局部改变晶体材料的电子和光电性能的方法以及由这种材料制造的器件

摘要

通过包括由P型层(11)和N型层(12)形成的结(10)的辐射发射光电半导体器件说明一种由晶体材料制造的电子或光电器件，其中所述晶体材料的带隙特性参数通过在所述晶体材料晶格结构中原子尺度上引入形变而局部改变，而且所述器件的电子和/或光电参数取决于所述带隙的改变，其中P型层(11)和N型层(12)都由间接带隙半导体材料形成。P型层(11)包含位错环阵列，位错环产生了应变场以空间限定并促进电荷载流子的辐射复合。

说明书

本发明涉及由晶体材料制造的电子和光电器件以及制造这些器件的方法。尤其涉及由原本为间接带隙的半导体材料制成的辐射发射光电器件中的特定应用。

晶体材料由按规则图案排列的原子阵列构成。与组成部分电子和核粒子有关的电荷在晶体内产生一个随晶体内原子间隔决定的周期性局部变化的电场。

由晶体材料形成的半导体和绝缘体的特点在于所谓的导带和价带，电荷载流子通过这种方式在所加电场作用下传播。导带和价带能量的间隔由组成晶体的原子的种类和尺寸决定。在一些材料中最低价带可能与最高导带相对，然而在另一些材料中在那些点错位。这些分别已知为直接和间接带隙材料。

材料带结构的种类和宽窄是影响由该材料制造的电子和光电器件的参数。例如，由宽带隙半导体制造的二极管往往会具有较高的击穿电压，因为在任一给定温度这些材料具有较少的热产生电荷载流子，因此对雪崩效应不是很灵敏。砷化镓因为具有直接带隙而成为用于产生辐射器件的选择材料。另一方面，硅已经被认为基本上不适合用作辐射的发射体。这是因为硅是间接带隙材料，其中快速、非辐射复合过程完全超过较慢的辐射复合过程。事实上在体硅中，室温下，辐射发射几乎是完全不存在的。

随着计算机处理器的持续快速发展，经常需要提高处理能力和速度并减小尺寸，这需要不断提高互连金属化的复杂性。据估计，这种复杂性对进一步发展最终将表现出不可克服的障碍(穆尔法则的破坏)，因为电子将花费不成比例的大量时间在金属化中，而不是在它们互连的元器件中，因此减小了处理能力和速度。

因为光耦合比以电荷载流子扩散为基础的连接快许多量级，以硅技术为基础的光电电路提出了一种进步的方法。但是，这种方法需要有效的基于硅的室温辐射发射器件的发展。明显地，这种器件可以用于提高其它硅器件的功能性并能导致实现全硅集成光电系统。

通过引入在半导体或绝缘晶体结构中原子尺度上局部变形而产生的应变场，我们发现可以局部改变相关带隙的性质。因此，其结论之一是已经证实它可以制造由例如硅这样的材料制得的辐射发射器件。

用于产生应变场的优选办法是形成位错环阵列。

按照本发明，提供了一种由晶体材料制造的电子或光电器件，其中通过在所述晶体材料晶格结构中的原子尺度上引入形变局部改变了所述晶体材料的带结构特性参数，并由所述的带结构的改变获得了所述器件所希望的电子或光电参数。

按照本发明的特有方面，提供了一种包括所形成的结的辐射发射光电器件，该结至少部分由P型间接带隙半导体材料区和/或N型间接带隙半导体材料区形成，其中所述结包含在器件工作中对空间限制有效的装置，因此促进了的电荷载流子的辐射复合。

所述的电荷载流子限制装置优选应变场。

在本发明的优选实现方式中，所述应变场优选通过本征扩展的晶格缺陷例如位错环阵列生成。

取决于所用材料，按照本发明的器件可以发射从红外线到紫外线范围的不同波长的光。在优选实施例中，器件包括由N型硅区和P型硅区形成的p-n结。在工作中，这种器件在大约1150nm的波长红外线区中发光。将要说明，这种硅基器件可以用ULSI技术的公知工艺方法容易地在商业上制造。

按照本发明的器件具有附加的优点，在室温或室温上下得到了最佳的工作效率即最大的总电致发光强度。因此，这种器件尤其适合用于例如前述的应用中。

按照本发明的另一方面提供了一种发光光电半导体器件的制造方法，该方法包括步骤：形成具有至少P型间接带隙半导体材料区和/或N型间接带隙半导体材料区的结，和结中包含在器件工作中对空间限制有效的装置，因此促进了电荷载流子的辐射复合。

在优选实施例中，该结至少部分由P型间接带隙半导体材料区和N型间接带隙材料区形成。

下面仅通过例子参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1显示了按照本发明的辐射发射光电器件的概略横截面图，

图2是图1器件在室温以偏压V为函数的电流I的曲线图，

图3显示了图1器件在80K，180K，和300K工作得到的以正向偏压V为函数的积分电致发光强度曲线图，

图4显示了图1器件在80K，140K，200K，260K和320K工作得到的以波长为函数的电致发光强度曲线图，

图5显示了以图4曲线图推导出的以温度为函数的积分电致发光强度曲线图，以及

图6a和图6b分别是按照本发明特定实施例的光电集成电路的概略剖面图和方块简图。

现在参照图1，发光光电器件具有包括p-n结10的二极管形式，p-n结10由P型硅区11和N型硅区12确定。在本发明的实现方式中，P型区11掺杂硼(B)，N型区12掺杂砷(As)。但是，注意到，作为替换可以采用本领域技术人员已知的其它适合的掺杂剂。

在器件的正反表面15，16上设置欧姆接触13，14使得外加偏压加在结10上。在这个实施例中，设置在器件正表面15上的欧姆接触13由铝(Al)制成，设置在器件反表面16上的欧姆接触14由共晶的金/锑合金(AuSb)制成。接触14具有中心窗口17，器件产生的电致发光可以通过窗口17。

结区10包含应变场。在这个实施例中，应变场通过扩展的本征晶格缺陷例如位于P型硅区11中的位错环阵列产生，在图1中示意地示出。

应变场的作用是局部改变硅带隙的结构。更具体地，环绕每一扩展晶格缺陷的应变场产生了三维势阱，三维势阱与到位错环核心的距离的函数呈反比例变化。人们认为，势阱的合成效果是引起移动电荷载流子的空间限制，因此显著地降低了在硅中它们向点缺陷的扩散，否则在这些区域中可能产生快速的，非辐射复合过程。已经发现所述的这种应变场的效果是抑制电荷载流子的非辐射复合而非辐射复合通常是主要的过程，并且应变场的效果也促进了电荷载流子的辐射复合，而至今由间接带隙材料例如硅制成的器件中几乎不存在辐射复合。正如下文将更为详细地描述，如果施加正向偏压横穿结10，器件将产生显著数量的电致发光。

如果位错环阵列A在结的横方向是周期性的(或接近周期性的)；也就是，平行于结的P型和N型区11，12的界面方向，则促进辐射复合过程。在这个实施例中，位错环阵列具有大约100nm的周期并位于区11中大约100nm深处。

制造参照图1描述的器件采用常规离子注入工艺通过向N型硅器件水平的衬底注入硼原子制造，N型硅具有2-4欧姆-厘米的电阻率。在这个实施例中，注入剂量是1×10¹⁵cm^-2，注入能量是30keV。

在1000℃氮气气氛中退火注入过的衬底大约20分钟。通过蒸发或通过其它合适的淀积工艺在衬底上产生欧姆接触13，14并在360℃烧结大约2分钟。

在这个实施例中，注入的硼原子承担双重作用以减少工艺步骤的数量；也就是，注入的硼原子用作确定结的P型区11的掺杂剂原子同时它们也用于在该区产生位错。随后的退火步骤激活了注入的掺杂剂原子并也引起位错的聚集，位错的聚集导致形成了所需的位错环阵列。

在另一注入中，通过分开注入不同种类的原子例如硅原子而独立于掺杂步骤形成位错环阵列。所用的注入能量同样是大约30keV。

在上述两个实现方式中，仔细地调整制造工艺以在衬底中引入位错(通常认为不期望的步骤)使得能够在退火步骤中形成所需的位错环阵列。

注意到，用于所述制造工艺的方法(即离子注入，蒸发，退火)完全与现存的USLI技术相一致。因此，所述器件易于在标准生产线上制造。

为了研究所述器件的工作特性，横穿欧姆接触13，14施加偏压V并测量接触之间的电流I。图2是显示作为电压V函数的电流I的变化曲线图并说明了器件表现出二极管的典型特性。

为了研究辐射发射率，把器件安装在连续流动液态氮的低温恒温器中的支撑器中。器件产生的电致发光汇聚在常规半米分光仪中并利用液氮冷却的锗p-i-n检测器检测。

图3显示了在80K，180K和300K测量时作为正向偏压的函数的积分的或总电致发光强度的曲线图并说明了随着开启二极管观察电致发光如何开始。图4显示了在80K，140K，200K，260K和320K得到的整个电致发光光谱，图5显示了源于图4的电致发光光谱的积分的或总的电致发光强度的温度函数曲线图。参考图4，在80K得到的低温光谱展现了在硅带边缘对于发射光期望的结构特性。室温光谱峰值在波长1150nm处，半峰宽(FWHM)为80nm。参考图5，可以看到作为温度函数的积分的或总的电致发光稳定增长，这个效果应归结于在辐射复合过程中声子耦合增大的作用。因此，在室温和室温以上得到了最佳发射率。这与已被提出的硅发光的公知系统形成了鲜明的对比，这些硅的电发光随着温度的升高强烈地熄灭，使得在室温下实用的器件很有问题。

注意到，虽然参照图1至图5描述的器件包括硅同质结，本发明包括包含同质结的器件，该同质结由包括硅合金的其它间接带隙材料制成。例如，包含同质结的器件由以下材料制成：从100％Ge，到锗/硅(Ge/Si)合金，到100％硅到碳化硅(SiC)合金，该器件发射在不同的波长范围内特定光，波长范围从近红外区(包括在1.3μm和1.5μm和其附近区域)直到紫外区。

注意到本发明还包括包含例如硅和锗的异质结的器件。

还注意到，整个说明书中p-n结的理解还包括p-i-n结，在p-i-n结中本征半导体材料区域(例如本征硅)夹在结的P型和N型区之间。

可以展望按照本发明的辐射发射光电器件将具有广泛的应用；特别地但不是唯一的在需要有效室温电致发光中的应用。按照本发明的全硅器件应用在全硅集成光学系统可以作为辐射光源。

典型地，按照本发明制造的器件可以结合到光电集成电路中。这种电路可以包括表现光子带隙的区。

现在参照图6a和6b，平面光电集成电路61包括硅基光发射体63，硅基光发射体63可以是非相干发光二极管(LED)或是激光器，通过平面波导64耦合硅基光发射体63和硅-锗(SiGe)光检测器65。电路形成在包括掩埋二氧化硅层69的硅衬底67上。在具有P型区73的N型区71中形成光发射体，P型区73通过离子注入形成并具有邻近p-n结77的位错环阵列75。金属接触79，81分别连接到P+和N+表面区域。

波导区83由掩埋氧化层69和包含较低折射率区的阵列的区域85界定以形成光子带隙，因此改善了波导的波长传输特性。在某些情况下，这些传输特性可能通过在光子带隙区结合位错环阵列而进一步改善。

光检测器65包括SiGe p-n结区87，SiGe p-n结区87通过包含注入锗到硅衬底的离子束合成形成或是通过选择性外延形成。将接触89，91形成到有源区。局部P+注入93使这变得方便。

集成电路的各个元件通过氧化物填充的绝缘沟槽95，97，99，101分离。

采用这些技术可以实现垂直集成，导致了三维集成容量。包含诸如铒或其它稀土金属或例如具有准稳态跃迁的碳杂质的光学有源区也可以用作集成电路甚至分立元件制造过程中的结构单元。

在另一应用中，按照本发明的辐射发射光电器件可以用作注入式激光器的辐射源。在这一应用中，器件可以包括一个或更多附加的P型和/或N型区，和/或设置的未掺杂的半导体材料以提供电荷载流子集居粒子数翻转和/或确定用于发射辐射的光学腔。这种激光器的例子包括分别限制异质结构(SCH)激光器和大光学腔(LOC)激光器。

虽然已描述的退火在1000℃实施20分钟，也可以运用不同的时间和温度组合。只要这种组合可以形成并稳定应变引起的对晶体结构的局部改变，甚至可以包括在接近材料熔点温度下快速退火。

在某些情况下，理想的是可以使用多重离子注入以形成距晶体表面的不同距离的位错环阵列或其它应变引起的微结构。这种技术在最终器件的形貌中赋予更大程度的自由度。

这种技术可以用于改变或微调由其它方法制造的器件的性能，例如，由不同折射率材料阵列产生的光子带隙区。

这种技术也可以通过采用光刻掩模工艺在衬底中局部限定。