[发明专利]声子调控间接带隙半导体材料横向电注入发光器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种间接带隙半导体材料横向电注入发光器件，特别涉及一种声子调控间接带隙半导体材料横向电注入发光器件。

背景技术

一般而言，大家公认由于间接带隙半导体材料的非直接带隙特征，电子和空穴不在动量空间垂直方向上，发光跃迁需要声子的参与，是一个二级及以上过程，效率很低，不适合作为发光体系考虑的对象。然而，过去已有报道在间接带隙半导体材料譬如磷化镓中实行等电子掺杂，如氮掺杂或锌-氧对掺杂，可实现高效率的可见光室温发射，并应用到发光二极管的制作。然而，掺杂也有不足之处，掺杂密度不能太高，一方面不能有效激活，另一方面也可能破坏半导体材料的晶体质量，所以一直没有实现间接带隙三五族半导体材料的室温高效激射。

作为半导体工业食粮的硅基材料，一直没有实现可与硅基集成电路工艺兼容的高效室温发光。国际上一般的努力是寄希望于通过减少硅基材料的维度以期实现量子限制效应或直接带隙硅基材料以实现高效的硅基发光，但是难度很大，而且与大规模集成电路工艺不是太兼容。

近年来已有多个小组报道了室温的高效硅基发光，并实现了硅基的电注入激射(美国应用物理杂志Applied physics letters Vol 84 page 2163)。假如能够将间接带隙半导体材料的发光过程变为一级微扰过程，或一级微扰过程的叠加，将可以显著的增加间接带隙半导体材料的发光效率。

根据间接带隙半导体发光理论，发光跃迁概率与声子数成正比。一般情况下，声子数由波尔兹曼分布决定，在不同的温度有不同的热平衡分布。而在强电场或强光场造成热电子存在以及周期场存在的情况下，能够显著的改变局部的声子数分布，参见美国物理评论系列杂志(physical review letters，Vol 11 page 417；physicsl review，Vol 135 pageA814)，导致局部区域内间接带隙半导体发光效率的增强。

另外，在有周期场存在的情况下，可显著的增加电子和空穴与声子散射或相互作用的几率，增加声子辅助的间接带隙半导体材料光跃迁概率。而且，在掺杂层20和掺杂层30以及有源区60中，实现纳米尺度的二氧化硅、氮化硅、氮氧硅等纳米颗粒或纳米孔洞镶于其中，实现电子、空穴和声子的定域化效应，有利于进一步增强间接带隙半导体发光效率以及提高电子空穴符合发光的几率。

发明内容

本发明的目的是提供一种声子调控间接带隙半导体材料横向电注入发光器件，源区和漏区分别实现p型掺杂和n型掺杂，栅介质层也可用半导体材料代替，栅介质层下面是发光器件的复合有源区。在与发光器件的复合有源区相连的源区、漏区的一部分以及复合有源区施加强电场或强的光激发产生热电子、或施加一高频电场，一方面可有效的增加有源区中的声子密度，增加有源区中电子、空穴和声子的耦合强度，提高间接带隙半导体材料辐射复合跃迁的几率，实现高效率的间接带隙半导体材料发光；更重要的是，在和有源区相连接的源区和漏区实现非热平衡的更高密度的声子分布或更高的电子、空穴和声子的耦合强度，使电子在进入有源区复合发光之前即已经和声子交换动量并得到保持，使电子和空穴在进入间接带隙半导体材料有源区复合之前在动量空间即处在布里渊区的垂直方向上，从而使间接带隙半导体材料发光从一般的二级微扰过程变为两个连续的一级微扰过程，即首先是电子-声子相互作用微扰，其次为电子-光子相互作用微扰，实现更高效率的间接带隙半导体材料发光。在此基础上，源区、有源区和漏区之间可实现高效的间接带隙半导体材料横向p-i-n电致发光结构，与现有硅集成电路工艺完全兼容，可应用于硅基光电子集成，类似原理可应用于制作其它间接带隙半导体材料的发光器件。

在此基础上，在器件的源区、漏区和有源区中也可以引入量子限制结构，实现纳米尺度的二氧化硅、氮化硅、氮氧硅等纳米颗粒或纳米孔洞镶嵌在源区、漏区和有源区中，实现电子、空穴和声子的定域化效应，进一步增强间接带隙半导体材料的发光效率和强度。工艺简单，容易实现，与现有的硅基超大规模集成电路工艺兼容。

本发明一种声子调控间接带隙半导体材料横向电注入发光器件，其特征在于，其中包括：

一p-型或n-型间接带隙半导体材料衬底；

一n重掺杂层，该n重掺杂层制作在p-型或n-型间接带隙半导体材料衬底上的一侧，该n重掺杂层是器件的源区；

一p重掺杂层，该p重掺杂层制作在p-型或n-型间接带隙半导体材料衬底上的另一侧，该p重掺杂层是器件的漏区；

一负极，该负极制作在n重掺杂层上；