[發明專利]聲子調控間接帶隙半導體材料橫向電注入發光器件

無效

• 申請號: 200610113405.1
• 申請日: 2006-09-27
• 公開（公告）號: CN101154696A
• 公開（公告）日: 2008-04-02
• 發明（設計）人: 張建國;王曉欣;成步文;余金中;王啟明
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及一種間接帶隙半導體材料橫向電注入發光器件，特別涉及一種聲子調控間接帶隙半導體材料橫向電注入發光器件。

背景技術

一般而言，大家公認由于間接帶隙半導體材料的非直接帶隙特征，電子和空穴不在動量空間垂直方向上，發光躍遷需要聲子的參與，是一個二級及以上過程，效率很低，不適合作為發光體系考慮的對象。然而，過去已有報道在間接帶隙半導體材料譬如磷化鎵中實行等電子摻雜，如氮摻雜或鋅-氧對摻雜，可實現高效率的可見光室溫發射，并應用到發光二極管的制作。然而，摻雜也有不足之處，摻雜密度不能太高，一方面不能有效激活，另一方面也可能破壞半導體材料的晶體質量，所以一直沒有實現間接帶隙三五族半導體材料的室溫高效激射。

作為半導體工業食糧的硅基材料，一直沒有實現可與硅基集成電路工藝兼容的高效室溫發光。國際上一般的努力是寄希望于通過減少硅基材料的維度以期實現量子限制效應或直接帶隙硅基材料以實現高效的硅基發光，但是難度很大，而且與大規模集成電路工藝不是太兼容。

近年來已有多個小組報道了室溫的高效硅基發光，并實現了硅基的電注入激射(美國應用物理雜志Applied?physics?letters?Vol?84?page?2163)。假如能夠將間接帶隙半導體材料的發光過程變為一級微擾過程，或一級微擾過程的疊加，將可以顯著的增加間接帶隙半導體材料的發光效率。

根據間接帶隙半導體發光理論，發光躍遷概率與聲子數成正比。一般情況下，聲子數由波爾茲曼分布決定，在不同的溫度有不同的熱平衡分布。而在強電場或強光場造成熱電子存在以及周期場存在的情況下，能夠顯著的改變局部的聲子數分布，參見美國物理評論系列雜志(physical?review?letters，Vol?11?page?417；physicsl?review，Vol?135?pageA814)，導致局部區域內間接帶隙半導體發光效率的增強。

另外，在有周期場存在的情況下，可顯著的增加電子和空穴與聲子散射或相互作用的幾率，增加聲子輔助的間接帶隙半導體材料光躍遷概率。而且，在摻雜層20和摻雜層30以及有源區60中，實現納米尺度的二氧化硅、氮化硅、氮氧硅等納米顆粒或納米孔洞鑲于其中，實現電子、空穴和聲子的定域化效應，有利于進一步增強間接帶隙半導體發光效率以及提高電子空穴符合發光的幾率。

發明內容

本發明的目的是提供一種聲子調控間接帶隙半導體材料橫向電注入發光器件，源區和漏區分別實現p型摻雜和n型摻雜，柵介質層也可用半導體材料代替，柵介質層下面是發光器件的復合有源區。在與發光器件的復合有源區相連的源區、漏區的一部分以及復合有源區施加強電場或強的光激發產生熱電子、或施加一高頻電場，一方面可有效的增加有源區中的聲子密度，增加有源區中電子、空穴和聲子的耦合強度，提高間接帶隙半導體材料輻射復合躍遷的幾率，實現高效率的間接帶隙半導體材料發光；更重要的是，在和有源區相連接的源區和漏區實現非熱平衡的更高密度的聲子分布或更高的電子、空穴和聲子的耦合強度，使電子在進入有源區復合發光之前即已經和聲子交換動量并得到保持，使電子和空穴在進入間接帶隙半導體材料有源區復合之前在動量空間即處在布里淵區的垂直方向上，從而使間接帶隙半導體材料發光從一般的二級微擾過程變為兩個連續的一級微擾過程，即首先是電子-聲子相互作用微擾，其次為電子-光子相互作用微擾，實現更高效率的間接帶隙半導體材料發光。在此基礎上，源區、有源區和漏區之間可實現高效的間接帶隙半導體材料橫向p-i-n電致發光結構，與現有硅集成電路工藝完全兼容，可應用于硅基光電子集成，類似原理可應用于制作其它間接帶隙半導體材料的發光器件。

在此基礎上，在器件的源區、漏區和有源區中也可以引入量子限制結構，實現納米尺度的二氧化硅、氮化硅、氮氧硅等納米顆粒或納米孔洞鑲嵌在源區、漏區和有源區中，實現電子、空穴和聲子的定域化效應，進一步增強間接帶隙半導體材料的發光效率和強度。工藝簡單，容易實現，與現有的硅基超大規模集成電路工藝兼容。

本發明一種聲子調控間接帶隙半導體材料橫向電注入發光器件，其特征在于，其中包括：

一p-型或n-型間接帶隙半導體材料襯底；

一n重摻雜層，該n重摻雜層制作在p-型或n-型間接帶隙半導體材料襯底上的一側，該n重摻雜層是器件的源區；

一p重摻雜層，該p重摻雜層制作在p-型或n-型間接帶隙半導體材料襯底上的另一側，該p重摻雜層是器件的漏區；

一負極，該負極制作在n重摻雜層上；