(57)【要約】間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）は複数の部分を含み、前記複数の部分が、間接遷移型半導体のｐドープド部分（412）、間接遷移型半導体の真性部分（414）及び間接遷移型半導体のｎドープド部分（416）を含む。真性部分（414）がｐドープド部分（412）とｎドープド部分（416）との間に配置されて、ｐドープド部分（412）とｐ−ｉ接合部（430）を形成し、ｎドープド部分（416）とｉ−ｎ接合部（434）を形成する。ｐ−ｉ接合部（430）及びｉ−ｎ接合部（434）は、間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）が逆バイアスされる際に真性部分（414）で少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にし且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生成されるルミネッセンスを容易にするように構成される。【選択図】図１
2012521656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）であって、
複数の部分を含み、前記複数の部分が、
間接遷移型半導体のｐドープド部分（412）、間接遷移型半導体の真性部分（414）、及び間接遷移型半導体のｎドープド部分（416）を含み、前記真性部分（414）が、前記ｐドープド部分（412）と前記ｎドープド部分（416）との間に配置されて、前記ｐドープド部分（412）とｐ−ｉ接合部（430）を形成し、且つ前記ｎドープド部分（416）とｉ−ｎ接合部（434）を形成するように構成され、
前記ｐ−ｉ接合部（430）および前記ｉ−ｎ接合部（434）は、前記間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）が逆バイアスされる際に前記真性部分（414）において少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にし、且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生成されるルミネッセンスを容易にするように構成されている、間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項２】
前記間接遷移型半導体が、シリコン、ゲルマニム、及びシリコン−ゲルマニム合金からなるグループから選択される、請求項１に記載の間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項３】
前記シリコン−ゲルマニム合金の組成が、約８５０ｎｍから約１６００ｎｍの波長を有する光の生成のために前記シリコン−ゲルマニム合金のバンドギャップを提供するように調整されている、請求項２に記載の間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項４】
前記シリコン−ゲルマニム合金の組成が、約８５０ｎｍの波長を有する光を生成するように調整されている、請求項２に記載の間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項５】
前記ｐドープド部分（412）、前記真性部分（414）、及び前記ｎドープド部分（416）からなる前記複数の部分から選択された少なくとも１つの部分と光学的に結合された光収集器（478）を更に含む、請求項１〜４の何れかに記載の間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項６】
前記ｐ−ｉ接合部（430）が、前記少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を起こさせるように構成された第１の電場促進構造（436）を更に含む、請求項１〜５の何れかに記載の間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項７】
前記ｉ−ｎ接合部（434）が、前記少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を起こさせるように構成された第２の電場促進構造（432）を更に含む、請求項１〜６の何れかに記載の間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項８】
前記少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマが、前記ホットエレクトロンの前記正孔との直接再結合のためにホットエレクトロンの供給源を提供することによりルミネッセンスを容易にする、請求項１〜７の何れかに記載の間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）。
【請求項９】
組み合わされた間接遷移型半導体の発光ダイオード及び光変調器のデバイス（140）であって、前記デバイス（140）が、
光変調器（130）と集積化された間接遷移型半導体の発光ダイオード（120）を含み、前記間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）が、
複数の部分を含み、前記複数の部分が、
間接遷移型半導体のｐドープド部分（412）、間接遷移型半導体の真性部分（414）、及び間接遷移型半導体のｎドープド部分（416）を含み、前記真性部分（414）が、前記ｐドープド部分（412）と前記ｎドープド部分（416）との間に配置されて、前記ｐドープド部分（412）とｐ−ｉ接合部（430）を形成し、且つ前記ｎドープド部分（416）とｉ−ｎ接合部（434）を形成するように構成され、
前記ｐ−ｉ接合部（430）および前記ｉ−ｎ接合部（434）は、前記間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）が逆バイアスされる際に前記真性部分（414）において少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にし、且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生成されるルミネッセンスを容易にするように構成されており、
前記光変調器（130）が、前記複数の部分の少なくとも１つの部分から放出された光を変調するために、前記複数の部分の前記少なくとも１つの部分と光学的に結合されている、デバイス（140）。
【請求項１０】
前記間接遷移型半導体が、シリコン、ゲルマニム、及びシリコン−ゲルマニム合金からなるグループから選択される、請求項９に記載のデバイス（140）。
【請求項１１】
前記ｐドープド部分（412）、前記真性部分（414）、及び前記ｎドープド部分（416）からなる前記複数の部分から選択された少なくとも１つの部分と光学的に結合された光収集器（478）を更に含む、請求項９又は１０に記載のデバイス（140）。
【請求項１２】
前記光収集器（478）が、前記光変調器（130）と光学的に結合される、請求項１１に記載のデバイス（140）。
【請求項１３】
前記光変調器（130）が、マッハツェンダー干渉計を更に含む、請求項９〜１２の何れかに記載のデバイス（140）。
【請求項１４】
組み合わされた間接遷移型半導体の発光ダイオード、光変調器、及び集積回路のデバイス（101）であって、そのデバイス（101）が、
集積回路（101）と、
組み合わされた間接遷移型半導体の発光ダイオード及び光変調器デバイス（140）とを含み、前記組み合わされた間接遷移型半導体の発光ダイオード及び光変調器デバイス（140）が、
光変調器（130）と集積化された間接遷移型半導体の発光ダイオード（120）を含み、前記間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）が、
複数の部分を含み、前記複数の部分が、
間接遷移型半導体のｐドープド部分（412）、間接遷移型半導体の真性部分（414）、及び間接遷移型半導体のｎドープド部分（416）を含み、前記真性部分（414）が、前記ｐドープド部分（412）と前記ｎドープド部分（416）との間に配置されて、前記ｐドープド部分（412）とｐ−ｉ接合部（430）を形成し、且つ前記ｎドープド部分（416）とｉ−ｎ接合部（434）を形成するように構成され、
前記ｐ−ｉ接合部（430）および前記ｉ−ｎ接合部（434）は、前記間接遷移型半導体の発光ダイオード（401）が逆バイアスされる際に前記真性部分（414）において少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にし、且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生成されるルミネッセンスを容易にするように構成されており、
前記光変調器（130）が、前記複数の部分の少なくとも１つの部分から放出された光を変調するために、前記複数の部分の前記少なくとも１つの部分と光学的に結合されており、
前記光変調器（130）が、前記複数の部分の前記少なくとも１つの部分から放出された光を変調するために、前記集積回路（110）から信号を受け取るように構成されている、デバイス（101）。
【請求項１５】
前記集積回路が、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）シリコン集積回路を更に含む、請求項１４に記載のデバイス（101）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術の実施形態は概して、発光ダイオード（ＬＥＤ）の分野、及び集積回路（ＩＣ）間の光相互接続用の光出力ドライバとしてのＬＥＤの利用に関する。
【０００２】
背景
情報の流れ及び処理は、超小型電子回路が係る情報を処理する速度の増え続ける要求を生じさせる。特に、高帯域および高い周波数を有する通信チャネルを介した電子デバイス間の通信の手段は、これらの要求を満たすことに関して非常に重要である。
【０００３】
光チャネルを用いる通信は、これらの要求を満たすために科学工学団体の注目を集めた。しかしながら、主にIII−Ｖ属半導体化合物に依存する、光信号生成に使用される技術と、シリコンを用いた相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）集積回路（ＩＣ）に依存する、情報処理に使用される技術との間には、基本的な不適合性が存在する。超小型電子デバイスの極超大規模集積（ＵＬＳＩ）の開発に従事した科学者は、これらの本質的に異なる技術を融和するための手段を発見することに強い興味を持っている。かくして、研究専門の科学者は、これらの要求を満たすための新たな手法を積極的に追求している。
【０００４】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付図面は、説明と共に本技術の実施形態を例示し、本技術の実施形態を説明することに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本技術の実施形態における、組み合わされた間接遷移型半導体の発光ダイオード（ＬＥＤ）、光変調器および集積回路（ＩＣ）のデバイスの斜視図であり、間接遷移型半導体ＬＥＤが特定の有用性を満たす例示的な環境を示し、並びにデバイスの例示的な環境における間接遷移型半導体ＬＥＤ、光変調器およびＩＣの機能的な構成を更に示す。
【図２】間接遷移型半導体（例えば、ゲルマニウム）のブリルアンゾーンにおける[111]方向および[100]方向に沿った伝導バンドの電子（エレクトロン）および価電子バンドの正孔（ホール）の波数ベクトルの大きさの関数として、伝導バンドの電子および価電子バンドの正孔のエネルギーの分散関係を示し、本技術の実施形態の有用性を明らかにする、間接遷移により光子を生成するために電子の正孔との再結合も示すバンド図である。
【図３】本技術の実施形態において、間接遷移型半導体（例えば、ゲルマニウム）のブリルアンゾーンにおける[111]方向および[100]方向に沿った伝導バンドの電子および価電子バンドの正孔の波数ベクトルの大きさの関数として、伝導バンドの電子および価電子バンドの正孔のエネルギーの分散関係を示し、伝導バンドの底からブリルアンゾーンの中央のΓ点におけるバンド端において伝導バンドに位置する状態を占めるように促進された電子から直接遷移により光子を生成するためのホットエレクトロンの正孔との再結合も示すバンド図である。
【図４】間接遷移型半導体ＬＥＤの横断立面図であり、本技術の実施形態において、間接遷移型ＬＥＤが逆バイアスされた際に真性部分における少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にし且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生じるルミネッセンスを容易にするように、ｐ−ｉ接合部とｉ−ｎ接合部が構成されたｐ−ｉ−ｎダイオード構造のｐドープド部分、真性部分、ｎドープド部分、ｐ−ｉ接合部、及びｉ−ｎ接合部の機能的な構成を示す。
【０００６】
本説明において参照される図面は、特に言及される場合を除いて一律の縮尺に従って描かれていると理解されるべきではない。
【０００７】
実施形態の説明
さて、本技術の選び得る実施形態に対して詳細に言及する。本技術は、選び得る実施形態に関連して説明されるが、本技術をこれらの実施形態に限定することが意図されていないことは理解されるであろう。それどころか、本技術は、添付の特許請求の範囲により定義されたような本技術の思想と範囲内に含められ得る代替案、変形案、及び等価物を網羅することが意図されている。
【０００８】
更に、本技術の実施形態に関する以下の説明において、本技術の完全な理解を提供するために、多くの特定の細部が記載される。しかしながら、留意されるべきは、本技術の実施形態はこれら特定の細部を用いずに実施され得る。また、よく知られた方法、工程、及び構成要素は、本技術の実施形態を不必要に不明瞭にしないように詳細に説明されていない。
【０００９】
本技術の実施形態は、間接遷移型半導体の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。間接遷移型半導体ＬＥＤは、間接遷移型半導体のｐドープド部分、間接遷移型半導体の真性部分、及び間接遷移型半導体のｎドープド部分を含む複数の部分を含む。当該真性部分は、ｐドープド部分とｎドープド部分との間に配置され、ｐドープド部分とｐ−ｉ接合部を形成し、ｎドープド部分とｉ−ｎ接合部を形成する。ｐ−ｉ接合部およびｉ−ｎ接合部は、間接遷移型半導体ＬＥＤが逆バイアスされる際に真性部分において少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にし且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生成されるルミネッセンスを容易にするように構成される。
【００１０】
本技術の実施形態は、シリコンを用いた相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）の適合性ＬＥＤ構造を対象とする。ホットエレクトロン−正孔プラズマは、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造を逆バイアスすることにより生じる。Γ点における、ブリルアンゾーンの中央を占めるホットエレクトロンは、ホットエレクトロン−正孔プラズマを生成する伝導バンドの底からの電子の衝突イオン化により、及びホットエレクトロンと正孔との間のオージェ遷移により生じる。そして、光は、Γ点におけるブリルアンゾーンの中央においてホットエレクトロンの正孔との直接再結合により生じることができる。ホットエレクトロンの正孔との直接再結合は、間接遷移型半導体から作成され得るＬＥＤの間接遷移により生じた光に比べて、間接遷移型半導体ＬＥＤとしての本技術の実施形態に関して光またはルミネッセンスのはるかに効率的な生成という結果になる。かくして、専門用語「ホットエレクトロン−ルミネッセンスＬＥＤ」は、間接遷移型半導体ＬＥＤに関する本技術の実施形態を説明するために本発明者により作り出された。
【００１１】
さて、図１を参照すると、本技術の実施形態による、組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤ、光変調器および集積回路（ＩＣ）のデバイス１０１の斜視図１００が示される。また、図１は、組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤ、光変調器およびＩＣのデバイス１０１の、専門用語「チップ」により知られてもいる、間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０、光変調器１３０およびＩＣ１１０の機能的な構成も示す。図１は、間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０が特定の有用性を満たす例示的な環境を示す。特に、より詳細に後述される間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０に関する本技術の実施形態は、組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤ、光変調器およびＩＣのデバイス１０１、並びに組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤおよび光変調器のデバイス１４０の環境に適用し、当該環境内に組み込まれ得る。組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤ、光変調器およびＩＣのデバイス１０１は、ＩＣ１１０及び組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤおよび光変調器のデバイス１４０を含む。組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤおよび光変調器のデバイス１４０は、光変調器１３０と集積化（一体化）された間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０を含む。間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０は、間接遷移型半導体のｐドープド部分、間接遷移型半導体の真性部分、及び間接遷移型半導体のｎドープド部分を含む複数の部分（図１に示されていないが、図４に示されて図４の考察で後述される）を含む。当該真性部分は、ｐドープド部分とｎドープド部分との間に配置され、ｐドープド部分とｐ−ｉ接合部を形成し、ｎドープド部分とｉ−ｎ接合部を形成する。ｐ−ｉ接合部およびｉ−ｎ接合部は、間接遷移型半導体ＬＥＤが逆バイアスされる際に真性部分において少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にし且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生成されるルミネッセンスを容易にするように構成される。
【００１２】
図１を更に参照すると、本技術の実施形態による、光変調器１３０は、複数の部分の少なくとも１つと光学的に結合されて、複数の部分の少なくとも１つから放出された光を変調する。更に、光変調器１３０は、複数の部分の少なくとも１つから放出された光を変調するために、ＩＣ１１０からの信号を受け取るように構成される。図１に示されたように、光変調器１３０は、間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０の複数の部分の少なくとも１つから放出された光を変調するために信号を供給する信号線１３４と１３８を介して、ＩＣ１１０に結合される。図１において、当該信号線がＩＣ１１０の上に延びるように示され、及び光変調器１３０が間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０の上に位置するように示されているが、当該構成は実例として示されており、制限されない。その理由は、本技術の実施形態は、他の構成（例えば、光変調器１３０が間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０とＩＣ１１０との間に位置し、信号線１３４と１３８が光変調器１３０とＩＣ１１０との間に配置される）を本技術の思想と範囲内に包含するからである。また、間接遷移型半導体ＬＥＤ１２０から放出され、光変調器１３０により変調された後の、光子１５４により表された変調光信号を伝えるための光導波路１５０も図１に示される。
【００１３】
図１を更に参照すると、本技術の実施形態による、組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤおよび光変調器のデバイス１４０は、ＩＣ間を光相互接続するための光出力ドライバを提供する。かくして、組み合わされた間接遷移型半導体ＬＥＤおよび光変調器のデバイス１４０は、高速且つ高密度での情報処理の増え続ける要求に起因して、ラック（架）間およびチップ間の相互接続に関する通信帯域幅のボトルネックを克服するための解決策を提供する。本技術の実施形態に従って、光収集器が、ｐドープド部分、真性部分、又はｎドープド部分を含む複数の部分から選択された少なくとも１つの部分と光学的に結合され得る。代案として、光収集器が、ｐドープド部分、真性部分、及びｎドープド部分からなる複数の部分から選択された少なくとも１つの部分と光学的に結合され得る。更に、光収集器は、光変調器と光学的に結合され得る。光変調器は、マッハツェンダー干渉計を更に含むことができる。ＩＣがモノリシックのシリコン（Ｓｉ）ＩＣ技術に基づいた相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）シリコン集積回路を含むことができるので、本技術の実施形態は、最低限でもモノリシックＳｉのＩＣ製造技術と連係して利用することが困難である製造プロセスを使用するIII−Ｖ族化合物材料の使用を避けることにより、従来のＬＥＤを製造するために使用されるIII−Ｖ族化合物（例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）など）に基づいたＬＥＤを使用することを企図する際に生じる適合性の問題を解決する。しかしながら、本技術の実施形態を用いずに、間接遷移型半導体（例えば、Ｓｉ、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及びＳｉ−Ｇｅ合金）による光の生成に関する再結合係数は一般に、次で説明されるように、ＧａＡｓのような間接遷移型半導体に比べて数桁小さい。
【００１４】
ここで、図２を参照すると、本技術の実施形態の有用性を明らかにするために、バンド図２００が示される。図２は、間接遷移型半導体のブリルアンゾーンにおける[111]方向２０６および[100]方向２０８にそれぞれ沿った伝導バンド２１０の電子（エレクトロン）又は価電子バンド（例えば、価電子バンドの２２０及び２２２の一方）の正孔（ホール）の波数ベクトルｋの大きさの関数として、伝導バンド２１０の電子および価電子バンド２２０及び２２２の正孔のエネルギーの分散関係Ｅ（ｋ）を示す。図２に示されたバンド図２００は、Ｇｅのような間接遷移型半導体のバンド図を表す。以下の説明は、伝導バンド２１０の底２３０がＬ点にある、Ｇｅのような間接遷移型半導体に基づいているが、本技術の実施形態は係る間接遷移型半導体だけに限定されず、それどころか例えば、Ｘ点に伝導バンドの底を有するＳｉのような、より一般的にブリルアンゾーンの他の点に位置する伝導バンドの最小値を有する間接遷移型半導体も、本技術の実施形態の思想と範囲内にある。バンド図２００の縦座標２０２は、伝導バンド２１０の電子または価電子バンド２２０及び２２２の正孔のエネルギーＥ（ｋ）であり、それは任意の単位で与えられるが、例えばエレクトロンボルト（ｅＶ）とすることができる。バンド図２００の横座標２０４は、ブリルアンゾーンにおける[111]方向２０６および[100]方向２０８にそれぞれ沿った伝導バンド２１０の電子または価電子バンド（例えば、価電子バンドの２２０及び２２２の一方）の正孔（ホール）の波数ベクトルｋの大きさであり、それは長さの逆数の任意の単位で与えられるが、例えば１０８のセンチメートルの逆数（カイザー）（１０８ｃｍ−１）とすることができる。
【００１５】
図２を更に参照すると、本技術の実施形態の有用性を明らかにするために、バンド図２００は、間接遷移２４０により光子２４４を生成するために、ブリルアンゾーンのＬ点における伝導バンド２１０の底２３０における電子２１４の、ブリルアンゾーンのΓ点における価電子バンド（例えば、価電子バンド２２０及び２２２の一方）の頂点２３２における正孔２２４との再結合を示す。２つの価電子バンド２２０及び２２２が図２に示され、即ち、重い正孔の価電子バンド２２０、及び軽い正孔の価電子バンド２２２である。説明のために、価電子バンド２２０及び２２２の頂点２３２が２つの価電子バンド２２０及び２２２の何れかについてほぼ同じエネルギーで生じるとみなされ得るので、正孔２２４は、一般性の喪失なしで重い正孔の価電子バンド２２０又は軽い正孔の価電子バンド２２２の何れかの頂点２３２にあると仮定され得る。間接遷移２４０において、電子２１４は、正孔２２４と再結合して、バンドギャップエネルギーＥｇ２３４に等しいエネルギーｈνで光子２４４を生成する。バンドギャップエネルギー２３４は、伝導バンド２１０の底２３０における電子２１４と価電子バンド２２０及び２２２の何れかの頂点２３２における正孔２２４との間のエネルギーの差に等しい。かくして、エネルギーは、間接遷移２４０で保存される。しかしながら、運動量も間接遷移２４０で保存される。Ｌ点における電子２１４の運動量が、Γ点における正孔２２４の運動量に等しくなく、光子２４４の運動量が小さいので、運動量が保存されるように別の粒子が間接遷移２４０を仲介する。Ｌ点における電子２１４の運動量とΓ点における正孔２２４の運動量との間の運動量の差を有する偶発的なフォノンが、係る粒子としての機能を果たすことができる。かくして、間接遷移２４０において、３つの全ての事象、即ちブリルアンゾーンのＬ点における伝導バンド２１０の底２３０における電子２１４の存在、ブリルアンゾーンのΓ点における価電子バンド（例えば、価電子バンド２２０及び２２２の一方）の頂点２３２における正孔２２４の存在、及びＬ点における電子２１４の運動量とΓ点における正孔２２４の運動量との間の運動量の差を有する偶発的なフォノンの存在が生じる。３つの全ての事象が同時に発生する確率は、それぞれが生じる確率の積であり、その結果、Ｇｅのような間接遷移型半導体の放射再結合速度はＧａＡｓのような直接遷移型半導体よりも小さくなり、この場合、偶発的なフォノンは遷移に加わらない。本技術の実施形態の幾つかの有用性は、Ｇｅのような間接遷移型半導体における間接遷移に伴う低い確率の影響、及び次に説明されるＧｅのような間接遷移型半導体の関連した低い放射再結合速度の影響を軽減することにある。
【００１６】
ここで、本技術の実施形態による図３を参照すると、バンド図３００が示される。図３は、間接遷移型半導体のブリルアンゾーンにおける[111]方向３０６及び[100]方向３０８にそれぞれ沿った伝導バンド３１０の電子または価電子バンド（例えば、価電子バンド３２０及び３２２の一方）の正孔の波数ベクトルｋの大きさの関数として、伝導バンド３１０の電子および価電子バンド３２０及び３２２の正孔のエネルギーの分散関係Ｅ（ｋ）を示す。また、図３に示されたバンド図３００は、Ｇｅのような間接遷移型半導体のバンド図も表す。バンド図３００の縦座標３０２は、伝導バンド３１０の電子または価電子バンド３２０及び３２２の正孔のエネルギーＥ（ｋ）であり、それは任意の単位で与えられるが、例えば、ｅＶとすることができる。バンド図３００の横座標３０４は、ブリルアンゾーンにおける[111]方向３０６及び[100]方向３０８にそれぞれ沿った伝導バンド３１０の電子または価電子バンド（例えば、価電子バンドの３２０及び３２２の一方）の正孔の波数ベクトルｋの大きさであり、それは長さの逆数の任意の単位で与えられるが、例えば１０８ｃｍ−１とすることができる。
【００１７】
本技術の実施形態による図３を更に参照すると、バンド図３００は、Ｌ点における伝導バンド３１０の底３３４からΓ点におけるブリルアンゾーンの中央に位置する状態を占めるように伝導バンド３１０の谷の底３３０に促進された、遷移３５０により示された電子（例えば、電子３１２）から直接遷移３４０により光子３４４を生成するために、ブリルアンゾーンのΓ点における伝導バンド３１０の底３３０におけるホットエレクトロン３１４の、ブリルアンゾーンのΓ点における価電子バンド（例えば、価電子バンド３２０及び３２２の一方）の頂点３３２における正孔３２４との再結合を示す。２つの価電子バンド３２０及び３２２が図２に示され、即ち、重い正孔の価電子バンド３２０、及び軽い正孔の価電子バンド３２２である。直接遷移３４０において、ホットエレクトロン３１４は、正孔３２４と再結合して、Γ点におけるバンドギャップエネルギーＥΓ３３６に等しいエネルギーｈνで光子３４４を生成する。Γ点におけるバンドギャップエネルギーＥΓ３３６は、Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０におけるホットエレクトロン３１４と価電子バンド３２０及び３２２の何れかの頂点３３２における正孔３２４との間のエネルギーの差に等しい。また、エネルギーは直接遷移３４０で保存される。同様に、正孔３２４とホットエレクトロン３１４がｋ空間の同じ点に位置している同じ運動量を有するので、運動量も直接遷移３４０で保存される。ホットエレクトロン３１４と正孔３２４との間の直接遷移３４０において、エネルギーと運動量の双方が保存されるので、別の粒子が直接遷移３４０におけるエネルギーと運動量の保存を仲介しない。かくして、直接遷移３４０において、２つの事象、即ちブリルアンゾーンのΓ点における伝導バンド３１０の底３３０におけるホットエレクトロン３１４の存在、及びブリルアンゾーンのΓ点における価電子バンド（例えば、価電子バンド３２０及び３２２の一方）の頂点３３２における正孔３２４の存在が生じる。２つの事象が同時に発生する確率は、それぞれが生じる確率の積であり、その結果、バンドギャップエネルギーＥΓ３３６によるΓ点における直接遷移３４０に関して、Ｇｅのような間接遷移型半導体の放射再結合速度は、Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０の周りの状態が電子により十分に満たされている場合に、図２の説明で上述された間接遷移２４０に関して３つの事象が同時に発生する確率よりも高くなる。Γ点における直接遷移３４０に関して間接遷移型半導体の放射再結合速度がＧａＡｓのような直接遷移型半導体の直接遷移の放射再結合速度に近づくように、Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０における、電子（複数の電子（「黒い点」として示される）により示されるように）による占有の状態が、本技術の実施形態により増大する。
【００１８】
図３を更に参照すると、本技術の実施形態は、Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０における電子による占有の状態を、間接遷移型半導体ＬＥＤの構造においてホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマ（ホットエレクトロン−正孔プラズマの一種）を生成することにより増大させ、当該間接遷移型半導体ＬＥＤは例えば、図４で後述される間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１である。ホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマは、間接遷移型半導体ＬＥＤを逆バイアスすることにより生成され得る。衝突イオン化によりマイクロプラズマで生じた電子と正孔は増加し、運動量の拡散と共に、専門用語「ホットエレクトロン」及び「ホットホール」によりそれぞれ知られた、高エネルギーの電子と正孔（ホール）の集団（集まり）を形成することができる。次いで、ホットエレクトロンは、より高いエネルギー状態を伝導バンド３１０に埋めることができ、特により高いエネルギー状態がΓ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０に位置する。更に、マイクロプラズマで生じたホットエレクトロンとホットホールとの間の、オージェ遷移のような無放射過程は、Γ点における伝導バンドの３１０の谷の底３３０においてエネルギー状態を占有するためのエネルギーと運動量で、ホットエレクトロン（例えば、ホットエレクトロン３１４）の更なる生成という結果になる。例えば、ホットエレクトロン３１４のような、Ｌ点における伝導バンド３１０の底３３４からΓ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０に位置するより高いエネルギー状態までの電子３１２の遷移３５０は、衝突イオン化およびホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマにおけるオージェ遷移の過程により生じることができ、それらはより詳細に後述される。Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０の周りの状態における、例えばホットエレクトロン３１４に類似したホットエレクトロンの、価電子バンド３２０及び３２２の頂点における正孔、例えば正孔３２４との直接再結合３４０は、高速過程によるものであり、その結果、これらホットエレクトロンによるルミネッセンスの放射再結合速度が、図２の説明で上述された間接遷移２４０のゆっくりした過程によるルミネッセンスの放射再結合速度よりも大幅に大きい。かくして、間接遷移型半導体ＬＥＤに関する本技術の実施形態を説明するために本発明者により作られた専門用語「ホットエレクトロン−ルミネッセンスＬＥＤ」の使用は、より完全に理解され得る。本技術の実施形態に従って、ホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマを生成するために利用される間接遷移型半導体ＬＥＤの構造に関する詳細は、次に説明される。
【００１９】
ここで、本技術の実施形態による図４を参照すると、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１の横断立面図４００が示される。図４は、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１のｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８のｐドープド部分４１２、真性部分４１４、ｎドープド部分４１６、ｐ−ｉ接合部４３０、及びｉ−ｎ接合部４３４の機能的な構成を示す。間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１は、間接遷移型半導体のｐドープド部分４１２、間接遷移型半導体の真性部分４１４、及び間接遷移型半導体のｎドープド部分４１６を含む複数の部分を含む。当該真性部分４１４は、ｐドープド部分４１２とｎドープド部分４１６との間に配置され、ｐドープド部分４１２とｐ−ｉ接合部４３０を形成し、ｎドープド部分４１６とｉ−ｎ接合部４３４を形成する。ｐ−ｉ接合部４３０およびｉ−ｎ接合部４３４は、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１が逆バイアスされる際に真性部分４１４において、少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマ（例えば、上述したようなホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマ）の形成を容易にし且つホットエレクトロンの正孔との再結合により生成されるルミネッセンスを容易にするように構成される。図４に示されるように、逆電圧バイアスが、電圧Ｖを有する図４のバッテリにより表された外部電圧源４９０により、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８に印加される。電圧源４９０により、電流Ｉ４８８が、リード線４８４及び４８６により提供された、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８を通る回路に流れ、リード線４８４及び４８６はそれぞれ、ｐドープド部分４１２とｎドープド部分４１６にコンタクト４８０及び４８２で接触する。ｐドープド部分４１２の多数キャリアは、電圧Ｖがｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８に印加された場合にｐドープド部分４１２の正孔電流４２８で、コンタクト４８０とリード線４８４を介して電圧源の負端子に流れる正孔、例えば正孔４２６である。同様に、ｎドープド部分４１６の多数キャリアは、電圧Ｖがｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８に印加された場合にｎドープド部分４１６の電子電流４２４で、コンタクト４８２とリード線４８６を介して電圧源の正端子に流れる電子、例えば電子４２２である。ｐ−ｉ接合部４３０は更に、少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にするために構成された、ｐ−ｉ接合４３０において図４の右側の方を向く尖った凹凸により示されたような第１の電場促進構造４３６を含むことができる。同様に、ｉ−ｎ接合部４３４は更に、少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマの形成を容易にするために構成された、ｉ−ｎ接合４３４において図４の左側の方を向く尖った凹凸により示されたような第２の電場促進構造４３２を含むことができる。十分に高い電圧がｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８に印加された場合に、電場促進構造４３８における電場は、電場促進構造４３８がホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマの形成のための場所を提供することができるように増大することができ、それは次に説明される。
【００２０】
本技術の実施形態による図４を更に参照すると、電場促進構造４３８において、電子４４１は、それが運動量４４２を取得するように、局所化された電場により加速される。電子４４１がｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の真性部分４１４を通って進むので、電子４４１は真性部分４１４の原子と衝突して、電子４４３と正孔４４５により表された、衝突イオン化による電子正孔対を生成することができる。真性部分４１４の原子と電子４４１の衝突は、電子４４１の運動量の運動量４４４への変化で、電子４４３に運動量４４６を与える。次いで、電子４４３及び正孔４４５は、電圧源４９０による印加された電場により更に加速されることができ、同様に更なる電子正孔対の関連した形成でそれら自体の更なる衝突イオン化事象を生じる。電子４４１がｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の真性部分４１４を通って進み続け、電子４４１は真性部分４１４の第２の原子と更に衝突して、電子４４７と正孔４４９により表された、衝突イオン化による更なる電子正孔対を生成する。真性部分４１４の第２の原子と電子４４１の衝突は、電子４４１の運動量の運動量４４８への変化で、電子４４７に運動量４５０を与える。同様に、電子４４７及び正孔４４９は次いで、電圧源４９０による印加された電場により更に加速されることができ、同様に更なる電子正孔対の関連した形成でそれら自体の更なる衝突イオン化事象を生じる。かくして、電圧源４９０による印加された電場は、伝導バンド３１０の電子４４１のエネルギーを増大させ、電子４４１がｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の真性部分４１４を通過する際に、結果として生じる散乱過程、例えば衝突イオン化の非弾性散乱過程から電子４４１の運動量を変える。また、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の真性部分４１４における衝突イオン化事象に起因した追加の電子正孔対の生成と共に、多数のホットエレクトロンが、Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０に位置するエネルギー状態を占有するための十分なエネルギー及び適切な運動量で生じ、伝導バンド３１０のこの部分に当該状態を占めることができる。更に、マイクロプラズマにより生じたホットエレクトロンとホットホールとの間の、オージェ遷移のような無放射過程が、Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０においてエネルギー状態を満たすためのエネルギー及び運動量を、追加のホットエレクトロンの供給源に供給することができる。
【００２１】
かくして、本技術の実施形態に従って、図４を更に参照すると、Γ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０への電子の促進は、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８にホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマを生成することにより達成される。マイクロプラズマは、特定の正のフィードバック効果により生成される。正のフィードバック効果の主要特徴は、次の通りであると考えられる。真性部分４１４の電子によって起こる衝突イオン化は、電子の密度ｎを増大させ、キャリアのアバランシェを高めるホットエレクトロンを生成する。次いで、キャリアのアバランシェは、ホットエレクトロン−正孔プラズマにおける均一性の自然消失、及びｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の電流フィラメントに閉じ込められたホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマの形成につながる電子の密度ｎを増大させる。フィラメントにおける電流密度は、１０９（Ａ／ｃｍ２）に近づくが、母材（matrix：マトリクス）の任意の実質的な加熱につながらない。２つの同時に起こる過程は、ダイオードが逆バイアスされてアバランシェブレークダウンを可能にする電場を生成する場合に起こり、即ち、１番目は、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８のＩ−Ｖ特性において任意の巨視的なシグマ状非線形性を有さずに電流集群（バンチング）につながるホットエレクトロン−正孔プラズマが生成され、２番目は、アバランシェ状況におけるｐドープド部分４１２で加速された少数キャリア電子はエネルギーを得て、伝導バンド３１０のΓ点までのオージェ遷移によるアップコンバージョンを後で受けるより多くの電子キャリアを生成する。また、幾つかのホットエレクトロンは、大規模な電子−電子衝突、又は電子−電子散乱に起因したアップコンバージョンも受ける。アバランシェ過程は、伝導バンドの底（ＧｅのＬ点、ＳｉのＸ点）に多数の電子キャリアを形成する。激しい電子−電子衝突に起因したホットエレクトロンの熱化は、電子によるΓ点にある状態の集まりにつながる。また、オージェ遷移によるアップコンバージョンも起こることができ、前述したようにホットエレクトロンのホットホールとの無放射再結合の結果として、それは、Γ点にアップコンバージョンされる別のホットエレクトロンにエネルギーを渡す。十分なホットエレクトロンがΓ点における伝導バンド３１０の谷の底３３０で状態を占め、十分な正孔がΓ点における価電子バンド３２０及び３２２の頂点３３２で状態を占める場合、状況は、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１の比較的大きな放射再結合速度での、光子または光の生成の準備が整っており、それは次に説明される。
【００２２】
図４を更に参照すると、本技術の実施形態に従って、ホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマにより生成されたホットエレクトロン及び正孔（例えば、ホットエレクトロン４６０及び正孔４６２）は、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１のｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の真性部分４１４及び他の部分で再結合し、例えば、光子４７０により示されるような光を生成することができる。かくして、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の真性部分４１４における少なくとも１つのホットエレクトロン−正孔プラズマ、例えばホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマは、ホットエレクトロンの正孔との直接再結合のためにキャリアの供給源を提供することにより、ルミネッセンスを容易にすることができる。本技術の実施形態に従って、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１の間接遷移型半導体は、Ｓｉ、Ｇｅ、又はＳｉ−Ｇｅ合金を含むグループから選択されることができ、代案として、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１の間接遷移型半導体は、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳｉ−Ｇｅ合金からなるグループから選択され得る。Ｓｉ−Ｇｅ合金の組成は例えば、約８５０ナノメートル（ｎｍ）から約１６００ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する光の生成のために、Ｓｉ−Ｇｅ合金のバンドギャップエネルギーＥΓ３３６を、Γ点におけるバンドギャップに提供するように調整され得る。特に、Ｓｉ−Ｇｅ合金の組成は、約８５０ｎｍの波長を有する光を生成するために調整され得る。間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１は更に、ｐドープド部分４１２、真性部分４１４、又はｎドープド部分４１６を含む複数の部分から選択された少なくとも１つの部分から光子４７２を収集し且つ当該少なくとも１つの部分と光学的に結合された光収集器４７８を含むことができる。代案として、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１は更に、ｐドープド部分４１２、真性部分４１４、及びｎドープド部分４１６からなる複数の部分から選択された少なくとも１つの部分から光子４７２を収集し且つ当該少なくとも１つの部分と光学的に結合された光収集器４７８を含むことができる。本技術の実施形態に従って、光収集器４７８は、例えば光変調器１３０に類似した光変調器の一部を含むことができる。代案として、光収集器４７８は、回折格子を介して、例えば光変調器１３０に類似した光変調器と光学的に結合され得る。
【００２３】
かくして、本技術の実施形態に従って、アバランシェ過程は、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１のＩ−Ｖ特性における非線形性のない電流集群を、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の真性部分４１４に形成する。約１マイクロメータ（μｍ）の厚みの真性部分（この場合、真性部分４１４の厚みは真性部分４１４の両側のｐドープド部分４１２とｎドープド部分４１６との間の距離により測定される）の場合、電場は、約１０ｋＶ／ｃｍより大きい。自立した構造として現れる、ホットエレクトロン−正孔マイクロプラズマの電流フィラメントにおいて、電子の密度ｎ、及び正孔の密度ｐは、約１０９Ａ／ｃｍ２の電流密度ｊで、約１０１９／ｃｍ３である。図４に示されるように、光収集器４７８が、例えば光変調器１３０に類似した光変調器と光学的に結合され、水平方向のｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８の上にモノリシックに集積される場合、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造４１８は、ＩＣ間の通信に十分な速度で、例えば光変調器１３０に類似した集積変調器により変調され得る、連続波（ＣＷ）の状態で光を生成することができる。放射放出は、３〜５ＧＨｚより大きい又は３〜５ＧＨｚに等しい周波数τ−１を有する直接遷移の標準速度を有するべきである。間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１は、所望の周波数で変調光信号（例えば、図１の光子１５４により表された変調光信号）を生成するために、隣接する集積変調器（例えば、リング、又は代案としてマッハツェンダー干渉計）に、回折格子により結合され得るＣＷ放射源として使用され得る。更に、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１の設計は、材料、回路レイアウト及び集積化方法の適切な選択により、特定の使用可能な波長（例えば、８５０ｎｍ）に最適化され得る。かくして、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１は、Ｓｉ、Ｇｅ、又はＳｉ−Ｇｅに基づきながら、所望の周波数（例えば、８５０ｎｍ）に調節可能なＣＷ放射源を提供することができ、間接遷移型半導体ＬＥＤ４０１は、Ｓｉを用いたＣＭＯＳ技術と適合し、ＩＣ間の光相互接続および通信のために光出力ドライバを提供するためにシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）技術に基づいた光変調器および光導波路とモノリシックに集積可能である。
【００２４】
本技術の特定の実施形態に関する上記の説明は、例示および説明のために提示された。それらは、網羅的にする、又は本技術を開示された全く同一の形態に限定することは意図されておらず、多くの変更および変形が上記の教示に鑑みて可能である。本明細書で説明された実施形態は、本技術の原理およびその実際の応用形態を最も良く説明し、それにより当業者が、企図された特定の用途に適するような様々な変形と共に本技術および様々な実施形態を最も良く利用することを可能にするために、選択されて説明された。本技術の範囲は、添付の特許請求およびそれらの等価物により定義されることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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