光學(xué)傾斜電荷裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示一種用于以經(jīng)改進(jìn)效率產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的方法，所述方法包含以下步驟：提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體集電極區(qū)域、安置于所述集電極區(qū)域上的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基極區(qū)域及安置為所述基極區(qū)域的表面的一部分上方的臺(tái)面的所述第一半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極區(qū)域；在所述基極區(qū)域中提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的至少一個(gè)區(qū)域；提供分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合的集電極電極、基極電極及射極電極；在所述基極區(qū)域的所述表面的至少所暴露部分上方提供穿隧勢(shì)壘層；及相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極而施加信號(hào)以從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)。本發(fā)明還揭示一種具有InGaAsN量子阱的光學(xué)傾斜電荷裝置。
【專利說(shuō)明】光學(xué)傾斜電荷裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光裝置及技術(shù)的領(lǐng)域，且更明確地說(shuō)，涉及傾斜電荷發(fā)光裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明的背景中包含與異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT，其是電傾斜電荷裝置)以及發(fā)光晶體管、晶體管激光器及傾斜電荷發(fā)光二極管(分別為L(zhǎng)ET、TL及TCLED，所有所述裝置均是光學(xué)傾斜電荷裝置)相關(guān)的技術(shù)。傾斜電荷裝置依據(jù)裝置的基極區(qū)域中的能量圖特性而得其名，所述基極區(qū)域近似具有從射極接口到集電極(或針對(duì)兩端子裝置，漏極)接口的下降斜波形狀。此表示呈動(dòng)態(tài)流(經(jīng)由集電極(或漏極)“快”載流子重組且“慢”載流子退出)的載流子的傾斜電荷群體。
[0003]關(guān)于在裝置的基極區(qū)域中通常采用一或多個(gè)量子大小區(qū)域的光學(xué)傾斜電荷裝置及技術(shù)，可參考(舉例來(lái)說(shuō))第7，091，082號(hào)、第7，286，583號(hào)、第7，354，780號(hào)、第7，535，034 號(hào) 、第 7，693，195 號(hào)、第 7，696，536 號(hào)、第 7，711，015 號(hào)、第 7，813，396 號(hào)、第7，888，199 號(hào)、第 7，888，625 號(hào)、第 7，953，133 號(hào)、第 7，998，807 號(hào)、第 8，005，124 號(hào)、第8，179，937 號(hào)及第 8，179，939 號(hào)美國(guó)專利；第 US2005/0040432 號(hào)、第 US2005/0054172 號(hào)、第US2008/0240173 號(hào)、第 US2009/0134939 號(hào)、第 US2010/0034228 號(hào)、第 US2010/0202483 號(hào)、第 US2010/0202484 號(hào)、第 US2010/0272140 號(hào)、第 US2010/0289427 號(hào)、第 US2011/0150487號(hào)及第US2012/0068151號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案；及第W0/2005/020287號(hào)及第W0/2006/093883號(hào)PCT國(guó)際專利公開(kāi)案以及第US2012/0068151號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案中所引用的公開(kāi)案。
[0004]光學(xué)傾斜電荷裝置包含作用區(qū)域，所述作用區(qū)域具有一個(gè)極性的內(nèi)建自由多數(shù)載流子。在此作用區(qū)域的一個(gè)輸入處，注入相反極性的單一種類的少數(shù)載流子且允許其跨越所述作用區(qū)域擴(kuò)散。此作用區(qū)域具有實(shí)現(xiàn)及增強(qiáng)多數(shù)載流子的傳導(dǎo)及少數(shù)載流子的輻射重組的特征。在所述區(qū)域的輸出側(cè)上，接著由單獨(dú)及較快機(jī)構(gòu)收集、排出、損耗或重組少數(shù)載流子。電觸點(diǎn)耦合到此全功能區(qū)域。
[0005]在2004年初，公開(kāi)案描述一種光學(xué)傾斜電荷裝置，所述光學(xué)傾斜電荷裝置將量子阱并入于所述裝置的基極區(qū)域中以便增強(qiáng)輻射重組(參見(jiàn)M.馮(M.Feng)、N.小霍隆雅克(N.Holonyak Jr.)及R.陳(R.Chan)的量子阱基極異質(zhì)結(jié)雙極發(fā)光晶體管(Quantum-ffel1-Base Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor),應(yīng)用物理學(xué)報(bào)84，1952，2004)。在所述論文中，證明光學(xué)信號(hào)以高達(dá)IGHz的速度跟隨正弦電輸入信號(hào)。5年多之后，在進(jìn)一步研究及基本開(kāi)發(fā)(除其它開(kāi)發(fā)外，與操作方法、作用區(qū)設(shè)計(jì)及外延層結(jié)構(gòu)有關(guān))之后，報(bào)道了作為自發(fā)發(fā)射光發(fā)射器的高速傾斜電荷裝置以4.3GHz (LET)的帶寬且稍后以7GHz (TCLED)的帶寬操作。(參見(jiàn)G.沃爾特(G.Walter)、C.Η.吳(C.H.Wu)、H.W.森(H.ff.Then)、M ?馮(M.Feng)及N.小霍隆雅克(N.Holonyak Jr.)的高速傾斜電荷發(fā)光二極管(Tilted-Charge High Speed (7GHz) Light Emitting Diode),應(yīng)用物理學(xué)報(bào)94，231125，2009)。盡管從那時(shí)以來(lái)已實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改進(jìn)，但期望效率及帶寬的額外進(jìn)展以供實(shí)現(xiàn)商業(yè)上可行的光電裝置及技術(shù)。
[0006]舉例來(lái)說(shuō)，上文所列舉的文件中所揭示的類型的傾斜電荷發(fā)光裝置(舉例來(lái)說(shuō)，呈發(fā)光晶體管及傾斜電荷發(fā)光晶體管及傾斜電荷發(fā)光二極管的形式)可以相對(duì)高的速度及帶寬產(chǎn)生自發(fā)發(fā)光。然而，對(duì)于某些應(yīng)用，將期望具有可以高得多的速度及帶寬操作的傾斜電荷自發(fā)發(fā)光裝置及技術(shù)，且此些裝置及技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在本發(fā)明的方面中的一者的目標(biāo)當(dāng)中。
[0007]在第US2010/202484號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案中，作為背景而展示具有深QW設(shè)計(jì)及均質(zhì)摻雜的基極區(qū)域的QW異質(zhì)結(jié)雙極發(fā)光晶體管(QW-HBLET)。可參考(舉例來(lái)說(shuō))上文所引用的專利。相對(duì)深的QW輔助所捕獲載流子橫向散布且遠(yuǎn)離光學(xué)腔重組。除所述狀況(如所述載流子橫向散布)之外，所述載流子還可再熱化，且朝向射極再熱化(回?cái)U(kuò)散)的載流子大部分丟失到非輻射重組中。作為對(duì)其的改進(jìn)，陳述一種不對(duì)稱基極區(qū)域，所述不對(duì)稱基極區(qū)域具有與集電極側(cè)上的相對(duì)窄的帶隙子區(qū)域相比在射極側(cè)上的相對(duì)較寬的帶隙基極子區(qū)域(QW)。此外，出于包含限制所捕獲載流子的擴(kuò)散及增加速度的原因而使用一或多個(gè)淺量子講。
[0008] 申請(qǐng)人:的研究已指示，在光學(xué)傾斜電荷裝置(OTCD)的基極區(qū)域中使用重?fù)诫s高組合物合金(例如，三元或四元材料)可導(dǎo)致顯著較高的非輻射重組Unfflmd，基極重組的大約30%到90% )。此研究中的某些研究已集中于具有可耦合到基于InP/InGaAs的光電檢測(cè)器的發(fā)射光子能量的相對(duì)淺InGaAs量子阱(Λ E (量子阱深度能量)是kT的小倍數(shù)，ΛΕ~kT)的使用。(還參見(jiàn)上文所引用的公開(kāi)申請(qǐng)案US2010/0202484)。使用淺量子阱允許利用聲子作為增加光學(xué)傾斜電荷裝置的速度的方法。然而，存在其中深量子阱(ΛΕ>> kT)有利的光學(xué)傾斜電荷裝置的特定應(yīng)用，且裝置速度為較小擔(dān)憂；舉例來(lái)說(shuō)，在于變化的偏置電流特性或溫度下需要高基極電流密度操作及穩(wěn)定電流增益的光學(xué)裝置中。對(duì)于此些應(yīng)用，具有其附帶缺點(diǎn)的高組合物合金基極(例如，AlGaAs)的使用將似乎不可避免。
[0009]提供需要使用相對(duì)深的量子阱的光學(xué)傾斜電荷裝置的改進(jìn)同時(shí)避免伴隨缺陷在本發(fā)明的其它目的當(dāng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]可提出以下問(wèn)題:如何設(shè)計(jì)一種有效、高速自發(fā)發(fā)射傾斜電荷裝置？舉例來(lái)說(shuō)，如何使帶寬從0.1GHz漸進(jìn)到IOGHz ? 一種方法可為使裝置區(qū)較小且較窄以產(chǎn)生較小電阻(R)、較小電容(C)及較小電感(L)，或僅僅利用最快InGaP/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)的設(shè)計(jì)規(guī)則。此將不能實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)。
[0011] 盡管其源自晶體管技術(shù)，但光學(xué)傾斜電荷裝置與高速HBT晶體管(電傾斜電荷裝置)共享極少共同設(shè)計(jì)特質(zhì)。光學(xué)傾斜電荷裝置在其基極區(qū)域中具有量子大小區(qū)域(通常為一或多個(gè)量子阱)。在晶體管的基極中添加量子阱不僅引入另一元素或缺陷以輔助重組，而且還引入能夠存儲(chǔ)電荷、橫向輸送及再熱化所捕獲載流子的結(jié)構(gòu)。此外，在顯著較低電增益(較高基極電流比)的情況下，與基極薄片電阻相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題(加熱、射極集邊)及與基極電流密度相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題(可靠性)被放大，且基極渡越時(shí)間的重要性(HBT的設(shè)計(jì)中的大問(wèn)題)因?qū)υ诘蜕錁O電流密度下的橫向電阻及射極集邊的關(guān)注而降低。當(dāng)設(shè)計(jì)高速光學(xué)傾斜電荷裝置時(shí)，光學(xué)提取、光束形狀及光學(xué)功率輸出可與所述裝置的電增益及電帶寬一樣重要。甚至HBT社群已成功地遵循的設(shè)計(jì)規(guī)則(可通過(guò)連續(xù)地縮減基極-射極結(jié)及基極集電極結(jié)的尺寸來(lái)增加HBT的速度)無(wú)法用于傾斜電荷光發(fā)射器，這是因?yàn)榇宋锢沓叽鐪p小導(dǎo)致越來(lái)越小的輻射重組效率。因此，應(yīng)理解，適合于純電輸入/輸出傾斜電荷裝置的設(shè)計(jì)規(guī)則未必適合于還需要光學(xué)輸出的最佳化的裝置。
[0012]類似地，高速光學(xué)傾斜電荷裝置與電荷存儲(chǔ)光發(fā)射器(即，二極管激光器或發(fā)光二極管)共享極少共同設(shè)計(jì)特質(zhì)。舉例來(lái)說(shuō)，盡管兩者均使用例如量子阱的結(jié)構(gòu)，但光學(xué)電荷存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)規(guī)則需要使載流子的局限或存儲(chǔ)最大化(以改進(jìn)其中所捕獲載流子“等待”由光子場(chǎng)激發(fā)或通過(guò)自發(fā)發(fā)射重組的受激發(fā)發(fā)射過(guò)程的可能性)的方法，而光學(xué)傾斜電荷裝置的設(shè)計(jì)規(guī)則需要所存儲(chǔ)載流子的最小化。甚至電荷存儲(chǔ)裝置中所使用的用于光提取的設(shè)計(jì)規(guī)則因強(qiáng)加于傾斜電荷裝置的物理設(shè)計(jì)約束(不同幾何形狀)及高速應(yīng)用(例如，與高速互連件的兼容性)而并非簡(jiǎn)單地適用于傾斜電荷裝置。
[0013]因此，對(duì)光學(xué)傾斜電荷裝置的設(shè)計(jì)考慮并非關(guān)于找到用于HBT的設(shè)計(jì)規(guī)則與用于二極管光發(fā)射器的設(shè)計(jì)規(guī)則之間的平衡；換句話說(shuō)，并非關(guān)于決策所述裝置應(yīng)更像HBT還是像二極管光發(fā)射器。而是，用于傾斜電荷發(fā)光裝置的設(shè)計(jì)典范應(yīng)取決于特定電荷動(dòng)態(tài)、幾何形狀、光學(xué)特性及裝置所唯一的應(yīng)用。如將揭示，本發(fā)明的方面涉及減少與基極表面重組相關(guān)聯(lián)的非輻射重組。本發(fā)明的另一方面涉及與量子阱中的電子的橫向輸送及無(wú)意局限相關(guān)聯(lián)的基極電荷電容的減小。
[0014]連同量子阱(QW)與基極表面之間的薄基極層厚度(“基極I”區(qū)域)(例如，小于約300埃的層厚度)一起使用異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)中的QW引入載流子從所述量子阱穿隧到其中所述載流子非輻射地重組的表面狀態(tài)中的問(wèn)題。先前已揭示使用不對(duì)稱基極區(qū)域作為用于減少Q(mào)W中的所捕獲電子朝向表面的熱化的技術(shù)(參見(jiàn)第US2010/0202484號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案)。此有助于減少非輻射重組，且由于電子再熱化優(yōu)選地朝向集電極，因此其還輔助減少電子的橫向輸送。不對(duì)稱基極區(qū)域的較大帶隙區(qū)域還用以減少表面重組。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的方面的原理，當(dāng)需要使基極I區(qū)域厚度保持為大約300埃或小于300埃時(shí)，包括(舉例來(lái)說(shuō))厚度優(yōu)選地介于約15nm到50nm之間的低摻雜(1E-16cm_3到5E-17cm_3)或無(wú)意摻雜的η型層結(jié)構(gòu)的穿隧勢(shì)壘結(jié)構(gòu)可用于增加從量子阱到表面的空間距離，借此在不必物理上增加量子阱與射極區(qū)域之間的P型基極區(qū)域的情況下減少量子阱中的所捕獲載流子到表面狀態(tài)的穿隧。所述穿隧勢(shì)壘結(jié)構(gòu)材料應(yīng)優(yōu)選地具有大于量子阱的基本狀態(tài)的能隙，且應(yīng)可通過(guò)將不影響基極I區(qū)域的蝕刻工藝而選擇性地移除。對(duì)于包括GaAs或低百分比Al ( < 20% )的AlGaAs層的基極I區(qū)域，穿隧勢(shì)壘可(舉例來(lái)說(shuō))由相對(duì)較高百分比Al ( > 35% )的AlGaAs制成或?yàn)榫Ц衿ヅ涞幕蛘邽閼?yīng)變InAlGaP合金層。
[0016]還可連同上文所描述的架狀突出物(ledge) —起采用具有越來(lái)越高的能量勢(shì)魚(yú)的不對(duì)稱基極設(shè)計(jì)以增加穿隧勢(shì)壘高度、產(chǎn)生朝向集電極的載流子再熱化的優(yōu)先條件且增加勢(shì)壘高度，此還減少穿隧。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的形式，陳述一種用于以經(jīng)改進(jìn)效率產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的方法，所述方法包含以下步驟:提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體集電極區(qū)域、安置于所述集電極區(qū)域上的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基極區(qū)域及安置為所述基極區(qū)域的表面的一部分上方的臺(tái)面的所述第一半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極區(qū)域；在所述基極區(qū)域中提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的至少一個(gè)區(qū)域；提供分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合的集電極電極、基極電極及射極電極；在所述基極區(qū)域的所述表面的至少所暴露部分上方提供穿隧勢(shì)壘層；及相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極而施加信號(hào)以從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，提供所述電極的步驟包含:將所述基極電極的至少一部分提供為安置于所述基極區(qū)域的所述表面上且與所述射極臺(tái)面間隔開(kāi)，且所述提供所述穿隧勢(shì)壘層的步驟包括:在所述基極區(qū)域的所述表面上于所述臺(tái)面與所述基極電極之間提供所述穿隧勢(shì)壘層。在此實(shí)施例中，所述提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的所述至少一個(gè)區(qū)域的步驟包括提供不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域；即，量子點(diǎn)及/或量子線(不連續(xù))或波紋式量子阱(非平面)。還在此實(shí)施例中，所述提供所述基極區(qū)域的步驟包括:提供包含所述量子大小區(qū)域的射極側(cè)上的第一基極子區(qū)域及所述量子大小區(qū)域的集電極側(cè)上的第二基極子區(qū)域的基極區(qū)域，且所述第一基極子區(qū)域及所述第二基極子區(qū)域相對(duì)于彼此具備不對(duì)稱帶結(jié)構(gòu)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一形式，陳述一種用于產(chǎn)生傾斜電荷發(fā)光裝置的方法，所述方法包含以下步驟:形成層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體集電極區(qū)域、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體子基極區(qū)域、量子大小區(qū)域及所述第二導(dǎo)電類型的另一半導(dǎo)體子基極區(qū)域；在所述另一子基極區(qū)域上沉積穿隧勢(shì)壘層；在所述勢(shì)壘層的表面的一部分上形成所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體射極臺(tái)面；及提供分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合的集電極電極、基極電極及射極電極。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，在所述另一子基極區(qū)域的表面的非外圍部分上方沉積所述勢(shì)壘層，且所述形成所述基極電極的步驟包括:在所述另一子基極區(qū)域的外圍部分上形成與所述射極臺(tái)面間隔開(kāi)的所述基極電極。還在此實(shí)施例中，所述形成所述基極子區(qū)域及所述另一基極子區(qū)域的步驟包括:形成如相對(duì)于彼此具有不對(duì)稱帶結(jié)構(gòu)的所述基極子區(qū)域及所述另一基極子區(qū)域。此可通過(guò)形成具有比所述子基極區(qū)域的半導(dǎo)體材料高的帶隙的半導(dǎo)體材料的所述另一基極子區(qū)域來(lái)實(shí)施。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，所述另一基極子區(qū)域形成有小于約30nm的厚度。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一形式，陳述一種傾斜電荷發(fā)光半導(dǎo)體裝置，所述傾斜電荷發(fā)光半導(dǎo)體裝置包括:層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體集電極區(qū)域、安置于所述集電極區(qū)域上的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基極區(qū)域及安置為所述基極區(qū)域的表面的一部分上方的臺(tái)面的所述第一半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極區(qū)域；所述基極區(qū)域，其包含展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的至少一個(gè)區(qū)域；集電極電極、基極電極及射極電極，其分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合；及穿隧勢(shì)壘層，其安置于所述基極區(qū)域的所述表面的至少所暴露部分上方；借此，相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極而施加的信號(hào)可從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，所述基極電極的至少一部分安置于所述基極區(qū)域的所述表面上且與所述射極臺(tái)面間隔開(kāi)，且所述穿隧勢(shì)壘層安置于所述基極區(qū)域的所述表面上于所述臺(tái)面與所述基極電極之間。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的所述至少一個(gè)區(qū)域包括不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的又一形式，陳述一種用于以經(jīng)改進(jìn)效率產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的方法，所述方法包含以下步驟:提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漏極區(qū)域、安置于所述漏極區(qū)域上的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基極區(qū)域及安置為所述基極區(qū)域的表面的一部分上方的臺(tái)面的所述第一半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極區(qū)域；在所述基極區(qū)域中提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的至少一個(gè)區(qū)域；提供與所述基極區(qū)域及所述漏極區(qū)域耦合的基極/漏極電極，并提供與所述射極區(qū)域耦合的射極電極；在所述基極區(qū)域的所述表面的至少所暴露部分上方提供穿隧勢(shì)壘層；及相對(duì)于所述基極/漏極電極及所述射極電極而施加信號(hào)以從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，所述提供所述電極的步驟包含:將所述基極/漏極電極的至少一部分提供為安置于所述基極區(qū)域的所述表面上且與所述射極臺(tái)面間隔開(kāi)，且其中所述提供所述穿隧勢(shì)壘層的步驟包括:在所述基極區(qū)域的所述表面上于所述臺(tái)面與所述基極/漏極電極之間提供所述穿隧勢(shì)壘層。
[0021]實(shí)際光學(xué)傾斜電荷裝置的設(shè)計(jì)包含幾個(gè)復(fù)雜考慮因素，其包含高內(nèi)部量子效率、可制造性、兼容性及可靠性的實(shí)現(xiàn)。因此，從光學(xué)傾斜電荷裝置的現(xiàn)有設(shè)計(jì)到另一設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變提出挑戰(zhàn)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種具有深量子阱(其中至少約0.25eV的ΛΕ>>kT)同時(shí)維持實(shí)質(zhì)上二元的重?fù)诫s基極區(qū)域的光學(xué)傾斜電荷裝置。具有這些特征的所述光學(xué)傾斜電荷裝置仍能夠并入有在一種類型的半導(dǎo)體材料處選擇性地停止蝕刻的蝕刻停止層以輔助射極臺(tái)面、基極臺(tái)面及集電極臺(tái)面的界定，此有益于可制造性。另外，出于可靠性原因，所述基極區(qū)域仍可摻雜有碳(P型，NPN結(jié)構(gòu))或硅(η型，PNP)。維持兼容性，這是因?yàn)楣鈱W(xué)傾斜電荷裝置的發(fā)射光子能量仍可耦合到現(xiàn)有基于InP/InGaAs的光電檢測(cè)器。另一優(yōu)勢(shì)是本發(fā)明的所揭示基于GaAs的光學(xué)傾斜電荷裝置與基于硅的襯底及透鏡的使用兼容。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的又一形式，提供一種用于制作與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配的光學(xué)傾斜電荷裝置的方法，所述方法包含以下步驟:提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含=GaAs襯底；半導(dǎo)體集電極區(qū)域；半導(dǎo)體基極區(qū)域，其包含經(jīng)摻雜GaAs第二基極子區(qū)域、InGaAsN量子大小區(qū)域及經(jīng)摻雜GaAs第一基極子區(qū)域；及半導(dǎo)體射極區(qū)域；及提供分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合的集電極電極、基極電極及射極電極。相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極而施加的電信號(hào)從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光發(fā)射。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，提供所述集電極區(qū)域及所述射極區(qū)域的步驟包括:將所述區(qū)域提供為實(shí)質(zhì)上GaAs，且提供所述第二基極子區(qū)域及所述第一基極子區(qū)域的步驟包括:將所述第二基極子區(qū)域及所述第一基極子區(qū)域提供為重?fù)诫sP型(其中，如本文中所使用，重?fù)诫s意指針對(duì)P型為至少約IO18CnT3且針對(duì)η型為IO17CnT3)。還在此實(shí)施例中，提供所述InGaAsN量子大小區(qū)域的步驟包括在GaAs勢(shì)壘層之間提供InGaAsN量子阱?；蛘撸鎏峁┧鯥nGaAsN量子大小區(qū)域的步驟可包括提供各自在GaAs勢(shì)壘層之間的多個(gè)InGaAsN量子阱。還在此實(shí)施例中，所述方法包含借助用于使用選擇性地移除基于砷化物的材料的蝕刻劑來(lái)界定基極臺(tái)面及射極臺(tái)面的介入InAlGaP合金蝕刻停止層來(lái)生長(zhǎng)所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。(用于此蝕刻停止應(yīng)用的InAlGaP合金還包含InGaP或InAlAs蝕刻停止層的使用)。在此實(shí)施例的形式中，在Si上GaAs襯底上沉積所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，且從所述襯底形成Si透鏡。
[0023]在本發(fā)明的又一形式中，陳述一種用于制作與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配的兩端子光學(xué)傾斜電荷裝置的方法，所述方法包含以下步驟:提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含=GaAs襯底；半導(dǎo)體漏極區(qū)域；半導(dǎo)體基極區(qū)域，其包含經(jīng)摻雜GaAs第二基極子區(qū)域、InGaAsN量子大小區(qū)域及經(jīng)摻雜GaAs第一基極子區(qū)域；及半導(dǎo)體射極區(qū)域；及提供與所述集電極區(qū)域及所述基極區(qū)域耦合的基極/集電極電極及與所述射極區(qū)域耦合的射極電極。相對(duì)于所述基極/漏極電極及所述射極電極而施加的電信號(hào)從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光發(fā)射。
[0024]在本發(fā)明的另一形式中，陳述一種與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配的光學(xué)傾斜電荷裝置，所述光學(xué)傾斜電荷裝置包括:層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含=GaAs襯底；半導(dǎo)體集電極區(qū)域；半導(dǎo)體基極區(qū)域，其包含重?fù)诫sGaAs第二基極子區(qū)域、InGaAsN量子大小區(qū)域及重?fù)诫sGaAs第一基極子區(qū)域；及半導(dǎo)體射極區(qū)域；所述集電極區(qū)域及所述射極區(qū)域具有與所述基極子區(qū)域的導(dǎo)電類型相反的導(dǎo)電類型；及集電極電極、基極電極及射極電極，其分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合；借此相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極的電信號(hào)的施加將從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光發(fā)射。在本發(fā)明的此形式的實(shí)施例中，所述基極區(qū)域中的所述InGaAsN量子大小區(qū)域包括具有至少約0.25eV的深度的量子阱。在此實(shí)施例中，所述InGaAsN量子大小區(qū)域包括在GaAs勢(shì)壘層之間的InGaAsN量子講。優(yōu)選地，所述InGaAsN量子大小區(qū)域包括InxGahAsN,其中x為至少約0.3。還在此實(shí)施例中，所述GaAs襯底安置于硅上，且所述硅呈透鏡的形式。
[0025]當(dāng)連同附圖一起時(shí)，依據(jù)以下詳細(xì)說(shuō)明將更易于明了本發(fā)明的其它特征及優(yōu)勢(shì)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例且可在實(shí)踐本發(fā)明的方法的實(shí)施例中使用的呈發(fā)光晶體管的形式的光學(xué)傾斜電荷裝置的橫截面圖。
[0027]圖2是展示圖1裝置的其中量子阱在到基極的表面的穿隧距離內(nèi)的實(shí)例的外延層結(jié)構(gòu)的表。使用具有與射極相同的材料的穿隧勢(shì)壘。不對(duì)稱基極用于幫助朝向集電極的再熱化且增加勢(shì)壘高度。傾斜電荷裝置外延層經(jīng)設(shè)計(jì)以與HBT鑄造工藝兼容。
[0028]圖3是展示使用圖1及2的結(jié)構(gòu)來(lái)制作的裝置的經(jīng)處理裝置DC特性的表。
[0029]圖4是隨用于圖1及2的裝置的基極電流而變的光輸出的圖表。射極臺(tái)面邊緣與基極金屬邊緣之間的距離從1.5 μ m變化到7 μ m而使所有其它尺寸保持相同。增加距離d等效地增加基極電阻(空穴電阻)且因此促進(jìn)(比較來(lái)說(shuō))量子阱中的電子朝向基極觸點(diǎn)的橫向輸送。光經(jīng)由底部襯底使用大面積檢測(cè)器來(lái)測(cè)量且相對(duì)基極電流(重組電流)而標(biāo)繪。所測(cè)量數(shù)據(jù)展示在距離變化時(shí)輻射重組效率并不改變，如圖4中可見(jiàn)，其中針對(duì)介于從
1.5μπ?到7μπ?的范圍內(nèi)的距離d的四條所標(biāo)繪曲線實(shí)質(zhì)上重疊且似乎為單個(gè)曲線。
[0030]圖5是標(biāo)繪電容Cd對(duì)距離d的圖表。AC分析指示在距離d從1.5um變化到7um時(shí)，與電子動(dòng)態(tài)相關(guān)聯(lián)的電容(即，電荷存儲(chǔ)電容、擴(kuò)散電容)增加。當(dāng)僅更改橫向尺寸(d)時(shí)，此指示電容面積已因電子經(jīng)由QW的橫向行進(jìn)而增加，因此填充所述量子阱的較大區(qū)。
[0031]圖6是類似于圖1的裝置的另一光學(xué)傾斜電荷裝置的橫截面圖(其中相似元件符號(hào)表示類似元件)，但其中裝置基極區(qū)域在所述基極區(qū)域中具有呈量子點(diǎn)的形式的不連續(xù)量子結(jié)構(gòu)。
[0032]圖7是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的裝置的外延層結(jié)構(gòu)的表。將不對(duì)稱基極及不連續(xù)量子結(jié)構(gòu)并入到所述設(shè)計(jì)中。幫助朝向集電極的再熱化。
[0033]圖8是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的裝置的外延層結(jié)構(gòu)的表，其中采用波紋式量子講。
[0034]圖9是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的裝置的外延層結(jié)構(gòu)的表，其中結(jié)合不連續(xù)量子結(jié)構(gòu)使用窄量子講。
[0035]圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例且可在實(shí)踐本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例中使用的呈發(fā)光晶體管的形式的光學(xué)傾斜電荷裝置的橫截面圖。
[0036]圖11是展示本發(fā)明的圖10實(shí)施例的實(shí)例的外延層結(jié)構(gòu)的表。
[0037]圖12是展示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的裝置的外延層結(jié)構(gòu)的表。
[0038]圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例且可在實(shí)踐本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例中使用的呈兩端子傾斜電荷發(fā)光二極管的形式的另一光學(xué)傾斜電荷裝置的橫截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]參考圖1，其展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例且可在實(shí)踐本發(fā)明的方法的實(shí)施例中使用的呈發(fā)光晶體管的形式的光學(xué)傾斜電荷裝置的橫截面圖。在圖1中，子集電極區(qū)域125安置于未經(jīng)摻雜襯底110上。子集電極125上的臺(tái)面包含安置于集電極區(qū)域130與形成于另一臺(tái)面上的射極區(qū)域160之間的基極區(qū)域140。所述基極區(qū)域包含在上部基極區(qū)域(基極I)與下部基極區(qū)域(基極2)之間的一或多個(gè)量子阱145。在此實(shí)施例中，集電極電極127接觸子集電極區(qū)域125的表面，基極電極147接觸基極區(qū)域140的表面，且射極電極167接觸射極區(qū)域160的表面。穿隧勢(shì)壘層150安置于基極區(qū)域140的頂部表面上方在所述基極區(qū)域與射極區(qū)域160之間，從而特別覆蓋所述基極區(qū)域的表面的所暴露部分。
[0040]圖2的表展示圖1的實(shí)施例的代表性外延層結(jié)構(gòu)的實(shí)例。除非另有指示，否則可使用現(xiàn)有MOCVD (金屬有機(jī)氣相沉積)及/或MBE (分子束外延)沉積技術(shù)制成外延層結(jié)構(gòu)，且使用現(xiàn)有光學(xué)光刻技術(shù)來(lái)形成裝置。在此實(shí)例中，在GaAs勢(shì)壘內(nèi)存在兩個(gè)Ina 2Ga0.8As量子阱(層7及9)。上部量子阱(層9)在到基極140的表面(即，基極1-層12的表面)的穿隧距離(24um)內(nèi)。在此實(shí)例中，使用具有與射極160(層14)相同的材料的穿隧勢(shì)壘150(層13);即Ina49Gaa51As15不對(duì)稱基極用于幫助朝向集電極的再熱化且增加勢(shì)壘高度。穿隧勢(shì)壘結(jié)構(gòu)增加量子阱中的載流子到表面狀態(tài)之間的距離(且減小穿隧可能性)。在不具有穿隧勢(shì)壘的情況下，如所指示，量子阱與表面狀態(tài)之間的穿隧距離是24nm。在具有穿隧勢(shì)壘的情況下，此距離增加到78nm(大約3倍)。還可通過(guò)增加外延結(jié)構(gòu)的層11及12 (基極I)的厚度而減小穿隧可能性。穿隧勢(shì)壘的使用允許不需要厚基極I區(qū)域的設(shè)計(jì)(例如，出于基極渡越時(shí)間原因或材料原因)。在所述表(及本發(fā)明的其它表)中，第三列包含(對(duì)于某些層)名稱“ELDL”，其代表用于這些層的工程長(zhǎng)擴(kuò)散長(zhǎng)度材料的任選使用。就此來(lái)說(shuō)，可參考描述此類材料的使用的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案US2012/006815。然而，將理解，本發(fā)明不需要使用此任選材料。本發(fā)明的表的第三列還列舉與材料系統(tǒng)及量子大小區(qū)域相關(guān)聯(lián)的特性發(fā)射波長(zhǎng)。
[0041]在圖1中，光子(波形)箭頭指示可從頂部或從底部側(cè)提取可用光。在此實(shí)施例中，將基極觸點(diǎn)(T1-Pt-Au)制成為層12，將射極觸點(diǎn)(Au-Ge)制成為層15，且將集電極觸點(diǎn)(Au-Ge)制成為層I。在基極-射極結(jié)處于正向偏置(例如，Vbe > 1.2伏)中且基極-集電極結(jié)處于高阻抗模式(未必反向偏置-例如，-2.5伏< VB。< 0.5伏)中的情況下操作所述裝置。由實(shí)線箭頭繪示載流子移動(dòng)。[0042]在本實(shí)施例中，由于穿隧勢(shì)壘的材料相同于或類似于射極，因此在存在射極的情況下總有效穿隧勢(shì)壘厚度較大。如果需要，那么用于射極及穿隧勢(shì)壘(舉例來(lái)說(shuō)，AlGaAs射極及InAlGaP穿隧勢(shì)壘)的非類似材料的使用可允許在處理期間分離所述層。
[0043]在本實(shí)施例中，使用薄21nm經(jīng)摻雜AlGaAs分級(jí)分層(層11及12，其中Al含量為
0.5%到5% )來(lái)增加勢(shì)壘高度及幫助朝向集電極的再熱化。添加3nm未經(jīng)摻雜GaAs緩沖層(層10)以減少摻雜劑到量子阱中的污染。傾斜電荷裝置外延層經(jīng)設(shè)計(jì)以與HBT鑄造工藝兼容。圖3的表中展示經(jīng)處理裝置DC特性。將所制作裝置研磨到150 μ m，且對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。
[0044]對(duì)使基極觸點(diǎn)與射極臺(tái)面之間的距離(圖1中的距離d)變化的效應(yīng)執(zhí)行研究。射極臺(tái)面邊緣與基極金屬邊緣之間的距離從1.5 μ m變化到7 μ m而使所有其它尺寸保持相同。增加距離d等效地增加基極電阻(空穴電阻)且因此促進(jìn)(比較來(lái)說(shuō))量子阱中的電子朝向基極觸點(diǎn)的橫向輸送。光經(jīng)由底部襯底使用大面積檢測(cè)器來(lái)測(cè)量且相對(duì)基極電流(重組電流)而標(biāo)繪。所測(cè)量數(shù)據(jù)展示當(dāng)距離在從約1.5 μ m到7 μ m之間變化時(shí)輻射重組效率并不改變。此在圖4中可見(jiàn)，其中針對(duì)介于從1.5μπι到7μπι的范圍內(nèi)的距離d的四條所標(biāo)繪曲線實(shí)質(zhì)上重疊且似乎為單個(gè)曲線。此指示涉及使用所描述穿隧勢(shì)壘的本發(fā)明的技術(shù)成功地將量子阱中的所捕獲電子與非輻射表面重組隔離。表面處對(duì)非輻射重組的限制還輔助減少在表面處形成可導(dǎo)致基極-射極泄漏及可靠性問(wèn)題的熱點(diǎn)(其在例如發(fā)光晶體管的低電流增益晶體管中是放大的問(wèn)題)。
[0045]然而，其它研究指示QW中的電荷保存因先前所描述的技術(shù)而導(dǎo)致與電子動(dòng)態(tài)有關(guān)的電容Cd (即，基極所存儲(chǔ)電容、擴(kuò)散電容)的增加。此從圖5 (其標(biāo)繪電容Cd對(duì)距離d)的圖表可見(jiàn)。AC分析指示在距離d從1.5um變化到7um時(shí)，與電子動(dòng)態(tài)相關(guān)聯(lián)的電容(即，電荷存儲(chǔ)電容、擴(kuò)散電容)增加。當(dāng)僅更改橫向尺寸(d)時(shí)，此指示電容面積已因電子經(jīng)由量子阱的橫向行進(jìn)而增加，因此填充量子阱的較大區(qū)。
[0046]在其中期望減小Cd的應(yīng)用中，本發(fā)明的實(shí)施例利用不連續(xù)量子結(jié)構(gòu)(DQS)作為裝置的基極區(qū)域中的量子大小區(qū)域。例如量子點(diǎn)或量子線的DQS沿著橫向軸提供能隙不連續(xù)性。物理不連續(xù)性及相關(guān)聯(lián)能隙不連續(xù)性(能量勢(shì)壘)將所捕獲載流子的移動(dòng)局限于或阻止到不連續(xù)量子結(jié)構(gòu)的邊界內(nèi)。雖然圖解說(shuō)明類似于圖1的裝置的裝置的圖6中對(duì)此進(jìn)行展示(其中相似元件符號(hào)表示類似元件)，但其中裝置基極區(qū)域(標(biāo)示為140’ )在所述基極區(qū)域中具有呈量子點(diǎn)645的形式的不連續(xù)量子結(jié)構(gòu)?？稍谕庋訉拥纳L(zhǎng)期間(參見(jiàn)圖7的表)或通過(guò)圖案化量子結(jié)構(gòu)接著為再生長(zhǎng)方法而并入所述DQS結(jié)構(gòu)。
[0047]如圖7的表中所表示，使用薄η型InGaAs層(小于IOOnm)以便使得能夠使用與例如AuGe的合金觸點(diǎn)相比光學(xué)上較平滑的非合金觸點(diǎn)。所得較平滑接觸層將通過(guò)向下反射光子而改進(jìn)從襯底的底部的光提取。對(duì)于其中僅期望底部發(fā)射的圖6實(shí)施例的設(shè)計(jì)，可減小或消除(例如，通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)方法)所暴露射極臺(tái)面寬度(W)以使得由反射非合金觸點(diǎn)覆蓋整個(gè)射極臺(tái)面寬度以便增加底部光提取。InGaAs層的厚度優(yōu)選地足夠薄以減少光子自吸收，但足夠厚以使得能夠使用非金屬觸點(diǎn)。
[0048]如圖7的表中所見(jiàn)，將不對(duì)稱DQS并入到所述設(shè)計(jì)中以幫助朝向集電極的再熱化。如上文所指示，代替量子點(diǎn)，還可使用例如量子線的其它DQS。使用相對(duì)薄的碲摻雜的InGaAs子射極層以使得T1-Pt-Au觸點(diǎn)能夠用于射極。與Au-Ge合金觸點(diǎn)相比，T1-Pt-Au提供較好反射性且將抵消由使用低帶隙InGaAs子射極層所致的光子吸收損失。
[0049]在圖6實(shí)施例中，如所指示，使用不連續(xù)量子結(jié)構(gòu)來(lái)防止電子朝向基極觸點(diǎn)的橫向輸送。此圖中的邊緣重組程序經(jīng)擴(kuò)大以指示傾斜電荷裝置是邊緣重組裝置。將顯而易見(jiàn)，通過(guò)縮減射極臺(tái)面尺寸可最終獲得在射極臺(tái)面下方的“均勻”重組分布。光子箭頭指示可從頂部或從底部側(cè)提取可用光。將基極觸點(diǎn)(T1-Pt-Au)制成為層13，將射極觸點(diǎn)(T1-Pt-Au)制成為層18，且將集電極觸點(diǎn)(Au-Ge)制成為層I (參考圖7的表)。如所述，使用相對(duì)薄的碲摻雜的InGaAs子射極層(層17及18)以使得T1-Pt-Au觸點(diǎn)能夠用于射極。T1-Pt-Au相對(duì)Au-Ge合金觸點(diǎn)的較好反射性將抵消由使用低帶隙InGaAs子射極層所致的光子吸收損失。如在圖1實(shí)施例中，在基極-射極結(jié)處于正向偏置中且基極-集電極結(jié)處于高阻抗模式(未必反向偏置)中的情況下操作所述裝置。還可將部分DBR或全部DBR腔并入到此結(jié)構(gòu)中。還可通過(guò)提供適合諧振光學(xué)腔而將此實(shí)施例及本發(fā)明的其它實(shí)施例操作為激光器。
[0050]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，通過(guò)使用單個(gè)或多個(gè)高度應(yīng)變波紋式(非平面)量子阱(C-QW)(舉例來(lái)說(shuō)，InGaP/GaAs LET中的InGaAs QW，其中銦組合物為約20 %以上)而減少少數(shù)載流子的橫向傳導(dǎo)，其中量子阱寬度定義為局限量子阱的基本重組狀態(tài)的兩個(gè)勢(shì)壘之間的距離?？墒褂美鏢MS(二次離子質(zhì)譜法)分析、AFM(原子力顯微術(shù))、FIB (聚焦電子束)或高分辨率TEM(透射式電子顯微鏡)等方法來(lái)檢驗(yàn)量子阱的銦組合物及波紋。高度應(yīng)變表面導(dǎo)致非平面(波紋式)QW表面的生長(zhǎng)。(舉例來(lái)說(shuō)，可參考 T.鐘(T.Chung)、G.沃爾特(G.Walter)及 N.小霍隆雅克(N.Holonyak, Jr.)的InAs量子點(diǎn)AlGaAs-GaAs-1nGaAs-1nAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器的經(jīng)耦合應(yīng)變層InGaAs量子講改進(jìn)(“Coupled Strained Layer InGaAs Quantum Well Improvement of an InAsQuantum Dot AlGaAs-GaAs-1nGaAs-1nAs Heterostructure Laser，，)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào) 79,4500-4502(2001) ;G.沃爾特(G.Walter)、T.鐘(T.Chung)及 N.小霍隆雅克(N.Holonyak,Jr.)的高增益經(jīng)耦合InGaAs量子阱InAs量子點(diǎn)AlGaAs-GaAs-1nGaAs-1nAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管激光器操作(“High Gain Coupled InGaAs Quantum Well InAs Quantum DotAlGaAs-GaAs-1nGaAs-1nAs Heterostructure Diode Laser Operation，，)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào) 80,1126-1128(2002) ;G.沃爾特(G.Walter)、T.鐘(T.Chung)及 N.小霍隆雅克(N.Holonyak, Jr.)的經(jīng)耦合條形量子阱輔助的AlGaAs-GaAs-1nGaAs-1nAs量子點(diǎn)激光器(“Coupled-Stripe Quantum-ffel1-Assisted AlGaAs-GaAs-1nGaAs-1nAs Quantum-DotLaser”)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)80，3045 (2002))?？山柚褂秒x軸襯底或預(yù)圖案化襯底(舉例來(lái)說(shuō)，選擇性晶體平面)或通過(guò)光學(xué)光刻/蝕刻工藝來(lái)增強(qiáng)波紋式QW的生長(zhǎng)。波紋式或非平面表面提供使載流子移動(dòng)率失真的光波及電波函數(shù)擾動(dòng)。
[0051]圖8的表中所陳述的外延層結(jié)構(gòu)是針對(duì)其中波紋式量子阱(C-QW)嵌入有設(shè)計(jì)為大約1020nm的主發(fā)射峰的傾斜電荷裝置的實(shí)施例?？膳c高0H(UV/VIS)光纖一起使用1020nm發(fā)射峰光發(fā)射器。(替代地可采用用于其它發(fā)射波長(zhǎng)的設(shè)計(jì))。在此實(shí)施例中使用不對(duì)稱C-QW以幫助朝向集電極的再熱化且增加穿隧距離。如果需要，那么可在不必減少銦組合物的情況下增加層6、10及/或11中的鋁組合物以將發(fā)射波長(zhǎng)從1020nm減小至(比如)IOOOnnio
[0052]在另一實(shí)施例(圖9的表中展示所述實(shí)施例的外延層結(jié)構(gòu))中，結(jié)合DQS使用窄量子阱(平面QW或C-QW)以提供經(jīng)改進(jìn)載流子捕獲能力且輔助DQS的材料生長(zhǎng)。如圖9中所陳述，傾斜電荷裝置包含薄平面量子阱(QW)，所述薄平面量子阱經(jīng)由穿隧勢(shì)壘耦合到具有經(jīng)設(shè)計(jì)為大約(但未必)1020nm的主發(fā)射峰的5個(gè)單層(ML) DQS。所述量子阱可經(jīng)設(shè)計(jì)以具有1020nm(大約相同能量)或980nm(大約較高能量)的峰發(fā)射波長(zhǎng)?？膳c高OH光纖一起使用1020nm發(fā)射峰光發(fā)射器。在此設(shè)計(jì)中使用不對(duì)稱DQS以幫助朝向集電極的再熱化且增加穿隧距離。
[0053]在另一實(shí)施例中，在第US2010/0202483號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案或第US2012/0068151號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案中所揭示的一般類型的兩端子傾斜電荷發(fā)光二極管中采用本發(fā)明的特征。在此裝置中，使圖1實(shí)施例或圖6實(shí)施例的結(jié)構(gòu)變化，其中基極區(qū)域下方的區(qū)域指定為漏極區(qū)域，且外圍基極/漏極電極與基極區(qū)域及漏極區(qū)域耦合。如在先前說(shuō)明中提供包含優(yōu)選地不連續(xù)或波紋式的至少一個(gè)量子大小區(qū)域的基極區(qū)域，且射極臺(tái)面及射極觸點(diǎn)還可與先前說(shuō)明實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)。如之前所述，有利地在基極區(qū)域的所暴露部分上方提供穿隧勢(shì)壘層。
[0054]圖10展示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例且可在實(shí)踐本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例中使用的裝置。圖10中所展示的半導(dǎo)體分層從底部向上包含:GaAs襯底1110 ；GaAs緩沖區(qū)域1120 ;子集電極區(qū)域1130 ;集電極區(qū)域1140 ;基極區(qū)域1160，其包含稱為“基極-2”的基極子區(qū)域1162、量子大小區(qū)域1150(—或多個(gè)量子阱或者例如量子點(diǎn)或量子線的其它適合量子大小區(qū)域)、稱為“基極-1”的基極子區(qū)域1167 ;射極區(qū)域1170 ;及子射極區(qū)域1180。根據(jù)本發(fā)明的特征，在所述基極區(qū)域中探用InGaAsN量子大小區(qū)域。所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極分別展示為金屬集電極觸點(diǎn)1135(其接觸所述子集電極區(qū)域)、金屬基極觸點(diǎn)1165(其接觸所述基極-1區(qū)域)及金屬射極觸點(diǎn)1185(其接觸所述子射極區(qū)域)?？蓪?zhǔn)直器或聚焦透鏡1105模制到或貼附到GaAs襯底1110。準(zhǔn)直器或透鏡1105可有利地由硅形成。當(dāng)所述裝置生長(zhǎng)于Si上GaAs襯底上時(shí)，可通過(guò)蝕刻所述硅形成所述透鏡。盡管展示底部光發(fā)射器，但所述裝置還可經(jīng)組態(tài)為頂部發(fā)射體。
[0055]圖11的表展示圖10實(shí)施例的實(shí)例的較詳細(xì)半導(dǎo)體外延層?？墒褂矛F(xiàn)有MOCVD (金屬有機(jī)氣相沉積)及/或MBE (分子束外延)沉積技術(shù)制成外延層結(jié)構(gòu)，且使用現(xiàn)有光學(xué)光刻技術(shù)形成裝置?；鶚O-2區(qū)域包含P型GaAs層(層6),接著為較低摻雜p型GaAs材料(層7)以完成基極-2區(qū)域。在較靠近于量子阱處減少摻雜劑以減少摻雜劑到量子阱區(qū)域中的擴(kuò)散。用于P型基極區(qū)域的摻雜劑優(yōu)選地為碳，與大部分其它P型摻雜劑(例如，鋅)相比，碳具有相對(duì)陡突擴(kuò)散尾部。接著，包含無(wú)意摻雜GaAs層(層8)的量子阱結(jié)構(gòu)經(jīng)生長(zhǎng)以形成第一勢(shì)壘層，接著為與GaAs實(shí)質(zhì)上晶格匹配的薄(大約120A)較低帶隙InGaAsN層(層9)，且接著以如第二勢(shì)壘層的另一薄GaAs層(層10)完成。替代地可通過(guò)使用重復(fù)InGaAsN層及GaAs勢(shì)壘層實(shí)施多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，如圖12的表中所展示。接著借助生長(zhǎng)包含較低摻雜P型GaAs層(層11)及較高摻雜GaAs接觸層(層12)的基極-1結(jié)構(gòu)來(lái)完成所述裝置的作用基極區(qū)域。層14在表中展示為具有(例如)針對(duì)使用橫向氧化的索引步階或局限的鋁含量的可能性。
[0056]有利地用于本發(fā)明的量子阱的InGaAsN半導(dǎo)體材料是一種四元材料，所述四元材料使用較小氮原子來(lái)補(bǔ)償由較大銦原子誘發(fā)的應(yīng)變，從而允許所述材料保持與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配。此允許較高的銦并入以降低InGaAsN層的能隙從而產(chǎn)生較深量子阱，而不必增加勢(shì)壘層的能隙，此將需要依靠三元組合物。[0057]使用InGaAsN材料用于量子阱還允許具有長(zhǎng)于IlOOnm的發(fā)射峰(所述發(fā)射峰具有穿過(guò)硅的相對(duì)高透射)的裝置的設(shè)計(jì)。此允許光學(xué)傾斜電荷裝置有利地耦合到高索引硅透鏡(如在圖10中)。由于整個(gè)OT⑶結(jié)構(gòu)與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上晶格匹配，且發(fā)射波長(zhǎng)可經(jīng)修整以使得能夠使用硅透鏡，因此所揭示裝置可直接生長(zhǎng)于Si上GaAs襯底上，且從Si蝕刻透鏡。此外，對(duì)于GaAs襯底，替代方案是在GaAs中蝕刻透鏡。
[0058]在本實(shí)施例中，低摻雜且與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配的InAlGaP合金(例如，Ina49Gaa51P)蝕刻停止層放置于層1、4及13中，所述層還界定基極接觸層(層13)、集電極接觸層(層3)的邊界及經(jīng)摻雜緩沖區(qū)與未經(jīng)摻雜緩沖區(qū)之間的邊界(層I)?？墒褂脤覫來(lái)通過(guò)允許移除所有導(dǎo)電材料且因此將一個(gè)裝置從另一毗鄰裝置電解耦而輔助GaAs襯底移除或裝置隔離。這些基于磷化物的材料(例如，InGaP或InAlGaP)相對(duì)于用于移除基于砷化物的材料(例如，GaAs及InGaAs)的蝕刻劑是穩(wěn)定的。同樣地，可使用對(duì)基于砷化物的材料穩(wěn)定的蝕刻劑來(lái)移除基于磷化物的材料。因此，可在不影響砷化物材料的情況下移除基于磷化物的材料，且反之亦然。還可將部分DBR或全部DBR腔并入到此結(jié)構(gòu)中。還可通過(guò)提供適合諧振光學(xué)腔而將此實(shí)施例及本發(fā)明的其它實(shí)施例操作為激光器。
[0059]在另一實(shí)施例中，在第US2010/0202483號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案或第US2012/0068151號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案中所揭示的一般類型的兩端子傾斜電荷發(fā)光二極管中采用本發(fā)明的特征。在此裝置中，使圖10實(shí)施例的結(jié)構(gòu)變化，其中基極區(qū)域下方的區(qū)域指定為漏極區(qū)域，且外圍基極/漏極電極與所述基極區(qū)域及所述漏極區(qū)域耦合。圖13中展示一實(shí)例，其中透鏡1105、襯底1110、緩沖區(qū)域1120、基極-1區(qū)域1162、量子大小區(qū)域1150、基極-2區(qū)域1167、射極區(qū)域1170、子射極區(qū)域1180及射極觸點(diǎn)1185類似于圖10中的具有相似元件符號(hào)的元件。然而，代替子集電極區(qū)域及集電極區(qū)域，圖13裝置具有子漏極區(qū)域1430及漏極區(qū)域1440。此外，代替基極電極及漏極電極，此實(shí)施例的裝置具有基極/漏極電極1465。如上文所引用的專利申請(qǐng)公開(kāi)案中所描述，將電信號(hào)施加到所述基極/漏極電極及所述射極電極從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光發(fā)射。此實(shí)施例的傾斜電荷發(fā)光二極管具有與圖10實(shí)施例的三端子光學(xué)傾斜電荷裝置相同的制作及操作優(yōu)點(diǎn)。
[0060]雖然已參考特定優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到在本發(fā)明的精神及范圍內(nèi)的變化形式。舉例來(lái)說(shuō)，雖然已描述npn發(fā)光晶體管，但將理解，本發(fā)明的特定原理將同樣適用于pnp發(fā)光晶體管。
【權(quán)利要求】
1.一種用于以經(jīng)改進(jìn)效率產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的方法，其包括以下步驟: 提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體集電極區(qū)域、安置于所述集電極區(qū)域上的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基極區(qū)域及安置為所述基極區(qū)域的表面的一部分上方的臺(tái)面的所述第一半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極區(qū)域； 在所述基極區(qū)域中提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的至少一個(gè)區(qū)域； 提供分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合的集電極電極、基極電極及射極電極； 在所述基極區(qū)域的所述表面的至少所暴露部分上方提供穿隧勢(shì)壘層；及 相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極而施加信號(hào)以從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述提供所述電極的步驟包含:將所述基極電極的至少一部分提供為安置于所述基極區(qū)域的所述表面上且與所述射極臺(tái)面間隔開(kāi)，且其中所述提供所述穿隧勢(shì)壘層的步驟包括:在所述基極區(qū)域的所述表面上于所述臺(tái)面與所述基極電極之間提供所述穿隧勢(shì)壘層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的所述至少一個(gè)區(qū)域的步驟包括提供 不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述提供所述不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域的步驟包括提供量子點(diǎn)及/或量子線區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述提供所述不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域的步驟包括提供波紋式量子阱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述提供所述基極區(qū)域的步驟包括提供實(shí)質(zhì)上包括GaAs及AlGaAs的基極區(qū)域，且所述提供所述穿隧勢(shì)壘的步驟包括提供包括InGaP的穿隧勢(shì)壘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述提供所述基極區(qū)域的步驟包括:提供包含所述量子大小區(qū)域的射極側(cè)上的第一基極子區(qū)域及所述量子大小區(qū)域的集電極側(cè)上的第二基極子區(qū)域的基極區(qū)域；及提供相對(duì)于彼此具有不對(duì)稱帶結(jié)構(gòu)的所述第一基極子區(qū)域及所述第二基極子區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其進(jìn)一步包括:將所述基極區(qū)域安置于光學(xué)諧振腔中，且其中所述光學(xué)信號(hào)是激光信號(hào)。
9.一種用于產(chǎn)生傾斜電荷發(fā)光裝置的方法，所述方法包括以下步驟: 形成層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體集電極區(qū)域、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體子基極區(qū)域、量子大小區(qū)域及所述第二導(dǎo)電類型的另一半導(dǎo)體子基極區(qū)域； 在所述另一子基極區(qū)域上沉積穿隧勢(shì)壘層； 在所述勢(shì)壘層的表面的一部分上形成所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體射極臺(tái)面；及 提供分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合的集電極電極、基極電極及射極電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述另一子基極區(qū)域的表面的非外圍部分上方沉積所述勢(shì)壘層，且其中所述形成所述基極電極的步驟包括:在所述另一子基極區(qū)域的外圍部分上形成與所述射極臺(tái)面間隔開(kāi)的所述基極電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述形成所述量子大小區(qū)域的步驟包括形成不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述另一基極子區(qū)域形成有小于約30nm的厚度。
13.一種傾斜電荷發(fā)光半導(dǎo)體裝置，其包括: 層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體集電極區(qū)域、安置于所述集電極區(qū)域上的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基極區(qū)域及安置為所述基極區(qū)域的表面的一部分上方的臺(tái)面的所述第一半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極區(qū)域； 所述基極區(qū)域，其包含展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的至少一個(gè)區(qū)域； 集電極電極、基極電極及射極電極，其分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合；及 穿隧勢(shì)壘層，其安置于所述基極區(qū)域的所述表面的至少所暴露部分上方； 借此，相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極而施加的信號(hào)可從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的所述至少一個(gè)區(qū)域包括不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域。
15.一種用于以經(jīng)改進(jìn)效率產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的方法，其包括以下步驟: 提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含襯底、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漏極區(qū)域、安置于所述漏極區(qū)域上的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基極區(qū)域及安置為所述基極區(qū)域的表面的一部分上方的臺(tái)面的所述第一半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極區(qū)域； 在所述基極區(qū)域中提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的至少一個(gè)區(qū)域； 提供與所述基極區(qū)域及所述漏極區(qū)域耦合的基極/漏極電極，并提供與所述射極區(qū)域耦合的射極電極； 在所述基極區(qū)域的所述表面的至少所暴露部分上方提供穿隧勢(shì)壘層；及 相對(duì)于所述基極/漏極電極及所述射極電極而施加信號(hào)以從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述提供展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的所述至少一個(gè)區(qū)域的步驟包括提供不連續(xù)或非平面量子大小區(qū)域。
17.一種用于制作與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配的光學(xué)傾斜電荷裝置的方法，其包括以下步驟: 提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含=GaAs襯底；半導(dǎo)體集電極區(qū)域；半導(dǎo)體基極區(qū)域，其包含經(jīng)摻雜GaAs第二基極子區(qū)域、InGaAsN量子大小區(qū)域及經(jīng)摻雜GaAs第一基極子區(qū)域；及半導(dǎo)體射極區(qū)域 '及 提供分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合的集電極電極、基極電極及射極電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進(jìn)一步包括以下步驟:相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電 極而施加電信號(hào)以從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光發(fā)射。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中所述提供所述InGaAsN量子大小區(qū)域的步驟包括在GaAs勢(shì)壘層之間提供InGaAsN量子阱。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包括:借助用于使用選擇性地移除基于砷化物的材料的蝕刻劑來(lái)界定基極臺(tái)面及射極臺(tái)面的介入InAlGaP合金蝕刻停止層來(lái)生長(zhǎng)所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其進(jìn)一步包括:在Si上GaAs襯底上形成所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，且所述方法進(jìn)一步包括從所述襯底形成Si透鏡。
22.一種用于制作與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配的兩端子光學(xué)傾斜電荷裝置的方法，其包括以下步驟: 提供層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含=GaAs襯底；半導(dǎo)體漏極區(qū)域；半導(dǎo)體基極區(qū)域，其包含經(jīng)摻雜GaAs第二基極子區(qū)域、InGaAsN量子大小區(qū)域及經(jīng)摻雜GaAs第一基極子區(qū)域；及半導(dǎo)體射極區(qū)域 '及 提供與所述集電極區(qū)域及所述基極區(qū)域耦合的基極/集電極電極以及與所述射極區(qū)域耦合的射極電極。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其進(jìn)一步包括以下步驟:相對(duì)于所述射極電極及所述基極/漏極電極而施加電信號(hào)以從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光發(fā)射。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述提供所述InGaAsN量子大小區(qū)域的步驟包括在GaAs勢(shì)壘層之間提供InGaAsN量子阱。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其進(jìn)一步包括在Si上GaAs襯底上形成所述層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，且所述方法進(jìn)一步包括從所述襯底形成Si透鏡。
26.—種與GaAs晶格常數(shù)實(shí)質(zhì)上匹配的光學(xué)傾斜電荷裝置，其包括: 層式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含:GaAs襯底；半導(dǎo)體集電極區(qū)域；半導(dǎo)體基極區(qū)域，其包含重?fù)诫sGaAs第二基極子區(qū)域、InGaAsN量子大小區(qū)域及重?fù)诫sGaAs第一基極子區(qū)域；及半導(dǎo)體射極區(qū)域；所述集電極區(qū)域及所述射極區(qū)域具有與所述基極子區(qū)域的導(dǎo)電類型相反的導(dǎo)電類型；及 集電極電極、基極電極及射極電極，其分別與所述集電極區(qū)域、所述基極區(qū)域及所述射極區(qū)域耦合； 借此相對(duì)于所述集電極電極、所述基極電極及所述射極電極的電信號(hào)的施加將從所述基極區(qū)域產(chǎn)生光發(fā)射。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)傾斜電荷裝置，其中所述基極區(qū)域中的所述InGaAsN量子大小區(qū)域包括具有至少約0.25eV的深度的量子阱。
28.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的光學(xué)傾斜電荷裝置，其中所述InGaAsN量子大小區(qū)域包括在GaAs勢(shì)壘層之間的InGaAsN量子阱。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)傾斜電荷裝置，其中所述GaAs襯底安置于硅上，且其中所述硅呈透鏡的形式。
【文檔編號(hào)】H01L29/737GK103930994SQ201280055790
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月14日
【發(fā)明者】加布里埃爾·沃爾特 申請(qǐng)人:量子電鍍光學(xué)系統(tǒng)有限公司