(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光デバイスであって、
半導体材料の第１のボディと、
前記第１のボディの第１の領域と前記第１のボディの第２の領域との間に形成される、前記第１のボディ内の接合部であって、該第１の領域は第１の濃度の第１のドーピング種の領域であり、該第２の領域は第２の濃度の第２のドーピング種の領域である、接合部と、
なお、前記第１のボディは、前記第１の領域から前記第２の領域によって離隔される、第３の濃度の前記第２のドーピング種の第３の領域を含み、それによって、前記第２の領域は、前記第１の領域と該第３の領域との間に狭持され、
前記第１のボディに直に隣接する分離材料の第２のボディであって、前記第１のボディは前記第２のボディによって完全に封入される、第２のボディと、
前記第１のボディに接続され、前記接合部に逆バイアスをかけて降伏モードに入れるようになっている端子配列と、
を含み、
該デバイスは、前記接合部が前記降伏モードに入る前に、前記接合部に関連付けられる空乏領域が前記第１のボディの前記第２の領域を貫通して延在し、前記第１のボディの前記第３の領域に達するように構成される、発光デバイス。
【請求項２】
前記第１のドーピング濃度及び前記第３のドーピング濃度は、前記第２のドーピング濃度よりも高い、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記半導体材料は間接バンドギャップ半導体材料である、請求項１又は２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記間接バンドギャップ半導体材料はシリコンを含む、請求項３に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記絶縁材料は二酸化シリコンを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記第１のドーピング種はｎであり、前記第２のドーピング種はｐである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記第１のドーピング種はｐであり、前記第２のドーピング種はｎである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記端子配列は、前記第１のボディの前記第１の領域及び前記第１のボディの前記第３の領域にのみ接続される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項９】
ラテラルレイアウトを有し、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の領域は横方向において整列し、全てが前記デバイスの光透過性の壁に隣接する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
光を生成する方法であって、
デバイスを配設するステップであって、該デバイスは、半導体材料の第１のボディであって、該ボディの第１の領域と該ボディの第２の領域との間の該ボディ内に形成される接合部を有し、該第１の領域は第１の濃度の第１のドーピング種の領域であり、該第２の領域は第２の濃度の第２のドーピング種の領域であり、該第１のボディは該第１のボディの該第１の領域から該第２の領域によって離隔される、第３の濃度の該第２のドーピング種の第３の領域を含み、それによって、前記第２の領域は該第１のボディの前記第１の領域と該第１のボディの前記第３の領域との間に狭持される、第１のボディと；前記第２の領域の少なくとも一部に直に隣接する分離材料の第２のボディであって、該第２のボディは前記第１のボディを少なくとも部分的に封入し、それによって、前記デバイスが横断面において見られるときに、該第２のボディは前記第１のボディの前記第２の領域の離隔した側面と少なくとも部分的に隣接するか、又は該第１のボディの該第２の領域の少なくとも一部を少なくとも部分的に包囲する、第２のボディとを備える、配設するステップと、
前記接合部が降伏モードに入る前に、前記接合部に関連付けられる空乏領域が前記第１のボディの前記第２の領域を貫通して延在し、前記第１のボディの前記第３の領域に達するように、前記接合部に逆バイアスをかけるステップと、
を含む、光を生成する方法。
【請求項１１】
前記接合部は、前記第１のボディの前記第１の領域及び前記第１のボディの前記第３の領域にバイアス電圧をかけることによって逆バイアスをかけられる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記半導体材料は間接バンドギャップ半導体材料を含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記間接バンドギャップ材料はシリコンを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
発光デバイスであって、
半導体材料の第１のボディと、
前記第１のボディの第１の領域と前記第１のボディの第２の領域との間に形成される、前記第１のボディ内の接合部であって、該第１の領域は第１の濃度の第１のドーピング種の領域であり、該第２の領域は第２の濃度の第２のドーピング種の領域である、接合部と、
なお、前記第１のボディは、前記第１の領域から前記第２の領域によって離隔される、第３の濃度の前記第２のドーピング種の第３の領域を含み、それによって、前記第２の領域は、前記第１の領域と該第３の領域との間に狭持され、前記第１のドーピング濃度及び前記第３のドーピング濃度は、前記第２のドーピング濃度よりも高く、
前記第２の領域の少なくとも一部に直に隣接する分離材料の第２のボディであって、該第２のボディは前記第１のボディを少なくとも部分的に封入し、それによって、前記デバイスが横断面において見られるときに、該第２のボディは前記第１のボディの前記第２の領域の離隔した側面と少なくとも部分的に隣接するか、又は該第１のボディの該第２の領域の少なくとも一部を部分的に包囲する、第２のボディと、
前記第１のボディに接続され、前記接合部に逆バイアスをかけて降伏モードに入れるようになっている端子配列と、
を含み、
該デバイスは、前記接合部が前記降伏モードに入る前に、前記接合部に関連付けられる空乏領域が前記第１のボディの前記第２の領域を貫通して延在し、前記第１のボディの前記第３の領域に達するように構成される、発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子デバイスに関し、より詳細には、間接バンドギャップ半導体材料から製作される発光デバイス、及び光を生成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶間接バンドギャップ半導体（たとえば、シリコン）におけるアバランシェ・エレクトロルミネッセント光放射は、逆バイアスをかけられたｐｎ接合部内での移動ホットキャリア（電子及び正孔の再結合）と格子フォノンとの間の相互作用によって生成される。
【０００３】
シリコンデバイス内の従来の逆バイアスをかけられるｎ＋ｐ接合部では、キャリアは、空乏領域内でのみ、短い距離にわたって衝撃イオン化を受ける。接合部から離れているｐ側の端部において電界が低いことは、ホット又は高エネルギーキャリアが、空乏領域のｎ＋側においてのみ存在すること、及びその反対側において空乏領域から離れる正孔は低エネルギーキャリアになることを意味する。キャリア再結合速度が、正孔ｐ濃度と電子ｎ濃度との積ｐ＊ｎに比例する場合には、キャリア再結合は、空乏領域の短い領域においてのみ生じるであろう。これらの機構及びパラメーターは、既知のデバイスにおいて空乏領域の側壁の大部分がバルク半導体材料と隣接するという事実と共に、満足のいかない内部量子効率の一因となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、上記の不都合を少なくとも軽減することができると本出願人が信じるか、又は既知のデバイス及び方法のための有用な代替形態を提供することができる、代替の発光デバイス、及び光を生成する代替の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、発光デバイスであって、
半導体材料の第１のボディと、
前記第１のボディの第１の領域と前記第１のボディの第２の領域との間に形成される、前記第１のボディ内の接合部であって、該第１の領域は第１の濃度の第１のドーピング種の領域であり、該第２の領域は第２の濃度の第２のドーピング種の領域である、接合部と、
なお、前記第１のボディは、前記第１の領域から前記第２の領域によって離隔される、第３の濃度の前記第２のドーピング種の第３の領域を含み、それによって、前記第２の領域は、前記第１の領域と該第３の領域との間に狭持され、
前記第２の領域の少なくとも一部に直に隣接する分離材料の第２のボディであって、該第２のボディは前記第１のボディを少なくとも部分的に封入し、それによって、前記デバイスが横断面において見られるときに、該第２のボディは前記第１のボディの前記第２の領域の離隔した側面と少なくとも部分的に隣接するか、又は該第１のボディの該第２の領域の少なくとも一部を部分的に包囲する、第２のボディと、
前記第１のボディに接続され、前記接合部に逆バイアスをかけて降伏モードに入れるようになっている端子配列と、
を含み、
該デバイスは、前記接合部が前記降伏モードに入る前に、前記接合部に関連付けられる空乏領域が前記第１のボディの前記第２の領域を貫通して延在し、前記第１のボディの前記第３の領域に達するように構成される、発光デバイスが提供される。
【０００６】
前記第１のドーピング濃度及び前記第３のドーピング濃度は、前記第２のドーピング濃度よりも高くすることができる。
【０００７】
前記第２のボディは前記接合部、及び前記第１のボディの前記第２の領域の少なくとも一部を完全に包囲するか又は取り囲むことができる。本発明の好ましい形態では、前記第１のボディの全体が前記第２のボディによって封入される。
【０００８】
前記半導体材料は間接バンドギャップ半導体材料とすることができる。好ましくは、前記材料はシリコンを含む。
【０００９】
前記絶縁材料は二酸化シリコンを含むことができる。
【００１０】
前記第１のドーピング種はｎとすることができ、前記第２のドーピング種はｐとすることができる。他の実施の形態では、前記第１のドーピング種はｐとすることができ、前記第２のドーピング種はｎとすることができる。
【００１１】
前記端子配列は、前記第１のボディの前記第１の領域及び前記第１のボディの前記第３の領域にのみ接続することができる。
【００１２】
前記デバイスは、ラテラルレイアウトを有することができ、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の領域は横方向において整列し、全てが前記デバイスの発光壁に隣接する。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、光を生成する方法であって、
デバイスを配設するステップであって、該デバイスは、半導体材料の第１のボディであって、該ボディの第１の領域と該ボディの第２の領域との間の該ボディ内に形成される接合部を有し、該第１の領域は第１の濃度の第１のドーピング種の領域であり、該第２の領域は第２の濃度の第２のドーピング種の領域であり、該第１のボディは該第１のボディの該第１の領域から該第２の領域によって離隔される、第３の濃度の該第２のドーピング種の第３の領域を含み、それによって、前記第２の領域は該第１のボディの前記第１の領域と前記第３の領域との間に狭持される、第１のボディと；前記第２の領域の少なくとも一部に直に隣接する分離材料の第２のボディであって、該第２のボディは前記第１のボディを少なくとも部分的に封入し、それによって、前記デバイスが横断面において見られるときに、該第２のボディは前記第１のボディの前記第２の領域の離隔した側面と少なくとも部分的に隣接するか、又は該第１のボディの該第２の領域の少なくとも一部を少なくとも部分的に包囲する、第２のボディとを備える、配設するステップと、
前記接合部が降伏モードに入る前に、前記接合部に関連付けられる空乏領域が前記第１のボディの前記第２の領域を貫通して延在し、前記第１のボディの前記第３の領域に達するように、前記接合部に逆バイアスをかけるステップと、
を含む、光を生成する方法が提供される。
【００１４】
前記接合部は、前記第１のボディの前記第１の領域及び前記第１のボディの前記第３の領域にバイアス電圧をかけることによって逆バイアスをることができる。
【００１５】
ここで、添付の図面を参照しながら、一例にすぎないが、本発明がさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】間接バンドギャップ半導体材料から製作される発光デバイスの第１の実施形態の断面図である。
【図２】図１の線ＩＩに沿って見た断面図である。
【図３】図１の線ＩＩＩに沿って見た断面図である。
【図４】そのデバイスの第２の実施形態の関連する部分に関する、図２に類似の図である。
【図５】そのデバイスの第３の実施形態の関連する部分に関する、図２に類似の図である。
【図６】そのデバイスの第４の実施形態の関連する部分に関する、図２に類似の図である。
【図７】そのデバイスの第５の実施形態の関連する部分に関する、図２に類似の図である。
【図８】そのデバイスの第６の実施形態の関連する部分に関する、図３に類似の図である。
【図９】そのデバイスの第７の実施形態の関連する部分に関する、図３に類似の図である。
【図１０】ａ〜ｄはアバランシェ時の従来のｐ＋ｎシリコン接合部の機構及びパラメーターを示す図である。
【図１１】ａ〜ｄは本発明によるデバイスの場合の対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
半導体材料、好ましくは、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作される発光デバイスが、図１〜９及び図１１において包括的に参照番号１０によって指示される。
【００１８】
そのデバイスは、間接バンドギャップ半導体材料、この場合には、単結晶又はモノリシックＳｉからなる第１のボディ１２を備える。第１のボディは、円形又は長方形のような、任意の適切な横断面形状を有することができる。図１〜図３に示される実施形態において、第１のボディは長方形である。より詳細には、第１のボディは厚み寸法ｄを有し、その関連する部分において、幅寸法ｗを有しており、第１壁の又は上壁１４、第２の壁又は底壁１６、及び図２に示される側壁３２を有する。第１のボディは、第１のドーピング濃度の第１のドーピング種のボディの第１の領域１２．１と、第２のドーピング種の、かつ第２のドーピング濃度の第１のボディの第２の領域１２．２との間に接合部１８を設ける。第１のボディは、第２のドーピング種の、かつ第３のドーピング濃度の第３の領域１２．３をさらに備える。
【００１９】
第１のドーピング種はｎであり、第２のドーピング種はｐである。第１のドーピング濃度及び第３のドーピング濃度は、第２のドーピング濃度よりも高いことが好ましい。他の実施形態では、逆のドーピング種が用いられてもよい。
【００２０】
図１に示されるように、第１の接合部は、第１のボディ１２内で上壁１４と底壁１６との間を横断するように延在する。デバイスレイアウトはラテラルであり、第１、第２及び第３の領域は整列しており、第２の領域は第１の領域と第３の領域との間に狭持される。上記の領域は、デバイス１０の光透過性の上壁３４に直に隣接する。
【００２１】
少なくとも第２の領域１２．２の上壁１４、底壁１６及び側壁３２のうちの少なくとも２つ、好ましくは３つ以上が、関連する壁部（複数の場合あり）に直に隣接して配置される、二酸化シリコンのような半透明の、好ましくは透明の分離材料の第２のボディ２２に隣接するか、又は第２のボディによって終端される。好ましい実施形態では、図１〜図３に示されるように、第１のボディ１２は第２のボディ２２内に封入される。いわゆる、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて、第１のボディ１２の全体を第２のボディ２２内にそのように封入することができる。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の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する。それゆえ、少なくとも第２の領域１２．２のそのように終端される部分は、側壁が分離材料の第２のボディによって終端されるので、バルク半導体材料に対する壁部を持たない。
【００２２】
端子配列２８のうちの適切な電気的コンタクト２８．１及び２８．２がそれぞれ第１の領域１２．１及び第３の領域１２．３に接続される。第２の領域１２．２へのコンタクトは必要とされない。使用中に、接合部１８は逆バイアスをかけられ、光生成降伏モードに入り、そのモードはアバランシェモードでも、電界放出モードでも、又はその両方の組み合わせでもよい。しかしながら、そのデバイスは、接合部１８が降伏モードに入る前に、接合部１８に関連付けられる空乏領域が第２の領域１２．２を横断するか、又は第２の領域１２．２を貫通して延在し、第３の領域１２．３に達するように構成される。
【００２３】
図４〜図７には、デバイス１０の種々の実施形態が示されており、第１のボディ１２の種々の部分が、上記のように、第２のボディに隣接するか、又は第２のボディによって被覆される。図４に示される実施形態では、第２の領域１２．２の一部のみが同軸の第２のボディ２２によって囲まれる。図５の実施形態では、接合部１８及び第２の領域１２．２の少なくとも一部がそのように囲まれる。図６の実施形態では、第１の領域１２．１の一部、接合部１８、第２の領域１２．２の全体、及び第３の領域１２．３の一部がそのように囲まれる。図７の実施形態では、第１、第２及び第３の領域の側壁全体がそのように囲まれる。
【００２４】
図８の実施形態では、第２の領域１２．２の少なくとも一部の上壁１４及び離隔する底壁１６の形をとる、第１のボディ１２の離隔する周辺領域、より詳細には側面が、分離材料のそれぞれのボディ２２．１及び２２．２に隣接する。この実施形態の好ましい形態では、第１のボディ１２はボディ２２．１と２２．２との間に狭持され、その結果、第１のボディ１２の上壁１４は、デバイス１０の上壁３４からボディ２２．１によって離隔され、第１のボディ１２の底壁１６は、バルク材料２６から埋込層２２．２によって離隔される。
【００２５】
図９の実施形態では、第１のボディは円形の横断面を有する。第２のボディ２２は、円弧（図示せず）か、又は円形の内壁を有する管状スリーブを構成することができ、結果として、デバイスが横断面において視認されるときに、第２のボディは、第１のボディの第２の領域１２．２の少なくとも一部を少なくとも部分的に包含又は包囲する。
【００２６】
第２のボディ２２は第２の領域１２．１２を通って移動するキャリアを閉じ込め、それにより、接合部１８を通って移動する全てのキャリアが領域１２．２に閉じ込められて、領域１２．２においてキャリアが再結合し、再結合しないキャリアが最終的に第３の領域１２．３に達するようにする。
【００２７】
ここで図１０（ａ）〜１（ｄ）に示される従来の、又は従来技術のｎ＋ｐ接合シリコンデバイス１１０を参照すると、それぞれ従来の電界、電子アバランシェイオン化係数、キャリア濃度及びアバランシェ動作点におけるキャリアｐｎ積プロファイルがそれぞれ示される。図面には、通常の値も示される。所与の大きさは、１０１７アクセプタ原子／ｃｍ３のドーピング濃度又は密度を有する低濃度にドープされたｐ領域１１２．２、及びドーピング密度１０２０ドナー原子／ｃｍ３を有する高濃度にドープされたｎ＋領域１１２．１を有する通常のｎ＋ｐ接合シリコンデバイス１１０の場合のものである。空乏領域１１６の幅は降伏時に約４００ｎｍである。キャリア濃度は、約１０３Ａ／ｃｍ２の場合に必要とされる値である。このデバイスの降伏電圧は約１２Ｖである。
【００２８】
図１０（ａ）は、降伏時の接合部空乏領域１１６内の電界プロファイルを示す。図１（ｂ）は、空乏領域１１６内の電子のイオン化係数を示す。これらの２つの図から、キャリアが、空乏領域１１６内の短い距離にわたってのみ衝撃イオン化を受けることが明らかである。接合部１１４から離れると電界が低くなることは、ホットな高エネルギーキャリアが、空乏領域のｎ＋側付近においてのみ存在すること、及びｐ側付近の空乏領域から離れる正孔は低エネルギーのキャリアになることも意味する。
【００２９】
図１０（ｃ）は、空乏領域１１６内のキャリア濃度プロファイルを示し、図１（ｄ）は、ｐ＊ｎキャリア積を示す。キャリア再結合速度が空乏領域１１６内の正孔ｐ濃度と電子ｎ濃度との積ｐｎに比例する場合には、キャリア再結合は、空乏領域の短い領域においてのみ生じるであろう。
【００３０】
図１〜図９において示される本発明によるデバイス１０によれば、より詳細には、リーチスルー効果を用いることによって、光子生成の内部量子効率を改善することができると考えられる。内部量子効果（電子１個当たりの生成される光子の数）は、同じ体積内で、より多くのキャリア対キャリア、又はキャリア対光子の相互作用が生じることができるときに高められる。改善された電力効率（光電力出力対電力入力）も、デバイスが低動作電圧において動作することができる場合に達成することができる。
【００３１】
ここで図１１（ａ）〜（ｄ）を参照すると、本発明によるデバイス１０において、低濃度にドープされた領域１２．２と同じ極性を有する高濃度ドーピングの領域１２．３が、逆バイアスをかけられるｎ＋ｐ接合部１８に極めて近接して配置される。それゆえ、ｎ＋ｐｐ＋ドーピングプロファイルが形成される。接合部１８が逆バイアスをかけられるとき、空乏領域１８．１は主に低濃度にドープされたｐ領域１２．２の中に広がる。降伏が生じる前に空乏領域がｐ＋領域１２．３に達する場合には、接合部は、リーチスルー動作モードに入っているであろう。逆電圧をさらに高めることによって、空乏領域はｐ＋領域１２．３の中に広がることになり、リーチスルー電圧を大きく上げすぎることなく、降伏が生じる。図１１（ａ）は、ｐ領域１２．２内のアクセプタドーピングがＮＡ＝１０１６／ｃｍ３であり、かつｎ＋領域１２，１とｐ＋領域１２．３との間の間隔が４００ｎｍに等しい場合のリーチスルーｎ＋ｐｐ＋デバイスを示す。これは、４００ｎｍ空乏領域を有するリーチスルーデバイス１０を、同じ空乏領域幅を有し、上記で参照された従来のｎ＋ｐデバイス１１０と比較するために行われた。
【００３２】
リーチスルーモードでは、電界（図１１（ａ）を参照）は相対的に高く、空乏領域１８．１全体を通して概ね一定である。これは、図１１（ｂ）に示されるように、イオン化係数が空乏領域１８．１全体にわたって概ね一定であることも意味する。降伏電圧は、電界プロフィルから求めることができ、同じく約１２Ｖである。
【００３３】
このリーチスルーデバイス１０は、空乏領域１８．１を横断するキャリアが、それらのキャリアが空乏領域から離れるまで、空乏領域全体を通して「ホット」（高エネルギーキャリア」のままであることを確実にする。さらに、アバランシェ衝撃イオン化事象が、概ね空乏領域１８．１全体を通して生じることが予想される。
【００３４】
このタイプのリーチスルーデバイス１０の別の利点は、空乏領域１８．１全体を通して高電界であることに起因して、空乏領域１８．１全体を通して、キャリアがキャリア飽和速度において移動することである。これは、リーチスルーデバイスのキャリア移動時間を従来のダイオードよりも短くし、それにより、光生成過程の切替え速度を高めることが予想される。
【００３５】
図１１（ｃ）には、ｎ＋ｐｐ＋リーチスルーデバイス１０のためのキャリア濃度プロファイルが示される。空乏領域１８．１内の電子濃度は従来のデバイスよりも高く、正孔に比べて電子のイオン化係数が高い場合、より多くの衝撃イオン化事象が生じる場合がある。
【００３６】
図１１（ｄ）は、キャリア濃度積ｎ＊ｐを示す。従来のデバイス１１０と比べると、キャリア濃度積ｎ＊ｐは、空乏領域１８．１内の大部分の領域にわたって著しく高いことが明らかである。空乏領域の全長にわたってｎ＊ｐ積の積分が求められる場合には、従来のｎ＋ｐデバイスと比べて、著しく高い積分されたｎ＊ｐ積が達成される。それゆえ、従来のデバイスと比べて同じ電流密度及び降伏電圧において、リーチスルーデバイス１０内では、より高い発光性キャリア再結合速度を予想することができる。
【００３７】
リーチスルーデバイス１０は、より速い切替え速度を有することができ、ｎ＋領域とｐ＋領域との間の距離を変更することによって、降伏電圧を、より低い値又はより高い値に調整する能力を提供することができる。ｎ＋からｐ＋までの距離を短くすると、降伏電圧が減少する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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