. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, bei der der lichtelektrische Strahlungsempfänger eine Photodiode ist.
  6. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand die Form von isolierten Abscheidungsstoffen oder Mikrokristallen aufweist.
  7. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, bei der die isolierten Abscheidungsstoffe oder Mikrokristalle Abmessungen in der Größenordnung von fünfzig bis mehreren Hundert Nanometern aufweisen.
  8. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand eine durchgängige Schicht oder eine Reihe durchgängiger Schichten bildet.
  9. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei der der Übergang (10) ein p-n Übergang ist, der durch eine Schicht aus Halbleitermaterial (11) vom p-Typ mit indirektem Bandabstand und eine Schicht aus Halbleitermaterial (12) vom n-Typ mit indirektem Bandabstand gebildet ist.
  10. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, bei der sich der lichtelektrisch aktive Bereich (19) so nah wie möglich, jedoch völlig außerhalb der Sperrschicht (18) befindet, was ausschlaggebend ist, wenn an den Übergang eine Durchlassvorspannung angelegt wird.
  11. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, bei der der Übergang (10) durch eine Schicht aus Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand und einem metallischen Überzug, der eine Schottky-Barriere definiert, gebildet ist, und der lichtelektrisch aktive Bereich (19) in der Schicht aus Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand liegt.
  12. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, bei der der lichtelektrisch aktive Bereich (19) außerhalb der Sperrschicht (18) liegt, was ausschlaggebend ist, wenn an den Übergang eine Durchlassvorspannung angelegt wird.
  13. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, bei der die Photodiode eine Lawineneffektdiode ist, der Übergang ein p-n Übergang ist, der durch eine Schicht aus Halbleitermaterial (40) vom p-Typ mit indirektem Bandabstand und eine Schicht aus Halbleitermaterial (41) vom n-Typ mit indirektem Bandabstand gebildet ist, und der lichtelektrisch aktive Bereich (42) in der einen oder der anderen der Schichten vom n- und p-Typ außerhalb der Sperrschicht liegt, was ausschlaggebend ist, wenn an den Übergang eine Durchlassvorspannung angelegt wird.
  14. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, bei der die Photodiode eine Sperrschicht-Photodiode ist.
  15. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 14, bei der die Sperrschicht-Photodiode eine p-i-n Photodiode ist.
  16. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 15, bei der der Übergang (10) durch eine Schicht aus Eigenhalbleitermaterial (50) mit indirektem Bandabstand gebildet ist, die schichtweise zwischen einer Schicht aus Halbleitermaterial (51) vom p-Typ mit indirektem Bandabstand und einer Schicht aus Halbleitermaterial (52) vom n-Typ mit indirektem Bandabstand angeordnet ist, und der lichtelektrisch aktive Bereich (53) in der Schicht aus Eigenhalbleitermaterial mit indirektem Bandabstand liegt.
  17. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, bei der der p-i-n Übergang ein Silizium p-i-n Übergang ist.
  18. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, bei der der p-i-n Übergang ein Nicht-Silizium-Homoübergang oder ein Heteroübergang ist, der aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand gebildet ist.
  19. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 14, bei der die Sperrschicht-Photodiode eine Schottky-Photodiode ist.
  20. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 19, bei der der Übergang (10) durch eine Schicht aus Halbleitermaterial (60) mit indirektem Bandabstand und einem metallischen Überzug (61), der eine Schottky-Barriere definiert, gebildet ist, und die lichtelektrisch aktive Schicht (62) in der Schicht aus Halbleitermaterial (60) mit indirektem Bandabstand innerhalb der Sperrschicht (D) liegt, was ausschlaggebend ist, wenn an den Übergang eine Durchlassvorspannung angelegt wird.
  21. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 11, 12 und 20, bei der das Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand entweder n-Material oder p-Material ist.
  22. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 21, bei der das Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand Silizium ist.
  23. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 14, bei der die Sperrschicht-Photodiode eine Solarzelle ist, der Übergang (10) ein p-n Übergang ist, der durch eine Schicht aus Halbleitermaterial (80) vom p-Typ mit indirektem Bandabstand und eine Schicht aus Halbleitermaterial (81) vom n-Typ mit indirektem Bandabstand gebildet ist, und der lichtelektrisch aktive Bereich (82) innerhalb der Sperrschicht des Übergangs (10) liegt, was ausschlaggebend ist, wenn an den Übergang eine Durchlassvorspannung angelegt wird.
  24. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 9, 10, 13 oder 23, bei der der p-n Übergang ein Silizium-p-n-Übergang ist.
  25. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 9, 10, 13 oder 23, bei der der p-n Übergang ein Nicht-Silizium-Homoübergang oder ein Heteroübergang ist, der aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand gebildet ist.
  26. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, bei der der lichtelektrische Strahlungsempfänger ein bipolarer Sperrschichttransistor ist, der Schichten aus Halbleitermaterial vom p- und n-Typ mit indirektem Bandabstand aufweist, die den Emitterbereich, den Basisbereich und den Kollektorbereich des Transistors definieren, wobei der lichtelektrisch aktive Bereich im Basisbereich liegt.
  27. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 26, bei der der bipolare Übergang ein Siliziumübergang ist.
  28. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 26, bei der der bipolare Übergang ein Nicht-Silizium-Homoübergang oder ein Heteroübergang ist, der aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand gebildet ist.
  29. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, bei der das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand Beta-Eisendisilicid, β-FeSi2, ist.
  30. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 29, bei der das β-FeSi2 dotiert oder undotiert, oder legiert oder unlegiert ist.
  31. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach Anspruch 30, bei der das β-FeSi2 mit einem oder mehreren von Kobalt, Germanium, Indium und Aluminium legiert ist.
  32. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei der das β-FeSi2 in Form von isolierten Abscheidungsstoffen oder Mikrokristallen ist.
  33. Optoelektronische Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei der das β-FeSi2 in Form einer durchgängigen Schicht oder Reihe von Schichten vorliegt.
  34. Laser, der einen Photoemitter nach Anspruch 9 oder 10 einschließt.
  35. Laser nach Anspruch 34, bei dem der p-n Übergang ein Silizium-p-n-Übergang oder ein Nicht-Silizium-Homoübergang oder ein Heteroübergang ist, der aus Halbleitermaterialien mit indirektem Bandabstand gebildet ist.
  36. Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Halbleiteranordnung mit einem Übergang (10), wobei das Verfahren die Schritte umfasst Bilden einer Schicht aus einem Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand, die einen Teil des Übergangs bildet, und Bereitstellen eines charakteristischen lichtelektrisch aktiven Bereichs (19) in der Schicht, der ein Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand enthält, der einen Energieabstand gleich dem oder kleiner als der des Halbleitermaterials mit indirektem Bandabstand aufweist, in dem während des Betriebes der Anordnung in dem lichtelektrisch aktiven Bereich Elektron-Loch-Paare entweder erzeugt oder verbunden werden, wobei der lichtelektrisch aktive Bereich (19) von dem Übergang getrennt ist.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, umfassend das Vorformen des Übergangs (10) durch ein Ziehverfahren wie zum Beispiel Molekularstrahlepitaxie und Bereitstellen des Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand durch Ionenimplantation.
  38. Verfahren nach Anspruch 36, umfassend das Herstellen der Anordnung in ihrer Gesamtheit durch einen Ionenstrahl-Implantationsvorgang.
  39. Verfahren nach Anspruch 36, umfassend das Herstellen der Anordnung in ihrer Gesamtheit durch Molekularstrahlepitaxie.
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