(57)【要約】本発明は高性能シリコン発光装置に関するものである。単一の装置で発光と変調の両方を提供する方法及び装置を提供するものであって、量子閉じ込めシュタルク効果、フランツ−ケルディッシュ効果等を誘起するために発光特性の変調が装置に電界を印加することによって達せさらる。
2004527921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合に電流を流すことによって発光させるためのｐｎ接合を備えた発光部と；
該発光部の発光特性を変更するためにこの発光部に電界を印加する手段と；
を備えた可変の発光特性を有する発光装置。
【請求項２】
発光部とｐｎ接合とがシリコンを備えた請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
発光部とｐｎ接合とが結晶シリコンを備えた請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
発光部とｐｎ接合とがＳｉＧｅを備えた請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
装置の発光部が、量子閉じ込め効果を生じ得るほどに十分に薄い層厚を有する薄層を備えた請求項１から４のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項６】
薄層が量子井戸を備えた請求項５に記載の発光装置。
【請求項７】
薄層が20 nm以下の層厚を有する請求項５又は６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】
薄層が実質的に2 nmの層厚を有する請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
装置の発光部が、量子閉じ込めシュタルク効果を生じ得る最大の層厚より厚い層厚を有する層を備えた請求項１から４のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１０】
発光部に電界を印加する手段が、層に規定される面に実質的に直交して層に電界を印加するように構成されている請求項１から９のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１１】
装置が集積回路に集積された請求項１から１０のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１２】
装置の発光部が高励起キャリヤ寿命を有する材料から成る請求項１から１１のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１３】
発光部に電界を印加する手段が、実質的に10 GHzより大きなスイッチング速度で電界を繰り返し印加することが可能に構成されている請求項１から１２のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１４】
発光装置が導波路エッジ発光装置である請求項１から１３のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１５】
発光部内で生成された光が発光部内において発光部から横方向に伝搬するように、導波路が発光部の一の側部に配置された発光部より低い屈折率を有する層から成る請求項１４に記載の発光装置。
【請求項１６】
発光部はシリコンを備え、低い屈折率を有する層は酸化シリコンを備えた請求項１５に記載の発光装置。
【請求項１７】
発光部の寸法は、発光部の材料の典型的な拡散距離より小さい請求項１４から１６のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１８】
発光部の厚さは、所望の発光周波数で導波路のパフォーマンスを最適化するように選択された請求項１４から１７のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項１９】
発光装置は表面発光装置である請求項１から１３のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項２０】
表面発光装置がバルク型である請求項１９に記載の発光装置。
【請求項２１】
表面発光装置が集積型である請求項１９に記載の発光装置。
【請求項２２】
装置の発光部と光が発光されていく領域との間に透明層を備えた請求項１９から２１のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項２３】
電界を印加する手段が発光部に配置された透明電極を備え、ここで、透明電極と発光部との間に透明誘電体が装備されている請求項２２に記載の発光装置。
【請求項２４】
電界を印加する手段が、シェーディングを制限するためにグリッド状パターンで発光部に装備された電極を備え、ここで、透明電極と発光部との間に透明誘電体が装備されている請求項１９から２３のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項２５】
発光部が層を備え、ｐｎ接合のｐ領域とｎ領域とにバイアスを印加するためにコンタクトを備え、該コンタクトは層の横方向の両側端部に配置する請求項１から２４のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項２６】
高濃度ドープｐ＋領域をｐ型コンタクトに近接して備えた請求項２５に記載の発光装置。
【請求項２７】
ｐ＋領域又はｐ＋／固有アモルファスシリコン領域をｐ型コンタクトに近接して備えた請求項２５に記載の発光装置。
【請求項２８】
高濃度ドープｎ＋領域をｎ型コンタクトに近接して備えた請求項２５から２７のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項２９】
ｎ＋領域又はｎ＋／固有アモルファスシリコン領域をｎ型コンタクトに近接して備えた請求項２５から２７のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項３０】
前記コンタクトが、層の横方向エッジに沿って離間された位置においてだけ層に接触する請求項２５から２９のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項３１】
発光部の層の表面は、コンタクトが層に接触しない領域においてパッシベートされている請求項２５から３０のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項３２】
発光部の層の表面は、表面上に形成された酸化シリコン層によってパッシベートされている請求項３１に記載の発光装置。
【請求項３３】
発光部の層の表面は、多結晶層によってパッシベートされている請求項３１に記載の発光装置。
【請求項３４】
発光部の層の表面は、微結晶層によってパッシベートされている請求項３１に記載の発光装置。
【請求項３５】
発光部の層の表面は、アモルファスシリコン層によってパッシベートされている請求項３１に記載の発光装置。
【請求項３６】
発光部の下の層は、光を内部で反射するために発光部より低い屈折率を有する材料から成る請求項１から３５のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項３７】
発光部の下の層は、誘電体／金属反射層の組合せを備えた請求項３６に記載の発光装置。
【請求項３８】
反射防止コーティングが、装置が光を発光されるところの面の上に備えられている請求項１から３７のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項３９】
発光部の少なくとも一の寸法は、発光部の材料の拡散距離の数分の一である請求項１から３８のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項４０】
複数の発光部を備えた請求項１から３９のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項４１】
発光装置が誘電体層と発光部とを交互に備えた請求項４０に記載の発光装置。
【請求項４２】
発光部が低濃度ドープだけのバルク領域を備え、高濃度ドープシリコンを少量しか備えない請求項１から４１のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項４３】
発光部が、サブバンドギャップ吸収をエンハンスするために導入された欠陥を有するバルク領域を備えた請求項１から４２のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項４４】
導入された欠陥がゲルマニウムを備えた請求項４３に記載の発光装置。
【請求項４５】
導入された欠陥が周期表のIII属又はV属からドーパントを含む請求項４３又は４４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４６】
導入された欠陥がバンドギャップ内で深い位置に存する状態を生ずる請求項４３から４５のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項４７】
導入された欠陥がインジウムドーパントを備えた請求項４６に記載の発光装置。
【請求項４８】
導入された欠陥がタリウムドーパントを備えた請求項４６又は４７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４９】
導入された欠陥が電子を堅く束縛している請求項４３から４９のいずれか一項にに記載の発光装置。
【請求項５０】
導入された欠陥が希土類金属を備えた請求項４９に記載の発光装置。
【請求項５１】
導入された欠陥がＥｒ又はＹｂのいずれかを備えた請求項５０に記載の発光装置。
【請求項５２】
導入された欠陥が転位を備えた請求項４３から５１のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項５３】
装置の発光面が所定方向に発光を方向付けるジオメトリを有する請求項１から５２のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項５４】
装置の発光面が傾斜している請求項５３に記載の発光装置。
【請求項５５】
装置が回折効果を発現するために周期的構造を備えた請求項５３又は５４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項５６】
発光面が、（１００）方向ウェハー表面に存する（１１１）等価結晶面を備えたテクスチャードジオメトリを備えた請求項１から５５のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項５７】
発光面が異方性エッチングによってテクスチャーされている請求項５３から５６のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項５８】
ダイオードの発光特性を変更するために、発光ダイオードに電界を印加する段階；を備えた発光ダイオードからの発光を変更する方法。
【請求項５９】
発光ダイオードがシリコンを備えた請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
発光ダイオードが結晶シリコンを備えた請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
発光ダイオードがＳｉＧｅを備えた請求項５８に記載の方法。
【請求項６２】
発光ダイオードが、量子閉じ込め効果を生じ得るほどに十分に薄い層厚を有する薄層を備え、これによって、電界の印加により量子閉じ込めシュタルク効果を生じ得る請求項５８から６１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６３】
薄層が量子井戸を備えた請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
発光ダイオードに電界を印加する段階が、ダイオードの層に規定される面に実質的に直交してダイオードに電界を印加することを備えた請求項５８から６３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
ダイオードが集積回路に集積されている請求項５８から６４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６６】
発光ダイオードに電界を印加する段階が、実質的に10 GHzより大きなスイッチング速度で電界を繰り返し印加することを備えた請求項５８から６５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
発光ダイオードが導波路エッジ発光装置である請求項５８から６６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６８】
電界を印加する段階が、光伝搬システムを介した伝搬のために、ダイオードで生成された光信号のデータを符号化するように作用する請求項５８から６７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
所定の方向に発光を方向付けるようにジオメトリを有する発光面を備えたシリコン発光装置。
【請求項７０】
発光表面ジオメトリが、発光面を傾斜することによって実現されている請求項６９に記載のシリコン発光装置。
【請求項７１】
発光表面ジオメトリが、回折効果を発現する周期的構造によって発光面を傾斜することによって実現されている請求項６９に記載のシリコン発光装置。
【請求項７２】
吸収を改善するために装置内の光の通過を制御する用に構成された表面ジオメトリを有するシリコン発光装置。
【請求項７３】
表面ジオメトリが装置の一又は二以上の面をテクスチャーすることによって形成される請求項７２に記載のシリコン発光装置。
【請求項７４】
テクスチャーされた表面ジオメトリが、異方性エッチングに曝されて、（１００）方向ウェハー表面に存する（１１１）等価結晶面を備えた請求項７３に記載のシリコン発光装置。
【請求項７５】
光発光ダイオードとしての逆の作動のために、高い光吸収を有するシリコン装置を作製する段階を備えたシリコン発光装置を製造する方法。
【請求項７６】
変調される光の光路に配置されたシリコン層と；
シリコン層のバンドギャップを変更するためにシリコン層に電界を印加する手段であって、光がシリコン層で吸収されるか、シリコン層を透過するかいずれかを制御する手段と；を備えた光変調器。
【請求項７７】
シリコン層が量子閉じ込め効果を生じ得るほどに十分に薄く、このため、電界の印加が量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップの変更を含む請求項７６に記載の光変調器。
【請求項７８】
シリコン層は、電界の印加の際にフランツ−ケルディッシュ効果を生じる厚さである請求項７６に記載の光変調器。
【請求項７９】
変調器は、シリコン集積回路上において集積された形である請求項７６に記載の光変調器。
【請求項８０】
変調器は、シリコン集積回路上においてバルク状である請求項７６に記載の光変調器。
【請求項８１】
光の光路にシリコン層を配置する段階と；
シリコン層のバンドギャップを変更するために薄いシリコン層に電界を印加する段階であって、光がシリコン層で吸収されるか、シリコン層を透過するかいずれかを制御する段階と；を備えた光を変調する方法。
【請求項８２】
シリコン層が量子閉じ込め効果を生じ得るほどに十分に薄く、このため、電界の印加が量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップの変更を含む請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
シリコン層は、電界の印加の際にフランツ−ケルディッシュ効果を生じる厚さである請求項８１に記載の方法。
【請求項８４】
電界を印加する段階が、実質的に10 GHzより大きなスイッチング速度で電界を繰り返し印加することを備えた請求項８１から８３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８５】
電界を印加する段階が、光伝搬システムを介した伝搬のために、光信号のデータを変調させる請求項８１から８４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオードのような高効率シリコン発光装置及びその装置を製造及び作動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ディスプレイ、ファイバを介した短距離通信、オプトカプラー、インジケータ、赤外ワイヤレス通信（テレビ遠隔制御及びフリースペースデータリンクを含む）を含む広汎な用途にわたって共通に使用される電子装置である。ＬＥＤは通常、（直接バンド間遷移に基づいて発光する）発光ガリウム砒素ｐｎ接合を備え、又は、（バンドギャップに存する不純物状態に基づいて発光する）窒素のような等電子ドーパントを有するＧａＡｓ１−ｘＰｘを備えてもよい。ＧａＡｓ ＬＥＤは、1％に近い許容可能な量子効率を提供することがわかっており、ＧａＡｓ１−ｘＰｘＬＥＤにおいて等電子ドーパントとして窒素を使用することによってＬＥＤの量子効率を1％を越えるまで改善できる。
【０００３】
ＬＥＤの材料は、所望の周波数の光を生成するために選択してもよい。例えば、ＧａＡｓ ＬＥＤは900 nm近傍の（赤外）光を生成し、ＧａＰ：ＺｎＯ ＬＥＤは650 nm近傍の（赤色）光を生成し、ＧａＡｓ１−ｘＰｘＬＥＤはｘの値に依存して580 nm（黄色）から620 nm（橙色）近傍の範囲の光を生成し、ＧａＰ：ＮＯ ＬＥＤは緑色光を生成し、また、最近登場したＧａＮ ＬＥＤは400 nm近傍（紫色）で発光することがわかった。
【０００４】
しかしながら、このような材料の使用によって、ＬＥＤをシリコン装置に集積することができなくなる。これまで多くの試みがシリコンＬＥＤを製造するのに行われてきたが、シリコンＬＥＤの変換効率は多くの用途について許容できないほど小さい。シリコン装置の変換効率は通常0.001％程度であり、最高性能のシリコン接合装置0.01％程度の変換効率に達している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書で行う文献、技術、材料、装置、論文等に関する記載は単に本発明の内容を提供する目的で行うものである。それが例え、本出願の優先日前に存在したとしても、それらのいずれか又は全てが従来技術の一部を形成するととってはならないし、本発明に関連する分野の共通の知識であると介してはならない。
【０００６】
本明細書を通じて、“備える”との語又は“備え”若しくは“備えて”のような変形は、述べた要素を一体として又は段階的に、又は要素のグループとして含むことを意味しており、他の要素を排除するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一の態様は変更可能な発光特性を有する発光装置であって、
ｐｎ接合への電流の付与によって発光するｐｎ接合を備えた発光部と；
発光部の発光特性を変更するために発光部に電界を印加する手段と；を備えた発光装置を提供するものである。
【０００８】
変更可能な発光特性を有する発光装置を提供することによって、本発明は、、単体の装置で光信号の生成及び変調の両方を可能とする。これは、例えば、このような装置を集積回路に集積する際の物理的サイズを考えると、装置上重要である。さらに、このような物理的サイズの問題を緩和することによって、本発明は、大きなサイズの装置を製造する際に、このような装置の発光部を低めの量子効率を有する材料で作製して、十分な強度の出力を維持することが可能となる。例えば、このような装置の発光部及びｐｎ接合はシリコンから成ってもよい。ＳｉはＧａＡｓより量子効率が低いが、大きめのＳｉ発光装置は、比較的小さいＧａＡｓ装置と同程度の光強度を提供する。さらに、Ｓｉはシリコン集積回路に集積するのに特に適した材料である。装置の発光部は代替としてＳｉＧｅ等の材料から成ってもよい。
【０００９】
本発明の一の態様の装置の発光部は、量子閉じ込め効果が生じるのに十分薄い薄層を備えるのが好ましい。例えば、この薄層は量子井戸を備えてもよい。このような実施形態では、電界を印加（付与）する手段は、電界が、層で画定される平面に対して実質的に直交して薄層に印加されるように配置されているのが好ましい。このような方向付けにおいて、電界によって、シリコン薄層の吸収及び発光特性の大きな量子閉じ込めシュタルク効果変調が可能となり、それによって、ピーク発光波長と所定波長における発光強度の変調が可能となる。しかしながら、発光部の発光特性の変調は、その面に対する実質的な直交とは異なる方向で発光部に電界を付与することによって実施してもよい。薄層は、量子井戸を有する結晶シリコン層を備えてもよい。
【００１０】
代替として、発光部は、量子閉じ込めシュタルク効果を実現するために最大の厚さより大きい厚さを有する層を備えてもよい。このような実施形態では、電界の印加が、フランク−ケルディッシュ効果による発光部の発光特性を変調する起因となってもよい。
【００１１】
本発明の第２の態様では、発光ダイオードからの発光を変更する方法であって：
ダイオードの発光特性を変更するために発光ダイオードに電界を印加する段階を備える。
【００１２】
これまで、光変調スキームは２個の独立のコンポーネントすなわち、光源及び変調器から成ることが多かった。光は発光ダイオードのような光源で連続的に生成され、次いで、変調器を通して光を連続的に許容するか又は光のさらなる通過を阻止するかいずれか制御していた。このようなシステムは、２個のコンポーネントのそれぞれのための独立の物理的領域を必要とし、チップスペース要求を増大する。代替として、ＬＥＤは単にｐｎ接合をオン及びオフにすることによって変調器として使用してもよいが、ＬＥＤ材料の再結合時間のために、このような変調を例えば、MHz以下の低い周波数への適用に制限していた。
【００１３】
しかしながら、ダイオードの発光特性を変更するために、量子閉じ込めシュタルク効果、フランツ−ケルディッシュ効果等を利用するためにＬＥＤに電界を印加することによって、本発明は独立した変調器の必要性を回避し、ひいてはチップスペースを分離する必要性を回避し、さらに、変調技術を用いて、例えば、数10若しくは数100 GHzの高スイッチング速度を可能としている。
【００１４】
このような技術は、（大きな再結合時間を有する）高品質シリコンの使用が所望され、また、所定の電力を生成するために比較的大きなバルクのシリコンを必要とするシリコンダイオード製品において特に有効である。独立した変調器を有するチップスペース問題を緩和することによって、また、スイッチング速度に対する再結合時間の交換（取り決め）を回避することによって、本発明は、適当な出力強度レベルを提供する高品質（かつ高再結合時間）材料を有するシリコンＬＥＤを提供し、高速度スイッチングを可能とする。
【００１５】
従って、本発明の好適な実施形態では、バルク再結合を低減するのを補助するために、装置の発光部を、高励起キャリヤ寿命を有する材料から成る。
【００１６】
発光ダイオードは薄層量子井戸を備え、電界をその量子井戸に印加することによって、量子閉じ込めシュタルク効果による量子井戸の発光特性の変更する。このような実施形態では、薄層で定義される面に実質的に直交する方向に電界を印加するのが好ましい。
【００１７】
また、発光ダイオードを量子閉じ込めに要するよりも厚くした場合でさえ、ダイオードに適当な電界を印加することによって、フランツ−ケルディッシュ効果によるダイオードの発光特性において十分な変更を生成し、装置の発光の測定可能な変調を提供する。
【００１８】
発光ダイオードは、結晶シリコン、ＧａＡｓ又は、発光ダイオードとして作動するのに適し、電界吸収効果、すなわち電界の印加によって変化する吸収・発光特性を示すのに適した他の材料から成ってもよい。
【００１９】
装置の発光部が量子閉じ込めを示す結晶シリコンの薄層から成る実施形態では、装置は導波路エッジ発光装置であるのが好ましい。このような装置では、導波路は、シリコン層内で生成した光がシリコン層内で伝搬しシリコン層から横方向に、
【００２０】
このような実施形態は、導波路に沿った光強度の加重を可能とし、これによって、シリコンの比較的低い固有量子効率にもかかわらず、適当なレベルで出力光強度を得ることができる。このような実施形態では、装置の最大の寸法は半導体材料の通常の拡散距離より小さいままであることが望ましい。もちろん、シリコン層は量子閉じ込め効果を示すのに十分に薄いところで、シリコン層の厚みは拡散距離よりかなり小さい。例えば、シリコン層は量子閉じ込め効果を示すために、シリコン層は最大20 nmであり、実施形態によっては、2 nmである。シリコン層の層厚は、所望の発光周波数で導波路の性能を最適化するように選択してもよい。
【００２１】
バルク及び集積エッジシリコン発光装置の両方を製造され、エッジ発光構造に関するダーク飽和電流密度における増大は、そのようなエネルギーで発光波長が短いこと及びフォトン状態の占有の確率が高いことによってある程度オフセットされている。本発明の実施形態は、暗飽和電流密度に対する表面の寄与を制御するために選択された酸化物及び／又はドーピング領域を備えてもよい。さらに、本発明の実施形態は、シリコン発光装置を集積回路に集積する際に特に好都合である。
【００２２】
代替として、装置は、装置の発光部と光が発光（放射）される領域との間に透明層を備えてもよい、バルク又は集積の形の表面発光装置であってもよい。例えば、表面発光装置は、発光領域上に透明シリコン酸化物層を、シリコン酸化物層全面に電界を印加するために透明電極を備えてもよい。代替として、電界を印加するために非透明電極を、電極による発光部のシェーディング（陰を形成すること）を制限するために、グリッドパターンのように、発光部全面に疎らに配置されてもよい。
【００２３】
ｐｎ接合のｐ及びｎ領域にバイアスをかけるために備えたコンタクトは、発光層の反対側の側方エッジに配置するのが好ましい。この特徴は、集積型のような形で層が非常に薄いところ、場合によっては、バルク領域発光装置として作用するように層が比較的厚いところの両方で好ましい。このような実施形態では、ｐ及びｎコンタクトは装置の発光領域を陰にしないものであり、そのため、ｐ又はｎコンタクトが装置の発光領域上に位置する配置の場合を越える改善された発光効率を提供する。高濃度ｐ＋ドーピング領域は金属ｐコンタクトに近接して備え、高濃度ｎ＋ドーピング領域は金属ｎコンタクトに近接して備えるのが好ましい。さらに、ｎ＋又はｎ＋／固有（イントリンシック）アモルファスシリコンをｎ＋領域の代わりに備えてもよく、又は、ｐ＋又はｐ＋／固有（イントリンシック）アモルファスシリコンをｐ＋領域の代わりに備えてもよい。このようなアモルファスシリコン領域は金属導体に良好な伝導度を維持させ、良好な表面界面を備えることを可能となる。
【００２４】
シリコン量子井戸層の下の層は、意図した方向の発光から離れて発光された光を意図した方向に反射するように反射材料から成ってもよい。例えば、誘電体／金属反射層結合は、発光が望まれる表面から内的に光を反射するために備えてもよい。
【００２５】
量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と電界制御変調又はスイッチングを利用する本発明の実施形態は非常に有効なポテンシャルを有する。というのは、ＱＣＳＥは、少なくともピコ秒スイッチングインターバル（数10 GHz）までの固有の制限がないので非常高周波数での応用が可能だからである。実際、外部電源回路のキャパシタンス及び抵抗においてもスイッチング制限があると思われる。反対に、通常のＬＥＤのスイッチング速度はバルク材料の再結合時間によって制限され、高パフォーマンスシリコンＬＥＤのスイッチング製品を数100 kHzに制限する。不純物導入された高速（であるが低効率）ＬＥＤは低減された再結合時間を有し、大きなMb/sまでのスイッチング速度を提供することができるが、これは、量子閉じ込めシュタルク効果スイッチングによって提供されるものよりもまだかなり遅い。
【００２６】
本発明の第１及び第２の態様の好適な実施形態では、所望の周波数の放射率を増大するために、装置が光を放出する表面上に反射防止コーティングを備える。
【００２７】
第３の態様では、本発明は、シリコンウェハー基板を用いて形成されたシリコン発光装置に属し、金属コンタクトを備える。ここで、金属コンタクトは、小さな局所的なコンタクト領域から離間した絶縁誘電体によって基板から絶縁されている。基板からの金属コンタクトの絶縁は、金属−半導体再結合を低減する補助をする。
【００２８】
例えば、本発明の第１及び第２の態様の実施形態では、金属コンタクトは、シリコン酸化物層を基板全面に備えた後に形成されるのが好ましく、それによって金属コンタクトを基板から絶縁する。
【００２９】
第４の態様では、本発明は、表面再結合を最小にするために表面領域におけるキャリヤ濃度を制御するための手段を備えたシリコン発光装置に属する。キャリヤ濃度を制御するための手段は、制御されたドーピングレベルを有する表面に近接してシリコン装置の領域を備えてもよい。代替として又はそれに加えて、キャリヤ濃度を制御するための手段は、覆っているヘテロ構造のような静電的手段を備えてもよい。
【００３０】
本発明の第４の態様の好適な実施形態は、拡散長の数分の一もある装置厚を有してもよい。装置厚を増大すると、発光出力がほぼ線形に増大し、装置厚よりも表面再結合に大きく依存するダイオード暗飽和電流密度についてはわずかな増大にしかならない。拡散長よりも長い厚さでは、パフォーマンスは低下し始める。しかしながら、本発明の実施形態は、多重（マルチ）接合装置を形成する多重層を有し、拡散長より大きな全装置厚を提供する。もちろん、装置が量子閉じ込め効果をサポートする厚さである実施形態では、装置厚は拡散長よりかなり小さい。
【００３１】
本発明の第５の態様では、本発明は、比較的低濃度にドーピングされたバルク領域を備えたシリコン発光装置に属し、装置は比較的小さい量の比較的高濃度のドーピングシリコンしか備えない。
【００３２】
第６の態様では、本発明は、金属コンタクトを備えたシリコン発光装置を製造する方法に属し、この方法は、金属コンタクトの領域を最小にする段階を備えている。金属コンタクトの領域を最小にすると、金属コンタクトの近傍に表面再結合は最小になる。例えば、装置の発光部が導波路として作用する本発明の第１及び第２の態様の実施形態では、ｐ及びｎ金属コンタクトは、発光部の側方エッジに沿って限定された数の位置においてのみ配置した小さな金属コンタクトを備えてもよい。キャリヤが導波路に沿って進むので、表面再結合は、位置の数の限定と各コンタクトの全表面領域の限定とによって制限される。
【００３３】
第７の態様では、本発明は、装置の非接触表面領域をパッシベートする段階を備えたシリコン発光装置の製造方法に属するものである。パッシベーション段階は、表面酸化層のような表面全面にヘテロ構造を形成することを備えてもよい。代替として又は付加として、パッシベーション段階は、多結晶層、マイクロ結晶層及び／又はアモルファスシリコン層等の堆積を備えてもよい。
【００３４】
本発明の第７の態様の好適な実施形態では、十分高いレベルの表面パッシベーションを備え、擬フェルミポテンシャルを装置全体にわたってほぼ一定にすることができる。従って、発光部が導波路の側方エッジに沿って少数の離散的位置でだけｎ及びｐコンタクトを有する導波路として作用する本発明の第１及び第２の態様の実施形態では、各コンタクト間の導波路のエッジ部は、発光部上にシリコン酸化物のような透明誘電体層を備えることによってパッシベートされるのが好ましい。同様に、発光部はパッシベーション層上に形成されているのが好ましく、パッシベーション層は発光部上に形成されているのが好ましい。
【００３５】
第８の態様では、本発明は、サブバンドギャップ吸収をエンハンスするためにシリコンの欠陥を導入する段階を備えたシリコン発光装置を製造する方法に属するものである。当然、サブバンドギャップ吸収のエンハンスメント（強調）はエンハンスされたサブバンドギャップ発光に対応する。シリコンの欠陥を導入する段階は、所望の発光波長に対応するバンドギャップにエネルギー状態を形成するために欠陥を形成することを備えてもよい。例えば、1.55μｍでの発光は光通信システムにおいて望ましく、適当なシリコンの欠陥の導入によって、適当な発光波長を有し、重要なことにはこのような波長で比較的高いはっ高効率を有するシリコン装置を提供するものである。
【００３６】
本発明の第８の態様の実施形態において導入されたシリコンの欠陥は、欠陥レベルのエネルギーに最も近いバンドからのキャリヤが欠陥エネルギーへ又は欠陥エネルギーから迅速に遷移を生じ、他方、他のバンドへの遷移又は他のバンドからの遷移は比較的遅く放射が効率的であるようになされている。このような実施形態は、欠陥の占有はより近いバンドの占有によって支配され、他のバンドの放射発光がバンド−間発光に関しては電圧に従って指数的に増大することが保証されているのが好ましい。導入される欠陥は、周期表のIV群からＧｅを備え、又は、III群から若しくはV群からドーパントを備えるものでもよい。特に、導入される欠陥はバンドギャップ内で比較的深く状態を生じるためにインジウム及びタリウムのようなドーパントを備えてもよく、又は、導入される欠陥は、例えば、エルビウム（Ｅｒ）若しくはイッテルビウム（Ｙｂ）の希土類金属のような電子をより固く束縛する欠陥を備えてもよい。Ｅｒは特に光通信用途において適当であり、しばしば、1.55μｍに近い吸収ピークを示す。導入された欠陥はこのようなドーパントの組合せを備えてもよく、さらに、希土類ドーパントの組合せは吸収プロセスの効率を増大してもよい。付加的に若しくは代替として、導入された欠陥はこのような転位のような欠陥を備えてもよい。
【００３７】
第９の態様では、本発明は、所定の方向に発光を方向付けるためのジオメトリを有する発光表面を備えたシリコン発光装置に属する。本発明の第９の実施形態は光通信システムにおいて特に好都合である。発光表面ジオメトリは、発光面を傾斜することによって、又は、回折効果を生じるように周期的構造を用いることによって形成してもよい。第９の態様の好適な実施形態では、表面ジオメトリは装置からの発光をエンハンスするのにも役立つ。
【００３８】
第９の態様では、本発明は、吸収を改善するために装置内の光の伝搬を制御するように構成された表面ジオメトリを有するシリコン発光装置に属する。表面のジオメトリは、長い波長の光、例えば、1000nmより長い波長の光の伝搬を改善するように構成されているのが好ましい。
【００３９】
本発明の第９の態様の好適な実施形態は、装置の一又は二以上の面を加工（テクスチャー）することによって形成した表面ジオメトリを有する。テクスチャード表面ジオメトリは、例えば、異方エッチングに曝された（１００）方向ウェハー表面に存する（１１１）等価結晶面を備えてもよい。本発明の第１０態様の他の実施形態は、識別できる位置で結晶的特徴を有する表面ジオメトリを備えてもよい。このような位置はフォトリソグラフィによって制御してもよいし、又は、ランダムな核形成から形成してもよい。
【００４０】
発光装置が特定範囲のエネルギー若しくは発光角に密集（集中）された発光を有するようにされた本発明の第１０の態様の実施形態では、装置は、このような特定のエネルギー若しくは発光角に吸収（と発光）を最大化するように構成された表面ジオメトリを有してもよい。
【００４１】
第１１の態様では、本発明は、発光ダイオードとしての反対の作動のために高い光吸収を有するシリコン装置を作製する段階を備えたシリコン発光ダイオードを製造する方法に属するものである。
【００４２】
シリコンソーラーセルのような高い光吸収を有するシリコン装置に関連して開発された技術及び特徴がシリコンＬＥＤのような高効率シリコン発光装置の構成に応用可能であることはよくあることを理解されたい。従って、シリコンＬＥＤの効率の大きな改善は、発光が最適化された吸収エンハンスメント技術を用いることによって達成される。
【００４３】
第１２の態様では、本発明は：
変調されるように光の通路に配置された量子閉じ込め効果を示すシリコン薄層と；
量子閉じ込めシュタルク効果によってシリコン層のバンドギャップを変更するためにシリコン薄層に電界を印加する手段であって、光がシリコン層で吸収されるか、シリコン層を透過するかいずれかに制御する手段と；を備えた光変調器を提供する。
【００４４】
第１３の態様では、本発明は：
光の通路に量子閉じ込め効果を示すシリコン薄層を配置する段階と；
量子閉じ込めシュタルク効果によってシリコン層のバンドギャップを変更するためにシリコン薄層に電界を印加する段階であって、光がシリコン層で吸収されるか、シリコン層を透過するかいずれかに制御する段階；を備えて光変調器を製造する方法を提供する。
【００４５】
量子閉じ込め構造がシリコンから成ることが実現される。本発明の第１２及び第１３の態様は、シリコン層を通過する光を変調する際に量子閉じ込め効果を利用する変調装置を提供する。量子閉じ込めシュタルク効果によって、電界の印加の際にシリコンのバンドギャップの変更を引き起こすので、このような装置は特定の周波数の光の変調に適用できる。このような周波数は、電界を印加するか否かに依存して、シリコンによって吸収されるかシリコンを通過するかいずれかの周波数である。さらに、本発明の第１２及び第１３の態様は、バルクの形か集積の形のいずれかのシリコン集積回路上にシリコン量子閉じ込めシュタルク効果光変調装置を集積する際に特に好都合である。
【００４６】
本発明の第１から第１３の態様の２又は３以上の態様の特徴を備えてもよい。
【００４７】
第１から第１３の態様のいずれかのシリコン発光装置はシリコン発光ダイオードであり、光カプラー等であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明の好適な実施形態を添付図面を参照して例示のために以下に記載する。
【００４９】
本発明に対応するエッジ発光シリコン装置１０を図１に示す。この装置は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術を用いれば容易に得られる特徴である埋込タイプのシリコン酸化物誘電体層１２を用いる。このアプローチの利点は、可能な小さな装置断面積であり、シリコン層１１と誘電体層１２及び１３（通常はシリコン酸化物）との間の高屈折率ステップのために可能となった優れた光閉じ込めが期待でき、標準シリコン集積回路に組み込むのに適していることである。
【００５０】
頂部シリコン層１１が通常のＳＯＩ技術の場合のように約200 nm厚より薄ければ、単一の光導波路モードだけが長軸方向（すなわち頁に対する直交方向）で図１に示した層１１によってサポートされている。現在のリソグラフィック法は側方寸法にわたっても同様な制御が可能である。ｎ＋ドープ領域１４及びｐ＋ドープ領域１５における少数キャリヤ拡散長は所望のドーピングレベルで1μｍよりかなり小さく、これは、これらの領域の小さな一部が電子的にアクティブであることを意味する。これより大きな領域は単に各金属コンタクト１６及び１７への電気的接触材料として作用する。最大のパフォーマンスのためには、埋込酸化物(BOX)層１２は基板への光カップリングが防止されるリーズナブルな厚さであることである。自由キャリヤによるドープ領域における屈折率の減少は、伝搬波を高ゲイン領域へ閉じ込めるのに役立つ。
【００５１】
このアプローチについての変形例を図２に示す。リブ導波路アプローチの使用によって、シリコン層２１の層厚が図１について先述したような層１１よりかなり大きい場合でさえ、頁に対する直交方向に単一モード光波伝搬を可能となる。付加的な利点として、ドープ領域（図２の符合２８及び２９）におけるＳＯＩ層を10 nm以下の厚さまで薄くし、これによる電子閉じ込めがバンドギャップを増大することが可能である点である。これは、バルクの場合と比較してこれらの領域における再結合を低減する方法を提供するものである。
【００５２】
このような装置の出力を変調してもよい。図１で示したような装置の変調技術は、図３に視覚的に示したような量子閉じ込めシュタルク効果に基づいている。本質的に、量子井戸に垂直に印加する電界によって光吸収についてのしきい値を下げる。左側に示した井戸は電界がなく、バンドギャップｈｆ１を有する。右側で示した井戸には、バンドギャップをｈｆ２へ変える電界が存在する。このような井戸は、それに印加される電界を変調することによって発光される光に対して透明か不透明かいずれかに作製することができる。
【００５３】
従って、図１で示した装置のシリコン層１１が十分に薄く、量子井戸として作用するところでは、層に直交して適当な電界を印加することによって装置１０の発光を変調することができる。しかしながら、従来式の集積ではかなりのチップ面積を要する。従って、発光と変調の両方を一の装置に組み込んだ装置構造６０を図４で示した。
【００５４】
閉じ込めによる吸収の間の運動量保存の条件の緩和の結果として可能であるものだが、これらの量子井戸装置が匹敵する厚さのバルクシリコンより強い吸収を示すという証拠がある。
【００５５】
この装置は、量子井戸シリコン薄層６１、シリコン酸化物誘電層６２及び６３、ｎ＋ドープ領域６４及びｐ＋ドープ領域６５、金属導体コンタクト６６及び６７を含む。装置６０はさらに、層６１の面に直交して電界を印加するために、及び、シリコン層６１から誘電的に絶縁された、それぞれゲート及びソースを備えた２つのコンタクト６８及び６９を含む。（好都合でありかつ興味深いことには、装置６１は標準のＭＯＳＦＥＴと同様の構造を有するが、反対の極性のドレインを有する。）ゲート６８に電界を印加することによって、ピーク発光波長及び装置６１のこの波長での発光強度を変えることができ、新規で小型の変調アプローチを提供する。
【００５６】
シリコンＬＥＤ出力を変調するためにシュタルク効果の利用を提案すること自体が新規である。というのは、シリコンは他の共通の半導体材料上には成長しないので高品質のシリコン量子井戸を準備することが難しいという理由等のために、量子閉じ込め構造にシリコンを用いることを考えることが通常ではないからである。図４の構造はさらに、シリコンＭＯＳＦＥＴに対する物理的類似性のためにシリコンチップに集積することは非常に容易である。ゲート６８に電圧を印加することによって、装置の出力を変えることが可能である。
【００５７】
さらに、シリコン層６１は量子閉じ込めのために必要とされるより厚いかもしれないが、フランク−ケルディッシュ効果によって出力を変調することが可能となる。
【００５８】
この数10年間にわたる研究によって、シリコンからのかなりの発光によって、完全なオプトエレクトロニクスシステムをシリコンマイクロチップに集積することを可能とするアプローチが見つかった。しかしながら、シリコンの間接バンドギャップは、シリコンｐ−ｎ接合ダイオード内に流れる電子を発光フォトンに変換するという期待を低減させている。これによって従来のアプローチでは高効率シリコン光放射体を製造するのに失敗してきた。シリコン発光ダイオードの新規の部類は、最高の化合物半導体装置を除いた装置のものと匹敵する高い発光効率を示すものである。光吸収をエンハンスするために装置ジオメトリをパターニングすること、及び、大きく向上したパフォーマンスの実験装置において寄生非放射再結合を最小化することが実証されている。
【００５９】
改良された装置はシリコンから弱いサブギャップ発光するという利点がある。この光の生成には、そのフォトンと共に一又は二以上のフォノンの放射が必要となる。
【００６０】
新らしい装置は、間接バンドギャップの欠点を相殺するために電子材料としてシリコンの強度を利用する。新らしい装置は、以下の特徴の全て又はいくつかを含む；
ダイオード内の光の通過を制御して長い波長で吸収及び発光を増大するために表面ジオメトリを利用すること；
発光が望ましくない面から発光する光を再利用する効率的な誘電金属反射器（リフレクタ）を使用すること；
所望の発光波長での発光を増大するために反射防止コーティングを利用すること；
バルク領域でのドーピングを低く維持し、装置内で高濃度にドーピングする材料の量を低く維持することによって、装置内の寄生光吸収を低減すること；
サブバンドギャップ吸収及び発光をエンハンスするために装置内に選択された欠陥を導入すること；
コンタクト領域における表面再結合を最小にするために装置への金属コンタクトの面積を小さくすること；
表面酸化物層によって形成されるようなヘテロ構造を用いること、及び、多結晶、微（マイクロ）結晶、アモルファスシリコン又はそれに関連する層の堆積によって、装置の非接触表面領域をパッシベート（パッシベーション化）すること；
ドーピングのような手段によって、又は、被覆するヘテロ構造の使用の使用のような静電的手段によって、接触領域及び非接触領域の両領域において低い再結合率を保証するために表面領域におけるキャリヤ濃度を制御すること；
装置内の高励起キャリヤの寿命の維持によって装置内のバルク再結合を減少すること；
金属−半導体再結合を低減するために基板から金属コンタクトを絶縁すること。
【００６１】
表面及びエッジ（端面）発光ダイオード構成の両方にこのアプローチを適用可能である。
【００６２】
図５に、本発明により製造された表面発光装置を示す。最高のパフォーマンスのためためには、この装置は、フロートゾーン式又は磁気的閉じ込めチョクラスキー式結晶成長法によって準備された高キャリヤ寿命シリコンウェハーから作製されるものである。片面又は両面が、元々は（１００）方向を向いたウェハー面において（１１１）等価結晶面を露出するために異方性エッチングを用いてテクスチャーされているのが好ましい。結晶の特徴の配置はフォトリソグラフィを用いて制御してこれらの特徴を画定（定義）することもできるし、又、それらはランダムに核形成することもできる。装置はフォトリソグラフィを用いて両面で選択的に拡散して拡散領域の配置を画定される。装置を完全に覆い隠す酸化膜を通ってエッチングされたコンタクトホール又はスロットを介して、拡散領域への電気的コンタクトが形成される。金属パターンニング及び位置合わせはフォトリソグラフィ法を用いて行われる。最後に、所望の発光波長での反射を最小にするために、反射防止膜を堆積する。
【００６３】
装置における反射パッシベーションを高レベルにし、キャリヤ寿命を長くすると、キャリヤ擬フェルミポテンシャルは、作動条件のリーズナブルな範囲にわたって装置全体でほぼ一定である。ヴェフェル（Wurfel）（P. Wurfel、“The Chemical Ptential or Radiation”, J. Phys. C: Solid State Phys., 15 (1982) 3967-3985)）が教示するように、これは、装置内の再結合により生成されたｑＶ（ｑは電荷、Ｖは装置に印加された電圧）に等しいフォトンに化学ポテンシャルを付与するものである。単位面積、単位立体角及び／又は単位エネルギーあたりの面からのフォトン発光率は、プランクの発光式の変形によって与えられる：
【数１】
2004527921.tif 000003
ここで、ｈ、ｃ及びｋは周知の物理定数であり、Ｔは装置温度である。Ａ（Ｅ）は、装置の吸収率又はそれと等価なものであり、そのエミッタンスは入射角に依存するものであり、は以下の式で与えられる平衡フォノン占有確率関数である：
【数２】
2004527921.tif 000004
ここで、αVCはバンド間吸収の吸収係数であり、αFCは自由キャリヤ吸収及び完全反射率ではないことに起因する金属コンタクトにおける吸収を含む有効トータル寄生吸収係数である。また、Ａ（Ｅ）がバルク領域における吸収に寄与できる吸収率のその一部であるならば、αFCは自由キャリヤ及び他の寄生バルク吸収プロセスを表す。この後者の式は、高発光率に対する要求（条件）が、バルク過程による装置吸収のほとんどについて、寄生バルク吸収に対するバンド間吸収の比が高いことであることを示している。
【００６４】
この式を用いると、所望の発光特性について要求される特徴を決定できる。特定の範囲のエネルギー又は発光角に集中した発光について、吸収率は、所望エネルギーの入射光又は入射角に対して強いピークが必要である。全エミッタンスを最大にするために、吸収率は、できるだけ小さい装置内での寄生光吸収率と共に、発光エネルギー及び角度の範囲全体にわたってできるだけ大きいこと必要である。表面ジオメトリはこの出力をエンハンスするために利用することができる。
【００６５】
入射光が表面ジオメトリによって装置内において大きな光路長Ｐを有するときの吸収率Ａについての適式は以下のように表される：
【数３】
2004527921.tif 000005
ここで、Ｒfは装置の正面からの反射率であり、αは全吸収係数である。大きな光路長が装置内の光の方向をランダム化することによって得られるとき、Ｐ＝４ｎ２Ｗである（ここで、ｎは対象とするフォトンエネルギーについての屈折率であり、Ｗは装置の厚さである。）。Ｒfが低く、Ｗが大きいときは発光が増大する。４ｎ２の因子は光のランダム化による光路長エンハンスメント因子であり、長波長での高いＡの値を得る方法としてランダム化の重要性を強調するものである。
【００６６】
金属吸収による損失は、前述のように分散した吸収係数を割り当てることによって分析に導入することができる。例えば、図５の背面反射体に対して、（−ln（Ｒｂ）／４Ｗ）に等しい吸収係数を、関連する光損失を説明するために割り当てることができる。ここで、Ｒｂは背面反射率である（平均光線は装置間及び背面にわたって４Ｗの光路長を有するので）。
【００６７】
装置の変換効率は、ダイオードに対して供給される電力に対する発光する光のパワーの比である。理想的には、装置の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）関係は以下の理想的なダイオードの法則によって与えられる：
【数４】
2004527921.tif 000006
ここで、Ｉ０１はダイオードの暗飽和電流であり、温度Ｔが300Kに等しいときは、ｋＴ／ｑは“熱電圧”であり、25.852meVに等しい。Ｖが大きい時は、この式によれば、電圧の増大に従ってほぼ指数関数的に電流が増大する。式（１）及び（２）によれば、発光する光強度は同様な増大をする。ある電流範囲にわたって、ダイオード電流に対して発光される光強度の比はほぼ一定のままである。これは、外部量子効率（ＥＱＣ）、ダイオードに電流として供給される電子数に対する発光するフォトン数の比として測定される。このパラメータについて0.1％を超える値は、新しいアプローチによって最初にシリコンダイオードについて証明された。電力変換効率は、ダイオードに供給される電力に対する発光する光のパワーの比である。現存の高パフォーマンスシリコン装置について、これは低電圧では最適であり、ＥＱＣより高く、室温から遠くない温度でシリコンに対して最初に1％を越える値に達したものである。、
【００６８】
図６は、３個の装置に対する測定されたパワー及び量子変換効率を示すものである。非常に低い効率に対応する第１のものは、代表的な高品質シリコン装置、この場合、高パフォーマンスの市販のシリコンスペースセルと通常得られるものである。量子及び電力変換効率のいずれも低い（シリコン装置について典型的に報告される、0.001-0.01％の範囲）。中間の組の曲線は、図５のものと同様な装置であるば、吸収率及びエミッタンスを増大する表面特徴部なしの場合のパフォーマンスを示すものである。改善された電子的特徴は、ダイオード暗飽和電流密度を低減することによって、効率をこれまで報告されたもの（0.01-0.1％の範囲）より高い値に増大する。300Ｋで30-70ｆＡ／cm２程度の低い値は上述の方法によって可能となり、これまでのダイオード製造法よりはるかに低い。
【００６９】
第３及び一番上の曲線の組の効率は、表面テクスチャーを含む装置に対応するものである。この装置の効率は1％近傍でピークを有し、わずかに低い温度でこの値を超える。図７は、装置波長の関数としてフォトン発光の測定された強度を比較し、前述の理論と共に図６の結果を確認するものである。
【００７０】
新しい装置の一の可能な応用は光カプラーとしてである。光の良好なエミッター（発光体）になる装置の特徴は良好な吸収体になることでもあるので、同様な装置は発光及び検出の機構としても使用できる。図８は、このような組合せについての測定結果を示すものである。検出電流は、開発の現段階でのエミッター電流の約500分の1である。これはすでに、将来より高い値を付与するものとして期待されている上述の改良と共にこのような結合の使用に対して実用的な値である。
【００７１】
エミッター効率の改善の一方法は装置の厚みを増大することである。表面再結合がＩ０１に対して大きな成分を寄与するので、Ｉ０１の値は、発光される光の出力は線形に近い状態で増大するときに厚さの増大と共にゆっくりと増大する。その結果、装置は、パフォーマンスが低下し始めるときに拡散長より厚くなる。図９で示した多層ダイオードにおけるような多重接合の利用によって、装置のパフォーマンスを維持することができる。ここで、一又は二以上の付加的接合が図示したように装置に追加されたものである。特に、以下に議論するような中間ギャップ状態を生じる欠陥をドープされた材料のように、低再結合寿命時間の材料が用いられるときには、このアプローチは表面及びエッジ発光装置のいずれに対しても適用される。
【００７２】
対象の第２のジオメトリは図１０に示したようなエッジ発光構造である。装置の有効厚さＷは、開始基板のサイズ（例えば、シリコンウェハーなら30ｃｍ程度）だけで制限されているこの場合には非常に大きくてもよい。Ｌが大きいとピーク発光波長を短めになり、このような波長でのフォトン占有確率は高くなる。暗飽和電流密度がダイオードの面積が増大と共にＩ０１を増大しても、発光効率は高いままである。発光は、二又は三以上のフォノンを含む過程によって支配されるようになる。エッジエミッターはＩ０１を低減する方法について融通性を有し、表面発光ジオメトリに対して変動する程度に応用可能である。Ｉ０１に対する表面の寄与を制御するために、酸化物及びドーピングを利用するのと共に、アモルファス微（ミクロ）結晶又は多結晶シリコンを基にする他の表面パッシベーション及びコンタクト技術、又は、薄い界面層の形で若しくはＳＩＰＯＳ（semi-insulating polycrystalline oxide semiconductor：半絶縁多結晶酸化物半導体）におけるマトリックスのような酸化物と組み合わせた使用も適している。低濃度又は固有のアモルファスシリコンの界面層を有する高濃度ドープアモルファスシリコン層は特にこの役割に適している。
【００７３】
このジオメトリの発光エッジの片方若しくは両方のおいて簡単なジオメトリ構造を用いて、図１１で示したような特定の領域及び方向に出力をエンハンスするのに用いることができる。入射の特定の点及び方向に対して強く吸収するように装置を構成することによって、非常に長い光路長が実施可能である。例えば、図１４（ａ）のスキームは、サイズＤの出射瞳（孔）に入射する光が装置長に沿った多くの経路に対して装置に捕捉されるように拘束されることに基づいている。従って、光が装置内に行かせるように要求されたスキームにおける非対称性によって、光路がほどける。サイズＤが零に近づくと、可能な経路の数及び光路長Ｐが無限大になる。
【００７４】
報告されたこの装置構成及び他の装置構成について、Ｐの有効な値に限界がある。最高なものは、Ｐについて、所望の発光波長で組み合わされた装置の吸収率が１に近づき、可能な限り少ない寄生吸収となるほど十分に大きいことである。この波長での発光強度は理想的には、ダイオード温度での黒体についてのそれであって、ダイオード電圧によって指数関数的にエンハンスされているが、全吸収に対するバンド間吸収の比によって倍数されたものに近づく。Ｐを増大する努力は通常Ｉ０１の増大につながるが、最大の発光効率について最適な構成がある。
【００７５】
図１２（ｂ）で示したように、エッジの傾斜は指示された領域で表面発光装置の方向における光発光をエンハンスために利用することができる。図１２（ｃ）における平面図で示したように、ダイオードジオメトリ自体を用いて、同様な光路長エンハンスメントスキームを装備することができる。これは、ダイオードが続いて議論するようなマイクロチップに組み込まれ、光ガイドに対して光を供給するためにこれらのチップ等の上で使用されるときに、特に有効である。含まれる原理は45°傾斜に基づいたスキームを用いて焼成されているが、指示されるような光を捕捉するために同様なジオメトリスキームを導き出すことは簡単なことである。
【００７６】
発光波長全体にわたってのいくつかの制御が、前述のような技術によってダイオードの有効厚さを制御することによって可能である。しかしながら、このアプローチによって可能なものより長い波長、例えば、光ファイバー通信のための1.55μｍでの発光に興味がある。半導体ギャップにエネルギー状態を生成する欠陥を導入することによって、これが実現可能となる。新しいアプローチでは、このような装置の発光効率において対応して大きな進歩が可能となった。
【００７７】
欠陥の理想的な特性は、欠陥レベルエネルギーに最近接のバンドからのキャリヤが欠陥エネルギーへ又はその逆へ迅速に遷移させるものであり、他方、他のバンドへ又はその逆の遷移は比較的遅くかつ放射が効率的である。これによって、欠陥の占有はより近いバンドの占有によって支配され、バンド間発光について言えば、他のバンドへの放射的な発光は電圧に従って指数関数的に増大することが保証される。
【００７８】
欠陥の導入によって、ダイオードでの再結合が増大し、Ｉ０１を増大し、装置構成の変更を必要とする。これについての所望の結果は、低減するキャリヤの寿命によって迅速なスイッチング速度が可能となることである。特に重要な特徴は、前述のように吸収光路長の増大と、匹敵する吸収過程特に自由キャリヤの吸収の減少である。これらは、金属コンタクト領域を小さいままに、拡散された材料の堆積を低いままに、また、バルク領域におけるドーピングは低いままに保持することによって最小化し、装置表面に沿った金属コネクタからの反射を減少するために誘電的変位を利用する。
【００７９】
エッジ発光構造は最大の光路長エンハンスメント因子を可能とし、特に欠陥のある材料について特に適している。装置は、欠陥が減少したキャリヤの寿命によって含まれているときにはより薄くしなければならない。適当な欠陥は、シリコンと合金を形成しそのバンドギャップを低減する周期表の第ＩＶ属のゲルマニウムのようなものであり、ＩＩＩ属及びＶ属からのドーパントであって特にバンドギャップに比較的低い状態を生ずるインジウム及びタリウムのようなもの、及び、Ｅｒ、Ｙｂのような希土類金属やそれらの組合せのような電子をかなり堅く束縛している欠陥である。Ｅｒは1.55μｍに近い吸収ピークを有する。希土類の組合せは吸収過程の効率を増大し得る。転位のような欠陥は他の発光源である。
【００８０】
２つの部分的に補償する効果は、このような低エネルギー過程の発光効率に影響する。一方は、フォトン状態占有は、式（３）によって示したように、エネルギーが減少するほど急激に増大し、それによって効率を改善する。他方は、効率を減少するのＩ０１値の増大である。欠陥数をあるレベルまで増加することによって発光及びＩ０１を増大し、それによって、効率を欠陥の組合せの範囲にわたってほぼ一定にする。
【００８１】
前述のような離散的な（独立の）装置のように、新しい装置は集積回路内での使用に適している。これによって、装置の背面に接触する付加的な複雑さを導入し、この表面からの反射を高いままに保持する。これによって、平面図で図１２（ｃ）で示したような光路長エンハンスメントスキームを用いることができ、エッジ発光装置に対して如何なる問題をも生じない。側面図において、比較的標準的な集積回路処理技術によって、図１３（ａ）及び（ｂ）で示したような種々の可能性を可能とする。
【００８２】
出力は、シリコン、二酸化シリコン等の材料から成る導波路に供給することができる。前述の場合には、導波路は、それを図１３（ａ）及び（ｂ）で示したようなダイオードの形で備えることによって、アクティブに作製することができ、図１２（ｃ）におけるようなスキームを装備するために必要となる領域を低減し、又は、専用のダイオード領域に対する必要性は排除される。これまでの考察を、バンド端（エッジ）発光又は欠陥からの発光で作動する装置に適用する。
【００８３】
当業者ならば、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、特定の実施形態に示したように本発明に多くの変形及び変更が可能であることは理解できるだろう。従って、ここに示した実施形態は、全ての点で例示であって限定的なものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術を用いて集積に適した側面発光シリコンの側面概略図である。
【図２】ＳＯＩ技術に基づいて厚めのシリコン層に導波路を備えるためにリブ構造を有する他の側面発光シリコン構造の側面概略図である。
【図３】量子シリコン閉じ込めシュタルク効果の概略図である。
【図４】ＳＯＩ技術を用いた集積に適した発光及び変調の両方を提供するエッジ発光装置の概略図である。
【図５】本発明によるバルクシリコンウェハー内に作製される高効率シリコン発光ダイオードの概略図である。
【図６】図５で示した本発明の特定の実施形態についての外部量子効率（External Quantum Efficiency：ＥＱＥ）と電力変換効率（Power Conversion Efficiency：ＰＣＥ）のグラフである。
【図７】298 Kで130 mAバイアス電流のもとで図５のテクスチャード、プラナー及びベースラインシリコンダイオードについてのエレクトロルミネセンススペクトルを示すグラフである。
【図８】シリコンエミッター及びシリコン検出器を用いて光カップリング性能を示すグラフである。
【図９】パラレル接合多層発光装置の概略図である。
【図１０】エッジ発光ジオメトリを有するシリコン発光装置の概略図である。
【図１１】傾斜（面取り）エッジを有するエッジシリコン発光装置の概略図である。
【図１２】（ａ）シリコン発光装置の代替のジオメトリの概略図である。（ｂ）シリコン発光装置の代替のジオメトリの概略図である。（ｃ）シリコン発光装置の代替のジオメトリの概略図である。
【図１３】（ａ）マイクロチップ上に組み込まれたシリコン発光装置の側面図である。（ｂ）マイクロチップ上に組み込まれたシリコン発光装置の側面図である。
【図１】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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