[发明专利]间接带隙发光器件

说明书

间接带隙发光器件包括：非单晶间接带隙半导体材料的第一体。在第一体中，形成有两个区：具有第一掺杂类型和第一掺杂浓度的第一区以及具有第二掺杂类型和第二掺杂浓度的第二区。在第一区与第二区之间形成有结，其中端子排布连接至第一体且被布置成对结进行反向偏置以发光。从半导体的沉积层形成第一体以形成基板的组成部分。集成电路可以包括发光器件和单晶间接带隙半导体材料的第二体。第三体可以将第一体和第二体彼此分开并且电绝缘。

技术领域

本公开通常涉及光电器件并且更特别地涉及由间接带隙半导体材料制造的发光器件。

背景技术

硅发光

硅是制造几乎所有现代电子器件中的电子集成电路(IC)所选的主要材料。用于IC制造的主要制造技术是CMOS(互补金属氧化物半导体)，CMOS利用硅的能力来外延生长用作栅极绝缘层的特别高质量的热氧化物以在单个芯片上创建双极性的晶体管器件。

尽管硅很适合集成电子，但由于其间接带隙材料的特性，硅是不良的光学发射器。尽管如此，硅发光器的可行性可能是非常有用的。这已经是学术和商业的许多出版物以及大量专利公开的主题。形成集成电路的一部分的光发射器可以在各种应用中具有大的商业价值。

通常通过如下两者任一来创建从半导体材料的光发射：1)正向偏置pn结；或2)反向偏置pn结至击穿点，通常通过雪崩机制或齐纳机制或两者的组合，引起所谓的热载流子电致发光的现象。在正向偏置的情况下，光发射由扩散的少数载流子的复合引起，其中发射谱在材料的大约在带隙能量的中心处。在GaAs或其他直接带隙材料中，这个过程相对快且高效。在间接带隙材料例如硅和锗中，这是非常慢且效率低的过程。当反向偏置结直到击穿时，由于由大电场激发的高能量(热)载流子之间的若干类型的相互作用而发生热载流子电致发光，得到从约300纳米至约1000纳米的范围的广谱光发射。与声子辅助电子-空穴复合不同，与间接带隙材料的正向偏置情况相比，这个过程通常很快。

为了将这些发光器件集成至集成电路或微芯片中，必要的是，使用与用于制造晶体管和其他有源半导体器件的相似方法来在有源半导体材料中创建和配置pn结。有源器件通常指代采用pn结的器件，其中pn结被配置成基于其半导体特性执行特定功能或活动。当单片集成在芯片上时，这些器件结构被形成为靠近且抵靠单晶半导体材料的单晶(即，长程均相晶体结构)体的表面。该表面区域通常被称为有源层或器件层，即这些有源器件所在的单晶层。由于增加的电子和空穴迁移率、决定器件性能的参数，高质量的单结晶材料(或单晶材料)优选用于有源器件。通过离子注入、气体扩散或能够将掺杂杂质引入单晶体的任何工艺来形成n-区和p-区。随后，通过形成在器件层的顶部上生长或沉积的附加层来完成有源层中形成的器件，并且该有源层中形成的器件可以包括热生长氧化物层、沉积晶体管栅极层、沉积绝缘材料层、金属层和“过孔”结构(垂直穿过绝缘层以建立不同层之间的电接触的结构)等以能够电接入形成在芯片上的电子器件。

基于由所谓的初始层引入的差异，有源层可以分类为如下任一种：

1.有源层可以指靠近单晶半导体材料的本体的表面的层，其中本体的剩余部分不参与嵌入在有源层中的器件的行为。本体的剩余部分通常被称为体或基板。这常见于或指代初始材料是一片单晶硅片的标准体CMOS制造工艺。

2.有源层可以指绝缘材料的顶部上的单晶层，该单晶层通过该绝缘层与体分开。这种处理技术的示例是绝缘体上硅(SOI)，一种包括单晶半导体材料的薄的主层的制造技术，在该薄的主层中形成与单晶体材料电绝缘的器件(在这种情况下单晶体材料用作机械稳定性的载体(handle))。这些功能由初始晶片确定。在制造期间，器件通过掺杂n-区和p-区形成，而垂直蚀刻和后续的氧化物沉积允许产生半导体“岛”，该半导体“岛”在特定的条件下提供优异的电性能。尽管载体通常是电气不活动的，存在单晶体或载体可以用作次级有源体的现有技术(US 683801)。这在商业SOI制造工艺中是不常见的。

现有公开中的当前示例