專利名稱：發(fā)光器件和磷光體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于填充四面體(filled tetrahedral，F(xiàn)T)半導(dǎo)體的發(fā)光器件和磷光體。
背景技術(shù)：
近年來，正在進(jìn)行關(guān)于通過調(diào)制已被認(rèn)為是物質(zhì)所固有的能帶結(jié)構(gòu)，來調(diào)制該物質(zhì)特有的光學(xué)特性，例如發(fā)射和吸收的能帶工程的積極研究。
例如，量子點(或量子線或超晶格)和應(yīng)變效應(yīng)公知為典型的能帶工程技術(shù)。通過三維地(或二維地或一維地)減小物質(zhì)的尺寸和限制其中的電子，量子點(或量子線或超晶格)產(chǎn)生調(diào)制能帶結(jié)構(gòu)。應(yīng)變效應(yīng)表示對物質(zhì)施加拉應(yīng)力和壓應(yīng)力來調(diào)制能帶結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。
另一方面，從理論上提出填充四面體(FT)半導(dǎo)體作為用于以完全不同的原理調(diào)制半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)的能帶工程方法(見H.W.A.M.Rompa etal.，Phys.Rev.Lett.，52，675(1984)；D.M.Wood et al.，Phys.Review B31，2570(1985))。
FT半導(dǎo)體是指這樣的固體物質(zhì)，其中將具有滿殼層(closed shell)結(jié)構(gòu)電子組態(tài)的稀有氣體原子或雙原子分子引入具有四面體結(jié)構(gòu)例如金剛石結(jié)構(gòu)或閃鋅礦結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的間隙位置中，如圖1中所示。
下面，將說明普通結(jié)晶硅和FT半導(dǎo)體之間的能帶結(jié)構(gòu)差異。圖2A是結(jié)晶硅的能帶圖，圖2B是摻雜有He的硅的能帶圖。圖2B示出了關(guān)于具有FT結(jié)構(gòu)的硅(此后，稱為FT硅)的第一原理能帶計算結(jié)果，其中假想將He原子插入結(jié)晶硅的間隙位置中。從這些圖很明顯，與GaAs的能帶結(jié)構(gòu)類似，F(xiàn)T硅的能帶結(jié)構(gòu)被調(diào)制為與GaAs的能帶結(jié)構(gòu)非常相似的直接躍遷型，其中導(dǎo)帶的形狀與結(jié)晶硅的導(dǎo)帶形狀相差懸殊。FT半導(dǎo)體的效應(yīng)之一是將以硅為代表的非發(fā)射性的間接半導(dǎo)體的間接能帶結(jié)構(gòu)極大地調(diào)制為直接能帶結(jié)構(gòu)，從而具有可與直接半導(dǎo)體例如GaAs相比的水平的發(fā)光特性(或躍遷幾率)。
然而，由Rompa等提出的包含稀有氣體的FT半導(dǎo)體或包含分子的FT半導(dǎo)體被認(rèn)為是熱學(xué)不穩(wěn)定的，因為所插入的物質(zhì)可以在晶體中移動，由此不適于實際應(yīng)用。
關(guān)于FT半導(dǎo)體，報導(dǎo)了這樣的實驗結(jié)果，如果在硅晶片中離子注入稀有氣體原子，那么在1eV附近的能量區(qū)域中就會產(chǎn)生光致發(fā)光(PL發(fā)射)，但是PL發(fā)射的機制尚不清楚(見N.Burger et al.，Phys.Rev.Lett.，52，1645(1984))。然而，如果對已經(jīng)離子注入了稀有氣體原子的晶片進(jìn)行退火，就會使PL發(fā)射消失，但是其原因還是不清楚。相信PL發(fā)射的消失源于如下事實，因為稀有氣體原子與硅原子不是化學(xué)鍵合的，所以稀有氣體原子在硅晶體內(nèi)擴(kuò)散，最終可以從晶片釋放。
在這種情況下，可以很容易地預(yù)期，可以當(dāng)然地形成FT結(jié)構(gòu)的包含稀有氣體的FT半導(dǎo)體或包含分子的FT半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性很差。簡而言之，存在FT半導(dǎo)體不會是實用的材料系統(tǒng)的問題。
如上所述，作為新穎能帶工程技術(shù)的FT半導(dǎo)體可以產(chǎn)生為間接半導(dǎo)體提供發(fā)光功能的效應(yīng)。然而，因為滿殼層的物質(zhì)與母體半導(dǎo)體不是化學(xué)鍵合的，所以存在FT半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性很差且不實用的問題，在FT半導(dǎo)體中滿殼層的物質(zhì)例如稀有氣體原子或雙原子分子被插入到間隙位置中。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的發(fā)光器件包括有源層，包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A、替換晶格位置中所述原子A的異質(zhì)原子D和插入到與所述異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z，所述異質(zhì)原子D的價電子數(shù)與所述原子A的價電子數(shù)相差+1或-1，并且通過與所述異質(zhì)原子D的電荷補償，所述異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)；以及n電極和p電極，適于向所述有源層提供電流。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的磷光體包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A；替換晶格位置中所述原子A的異質(zhì)原子D；以及插入到與所述異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z，所述異質(zhì)原子D的價電子數(shù)與所述原子A的價電子數(shù)相差+1或-1，并且通過與所述異質(zhì)原子D的電荷補償，所述異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)。
圖1示出了FT半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)；圖2A和2B分別示出了結(jié)晶硅和He摻雜的FT硅的能帶圖；圖3是示出了向硅施加各向同性拉伸時硅的能帶結(jié)構(gòu)變化的能帶圖；圖4A、4B和4C分別示出了量子點、應(yīng)變效應(yīng)和FT半導(dǎo)體的能帶圖；圖5A、5B和5C是說明關(guān)于硅能帶的X點導(dǎo)帶、Г點導(dǎo)帶和Г點價帶的實空間中電子態(tài)的圖；圖6A、6B和6C示意性示出了FT結(jié)構(gòu)中X點導(dǎo)帶的能量變化；圖7示出了懸掛型FT半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)；圖8A、8B和8C分別示出了PF對濃度為零的硅、PF對濃度為7.8×1020/cm3的FT-Si和PF對濃度為6.3×1021/cm3的懸掛型FT-Si的能帶圖；圖9A和9B分別是示出了根據(jù)實施例的縱型和橫型硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖；圖10A、10B、10C和10D是示出了根據(jù)實施例形成PF摻雜的FT-Si的有源層的方法的截面圖；圖11A和11B分別是示出了根據(jù)第五實施例的端面發(fā)射型硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖；圖12是示出了根據(jù)第五實施例的硅發(fā)光器件的電流、電壓和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖；圖13A和13B分別是示出了根據(jù)第六實施例的表面發(fā)射型硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖；
圖14是示出了根據(jù)第六實施例的硅發(fā)光器件的電流、電壓和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖；圖15A和15B分別是示出了根據(jù)第七實施例的表面發(fā)射型硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖；圖16是示出了根據(jù)第七實施例的硅發(fā)光器件的電流、電壓和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖；圖17A和17B分別是示出了根據(jù)第八實施例的端面發(fā)射型LD器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖；圖18是示出了根據(jù)第八實施例的LD器件的電流和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖；圖19A和19B分別是示出了根據(jù)第九實施例的表面發(fā)射型LD器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖；圖20是示出了根據(jù)第九實施例的LD器件的電流和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖；圖21是示出了根據(jù)第十實施例的光電器件陣列結(jié)構(gòu)的截面圖；圖22是示出了根據(jù)第十實施例的光電器件陣列中LD器件的響應(yīng)特性的曲線圖；圖23是示出了根據(jù)第十一實施例的光發(fā)射-探測器件陣列結(jié)構(gòu)的截面圖；圖24是示出了根據(jù)第十一實施例的光發(fā)射-探測器件陣列中LD器件的響應(yīng)特性的曲線圖；圖25是示出了根據(jù)第十二實施例的發(fā)光器件陣列結(jié)構(gòu)的截面圖；圖26A和26B分別示出了根據(jù)第十二實施例的發(fā)光器件陣列中LD器件的輸入圖像和輸出圖像；圖27是示出了根據(jù)第十三實施例的光學(xué)器件陣列結(jié)構(gòu)的透視圖；以及圖28是示出了根據(jù)第十三實施例的光學(xué)器件陣列中光電探測器件對于由激光二極管(LD器件)提供的輸入信號的響應(yīng)特性的曲線圖。
具體實施例方式
將詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明實施例的FT半導(dǎo)體(填充四面體半導(dǎo)體)的作用的主要原理。
第一步中說明(1)為什么間接半導(dǎo)體例如硅具有間接能帶結(jié)構(gòu)，以及(2)為什么間接半導(dǎo)體是非發(fā)射性的。進(jìn)一步簡要說明(3)與其它能帶工程方法相比，F(xiàn)T半導(dǎo)體(包含稀有氣體的FT半導(dǎo)體和包含分子的FT半導(dǎo)體)的特征，以及(4)其原理。再進(jìn)一步說明(5)構(gòu)成了本發(fā)明的重要部分的新穎的FT半導(dǎo)體，即懸掛型FT半導(dǎo)體。
(1)間接半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)圖3示出了硅的能帶結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域公知除了硅之外的間接半導(dǎo)體具有與圖3中所示的形狀類似的形狀的能帶結(jié)構(gòu)。最初，硅之所以形成間接半導(dǎo)體的主要原因在于，相鄰構(gòu)成原子之間的鍵長d相對短。Г點中導(dǎo)帶和價帶之間的能量差異ΔE是鍵長d的函數(shù)，且可以大致表示為ΔE∝1/d2。所以，能量差異ΔE隨著鍵長d的增大而迅速減小，且改變?yōu)檫m于直接能帶結(jié)構(gòu)。
圖3還示出了標(biāo)準(zhǔn)晶格的能帶結(jié)構(gòu)以及對假想晶格的能帶結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，該假想晶格包括這樣的情況，即沿晶軸<111>方向通過應(yīng)變效應(yīng)拉伸晶格，以便Si-Si鍵長增大10％。在該圖中，標(biāo)準(zhǔn)晶格的能帶結(jié)構(gòu)和假想晶格的能帶結(jié)構(gòu)被示出為使價帶上端匹配。
如圖3中所示，如果鍵長增大，雖然在X點沒有觀察到顯著的變化，但Г點的導(dǎo)帶顯著下降，從而變化為類似于GaAs的直接能帶結(jié)構(gòu)。大體上說，能量差異ΔE減小是因為鍵被拉長，以致電子之間的排斥能減小，結(jié)果，位于標(biāo)準(zhǔn)晶格中上方的導(dǎo)帶(s軌道)降低，從而接近價帶(p軌道)。
(2)間接半導(dǎo)體的光學(xué)特性在間接半導(dǎo)體中，電偶極躍遷是光學(xué)禁止的，由此，間接半導(dǎo)體本質(zhì)上是非發(fā)射性的。相反地，直接半導(dǎo)體例如GaAs顯示出由電偶極躍遷引起的強帶間發(fā)射。這兩種半導(dǎo)體之間的差異主要由是否滿足下面給出的兩個選擇定則引起。
選擇定則之一涉及波數(shù)，即在特定的波數(shù)下應(yīng)使能隙最小的要求。另一個選擇定則涉及波函數(shù)的對稱性，即在使帶隙最小的波數(shù)下應(yīng)使導(dǎo)帶和價帶之一為偶函數(shù)而另一個為奇函數(shù)的要求。
關(guān)于對稱性的選擇定則，應(yīng)注意，兩能級之間的發(fā)射強度和吸收強度由<較高能級|躍遷偶極矩μ|較低能級>給出。在其中兩能級由原子軌道附近的s軌道(偶函數(shù))和p軌道(奇函數(shù))表示的半導(dǎo)體中，μ表示奇函數(shù)，由此，滿足下面的關(guān)系，這意味著是光學(xué)允許的<s|μ|p>＝∫偶·奇·奇dr≠0另一方面，在其中兩能級由p軌道表示的半導(dǎo)體中，滿足下面的關(guān)系，這意味著是光學(xué)禁止的<p|μ|p>＝∫奇·奇·奇dr＝0在直接半導(dǎo)體中，在Г點處使得能隙最小，從而滿足波數(shù)的選擇定則。在光半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶和價帶的波函數(shù)分別由s軌道和p軌道表示，結(jié)果，也滿足對稱性選擇定則。
另一方面，在間接半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶和價帶的使能隙最小的波數(shù)彼此不同，導(dǎo)致不能滿足波數(shù)的選擇定則。此外，因為導(dǎo)帶和價帶的波函數(shù)均由p軌道表示，所以也不滿足對稱性的選擇定則。因此，間接半導(dǎo)體是光學(xué)禁止的。
(3)FT半導(dǎo)體如前所述，F(xiàn)T半導(dǎo)體是在1984年在計算GaAs的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)現(xiàn)的理論物質(zhì)。Rompa等人通過這樣的能帶計算發(fā)現(xiàn)了該理論物質(zhì)，在該能帶計算中，在通過將He引入GaAs的能隙位置中而獲得的FT-GaAs中，X點的能量增大。
在本發(fā)明中，將其中可在X點處控制能量的FT半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于間接半導(dǎo)體例如硅，以便對原本不太可能發(fā)光的間接半導(dǎo)體賦予發(fā)光功能。
將說明與量子點和應(yīng)變效應(yīng)(拉伸效應(yīng))相比，作為能帶工程方法之一的FT半導(dǎo)體的優(yōu)點。圖4A示出了硅量子點的能帶圖，圖4B示出了對其施加了10％各向同性拉伸的硅的能帶圖，以及圖4C示出了FT硅的能帶圖。
通過三維限制效應(yīng)，量子點使X點附近的導(dǎo)帶(p軌道)向Г點擴(kuò)展，從而使Г點處的能隙最小，由此，將量子點的能帶變?yōu)橹苯幽軒ЫY(jié)構(gòu)。然而，即使受到了限制效應(yīng)，導(dǎo)帶和價帶的波函數(shù)基本上沒有該變，仍為p軌道，導(dǎo)致不能滿足對稱性的選擇定則。簡而言之，間接半導(dǎo)體的量子點的光學(xué)特性源于贗電偶躍遷，其中僅僅在其效應(yīng)下不能預(yù)期強發(fā)射。
通過將鍵長增大約10％，應(yīng)變效應(yīng)(拉伸效應(yīng))允許位于Г點上方的導(dǎo)帶(s軌道)降低，從而將能帶結(jié)構(gòu)調(diào)制為直接能帶結(jié)構(gòu)。由此獲得的能帶結(jié)構(gòu)與直接半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)非常接近。帶間躍遷是類似于直接半導(dǎo)體的電偶極躍遷，由此，可預(yù)期高效的發(fā)射。然而，認(rèn)為將鍵長拉伸10％的量級是相當(dāng)難的。
與上述方法相比，F(xiàn)T半導(dǎo)體允許提高X點附近的導(dǎo)帶(p軌道)，并降低Г點處的導(dǎo)帶(s軌道)，由此實現(xiàn)與直接半導(dǎo)體和應(yīng)變效應(yīng)情況下的能帶結(jié)構(gòu)相接近的直接能帶結(jié)構(gòu)。帶間躍遷是電偶極躍遷，由此，可預(yù)期高效的發(fā)射。
(4)FT半導(dǎo)體的發(fā)射機制原理圖5A、5B和5C示出了在硅的金剛石結(jié)構(gòu)中，分別與X點導(dǎo)帶(Xc)、Г點導(dǎo)帶(Гc)和Г點價帶(Гv)有關(guān)的實空間中的電子態(tài)。
如圖5A中所示，沿晶軸<111>方向可見，硅原子位于原子坐標(biāo)(0，0，0)和(1/4，1/4，1/4)處，且通過Si-Si鍵彼此鍵合。被稱為四面體位置的間隙位置排列在原子坐標(biāo)(2/4，2/4，2/4)和(3/4，3/4，3/4)處。在四面體結(jié)構(gòu)中，形成具有相對大空隙的晶體結(jié)構(gòu)，從而沿晶軸<111>排列兩個原子，排列兩個間隙位置，再排列兩個原子。在間隙位置中不存在原子。然而，因為硅原子的反成鍵p軌道朝向間隙位置擴(kuò)展，所以在間隙位置中存在反成鍵p軌道的態(tài)。圖5A中所示的“Xc”表示間隙位置的電子態(tài)。
在FT半導(dǎo)體中，將滿殼層結(jié)構(gòu)的稀有氣體原子(或分子)引入間隙位置的空間中，以便實現(xiàn)FT結(jié)構(gòu)。在這種情況下，間隙位置中的電子受到排斥，由此增加了Xc能量，如上述的圖4C所示，結(jié)果，Гc(反成鍵s軌道)和Xc的能量相對反轉(zhuǎn)，從而將間接能帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為直接結(jié)構(gòu)。圖6A示出了通過將稀有氣體原子引入間隙位置中來增加Xc能量。可以認(rèn)為這種特殊現(xiàn)象接近如下現(xiàn)象，其中如果將物質(zhì)置于盛有水的容器中，那么水的高度就會增高，如圖6B和6C所示。
如果在間隙位置中存在原子，那么在帶隙內(nèi)可以形成深能級或缺陷能級。然而，因為在FT結(jié)構(gòu)中具有寬帶隙的滿殼層結(jié)構(gòu)的原子(或分子)被插入到間隙位置中，所以原則上不會形成這種能級。
(5)新穎的懸掛型FT半導(dǎo)體圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的新穎的FT半導(dǎo)體中原子的鍵合態(tài)。該新穎的FT半導(dǎo)體稱為懸掛型FT半導(dǎo)體。構(gòu)成本發(fā)明要點的懸掛型FT半導(dǎo)體包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A、替換晶格位置中原子A的異質(zhì)原子D，以及插入到與異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z。異質(zhì)原子D具有與原子A的價電子數(shù)相差+1或-1的價電子數(shù)，并可以替換四面體結(jié)構(gòu)中晶格位置中的原子A，且異質(zhì)原子D將要被電離。通過與將要被電離的異質(zhì)原子D的電荷補償，異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)。在這種情況下，異質(zhì)原子D和異質(zhì)原子Z之間形成離子鍵，從而異質(zhì)原子D起到了束縛(pin)異質(zhì)原子Z的作用。這種特定結(jié)構(gòu)的懸掛型FT半導(dǎo)體允許改善熱穩(wěn)定性，由此克服包含稀有氣體或包含分子的FT半導(dǎo)體中所固有的問題。這是因為，如果異質(zhì)原子D和異質(zhì)原子Z彼此分離，那么在兩者之間會施加靜電相互作用，從而產(chǎn)生在兩者之間維持離子鍵的力。
圖7示出了懸掛型FT半導(dǎo)體，其中形成母體半導(dǎo)體的原子A是硅，替換晶格位置中原子A的異質(zhì)原子D是磷(P)，以及插入到與異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z是氟(F)。P原子的電子組態(tài)為1s22s22p63s23p3，而F原子的電子組態(tài)為1s22s22p5。在此兩原子之間施加電荷補償效應(yīng)，從而形成P+-F-離子鍵(P-F對)。P+離子替換晶格點中的硅原子，從而呈現(xiàn)四面體結(jié)構(gòu)，由此得以穩(wěn)定。F-離子變成具有類似氖(Ne)的滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)，由此也得以穩(wěn)定。
在通過使用硅實現(xiàn)懸掛型FT半導(dǎo)體的情況下，可以使用在實際的LSI工藝中已經(jīng)使用的n型或p型摻雜劑作為將要替換晶格位置的異質(zhì)原子D。這便于懸掛型FT半導(dǎo)體的制造，從而降低其制造成本。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例的懸掛型FT半導(dǎo)體中，是否能與包含稀有氣體的或包含分子的FT半導(dǎo)體一樣將發(fā)光功能賦予間接半導(dǎo)體是要點。圖8A、8B和8C示出了在關(guān)于其中磷(P)用作異質(zhì)原子D以及氟(F)用作異質(zhì)原子Z的PF摻雜的FT-Si中，基于第一原理的能帶計算結(jié)果。為了估計PF對濃度對于能帶結(jié)構(gòu)的影響，將與Si原子數(shù)相比PF對的數(shù)目彼此不同的超晶胞用于計算。更具體地說，計算覆蓋了圖8A、8B和8C三種情況，其中圖8A中，與64個Si原子相比，PF對的數(shù)目為零(PF濃度為零，而Si原子濃度為5.0×1022/cm3)；圖8B中，與63個Si原子相比，PF對的數(shù)目為1(PF濃度為7.8×1020/cm3)；圖8C中，與7個Si原子相比，PF對的數(shù)目為1(PF濃度為6.3×1021/cm3)。
根據(jù)計算結(jié)果，在圖8A中所示的PF對濃度為零的情況下，在Xc附近存在導(dǎo)帶的最下端，這表示結(jié)晶硅中固有的間接能帶結(jié)構(gòu)。在PF對濃度為7.8×1020/cm3的圖8B中，Xc幾乎不變，但Гc顯著降低，從而形成導(dǎo)帶的最下端，結(jié)果，在物質(zhì)內(nèi)部局部地出現(xiàn)直接能帶結(jié)構(gòu)。在PF對濃度為6.3×1021/cm3的圖8C中，Xc顯著提高，從而使整個物質(zhì)變?yōu)榫哂兄苯幽軒ЫY(jié)構(gòu)。這些計算結(jié)果表明，在PF對濃度低的情況下，物質(zhì)從其中引入了PF對的區(qū)域局部發(fā)光，并且在PF濃度高的情況下，整個物質(zhì)都發(fā)光。
更具體地說，PF對濃度等于或小于7.8×1020/cm3時，例如在晶體中僅存在一個PF對時，其中引入PF對的導(dǎo)帶的最下端被調(diào)制為反成鍵s軌道。因為價帶是成鍵p軌道，所以如前面部分(2)中所述，從特定位置的發(fā)射強度給出為<s|μ|p>≠0。因此，其PF濃度等于或小于7.8×1020/cm3的FT-Si具有發(fā)光功能。
并且，PF對濃度等于或大于6.3×1021/cm3時，其中引入PF對的區(qū)域也被調(diào)制為反成鍵s軌道。此外，這些軌道在實空間中彼此靠近，從而彼此重疊，由此形成能帶(Гc)。因為發(fā)射強度也給出為下式<s|μ|p>≠0，所以其PF對濃度等于或大于6.3×1021/cm3的FT-Si也呈現(xiàn)發(fā)光功能。
在區(qū)域具有在7.8×1020/cm3至6.3×1021/cm3范圍內(nèi)的中等PF濃度時，在其中已引入了PF對的位置處導(dǎo)帶的最下端也被調(diào)制為反成鍵s軌道。在具有特定PF對濃度的區(qū)域中，隨著PF對濃度的增加，逐漸允許s軌道形成能帶。因為發(fā)射強度也給出為下式<s|μ|p＞≠0，所以與具有其它PF濃度的FT-Si一樣，具有中等PF濃度的FT-Si也呈現(xiàn)發(fā)光功能。
總之，與包含稀有氣體的或包含分子的FT半導(dǎo)體一樣，認(rèn)為無論DZ對的濃度如何，懸掛型FT半導(dǎo)體產(chǎn)生對間接半導(dǎo)體賦予發(fā)光功能的效果。
在本發(fā)明的實施例中，包含在懸掛型FT半導(dǎo)體中的母體半導(dǎo)體(構(gòu)成原子A)、異質(zhì)原子D和異質(zhì)原子Z的組合包括下面給出的實例(1)母體半導(dǎo)體選自IVb單質(zhì)半導(dǎo)體和IVb-IVb化合物半導(dǎo)體，異質(zhì)原子D選自Va元素和Vb元素，以及異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
(2)母體半導(dǎo)體選自IVb單質(zhì)半導(dǎo)體和IVb-IVb化合物半導(dǎo)體，異質(zhì)原子D選自IIIa元素和IIIb元素，以及異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
(3)母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，異質(zhì)原子D選自IVa元素和IVb元素且替換IIIb的原子A，以及異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
(4)母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，異質(zhì)原子D選自IIa元素和IIb元素且替換IIIb的原子A，以及異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
(5)母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，異質(zhì)原子D選自VIa元素和VIb元素且替換Vb的原子A，以及異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
(6)母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，異質(zhì)原子D選自IVa元素和IVb元素且替換Vb的原子A，以及異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
母體半導(dǎo)體可以舉例如下。具體地說，IVb單質(zhì)半導(dǎo)體選自金剛石、硅和鍺。IVb-IVb化合物半導(dǎo)體選自SiC、GeC、SixGe1-x(0＜x＜1)和SixGeyC1-x-y(0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1)。IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體選自BN、BP、AIP、AlAs、AlSb和GaP。
異質(zhì)原子D和異質(zhì)原子Z可以舉例如下。具體地說，Ia元素選自Li、Na、K、Rb和Cs。IIa元素選自Be、Mg、Ca、Sr和Ba。IIIa元素選自Sc、Y、La和Lu。IVa元素選自Ti、Zr和Hf。Va元素選自V、Nb和Ta。VIa元素選自Cr、Mo和W。Ib元素選自Cu、Ag和Au。IIb元素選自Zn、Cd和Hg。IIIb元素選自B、AI、Ga、In和Tl。IVb元素選自C、Si、Ge、Sn和Pb。Vb元素選自N、P、As、Sb和Bi。VIb元素選自O(shè)、S、Se和Te。VIIb元素選自F、Cl、Br和I。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的發(fā)光器件包括具有FT結(jié)構(gòu)的有源層和激活有源層的n電極和p電極。對n電極和p電極相對于具有FT結(jié)構(gòu)的有源層的位置沒有特別限制。圖9A和9B是各示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖。
在圖9A中所示的縱型發(fā)光器件中，在n+區(qū)1上形成具有FT結(jié)構(gòu)的有源層2和絕緣膜3，并在有源層2和絕緣膜3上形成p+區(qū)4。換句話說，有源層2的下表面和上表面分別與n+區(qū)1和p+區(qū)4接觸。n電極(未示出)連接到n+區(qū)1，以及p電極(未示出)連接到p+區(qū)4。在該發(fā)光器件中，電流沿縱向流動，從而允許電子從n+區(qū)1注入到有源層2中，且允許空穴從p+區(qū)4注入到有源層2中，結(jié)果，電子和空穴在具有直接能帶結(jié)構(gòu)的FT結(jié)構(gòu)的有源層2內(nèi)復(fù)合，從而發(fā)光。
在圖9B中所示的橫型發(fā)光器件中，在半絕緣硅襯底11中形成掩埋氧化物膜12，在氧化物膜12上的同一平面上，以這樣的方式形成n+區(qū)14和p+區(qū)15，使得FT結(jié)構(gòu)的有源層13介于二者之間。n電極(未示出)連接到n+區(qū)14，以及p電極(未示出)連接到p+區(qū)15。在圖9B所示的發(fā)光器件中，電流沿橫向流動，從而允許電子從n+區(qū)14注入到有源層13中，且允許空穴從p+區(qū)15注入到有源層13中，結(jié)果，電子和空穴在具有直接能帶結(jié)構(gòu)的FT結(jié)構(gòu)的有源層13內(nèi)復(fù)合，從而發(fā)光。
在每個縱型和橫型發(fā)光器件中，為了防止電流泄漏，形成掩埋氧化物膜。然而，在電流泄漏可以通過元件結(jié)構(gòu)、襯底電阻率和電路結(jié)構(gòu)中的任何一者來防止的情況下，不是絕對必須形成掩埋氧化物膜。
圖9A和9B均示出了發(fā)光器件的基本結(jié)構(gòu)，而特定發(fā)光器件的各種結(jié)構(gòu)都是可以想到的。例如，在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的發(fā)光器件中，發(fā)射的光可以從有源層的端面或上表面提取。當(dāng)所發(fā)射的光從有源層的上表面提取時，在有源層的上表面上可以形成透明電極。還可以使用形成為使有源層介于其間的一對鏡面，即一對低反射率鏡面和高發(fā)射率鏡面的光學(xué)共振器，從而引起激光振蕩。還可以適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合這些結(jié)構(gòu)。此外，通過在同一襯底上整體形成多個發(fā)光器件，可以制造發(fā)光器件陣列。通過在同一襯底上整體形成發(fā)光器件和晶體管，可以制造光電器件陣列。通過在同一襯底上整體形成發(fā)光器件和光電探測器件，可以制造光發(fā)射-探測器件陣列。通過在同一襯底上整體形成發(fā)光器件、光電探測器件和連接這些發(fā)光器件與光電探測器件的波導(dǎo)，可以制造光學(xué)器件陣列。稍后將在此詳細(xì)說明這些修改例。
現(xiàn)在，將參考圖10A、10B、10C和10D，說明形成具有FT結(jié)構(gòu)的有源層的方法。下述說明包括形成PF摻雜的FT-Si的有源層的情況。
在第一步中，如圖10A中所示，制備Si晶片21，接著，如圖10B中所示，用作為異質(zhì)原子D的磷(P)摻雜Si晶片21的規(guī)定摻雜區(qū)22。磷(P)起著n型摻雜劑的作用。
在下一步中，如圖10C中所示，作為異質(zhì)原子Z的氟(F+)被離子注入到摻雜有P的Si晶片21的規(guī)定摻雜區(qū)22中。在該離子注入工藝中，使能量、劑量、襯底表面的取向、傾角和襯底溫度等最優(yōu)化。原本活性的離子物類F+離子接收P原子擁有的多余電子和從地通過襯底提供的電子而成為F-離子，由此形成類似氖(Ne)原子的滿殼層結(jié)構(gòu)，且被化學(xué)鈍化。
在圖10D中所示的步驟中，進(jìn)行退火以使被離子注入擾動的晶格再結(jié)晶，由此形成由FT-Si構(gòu)成的有源層23。在該退火過程中，通過控制退火溫度、退火時間和氣氛等，晶格點中的硅原子可以被P原子替換，且F原子可以插入到間隙位置中。P原子位于晶格點中。然而，由于P原子被F原子奪去了一個電子，所以有源層23被電鈍化，由此，增大了有源層23的電阻率。P原子和F原子通過離子鍵彼此鍵合，即使伴隨退火處理的溫度升高也不會分離二者，從而保持成對狀態(tài)。
此外，進(jìn)行其它步驟以制造如圖9A或9B中構(gòu)造的發(fā)光器件。
如上所述，通過采用離子注入和退火相結(jié)合的方法，可以在母體半導(dǎo)體內(nèi)形成具有FT結(jié)構(gòu)的有源層。另外，通過熱擴(kuò)散和退火的結(jié)合，也可以形成具有FT結(jié)構(gòu)的有源層。此外，采用其它方法，也可以形成具有FT結(jié)構(gòu)的有源層。
如果與PF對一樣地將晶格點處的異質(zhì)原子D鍵合到間隙位置中的異質(zhì)原子Z，那么就會產(chǎn)生不同于母體半導(dǎo)體中的晶格振動的另一種固有振動模式。結(jié)果，可以由紅外光譜或拉曼光譜直接分析FT結(jié)構(gòu)。關(guān)于PF對的實例，對標(biāo)準(zhǔn)振動的計算表明，波數(shù)為150至200cm-1的附近出現(xiàn)了振動模式。以此方式，對振動模式的評價提供了一種檢測FT結(jié)構(gòu)存在的有效方法。
作為探測DZ對存在的一種間接且簡單的方法，可以采用電測量，例如電阻測量或霍爾測量。在采用n型或p型摻雜劑作為替換晶格點的異質(zhì)原子D的情況下，在間隙位置中摻雜異質(zhì)原子Z之前的襯底呈現(xiàn)n型或p型，由此具有低的電阻率。如果異質(zhì)原子D與異質(zhì)原子Z成對，則通過異質(zhì)原子Z與異質(zhì)原子D之間的電荷補償使得自由載流子減少，從而增大襯底的電阻率。所以，通過比較異質(zhì)原子Z的摻雜前后的電阻或載流子濃度，可以探測是否已形成了DZ對。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還可以將懸掛型FT半導(dǎo)體研磨成粉，以便將研磨成粉的FT半導(dǎo)體用作磷光體。磷光體中母體半導(dǎo)體(構(gòu)成原子A)、異質(zhì)原子D和異質(zhì)原子Z的組合如以上結(jié)合有源層所述。
將參考特定實施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
(第一實施例)將說明如圖9A中所示構(gòu)造的縱型硅發(fā)光器件。通過采用硅作為母體半導(dǎo)體、P原子作為替換晶格位置的異質(zhì)原子D和F原子作為插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z，形成PF摻雜的FT-Si有源層。PF對的濃度為2.5×1020/cm3。P原子和F原子中每一者的濃度可以通過SIMS確定。
為了檢測在有源層中是否形成了懸掛型FT結(jié)構(gòu)的PF對，檢測PF對中固有的振動模式是高效的，且通過有源層的顯微光譜可以探測PF對。作為一種容易地檢查PF對形成的方法，可以在具有高電阻率的襯底表面上制備其成分與有源層的成分相同的PF摻雜區(qū)和僅摻雜有P的區(qū)域，以關(guān)于表面電阻或載流子濃度比較這兩種摻雜區(qū)域。如果形成了PF對，則會引起電荷補償，從而與僅摻雜有P的區(qū)域相比，PF摻雜區(qū)域的電阻率增大，且載流子濃度降低。
如果用光激發(fā)有源層中的PF摻雜的FT-Si，那么將產(chǎn)生與結(jié)晶硅的帶隙相對應(yīng)的波長區(qū)域的PL發(fā)射。由圖8A和8B所示的能帶計算結(jié)果很明顯，PF摻雜的FT-Si的帶隙與結(jié)晶硅的帶隙大致相同。所以，PL發(fā)射波長與上述計算結(jié)果所預(yù)期的發(fā)射波長并不矛盾。因此，認(rèn)為在有源層中形成PF-Si，從而將有源層改變?yōu)橹苯幽軒ЫY(jié)構(gòu)。
如果由電流驅(qū)動發(fā)光器件，以允許空穴從p+區(qū)注入有源層，且允許電子從n+區(qū)注入有源層，則可以發(fā)生由電流激發(fā)的復(fù)合輻射。
如上所述，作為一種將發(fā)光功能賦予間接半導(dǎo)體的能帶工程方法，將能帶調(diào)制為直接結(jié)構(gòu)的懸掛型FT半導(dǎo)體是非常有效的。
(比較實例)下面說明的是與第一實施例結(jié)構(gòu)完全相同的元件，除了使用B原子代替F原子作為插入有源層中的間隙位置中的異質(zhì)原子Z。B濃度設(shè)定為與第一實施例中的F濃度相等的2.5×1020/cm3。
即使對其施加電流，比較實例的元件也是非發(fā)射性的。并且，即使用光激發(fā)有源層，比較實例的元件也是非發(fā)射性的。
比較實例的元件之所以是非發(fā)射性的，原因是由于晶體中B原子的位置。本領(lǐng)域公知B原子是典型的p型摻雜劑，且位于晶格點處，而不在間隙位置處。結(jié)果，B原子和P原子進(jìn)行了電荷補償，從而增大了有源層的電阻率。然而，沒有形成懸掛型FT結(jié)構(gòu)。
如上所述，為了形成懸掛型FT結(jié)構(gòu)并在晶體半導(dǎo)體中誘導(dǎo)直接能帶結(jié)構(gòu)，必須充分考慮替換晶格位置的異質(zhì)原子和插入到間隙位置的異質(zhì)原子的組合來選擇異質(zhì)原子。
(第二實施例)制備其結(jié)構(gòu)與第一實施例的結(jié)構(gòu)相同的發(fā)光器件，除了將p型摻雜劑的B原子用作異質(zhì)原子D以及將K原子用作異質(zhì)原子Z。由SIMS確定的B濃度和K濃度均為5×1020/cm3，且估計BK對的濃度為5×1020/cm3。
當(dāng)用光激發(fā)發(fā)光器件時，引起在結(jié)晶硅的帶隙附近的波長處的PL發(fā)射。當(dāng)用電流驅(qū)動元件時，可以發(fā)生從有源層中的FT結(jié)構(gòu)區(qū)域的電流注入輻射。發(fā)射波長也等于結(jié)晶硅帶隙附近的波長，且發(fā)射的光呈現(xiàn)與PL發(fā)射光譜類似形狀的發(fā)射光譜。
從第二實施例很明顯，即使在異質(zhì)原子D和異質(zhì)原子Z是IIIb元素和Ia元素的組合的情況下，發(fā)光功能也可以賦予間接半導(dǎo)體。
(第三實施例)通過采用各種材料作為母體半導(dǎo)體、在晶格位置處的異質(zhì)原子D和在間隙位置處的異質(zhì)原子Z，與第一實施例相同地制備發(fā)光器件。
表1示出了(1)有源層中的母體半導(dǎo)體，(2)被異質(zhì)原子D替換的晶格位置，(3)替換晶格位置的異質(zhì)原子D，(4)插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z，(5)由Z濃度估計的DZ對濃度，以及(6)通過電流注入的發(fā)射峰波長。
如表1中所示，即使在通過將懸掛型FT結(jié)構(gòu)引入基于化合物的間接半導(dǎo)體的化合物間接半導(dǎo)體中，也引起通過電流注入的發(fā)射。
表1
(第四實施例)將說明如圖9B中所示構(gòu)造的橫型硅發(fā)光器件。具體地說，通過使用硅作為母體半導(dǎo)體、P原子作為替換晶格位置的異質(zhì)原子D和F原子作為插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z，形成PF摻雜的FT-Si有源層。PF對的濃度為4.6×1020/cm3。P原子和F原子的濃度均通過SIMS確定。
為了檢測有源層中是否形成了懸掛型FT結(jié)構(gòu)的PF對，檢測PF對中固有的振動模式是高效的。并且，由電阻值或載流子濃度可以方便地探測PF對的形成。
當(dāng)用電流驅(qū)動發(fā)光器件時，可以允許從有源層中的FT結(jié)構(gòu)的區(qū)域產(chǎn)生通過電流注入的發(fā)射。該發(fā)射在結(jié)晶硅的帶隙附近產(chǎn)生。
如上所述，與縱向電流驅(qū)動的情況一樣，可以允許其中引入了FT結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件通過由橫向電流驅(qū)動的電流注入產(chǎn)生發(fā)射。
(第五實施例)圖11A和11B分別是示出了根據(jù)該實施例的端面發(fā)射型硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖。在半絕緣硅襯底31內(nèi)形成掩埋氧化物膜32。在掩埋氧化物膜32的上表面上形成摻雜有P的n+區(qū)33、FT-Si的有源層34和摻雜有B的p+區(qū)35。有源層34由PF摻雜的FT-Si構(gòu)成，在該PF摻雜的FT-Si中，母體硅層摻雜有用作替換晶格位置的異質(zhì)原子D的P原子和用作插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z的F原子。PF對的濃度約為3×1020/cm3。對p+區(qū)35、有源層34和n+區(qū)33進(jìn)行部分蝕刻，且形成連接到n+區(qū)33的n電極36和連接到p+區(qū)35的p電極37。n電極36和p電極37均由Ni硅化物/Au形成。如圖11B所示，發(fā)光器件的一個端面涂覆有非反射膜NR，另一個端面涂覆有反射膜R。在該結(jié)構(gòu)中，可以從涂覆有非反射膜NR的端面有效地實現(xiàn)通過電流注入的發(fā)射。
當(dāng)用電流驅(qū)動發(fā)光器件時，引起通過電流注入輻射的發(fā)射。圖12是示出了電流、電壓和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖。
如上所述，可以制造其中引入了FT結(jié)構(gòu)的端面發(fā)射型硅發(fā)光器件，并可以通過電流注入，使發(fā)光器件產(chǎn)生發(fā)射。
(第六實施例)圖13A和13B分別是示出了根據(jù)該實施例的表面發(fā)射型硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖。在半絕緣硅襯底41內(nèi)形成掩埋氧化物膜42。在掩埋氧化物膜42的上表面上形成摻雜有P的n+區(qū)43和由FT-Si構(gòu)成的有源層44。有源層44由PF摻雜的FT-Si構(gòu)成，在該PF摻雜的FT-Si中，母體硅層摻雜有用作替換晶格位置的異質(zhì)原子D的P原子和用作插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z的F原子。PF對的濃度約為7×1020/cm3。在有源層44的上表面上選擇性地形成絕緣層45，且形成摻雜有B的p+區(qū)46以覆蓋絕緣層45。對p+區(qū)46、絕緣層45、有源層44和n+區(qū)43進(jìn)行部分蝕刻，且形成連接到n+區(qū)43的n電極47和連接到p+區(qū)46的p電極48。P電極48設(shè)置在絕緣層45的上方。n電極47和p電極48均由Ni硅化物/Au形成。在本實施例的發(fā)光器件中，穿過p+區(qū)46從上表面提取EL發(fā)射。所以，從表面觀察，發(fā)光器件被設(shè)計為減小或基本上完全消除有源層44和p電極48之間的重疊，以防止有源層44被p電極48隱蔽。在前表面上在p+區(qū)48上形成非反射膜49，在襯底41的后表面上形成反射膜50。發(fā)光器件的每個端面均涂覆有反射膜。在圖中所示的結(jié)構(gòu)中，可以從前表面?zhèn)壬系姆欠瓷淠?9有效地實現(xiàn)通過電流注入的發(fā)射。
當(dāng)用電流驅(qū)動發(fā)光器件時，電子和空穴在由FT-Si構(gòu)成的有源層44內(nèi)復(fù)合，由此通過電流注入產(chǎn)生發(fā)射。圖14是示出了電流、電壓和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖。
如上所述，可以制造其中引入了FT結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射型硅發(fā)光器件，并可以通過電流注入，使發(fā)光器件產(chǎn)生發(fā)射。
(第七實施例)圖15A和15B分別是示出了根據(jù)該實施例的表面發(fā)射型硅發(fā)光器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖。除了形成輔助電極51和透明電極52以代替非反射膜49之外，該發(fā)光器件與第六實施例的發(fā)光器件基本上相同。
當(dāng)用電流驅(qū)動發(fā)光器件時，電子和空穴在由FT-Si構(gòu)成的有源層44內(nèi)復(fù)合，由此通過電流注入產(chǎn)生發(fā)射。圖16是示出了電流、電壓和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖。
如上所述，通過引入FT結(jié)構(gòu)和采用透明電極，可以制造表面發(fā)射型硅發(fā)光器件，并可以通過電流注入，使發(fā)光器件產(chǎn)生發(fā)射。
(第八實施例)圖17A和17B分別是示出了根據(jù)該實施例的端面發(fā)射型激光二極管(下文中稱為“LD器件”)結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖。該LD器件是具有脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的端面發(fā)光器件。在半絕緣硅襯底61內(nèi)形成掩埋氧化物膜62。在掩埋氧化物膜62的上表面上，形成摻雜有P的n+區(qū)63、由FT-Si構(gòu)成的有源層64和摻雜有B的p+區(qū)65。有源層64由PF摻雜的FT-Si構(gòu)成，該PF摻雜的FT-Si具有作為替換晶格位置的異質(zhì)原子D摻雜的P原子和作為插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z摻雜的F原子。PF對的濃度約為1×1021/cm3。對p+區(qū)65、有源層64和n+區(qū)63進(jìn)行部分蝕刻，且形成連接到n+區(qū)63的n電極66和連接到p+區(qū)65的p電極67。此外，對p電極67和p+區(qū)65進(jìn)行部分蝕刻。n電極66和p電極67均由Ni硅化物/Au形成。如圖17B所示，在LD器件的一個端面上形成具有低反射率的介電多層鏡LR，并在LD器件的另一個端面上具有形成高反射率的介電多層鏡HR。
當(dāng)用電流驅(qū)動LD器件時，可以使激光從端面振蕩。圖18是示出了電流和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖。雖然圖中并沒有示出光譜的具體變化，但是如果檢測通過電流注入所產(chǎn)生的發(fā)射光譜，則發(fā)現(xiàn)在低于閾值電流的電流下，該光譜很寬，但是在高于閾值電流的電流下，該光譜線很尖銳且是單色的。光譜的具體變化表明可以在高于閾值電流的電流下產(chǎn)生連續(xù)的激光振蕩。
除了上述材料以外，可以采用各種材料作為構(gòu)成有源層的FT半導(dǎo)體材料。例如，可以與用作母體半導(dǎo)體的Si相結(jié)合，采用B原子作為異質(zhì)原子D和K原子作為異質(zhì)原子Z。也可以采用前面所述材料的各種組合。
(第九實施例)圖19A和19B分別是示出了根據(jù)該實施例的表面發(fā)射型LD器件結(jié)構(gòu)的截面圖和透視圖。在半絕緣硅襯底71內(nèi)形成掩埋氧化物膜72。在掩埋氧化物膜72的上表面上，形成摻雜有P的n+區(qū)73和由FT-Si構(gòu)成的有源層74。有源層74由PF摻雜的FT-Si構(gòu)成，該PF摻雜的FT-Si具有作為異質(zhì)原子D的在替換晶格位置處摻雜的P原子和作為異質(zhì)原子Z的在插入間隙位置處摻雜的F原子。PF對的濃度約為7×1020/cm3。在有源層74的上表面上選擇性地形成絕緣膜75，且形成摻雜有B的p+區(qū)76以覆蓋絕緣層75。對p+區(qū)76、絕緣膜75、有源層74和n+區(qū)73進(jìn)行部分蝕刻，且形成連接到n+區(qū)73的n電極77和連接到p+區(qū)76的p電極78。n電極77和p電極78均由Ni硅化物/Au形成。對p電極78進(jìn)行部分蝕刻，并形成低反射率的介電多層鏡79。以與低反射率介電多層鏡79對應(yīng)的方式，在襯底71的后表面上形成高反射率的介電多層鏡80。
當(dāng)用電流驅(qū)動LD器件時，可以允許激光從端面振蕩。圖20是示出了電流和發(fā)射強度之間關(guān)系的曲線圖。如圖20中所示，在高于閾值電流的電流下，可以連續(xù)產(chǎn)生激光振蕩。
(第十實施例)圖21示出了根據(jù)該實施例的光電器件陣列的結(jié)構(gòu)。通過在同一襯底上形成由發(fā)光器件和適于調(diào)制發(fā)光器件的光輸出的開關(guān)器件(MOS晶體管)構(gòu)成的集成電路，制備光電器件陣列。發(fā)光器件由其結(jié)構(gòu)與第九實施例的結(jié)構(gòu)相同的表面發(fā)射LD器件構(gòu)成。另一方面，在形成于襯底71內(nèi)的掩埋氧化物膜72上，形成p阱區(qū)81、n+型源極和漏極區(qū)82、83。在源極和漏極區(qū)82、83之間的柵極絕緣膜84上形成柵電極85。在源極區(qū)82和漏極區(qū)83上，分別形成源電極86和漏電極87。此外，通過金屬線88，LD器件的n電極77和MOS晶體管的的漏電極87彼此連接。
圖22是示出了對晶體管提供的調(diào)制信號(電信號)和由LD器件產(chǎn)生的輸出光的響應(yīng)的曲線圖。從圖22很顯然，對于10GHz的高速調(diào)制信號，輸出光以10GHz的頻率被調(diào)制。這表明，該實施例中的光電器件陣列允許高速直接調(diào)制。雖然過去為了編碼LD器件的輸出，需要昂貴的光調(diào)制器件，但本發(fā)明的該實施例中，不必采用光調(diào)制元件。
(第十一實施例)
圖23示出了根據(jù)該實施例的光發(fā)射-探測器件陣列的結(jié)構(gòu)。通過在同一襯底上形成由光電探測器件和發(fā)光器件構(gòu)成的集成電路，制備該光發(fā)射-探測器件陣列。光發(fā)射-探測器件陣列產(chǎn)生處理接收的光信號和將處理結(jié)果作為新的光信號輸出的功能。發(fā)光器件由類似于根據(jù)第九實施例的LD器件構(gòu)造的表面發(fā)射LD器件形成。另一方面，光電探測器件由鍺光電探測器件形成。在形成于襯底71內(nèi)的掩埋氧化物膜72上，形成n+層91、i層92和p+層93。對p+層93、i層92和n+層91進(jìn)行部分蝕刻，以形成連接到n+層91的n電極94。在p+層93上形成p電極95。對p電極95進(jìn)行部分蝕刻，并形成非發(fā)射性層96。通過金屬線97，光電探測器件和發(fā)光器件串聯(lián)連接。光發(fā)射-探測器件陣列具有中繼功能(relaying function)，用于使輸入光信號輸出，其中其波形保持不變。
圖24是示出了對光電探測器件提供的其波長為850nm的光信號和由LD器件產(chǎn)生的輸出光的響應(yīng)的曲線圖。從圖24很明顯，對于在5GHz的頻率下調(diào)制的輸入信號，獲得了相同波形的輸出光。以此方式，該實施例中的光發(fā)射-探測器件陣列允許高速信號中繼。
(第十二實施例)圖25示出了根據(jù)該實施例的發(fā)光器件陣列的結(jié)構(gòu)。在該發(fā)光器件陣列中，為了光學(xué)輸出圖像信號，在同一襯底上整體形成多個發(fā)光器件。多個發(fā)光器件中的每個都與如第九實施例中構(gòu)造的表面發(fā)射型LD器件相同。通過金屬線99，多個發(fā)光器件彼此連接。
圖26A和26B示出了對LD器件陣列提供的圖像信號(電信號)和由LD器件陣列產(chǎn)生的輸出圖像(光信號)。從圖26A和26B很顯然，可以獲得以高保真度再現(xiàn)輸入圖像的輸出圖像。
(第十三實施例)圖27示出了根據(jù)該實施例的光學(xué)器件陣列的結(jié)構(gòu)。在該光學(xué)器件陣列中，在同一襯底上整體形成發(fā)光器件、光電探測器件和用于連接光電探測器件與發(fā)光器件的波導(dǎo)。該光學(xué)器件陣列允許產(chǎn)生、傳輸和接收光信號。
如圖27中所示，在硅襯底101上形成用于產(chǎn)生信號的端面發(fā)射型LD器件110和用于接收信號的鍺光電探測器件120。在LD器件110和光電探測器件120之間形成氧化物膜102，并在氧化物膜102上形成用于傳輸光信號的Si波導(dǎo)130。端面發(fā)射型LD器件110的結(jié)構(gòu)與第八實施例的結(jié)構(gòu)相同。n電極66和p電極67在圖27中示出。在LD器件110附近的襯底101中形成溝槽，以將端面暴露于外面。圖27還示出了關(guān)于鍺光電探測器件120的n電極121和p電極122。
圖28是示出了由LD器件產(chǎn)生的光信號和光電探測器件的輸出響應(yīng)的曲線圖。從圖28很明顯，對于在50GHz頻率下的高速調(diào)制信號，輸出光以50GHz的頻率被調(diào)制。以此方式，該實施例中的光學(xué)器件陣列允許以高速傳輸光信號。過去在晶片上形成用于傳輸光信號的光學(xué)布線單元在技術(shù)上是不可能的。然而，該實施例可以形成這樣的光學(xué)布線單元。
(第十四實施例)將說明可以由光源、電源或X射線源激發(fā)的磷光體。磷光體為包含作為主要成分的FT半導(dǎo)體的粉末晶體形式。FT半導(dǎo)體由包括作為母體半導(dǎo)體的碳化硅(SiC)、作為異質(zhì)原子D的N原子和作為異質(zhì)原子Z的F原子的NF摻雜的FT-SiC構(gòu)成。將NF濃度調(diào)整為三種濃度水平9×1017/cm3、1.2×1019/cm3和1.6×1020/cm3。
由NF摻雜的FT-SiC的能帶計算估計帶隙約為3eV，并預(yù)期產(chǎn)生藍(lán)色發(fā)射。并且，因為帶間躍遷為電偶極躍遷，所以預(yù)期發(fā)射復(fù)合壽命短，從而高效地實現(xiàn)強發(fā)射。
當(dāng)用光，例如紫外光激發(fā)磷光體時，可以獲得藍(lán)色PL發(fā)射。當(dāng)檢測相對于NF對濃度的PL發(fā)射光譜的發(fā)射強度時，發(fā)現(xiàn)NF對的數(shù)目與發(fā)射強度成比例。在這種情況下，認(rèn)為NF對起著局部發(fā)光中心的作用。
除了上述材料以外，還可以采用各種材料作為磷光體的材料。例如，在母體半導(dǎo)體由SiC形成的情況下，可以使用B原子作為異質(zhì)原子D和K原子作為異質(zhì)原子Z。在母體半導(dǎo)體由BP形成的情況下，也可以使用O原子作為異質(zhì)原子D和F原子作為異質(zhì)原子Z。還可以采用前面所述材料的各種組合。
(第十五實施例)該實施例中的磷光體由包括用作母體半導(dǎo)體的碳化硅(SiC)、用作異質(zhì)原子D的Al原子和用作異質(zhì)原子Z的Na原子的AlNa摻雜的FT-SiC形成。AlNa濃度約為5×1020/cm3。
由AlNa摻雜的FT-SiC的能帶計算估計帶隙約為3eV，并預(yù)期產(chǎn)生藍(lán)色發(fā)射。當(dāng)檢測PL發(fā)射時，可以獲得藍(lán)綠色發(fā)射，這與基于計算的估計基本上吻合。
(第十六實施例)通過使用各種材料作為母體半導(dǎo)體、替換晶格位置的異質(zhì)原子D和插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z，獲得與第十四和第十五實施例相同的磷光體。
表2示出了(1)磷光體的母體半導(dǎo)體，(2)被異質(zhì)原子D替換的晶格位置，(3)替換晶格位置的異質(zhì)原子D，(4)插入間隙位置中的異質(zhì)原子Z，(5)由Z濃度估計的DZ對濃度，以及(6)PL發(fā)射波長。
如表2中所示，通過將懸掛型FT結(jié)構(gòu)引入間接半導(dǎo)體中，可以高效地產(chǎn)生PL發(fā)射。
表2
本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易想到其它的優(yōu)點和修改。因此，本發(fā)明在其更寬的方面并不限于這里示出和說明的具體細(xì)節(jié)和示例性實施例。因此，只要不脫離所附權(quán)利要求書和其等同替換限定的總發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍，可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，包括有源層，包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A、替換晶格位置中所述原子A的異質(zhì)原子D和插入到與所述異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z，所述異質(zhì)原子D的價電子數(shù)與所述原子A的價電子數(shù)相差+1，并且通過與所述異質(zhì)原子D的電荷補償，所述異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)；以及n電極和p電極，適于向所述有源層提供電流。
2.一種發(fā)光器件，包括有源層，包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A、替換晶格位置中所述原子A的異質(zhì)原子D和插入到與所述異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z，所述異質(zhì)原子D的價電子數(shù)與所述原子A的價電子數(shù)相差-1，并且通過與所述異質(zhì)原子D的電荷補償，所述異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)；以及n電極和p電極，適于向所述有源層提供電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述母體半導(dǎo)體選自IVb單質(zhì)半導(dǎo)體和IVb-IVb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自Va元素和Vb元素，以及所述異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光器件，其中所述母體半導(dǎo)體選自IVb單質(zhì)半導(dǎo)體和IVb-IVb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IIIa元素和IIIb元素，以及所述異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IVa元素和IVb元素且替換IIIb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光器件，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IIa元素和IIb元素且替換IIIb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自VIa元素和VIb元素且替換Vb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)光器件，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IVa元素和IVb元素且替換Vb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，還包括n層，其在所述有源層和所述n電極之間形成以便與所述有源層接觸，以及p層，其在所述有源層和所述p電極之間形成以便與所述有源層接觸，其中所述n層、所述有源層和所述p層一個層疊在另一個上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，還包括n層，其在所述有源層和所述n電極之間形成以便與所述有源層接觸，以及p層，其在所述有源層和所述p電極之間形成以便與所述有源層接觸，其中所述n層、所述有源層和所述p層設(shè)置在同一面內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，還包括形成在所述有源層一個端面上的非反射膜和形成在所述有源層另一個端面上的反射膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述n電極或所述p電極設(shè)置為表面電極，并且非發(fā)射膜在沒有被所述表面電極覆蓋的所述有源層的上部中形成，且反射膜在所述有源層的下部中形成，以便面對所述非反射膜。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述n電極或所述p電極設(shè)置為表面電極，且所述表面電極是透明的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，還包括由一對鏡面構(gòu)成的光學(xué)共振器，所述鏡面對設(shè)置為沿所述有源層的同一面內(nèi)方向?qū)⑺鲇性磳訆A在其間，且所述鏡面對的反射率彼此不同。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件，還包括由一對鏡面構(gòu)成的光學(xué)共振器，所述鏡面對設(shè)置為沿所述有源層的膜表面的豎直方向?qū)⑺鲇性磳訆A在其間，且所述鏡面對的反射率彼此不同。
16.一種光電器件陣列，包括在同一襯底上形成的根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件和晶體管。
17.一種光發(fā)射-探測器件陣列，包括在同一襯底上形成的根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件和光電探測器件。
18.一種發(fā)光器件陣列，包括在同一襯底上形成的多個根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件。
19.一種光學(xué)器件陣列，包括在同一襯底上形成的根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光器件、光電探測器件和連接所述發(fā)光器件與所述光電探測器件的波導(dǎo)。
20.一種磷光體，包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A、替換晶格位置中所述原子A的異質(zhì)原子D，以及插入到與所述異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z，所述異質(zhì)原子D的價電子數(shù)與所述原子A的價電子數(shù)相差+1，并且通過與所述異質(zhì)原子D的電荷補償，所述異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)。
21.一種磷光體，包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A、替換晶格位置中所述原子A的異質(zhì)原子D，以及插入到與所述異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z，所述異質(zhì)原子D的價電子數(shù)與所述原子A的價電子數(shù)相差-1，并且通過與所述異質(zhì)原子D的電荷補償，所述異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的磷光體，其中所述母體半導(dǎo)體選自IVb單質(zhì)半導(dǎo)體和IVb-IVb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自Va元素和Vb元素，以及所述異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的磷光體，其中所述母體半導(dǎo)體選自IVb單質(zhì)半導(dǎo)體和IVb-IVb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IIIa元素和IIIb元素，以及所述異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的磷光體，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IVa元素和IVb元素且替換IIIb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的磷光體，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IIa元素和IIb元素且替換IIIb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的磷光體，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自VIa元素和VIb元素且替換Vb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自VIIb元素。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的磷光體，其中所述母體半導(dǎo)體選自IIIb-Vb化合物半導(dǎo)體，所述異質(zhì)原子D選自IVa元素和IVb元素且替換Vb的所述原子A，以及所述異質(zhì)原子Z選自Ia元素和Ib元素。
全文摘要
一種發(fā)光器件包括有源層，包括具有四面體結(jié)構(gòu)的母體半導(dǎo)體的原子A、替換晶格位置中所述原子A的異質(zhì)原子D和插入到與所述異質(zhì)原子D最鄰近的間隙位置中的異質(zhì)原子Z，所述異質(zhì)原子D的價電子數(shù)與所述原子A的價電子數(shù)相差+1或－1，并且通過與所述異質(zhì)原子D的電荷補償，所述異質(zhì)原子Z具有滿殼層結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)；以及n電極和p電極，適于向所述有源層提供電流。
文檔編號H01S5/30GK1976078SQ20061016299
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者山本和重, 清水達(dá)雄, 羽根田茂 申請人:株式會社東芝