JP5420550B2 - キャリア注入を用いるシリコン発光素子 - Google Patents

Description

本発明は光電子素子に関し、より詳細には、間接バンドギャップ半導体材料から製造される発光素子、及び間接バンドギャップ半導体材料において光を発生させる方法に関する。

シリコンのような間接バンドギャップ半導体材料から製造される多端子発光素子が特許文献１において開示されている。その多端子素子は、第１のｐｎ接合及び第２のｐｎ接合を備える。それらの端子は、使用中に、第１の接合に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにして光を発生させ、且つ第２の接合に順方向バイアスをかけて、アバランシェ領域又は電界放出領域内に「クール」キャリアを注入し、それにより「クールキャリア」と、アバランシェ効果又は電界放出によってエネルギーを与えられた「ホットキャリア」との放射再結合を引き起こし、且つ素子の光発生効率を高めるために設けられる。

しかしながら、標準的なＣＭＯＳ工程に従って製造される素子では、そのような素子の横方向のレイアウトに起因して、注入されるキャリアのうちの限られた割合だけが、逆方向バイアスをかけられてアバランシェ降伏又は電界放出降伏にある接合領域に達することがわかっている。注入されるキャリアの大部分は、第２の接合の底壁を介してバルク材料の中に垂直に注入されてバルク内で再結合するか、又は第２の接合の側壁を介して他の横方向に注入され、結果として、注入されるキャリアのうちのわずかな量だけが、逆方向バイアスをかけられてアバランシェ降伏又は電界放出降伏にある接合領域に達する。

別の問題は、局所酸化技法又は浅い溝分離技法の典型的な結果である、バルク材料内の埋込酸化物分離領域が、接合の側壁効果を低減するために用いられ、注入されたキャリアをアバランシェ領域又は電界放出領域から遮断する場合があり、それにより、注入されたキャリアのうち、アバランシェ領域又は電界放出領域に達する数をさらに減少させることである。

米国特許第６，１１１，２７１号

本発明の目的は、本出願人が上記の不都合を少なくとも緩和することができると考える、代替の発光素子及び光を発生させる方法を提供することである。

本発明によれば、発光素子であって、
間接バンドギャップ材料から成る第１のボディ、
第１のドーピング種から成る前記ボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記ボディの第２の領域との間に形成される前記ボディ内の第１の接合領域、
前記ボディの前記第２の領域と、前記第１のドーピング種から成る前記ボディの第３の領域との間に形成される前記ボディ内の第２の接合領域であって、前記第１の接合領域と該第２の接合領域は、少数キャリア拡散長以下の距離だけ、互いから離隔して配置される、第２の接合領域、
使用時に、前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにし、且つ前記第２の接合領域に順方向バイアスをかけて前記第１の接合領域にキャリアを注入するために、前記ボディの前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域に接続される端子配列、及び
前記第３の領域の少なくとも１つの壁部のすぐ隣りに隣接し、それにより前記第３の領域からの寄生注入を低減する、分離材料から成る第２のボディ、
からなる発光素子が提供される。

第１の接合領域及び第２の接合領域は一列に並べられる場合がある。第１の接合領域及び第２の接合領域は、軸方向において一列に並べられ、且つ互いに向かい合うように互いに平行に延在することが好ましい。

第１のボディは第２のボディ内に封入され得る。

第１のボディは、シリコン・オン・インシュレータ（Silicon on iusulator）（ＳＯＩ）相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて、第２のボディ内に封入され得る。

第２のボディはバルク材料のボディの表面上に設けることができ、第１の接合領域及び第２の接合領域は、第１のボディの対向する位置の第１の壁部と第２の壁部との間に延在することができ、第２の壁部は第１の壁部と表面との間に位置し得る。

第２のボディの埋込部又は壁は、第１のボディの第２の壁部をバルク材料の層の表面から離隔して配置し得る。

埋込壁は、バルク材料に向かって伝搬する光子のための反射体としての役割を果たすように構成され得る。

第１のボディの第１の壁部の横断面は凹形であり得る。第１の壁部の横断面は丸みをつけることができる。

本発明の別の態様によれば、間接バンドギャップ半導体材料において光を発生させる方法が、
第１のドーピング種から成る第１のボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記ボディの第２の領域との間に形成される、間接バンドギャップ半導体材料から成る前記ボディ内の第１の接合領域と、前記ボディの前記第２の領域と、前記第１のドーピング種から成る前記ボディの第３の領域との間に形成される前記ボディ内の第２の接合領域とを利用する工程、
前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにして光を発生させる工程、
前記第２の接合領域に順方向バイアスをかけて前記第１の接合領域にキャリアを注入する工程、及び
分離材料から成る第２のボディによって前記第３の領域の少なくとも１つの壁部を終端して前記第３の領域からの寄生注入を低減する工程、
を有する。

さらには、発光素子であって、
間接バンドギャップ半導体材料から成る第１のボディ、
第１のドーピング種から成る前記ボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記ボディの第２の領域との間に形成される前記ボディ内の第１の接合領域、
使用時に、前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにするために、前記ボディの前記第１の領域及び前記第２の領域に接続される端子配列、及び
前記第１の領域の少なくとも１つの壁部のすぐ隣りに隣接する、分離材料から成る第２のボディ、
からなる発光素子が本発明の範囲内に含まれる。

またさらには、間接バンドギャップ半導体材料において光を発生させる方法であって、
第１のドーピング種から成る第１のボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記ボディの第２の領域との間に形成される、間接バンドギャップ半導体材料から成る前記ボディ内の第１の接合領域を利用する工程、
前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにして光を発生させる工程、及び
分離材料から成る第２のボディによって前記第１の領域の少なくとも１つの壁部を終端して前記第１の領域からの寄生注入を低減する工程、
からなる方法が本発明の範囲内に含まれる。

間接バンドギャップ半導体材料から製造される発光素子の第１の実施形態の断面図である。 上記素子の関連する部分の平面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 発光素子の第２の実施形態の関連する部分の平面図である。 光子エネルギーに対する光強度のグラフである。 素子のための波長に対する相対的な光出力のグラフである。 発光素子の別の実施形態の、図１に類似する図である。

ここで、一例にすぎないが、添付の図面を参照しながら、本発明をさらに説明する。

Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｉ−Ｇｅのような間接バンドギャップ半導体材料から製造される多端子発光素子を、図１及び図２において、全体として参照番号１０によって示す。

本素子は、間接バンドギャップ半導体材料、この事例ではＳｉから成る第１のボディ１２を含む。第１のボディは、厚み寸法ｄ（典型的には１０ｎｍ未満）を有し、その関連する部分では、幅寸法ｗ（典型的には１００ｎｍ未満）を有し、横断面は概ね長方形であり、さらに、第１の壁又は上壁１４と、第２の壁又は底壁１６と、図２に示される側壁３２とを有する。第１のボディは、第１のドーピング種から成るボディの第１の領域１２．１と、第２のドーピング種から成る第１のボディの第２の領域１２．２との間に第１の接合領域１８を設ける。第１のボディはさらに、第２の領域１２．２と、同じく第１のドーピング種から成る第１のボディの第３の領域１２．３との間に第２の接合領域２０を設ける。第１のドーピング種はｎ＋とすることができ、第２のドーピング種はｐとすることができる。他の実施形態では、逆のドーピング種が用いられる場合がある。

図１及び図２に示されるように、第１の接合領域及び第２の接合領域はそれぞれ上壁１４と底壁１６との間に延在し、２つの接合領域は一列に、好ましくは軸方向に一列に並べられ、且つ互いに向かい合うように互いに概ね平行を成すことができる。他の実施形態では、それらの接合領域は一列に並べられない場合がある。しかしながら、それらの接合領域は、少数キャリア拡散長以下の距離だけ、互いから離隔して配置される。

第３の領域１２．３の上壁、底壁及び側壁のうちの少なくとも１つ、好ましくは複数が、二酸化シリコンのような分離材料から成る第２のボディ２２と境界を成すか、又は第２のボディ２２によって終端され、第２のボディ２２は関連する壁部（複数可）のすぐ隣りに隣接して配置される。好ましい実施形態では、第１のボディ１２は、第２のボディ２２内に封入される。第１のボディ１２は、いわゆる、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて、第２のボディ内にそのように封入されることができる。第２のボディはバルクシリコン２６の表面２４上に設けられる。厚みｔを有する埋込二酸化シリコン壁２７が、第１のボディ１２の底壁１６を、バルク材料から離隔して配置する。それゆえ、第３の領域１２．３にはバルクへの底壁がなく、側壁は３２において酸化物によって終端されるため、側壁効果は低減される。

端子配列２８の適切な電気端子２８．１〜２８．３が、第１の領域１２．１、第２の領域１２．２及び第３の領域１２．３にそれぞれ接続される。後にさらに説明されるように、使用中に、第１の接合領域１８は逆方向バイアスをかけられ、光発生アバランシェモード又は電界放出モードに入り、第２の接合は順方向バイアスをかけられ、「クール」キャリアが、光を発生させる第１の接合領域１８に注入される。これは、逆方向バイアスをかけられた接合１８の大きな電気的遮蔽作用の結果としてエネルギーを与えられる「ホット」高エネルギーキャリアと、順方向バイアスをかけられた接合から注入される逆の型の「クール」キャリア（たとえば、「ホット」キャリアは正孔で、「クール」キャリアは電子である）との再結合を助長する。接合領域１８及び２０のバイアスは別々に制御可能であることが好ましい。

上記のように、第２のｐｎ接合２０は概ね２次元の外形を有する。その接合に順方向バイアスがかけられる場合には、図１及び図２に示されるように、１つの方向Ａにおいて面積ｗ×ｄを越えてキャリアが注入される。これは、概ね全てのキャリアが１つの方向Ａに向けられ、３０（図１に示される）における寄生底壁注入及び３２（図２に示される）における側壁注入に起因する損失が低減されるか、又は解消されることを意味する。

ｗ及びｄの寸法は、量子効率を高めるために、キャリア閉じ込め及び高い電流密度が得られるように選択される場合がある。

図３を参照すると、第１のボディ１２の上壁１４に凹形の横断面輪郭を与えることによって、素子１０の発光を改善することができる。好ましい実施形態では、その輪郭に丸みをつけて、内部反射を制限し、感知又は検出される光子を、上壁１４を通して送出する。丸みを帯びた形状は、上記の長方形輪郭のウエット化学エッチングによって、又は長方形輪郭の熱酸化によって達成することができる。さらに、埋込層２７の厚みｔ_ＯＸは、対象となる放射波長において最大の反射特性を有し、方向Ｂにおいてバルク２６に向かって下方に放射される所望の波長の光子の大部分が、方向Ｃにおいて上壁１４に向かって反射して戻され、上壁１４を通って放射されるように選択することができる。

２つの接合１８及び２０の間隔又はその間の距離は少数キャリア拡散長以下であるため、注入されたキャリアが逆方向バイアスをかけられた接合１８に達する前に、ｐ型材料１２．２内で再結合する数は少ないはずであると考えられる。その距離は典型的には第１のボディの幅ｗに概ね等しく、最新の技術では１００ｎｍ未満に制限することができる。しかしながら、注入されたキャリアのうちのいくつかは、ｐ型コンタクト２８．２に向かって、それゆえ、第１の接合１８から離れるように拡散する場合がある。これは、図４において示される形状のような適切な形状によって軽減、緩和又は解消される場合がある。なお、図４では、類似の部分又は機構を指示するために、図１及び図２の参照番号と同様の参照番号が用いられる。この実施形態では、第１の接合領域１８の成す角αは鋭角であり、第２の接合２０は、約４５度の角度を成してコンタクト２８．２まで延在するｐ型ブランチから、ボディ１２内に後退して配置される。

「ホット」キャリア及び「クール」キャリアを刺激して再結合させることにより、光発生機構の効率が高められるものと予想される。２つの光発生機構が存在する場合があることがわかっている。第１の機構は約２ｅＶを中心としており、既に知られている。第２の機構は、まだ報告されていないが、約２．８ｅＶにおいてピークに達する。上記のキャリア注入は、約２．８ｅＶにおいてこの光子発生成分（約４５０ｎｍ波長）を増やし、より効率的にし、その成分はシリコン内の青色光の光源としての役割を果たすことができる。

シリコンキャリア注入素子のスペクトルが図５に示されており、キャリア注入によって２．８ｅＶの強い光子エネルギー放射があることを示す。その波長スペクトルが図６に示されており、約４５０ｎｍにおいてピークを示す。

本発明には、その発明の範囲内に、図７に示されるような素子１００も含まれる。素子１００は、間接バンドギャップ半導体材料から成る第１のボディ１１２を含む。第１のボディは、第１のドーピング種から成る第１のボディの第１の領域１１２．１と、第２のドーピング種から成る第１のボディの第２の領域１１２．２との間に第１の接合領域１１８を設ける。第１の領域１１２．１の上壁１１４、底壁１１６及び側壁のうちの少なくとも１つ、好ましくは複数が、二酸化シリコンのような分離材料から成る第２のボディ１２２と境界を成すか、又は第２のボディによって終端され、第２のボディは上記の壁部のすぐ隣りに隣接して配置される。好ましい実施形態では、第１のボディ１１２は、いわゆる、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）相補型金属（Mosfet）酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて、第２のボディ１２２内に封入される。第２のボディ１２２はバルクシリコン１２６の表面１２４上に設けられる。

Claims (11)

1. 発光素子であって、
   間接バンドギャップ材料から成る第１のボディ、
   第１のドーピング種から成る前記第１のボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記第１のボディの第２の領域との間に形成される前記第１のボディ内の第１の接合領域、
   前記第１のボディの前記第２の領域と、前記第１のドーピング種から成る前記第１のボディの第３の領域との間に形成される前記第１のボディ内の第２の接合領域であって、前記第１の接合領域と該第２の接合領域は、少数キャリア拡散長以下の距離だけ、互いから離隔して配置される、第２の接合領域、
   使用時に、前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにし、且つ前記第２の接合領域に順方向バイアスをかけて前記第１の接合領域にキャリアを注入するために、前記第１のボディの前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域に接続される端子配列、及び
   前記第１のボディの前記第３の領域の上壁、底壁及び側壁の少なくとも２つの各々の少なくとも一部のすぐ隣りに隣接し、それにより前記第１のボディからの寄生注入を低減する、分離材料から成る第２のボディ、
   からなる発光素子。
2. 前記第１のボディは前記第２のボディ内に封入される、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第１のボディは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて、前記第２のボディ内に封入される、請求項２に記載の発光素子。
4. 前記第２のボディはバルク材料のボディの表面上に設けられ、前記第１の接合領域及び前記第２の接合領域は、前記第１のボディの対向する位置の第１の壁部と第２の壁部との間に延在し、該第２の壁部は前記第１の壁部と前記表面との間に位置する、請求項２又は３に記載の発光素子。
5. 前記第２のボディの埋込壁が、前記第１のボディの前記第２の壁部を前記バルク材料の層の表面から離隔して配置する、請求項４に記載の発光素子。
6. 前記埋込壁は、前記バルク材料に向かって伝搬する光子のための反射体としての役割を果たす、請求項５に記載の発光素子。
7. 前記第１のボディの前記第１の壁部の横断面は凹形である、請求項４〜６のいずれか一項に記載の発光素子。
8. 前記第１の壁部の横断面は丸みをつけられる、請求項７に記載の発光素子。
9. 間接バンドギャップ半導体材料において光を発生させる方法であって、
   第１のドーピング種から成る第１のボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記第１のボディの第２の領域との間に形成される、間接バンドギャップ半導体材料から成る前記第１のボディ内の第１の接合領域と、前記第１のボディの前記第２の領域と、前記第１のドーピング種から成る前記第１のボディの第３の領域との間に形成される前記第１のボディ内の第２の接合領域とを利用する工程、
   前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにして光を発生させる工程、
   前記第２の接合領域に順方向バイアスをかけて前記第１の接合領域にキャリアを注入する工程、及び
   分離材料から成る第２のボディによって、前記第１のボディの前記第３の領域の上壁、底壁及び側壁の少なくとも２つの各々の少なくとも一部を終端させ、それにより前記第１のボディからの寄生注入を低減する工程、
   からなる方法。
10. 発光素子であって、
    間接バンドギャップ半導体材料から成る第１のボディ、
    第１のドーピング種から成る前記第１のボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記第１のボディの第２の領域との間に形成される前記第１のボディ内の第１の接合領域、
    使用時に、前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにするために、前記第１のボディの前記第１の領域及び前記第２の領域に接続される端子配列、及び
    前記第１のボディの前記第１の領域の上壁、底壁及び側壁の少なくとも２つの各々の少なくとも一部のすぐ隣りに隣接する、前記第１のボディからの寄生注入を低減するための、分離材料から成る第２のボディ、
    からなる発光素子。
11. 間接バンドギャップ半導体材料において光を発生させる方法であって、
    第１のドーピング種から成る第１のボディの第１の領域と第２のドーピング種から成る前記第１のボディの第２の領域との間に形成される、間接バンドギャップ半導体材料から成る前記第１のボディ内の第１の接合領域を利用する工程、
    前記第１の接合領域に逆方向バイアスをかけてアバランシェモード又は電界放出モードにして光を発生させる工程、及び
    分離材料から成る第２のボディによって、前記第１のボディの前記第１の領域の上壁、底壁及び側壁の少なくとも２つの各々の少なくとも一部を終端させ、前記第１のボディからの寄生注入を低減する工程、
    からなる方法。

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