專利名稱：硅光電器件以及利用這種器件的發(fā)光設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅光電器件，尤其涉及低成本、高效率的硅光電器件以及采用這種器件的發(fā)光設(shè)備。
背景技術(shù)：
可以高可靠性地將硅半導體襯底用在高度集成的邏輯器件、操作機構(gòu)器件、驅(qū)動器件中。由于硅價格便宜，因此和利用化合物半導體相比，可以在硅襯底上以低成本形成高度集成的電路。正因為如此，硅已經(jīng)成為用于最集成的電路的基礎(chǔ)材料。
基于硅的優(yōu)點，已經(jīng)研制出制造硅基發(fā)光器件的穩(wěn)定成果，以便實現(xiàn)可以通過用于形成集成電路的一般工藝制造的低成本的光電器件。實驗證實，多孔硅和毫微硅具有發(fā)光能力。這樣，有關(guān)這些的研究正在繼續(xù)。
圖1顯示出在體單晶硅的表面中形成的多孔硅區(qū)域的截面圖以及在多孔硅區(qū)域中的價帶和導電帶之間的能帶隙。
可以在含有例如氫氟酸(HF)溶液的電解液中、通過在體單晶硅(Si)的表面上的陽極電化學溶解而獲得多孔硅。
對體硅在HF溶液中進行陽極電化學溶解的同時，具有許多孔1a的多孔硅區(qū)域1形成在體硅的表面中，如圖1所示。在形成孔1a的區(qū)域中，和凸出區(qū)域1b中相比存在更多不溶解于氫氟酸的Si-H鍵。相對于多孔硅區(qū)域1的形狀，將會相反的出現(xiàn)在價帶(Ev)和導電帶(Ec)之間的能帶隙。
由凸出區(qū)域圍繞并相應于由多孔硅區(qū)域1中的孔區(qū)域1a圍繞的凸出區(qū)域1b的能帶隙曲線中的凹進區(qū)域提供了量子約束效應，這樣在此區(qū)域中的能帶隙增長到高于體硅。而且，在此區(qū)域中捕獲空穴和電子并發(fā)光。
例如，在多孔硅區(qū)域1中，由孔區(qū)域1a圍繞的凸出區(qū)域1b作為單晶硅的量子線形成以提供量子約束效應，由量子線捕獲電子和空穴并使它們結(jié)合以發(fā)光。根據(jù)量子線的尺寸(寬和長)，發(fā)光的波長在從接近紅外線波長到藍波長的范圍內(nèi)。這里，多孔區(qū)域1a的周期例如約為5nm，多孔硅區(qū)域1具有例如3nm的最大厚度，例如圖1所示。
因此，在制造多孔硅基發(fā)光器件之后，當預定電壓施加于形成多孔硅區(qū)域1的發(fā)光器件時，依據(jù)多孔硅區(qū)域1的孔隙率可以發(fā)射出理想波長的光。
但是，正如上面所述，這種多孔硅基發(fā)光器件的作為發(fā)光器件還不是高度可靠的，具有低至0.1％的外部量子效率(EQE)。
圖2是毫微晶體硅基發(fā)光器件的例子的截面圖。參考圖2，毫微晶體硅基發(fā)光器件具有層狀結(jié)構(gòu)，包括p-型單晶硅襯底2、形成在硅襯底2上的非晶硅層3、形成在非晶硅層3上的絕緣層5、分別形成在硅襯底2的底部和絕緣層5的頂部的下上電極6、7。在非晶硅層3中作為量子點形成毫微晶體硅4。
當非晶硅層3在氧氣氣氛中迅速加熱到700℃以重結(jié)晶時，毫微晶體硅4以量子點的形式形成。這里，非晶硅層3的厚度為3nm，毫微晶體硅4的尺寸約為2-3nm。
在利用上述毫微晶體硅4的發(fā)光器件中，當經(jīng)過上下電極7、6施加反偏電壓時，在硅襯底2和毫微晶體硅4之間的非晶硅層3的端部產(chǎn)生強電場，這樣產(chǎn)生了激發(fā)到高能級的電子和空穴。電子和空穴穿入毫微晶體硅4并在這里彼此耦合以發(fā)光。在毫微晶體硅基發(fā)光器件中，當毫微晶體硅量子點減少時，從那里產(chǎn)生的光的波長變短。
在利用上述毫微晶體硅4的發(fā)光器件中，很難控制毫微晶體硅量子點的尺寸和均一性，并且效率非常低。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可作為發(fā)光器件或光接收器件的新型硅光電器件，和多孔硅基和毫微晶體硅基發(fā)光器件相比，它能夠以低成本、高效率制造，本發(fā)明還提供一種利用此硅光電器件的發(fā)光設(shè)備。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種硅光電器件，包括基于n-型或p-型硅的襯底；在襯底的一個表面上形成并用預定摻雜劑摻雜到超淺深度的摻雜區(qū)，上述預定摻雜劑為與襯底相反的類型，以便在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)通過量子約束提供光電轉(zhuǎn)換效應；在襯底上形成的第一和第二電極將與摻雜區(qū)電連接。
優(yōu)選地，硅光電器件進一步包括在襯底的一個表面上形成的控制層，以便用作形成摻雜區(qū)中的掩模并且用于限制超淺的摻雜區(qū)的深度。更優(yōu)選，控制層是適當厚的氧化硅層(SiO2)，使得摻雜區(qū)可以形成為超淺的深度。
優(yōu)選地，摻雜區(qū)通過預定摻雜劑的非均衡擴散形成。更優(yōu)選地，預定摻雜劑包括硼和磷之一。
優(yōu)選地，在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)中形成產(chǎn)生和湮沒電子空穴對的量子阱、量子點、量子線的至少一種。當電流施加到第一和第二電極時，在量子阱、量子點、量子線的至少一種中出現(xiàn)電子空穴對的湮沒以發(fā)光，這樣根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件適用于發(fā)光器件。在這種情況下，硅光電器件進一步包括在摻雜區(qū)中的多個微孔以增加所產(chǎn)生光的輸出功率。優(yōu)選地，多個微孔向下延伸到p-n結(jié)中的發(fā)光區(qū)域。優(yōu)選地，多個微孔的尺寸為λ/(2n)或λ/(2n)的整數(shù)倍，其中λ是所產(chǎn)生光的特殊波長，n是微孔平均折射系數(shù)。
優(yōu)選地，通過摻雜區(qū)的入射光由在p-n結(jié)中形成的量子阱、量子點、量子線的至少一種吸收以產(chǎn)生電子空穴對，這樣硅光電器件可用作光接收器件。在這種情況下，量子阱、量子點、量子線的至少一種具有足夠大的次能帶隙，能夠使硅光電器件用作UV檢測器，優(yōu)選地，能夠檢測不長于150nm的UV范圍。優(yōu)選地，第一電極形成在形成有摻雜區(qū)的襯底的一個表面上，第二電極形成在襯底的另一表面上。優(yōu)選地，第一和第二電極均形成在將與摻雜區(qū)電連接的襯底的一個表面上。
對于根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件，襯底是由硅、碳化硅、金剛石構(gòu)成的組中選出的一種形成的。
本發(fā)明還通過包括至少一個用作發(fā)光器件的硅光電器件的發(fā)光設(shè)備來實現(xiàn)，此硅光電器件包括基于n-型或p-型硅的襯底；在襯底的一個表面上形成并用預定摻雜劑摻雜到超淺深度的摻雜區(qū)，上述預定摻雜劑為與襯底相反的類型，以便在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)通過量子約束提供光電轉(zhuǎn)換效應；在襯底上形成并將與摻雜區(qū)電連接的第一和第二電極。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光設(shè)備中，優(yōu)選地硅光電器件進一步包括在襯底的一個表面上形成的控制層，以便用作形成摻雜區(qū)中的掩模并且用于限制超淺的摻雜區(qū)的深度。當電流施加到硅光電器件的第一和第二電極時，在摻雜區(qū)域和襯底之間的p-n結(jié)中出現(xiàn)電子空穴對湮沒而發(fā)光，發(fā)光設(shè)備可以用作顯示系統(tǒng)，此系統(tǒng)中包括以兩維陣列方式設(shè)置的多個硅光電器件。優(yōu)選地，兩維陣列包括在每個像素中設(shè)置的三個硅光電器件以發(fā)出不同顏色的光。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光設(shè)備中，優(yōu)選地三個硅光電器件發(fā)出白光，發(fā)光設(shè)備包括在兩維陣列的硅光電器件的前表面上的二向色的濾色器。
當電流施加到硅光電器件的第一和第二電極時，在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)中出現(xiàn)電子空穴對湮沒而發(fā)光，發(fā)光設(shè)備可以用作包括至少一個硅光電器件的照明設(shè)備。


本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點通過參考附圖、對優(yōu)選實施例的詳細描述而將變得更為顯而易見，其中圖1示出了在體單晶硅表面形成的多孔硅區(qū)域及在多孔硅區(qū)域中價帶和導電帶之間的能帶隙的橫截面圖；圖2是毫微晶體硅基發(fā)光器件的例子的橫截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的橫截面圖；圖4A示出當摻雜層15通過非均衡擴散形成為超淺的深度時p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)。
圖4B示出通過非均衡擴散在圖4A的p-n結(jié)中形成的軸向和橫向量子阱(QW)的能量帶；圖5示出在襯底表面上形成的微空腔；圖6是根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的實施例的橫截面圖，減少了不垂直于器件表面的光傳播的吸收，由此增加了發(fā)光效率。
圖7是圖6的摻雜區(qū)的局部平面圖；圖8是采用根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的發(fā)光設(shè)備的實施例的平面圖；圖9是采用根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的發(fā)光設(shè)備的另一實施例的平面圖；圖10是根據(jù)用作光接收器件的本發(fā)明的硅光電器件的另一實施例的截面圖；
圖11說明了當本發(fā)明用作UV檢測器時、在根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的量子阱的能量帶中檢測UV射線的原理。
具體實施例方式
參考圖3，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的硅光電器件包括襯底11、在襯底11的一個表面上形成的摻雜區(qū)15、形成在襯底11上并將與摻雜區(qū)15電連接的第一和第二電極17、19。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件進一步包括在襯底11的一個表面上的控制層13，此控制層在形成摻雜區(qū)15中作為掩模并且能夠使摻雜區(qū)15形成所希望的超淺的深度。在摻雜區(qū)15形成之后，可以選擇性地去除控制層13。
襯底11是由包括硅的預定半導體材料形成，例如硅、碳化硅或金剛石。襯底11用n-型摻雜劑摻雜。
摻雜區(qū)15是通過預定摻雜劑例如硼或磷由控制層13中的開口向襯底11的非均衡擴散而形成的。摻雜區(qū)15用與襯底11相反的類型例如p+型摻雜劑摻雜。
在摻雜摻雜區(qū)15中，優(yōu)選摻雜區(qū)15摻雜到所希望的超淺深度，這樣至少量子阱、量子點和量子線中的一種在摻雜區(qū)15和襯底11之間即在p-n結(jié)14中形成，以便提供能夠進行光電轉(zhuǎn)換的量子約束效應。
量子阱主要地形成在p-n結(jié)14中，但量子點或量子線可以形成在p-n結(jié)14中。量子阱、量子點和量子線的至少兩種可以在p-n結(jié)14中一起形成。此后，為了方便起見，將以量子阱形成在p-n結(jié)14中的情況描述本發(fā)明。雖然以下描述的本發(fā)明是在量子阱形成在p-n結(jié)14中的情況，但是很顯然量子阱可以認為是量子阱、量子點和量子線中的至少一種。
圖4A顯示了當摻雜層15通過非均衡擴散以超淺的深度形成時p-n結(jié)14的結(jié)構(gòu)。圖4B顯示了通過非均衡擴散在圖4A的p-n結(jié)中形成的縱向和橫向量子阱(QW)的能量帶。在圖4B中，Ec代表導電帶能級，Ev代表價帶能級、Ef代表費米能級。這些能級在半導體技術(shù)領(lǐng)域是眾所周知的，因此在此省略了它們的描述。
如圖4A和4B所示，在p-n結(jié)14附近，交替地形成不同摻雜劑類型的摻雜層以提供量子阱結(jié)構(gòu)。量子阱和下層勢壘分別具有約2nm和3nm的深度。
通過將控制層13的厚度和擴散工藝條件控制到最佳狀態(tài)，可以實現(xiàn)摻雜p-n結(jié)14以形成量子阱為這種超淺的深度。
通過適當?shù)臄U散溫度和在襯底11表面上的變形電壓，在擴散工藝期間可以將擴散輪廓的厚度調(diào)節(jié)到例如10-20nm。結(jié)果，形成在這種超淺擴散輪廓中的量子阱系統(tǒng)。襯底11的表面通過最初控制層的厚度和預表面處理變形，且當加工時變形變得嚴重。
優(yōu)選地，控制層13是預定厚度的氧化硅(SiO2)層，這樣摻雜層15可以摻雜到超淺深度。作為例子，為了形成控制層13，在襯底11的一個表面上形成氧化硅層，通過光刻法刻蝕氧化硅層以除去用于擴散的開口部分，由此構(gòu)成具有掩模結(jié)構(gòu)的控制層13。
正如在擴散技術(shù)領(lǐng)域所知，如果氧化硅層的厚度超過適當厚度(數(shù)千埃)或者如果擴散溫度低，通過空位影響擴散并導致深擴散輪廓。相反地，如果氧化硅層的厚度低于適當厚度，或者如果擴散溫度高，通過硅的自填隙影響擴散并導致深擴散輪廓。因此，通過將氧化硅層形成為適當?shù)暮穸?，在此厚度硅的自填隙和空位以相同的比率產(chǎn)生并且彼此耦合，這樣不會出現(xiàn)摻雜劑的擴散，可以實現(xiàn)超淺摻雜。在擴散技術(shù)領(lǐng)域中與空位和自填隙有關(guān)的物理性質(zhì)是眾所周知的，因此在此不在詳細描述。
選擇性地，襯底11可以用p-型摻雜，摻雜層15可以用n+-型摻雜。
在形成摻雜區(qū)15的襯底11的一個表面上形成第一電極17，第二電極19形成在襯底11的底部。圖3示出由非透明金屬材料形成的第一電極17的例子，部分地與摻雜層15的邊緣區(qū)接觸?？梢岳猛该麟姌O材料例如氧化銦錫(ITO)形成第一電極17以覆蓋整個摻雜區(qū)15。
在根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件中，在摻雜區(qū)15和襯底11之間的p-n結(jié)14中形成在此處產(chǎn)生并湮沒電子空穴對的量子阱。因此，根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件可以用作發(fā)光器件或光接收器件。
例如，當DC電壓(或電流)施加到第一電極17和第二電極19時，像這種電子和空穴的勢壘被注入到在p-n結(jié)中的量子阱中并由于在量子阱中的次帶能級重新結(jié)合(湮滅)。這里，根據(jù)勢壘結(jié)合的狀態(tài)出現(xiàn)不同波長的電致發(fā)光。
當根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件用作發(fā)光器件時，如果電致發(fā)光的波長與由在襯底11的表面(實際上，摻雜層14的表面)微缺陷引起的微空腔的共振頻率匹配，電致發(fā)光的強度可以放大。通過調(diào)節(jié)在硅光電器件制造中微空腔的尺寸，獲得了能夠發(fā)射出從非常短的波長到長波長、尤其從紫外光(UV)到紅外光(IR)范圍內(nèi)的光的發(fā)光器件。
由于變形的電位產(chǎn)生了微空腔。通過調(diào)節(jié)微空腔的尺寸，可以發(fā)射出特殊波長的光或?qū)挷ㄩL范圍的光。
當根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件用作發(fā)光器件時，發(fā)光器件可以發(fā)出具有約60％的高外部量子效率(EQE)的寬波長范圍的光。
當根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件用作發(fā)光器件時，從超淺p-n結(jié)的量子阱發(fā)出的光向各個方向分散。當根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件用作發(fā)光器件時，直接垂直于器件表面的可見范圍的光大部分通過在表面中形成的微缺陷發(fā)出到器件之外。同時，以其它方向傳播的大部分光在器件的內(nèi)部發(fā)光部分附近即在襯底11被吸收，因此不能用于提高發(fā)光效率。
這是因為襯底11的硅對于可見范圍的光具有高吸收率。硅的吸收系數(shù)(α)對于可見光在3000-50000/cm的范圍內(nèi)，對于400-650hm的光在5000-30000/cm的范圍內(nèi)。假設(shè)硅具有2000/cm的吸收系數(shù)(α)，在硅中經(jīng)過距離x之后光的強度通過以下公式(1)給出，其中I0代表光的最初強度I=I0e(-αX)······(1)]]>根據(jù)上述公式(1)，在光傳播20nm之后光的吸收率遠遠低于1％?？紤]到摻雜區(qū)15具有20-30nm的厚度，可以發(fā)出在99.9％以上的垂直于器件表面的光。同時，光在其它方向上傳播相對較長的距離，這樣相當可觀量的光由襯底11吸收。
圖6中示出了根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的實施例，此實施例減少了不垂直于器件表面?zhèn)鞑サ墓獾奈?，由此提高了發(fā)光效率。圖7是圖6的摻雜區(qū)15的局部平面圖。在圖6中，與圖3相同的參考標記代表與圖3中的那些具有相同功能的元件。因此，可以參考上述相關(guān)描述，此處不再重復。
參考圖6和7，根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的實施例包括在摻雜區(qū)15表面中的微孔25，對外發(fā)出一部分通常將由器件內(nèi)部吸收的光，由此增加了此處產(chǎn)生的光的輸出功率。優(yōu)選地，微孔25向下延伸到在p-n結(jié)14中的發(fā)光部分。
微孔25可以保持為空的以填充空氣或能夠吸收特殊波長的光的材料。
為了放大特殊波長的光，測定微孔25的尺寸為λ/(2n)或λ/(2n)的整數(shù)倍，此處λ是光的特殊波長，n是相對于波長λ用于填充微孔25的材料或空氣介質(zhì)的有效折射率。
在摻雜區(qū)域15中具有微孔25的硅光電器件中，一部分以不垂直于器件表面的方向分散的光可以通過微孔25發(fā)射到器件之外，由此提高了發(fā)光效率。另外，當確定微孔25的尺寸以滿足相對于上述特殊波長的光的條件時，放大了特殊波長的光。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件用作發(fā)光器件，因此它可以應用到發(fā)光設(shè)備，例如顯示系統(tǒng)或照明設(shè)備。發(fā)光設(shè)備包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的光電器件。
當采用根據(jù)本發(fā)明的硅發(fā)光器件的發(fā)光設(shè)備用于顯示系統(tǒng)時，根據(jù)本發(fā)明的硅發(fā)光器件可以以2維方向排列，如圖8和9所示，以構(gòu)造發(fā)光設(shè)備。
利用半導體材料、通過應用于制造半導體器件的工藝可以制造出在尺寸上非常小的根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光器件。因此，很明顯，根據(jù)本發(fā)明的光電器件可以用于顯示系統(tǒng)、特別是平板固態(tài)顯示器。
圖8示出在沒有利用濾色器的條件下、能夠?qū)崿F(xiàn)RGB全色顯示的發(fā)光設(shè)備，其中在每個像素51中設(shè)置了根據(jù)本發(fā)明的三個硅光電器件55a、55b和55c以發(fā)出例如顏色R、G、B。很顯然額外的濾色器可以安裝到圖8的發(fā)光設(shè)備中以實現(xiàn)非常清晰的顏色顯示。
圖9示出了能夠利用在發(fā)白光的硅光電器件75的2維陣列70上設(shè)置的波長選擇濾色器80實現(xiàn)全色顯示的發(fā)光設(shè)備。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的、發(fā)白光的三個硅光電器件75設(shè)置在每個像素71中，分別與濾色器80的R、G、B元件對齊。此時，濾色器80的R、G、B元件的設(shè)置可以相同于或相似于圖8中所示的硅光電器件55a、55b和55c的2維陣列50。
硅光電器件的2維陣列50和/或用于實現(xiàn)全色顯示的濾色器80的R、G、B元件的設(shè)置可以以許多不同的方式變化。
當采用根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的發(fā)光設(shè)備是照明系統(tǒng)時，至少一個根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件用于構(gòu)成發(fā)光設(shè)備，其中確定將采用的光電器件的數(shù)量以遵從照明系統(tǒng)的用途和其照明需要。
采用根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件的上述發(fā)光設(shè)備足夠于推斷發(fā)光設(shè)備的結(jié)構(gòu)，因此省略了對其的詳細描述及圖解。
同時，和如上所述的發(fā)光器件一樣，根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件還可以用作光接收器件。和硅光電器件用作發(fā)光器件相比，當由光照射用作光接收器件的硅光電器件時，電子和空穴將通過摻雜區(qū)15從入射光獲得能量并產(chǎn)生電流、然后產(chǎn)生與照射光的量成比例的電信號。結(jié)果，硅光電器件可以用作光接收器件。
當電壓垂直地或橫向地施加于根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件時，在p-n結(jié)14形成的量子阱中的次能帶隙可以充分地增加，這樣根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件可以用作UV檢測器。在具有其中在襯底11底部上形成第二電極19的結(jié)構(gòu)的圖3所示的硅光電器件中，電壓可以垂直地施加到第一和第二電極17和19上。和圖3的硅光電器件結(jié)構(gòu)不同，在圖10的硅光電器件中，代替了在襯底11的底部上形成第二電極，第一和第二電極17和19全部形成在襯底11形成摻雜區(qū)15的表面上，這樣電壓可以水平地施加于器件。在圖10中，與圖3相同的參考標記代表具有相同于或相似于圖3中那些的元件，在此不再對其進行說明。
UV射線涉及具有從400nm到1nm(1keV)范圍內(nèi)的波長的電磁波，在此范圍內(nèi)“接近UV”是指波長高于300nm的光，“真空UV”是指低于200nm的波長的光。
下述檢測器通常用于檢測UV射線。
為了檢測接近UV或長于100nm波長的光，調(diào)整用于檢測可見光、例如光電二極管、光電管、光電倍增管的檢測器以檢測UV射線。相對于接近X射線的波長范圍采用放射性射線檢測器。
硅光電二極管用作接近UV的檢測器。隨著入射光波長變短，硅的光吸收率增加。因此，僅在檢測器表面吸收UV射線。因此，需要減少結(jié)點以提高UV檢測器的靈敏度。通常，硅檢測器對在200-1100nm范圍內(nèi)的光敏感。
在具有利用熟知的普通摻雜技術(shù)形成的摻雜區(qū)的普通檢測器中，光在p+(或n+)摻雜層被吸收并分散，這樣它不能形成由電極垂直提取的電子空穴對并用于電反應。具有摻雜區(qū)的普通檢測器具有間接的帶隙結(jié)構(gòu)以僅檢測由在摻雜區(qū)之下的損耗區(qū)域吸收的光作為電流信號，沒有量子效應。這種間接的帶隙結(jié)構(gòu)減少了檢測器的靈敏度和UV檢測效率。
同時，在根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件中，由于外部電壓和電荷分布電位中的局部變化，在超淺摻雜區(qū)15出現(xiàn)量子效應。同時，當施加外部電壓時，次能量帶形成在量子阱中，如圖11所示。結(jié)果，摻雜區(qū)15的能量帶隙變得足夠?qū)捯晕崭吣躑V射線，改變吸收系數(shù)的光譜，這樣可以高效地檢測UV射線。在圖11中，參考標記31代表量子阱，參考標記33代表次能量帶。同樣，“e”代表電子，“h”代表空穴，“p”代表光子。Ev代表價帶能級，Ec代表導電帶能級。
根據(jù)本發(fā)明的具有超淺摻雜區(qū)15的硅光電器件對于波長為200-1100nm的光具有高敏感度。同樣，在量子阱中次能帶隙大于硅的帶隙，這樣可以檢測不長于200nm的非常短波長的UV。
利用UV檢測器所帶來的問題在于UV射線相對于絕大部分材料是不透明的。通常，硅光電器件用透明窗封裝，允許光從硅光電器件進入或射出。用于形成透明窗的玻璃(SiO2)僅能傳播波長不短于150nm的UV。
因此，當根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件用作UV檢測器時，優(yōu)選UV檢測器具有不形成玻璃窗的露出的窗結(jié)構(gòu)，以面對光入射側(cè)，這樣可以檢測不長于150nm波長的UV。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的硅光電器件具有優(yōu)異的效率，并可以用作發(fā)光器件或光接收器件。由于根據(jù)本發(fā)明的光電器件采用硅作為基礎(chǔ)材料，因此它可以以低成本制造。
權(quán)利要求
1.一種硅光電器件，包括基于n-型或p-型硅的襯底；在襯底的一個表面上形成并用預定摻雜劑摻雜到超淺深度的摻雜區(qū)，上述預定摻雜劑為與襯底相反的類型，以便在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)中通過量子約束提供光電轉(zhuǎn)換效應；在襯底上形成并將與摻雜區(qū)電連接的第一和第二電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硅光電器件，其特征在于，進一步包括在襯底的一個表面上形成的控制層，以便作為形成摻雜區(qū)時的掩模并且限制超淺的摻雜區(qū)的深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的硅光電器件，其特征在于，控制層是適當厚度的氧化硅層，這樣摻雜區(qū)可以形成為超淺的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的硅光電器件，其特征在于，摻雜區(qū)通過預定摻雜劑的非均衡擴散形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的硅光電器件，其特征在于，預定摻雜劑包括硼和磷之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的硅光電器件，其特征在于，預定摻雜劑包括硼和磷之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的硅光電器件，其特征在于，在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)中形成產(chǎn)生和湮沒電子空穴對的量子阱、量子點、量子線的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的硅光電器件，其特征在于，當電流施加到第一和第二電極時，在所述量子阱、量子點、量子線的至少一種中出現(xiàn)電子空穴對的湮沒而發(fā)光，這樣此硅光電器件適用作發(fā)光器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的硅光電器件，其特征在于，進一步包括在摻雜區(qū)中的多個微孔，以增加所產(chǎn)生光的輸出功率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的硅光電器件，其特征在于，多個微孔向下延伸到p-n結(jié)中的發(fā)光區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的硅光電器件，其特征在于，多個微孔的尺寸為λ/(2n)或λ/(2n)的整數(shù)倍，其中λ是所產(chǎn)生光的具體波長，n是微孔平均折射系數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的硅光電器件，其特征在于，多個微孔用能夠吸收發(fā)出光的波長的材料填充。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的硅光電器件，其特征在于，多個微孔用空氣填充。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的硅光電器件，其特征在于，通過摻雜區(qū)的入射光由在p-n結(jié)中形成的所述量子阱、量子點、量子線的至少一種吸收以產(chǎn)生電子空穴對，這樣硅光電器件可用作光接收器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的硅光電器件，其特征在于，所述量子阱、量子點、量子線的至少一種具有足夠大的次能帶隙，以能夠使硅光電器件用作UV檢測器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的硅光電器件，其特征在于，能夠檢測不長于150nm的UV范圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的硅光電器件，其特征在于，第一電極形成在形成有摻雜區(qū)的襯底的一個表面上，第二電極形成在襯底的另一表面上。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的硅光電器件，其特征在于，第一和第二電極均形成在襯底的一個表面上，以與摻雜區(qū)電連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的硅光電器件，其特征在于，襯底是由硅、碳化硅、金剛石構(gòu)成的組中選出的一種形成的。
20.一種包括至少一個用作發(fā)光器件的硅光電器件的發(fā)光設(shè)備，此硅光電器件包括基于n-型或p-型硅的襯底；在襯底的一個表面上形成并用預定摻雜劑摻雜到超淺深度的摻雜區(qū)，上述預定摻雜劑為與襯底相反的類型，以便在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)通過量子約束提供光電轉(zhuǎn)換效應；在襯底上形成并將與摻雜區(qū)電連接的第一和第二電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的發(fā)光設(shè)備，其特征在于，硅光電器件進一步包括在襯底的一個表面上形成的控制層，以便作為形成摻雜區(qū)中的掩模并且限制超淺的摻雜區(qū)的深度。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的發(fā)光設(shè)備，其特征在于，當電流施加到硅光電器件的第一和第二電極時，在摻雜區(qū)域和襯底之間的p-n結(jié)中出現(xiàn)電子空穴對湮沒以發(fā)光，發(fā)光設(shè)備可以用作顯示系統(tǒng)，此系統(tǒng)中包括以兩維陣列方式設(shè)置的多個硅光電器件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的發(fā)光設(shè)備，其特征在于，兩維陣列包括在每個像素中設(shè)置的三個硅光電器件以發(fā)出不同顏色的光。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的發(fā)光設(shè)備，其特征在于，三個硅光電器件發(fā)出白光，發(fā)光設(shè)備包括在兩維陣列的硅光電器件的前表面上的二向色的濾色器。
25.根據(jù)權(quán)利要求20或21的發(fā)光設(shè)備，其特征在于，當電流施加到硅光電器件的第一和第二電極時，在摻雜區(qū)和襯底之間的p-n結(jié)中出現(xiàn)電子空穴對湮沒以發(fā)光，發(fā)光設(shè)備用作包括至少一個硅光電器件的照明設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硅光電器件和利用此硅光電器件的發(fā)光設(shè)備。此硅光電器件包括基于n－型或p－型硅的襯底；在襯底的一個表面上形成并用預定摻雜劑摻雜到超淺深度的摻雜區(qū)，上述預定摻雜劑為與襯底相反的類型，以便在摻雜區(qū)和襯底之間的p－n結(jié)通過量子約束提供光電轉(zhuǎn)換效應；在襯底上形成并將與摻雜區(qū)電連接的第一和第二電極。此硅光電器件進一步包括在襯底的一個表面上形成的控制層，以便用作形成摻雜區(qū)中的掩模并且用于限制超淺的摻雜區(qū)的深度。硅光電器件具有優(yōu)異性能并可以用作發(fā)光器件或光接收器件。由于光電器件采用硅作為基礎(chǔ)原料，它可以以低成本制造。
文檔編號H01L31/10GK1431720SQ02120168
公開日2003年7月23日 申請日期2002年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月10日
發(fā)明者崔秉龍, 南升浩, 李銀京, 劉在鎬, 金俊永 申請人:三星電子株式會社