ES2934211T3 - Diodo emisor de luz de avalancha de silicio de 650 nm - Google Patents

Abstract

La invención proporciona un dispositivo basado en silicio pn con diferentes concentraciones de dopantes e impurezas implantadas estratégicamente colocadas en el dispositivo, estando polarizada inversamente la unión pn, de modo que se estimula y mejora la emisión óptica de 650 nm. La invención se extiende a un dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio que comprende una primera unión y una segunda unión, dicha primera unión incluye una zona de excitación con polarización inversa para inyectar portadores de alta energía en una primera dirección y dicha segunda unión está polarizada directamente para inyectar alta densidad. portadores de baja energía opuestos a dicha primera dirección, donde se forma una zona de interacción entre dicha primera unión y dicha segunda unión para mejorar la emisión de fotones de 650 nm a través de interacciones entre dichos portadores de alta energía y dichos portadores de baja energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Diodo emisor de luz de avalancha de silicio de 650 nm

Introducción

Esta invención se refiere a los LED de avalancha de silicio, en particular a los LED de avalancha de silicio.

Antecedentes de la invención

Se ha reconocido que la emisión de luz de dispositivos de silicio de dimensiones micrométricas tiene un gran potencial, ya que puede usarse para realizar diversos enlaces de comunicación de datos ópticos en chip y en el espacio libre. Además, permite utilizar tecnología de circuito integrado de silicio simple y económica y el procesamiento de datos en chips microprocesadores de la futura generación por medios ópticos con todas sus ventajas. Además, los circuitos integrados del futuro pueden hacerse más inteligentes mediante la integración de sensores a nivel de micras en el chip.

En el documento WO 2009/093177 A1 se muestra un dispositivo de silicio emisor de luz que comprende un cuerpo de un material semiconductor. Se forma una primera región de unión en el cuerpo entre una primera región del cuerpo de un primer tipo de dopaje y una segunda región del cuerpo de un segundo tipo de dopaje. Se forma una segunda región de unión en el cuerpo entre la segunda región del cuerpo y una tercera región del cuerpo del primer tipo de dopaje. Una disposición de terminales se conecta al cuerpo para, en uso, la polarización inversa de la primera región de unión en un modo de ruptura y para la polarización directa de al menos parte de la segunda región de unión, para inyectar portadores hacia la primera región de unión. El dispositivo se configura para que una primera región de agotamiento asociada con la primera región de unión de polarización inversa perfore a una segunda región de agotamiento asociada con la segunda región de unión de polarización directa.

En el documento US 2005/0253136 A1 se muestra un método para formar un dispositivo electroluminiscente. El método comprende proporcionar un sustrato de material semiconductor de tipo IV, formar una unión p+/n+ en el sustrato y formar una capa electroluminiscente que recubra la unión p+/n+ en el sustrato.

En el documento US 2009/0121236 A1 se muestra un optoacoplador de bajo coste que puede hacerse en Silicio Sobre Aislante (SOI) mediante el uso de métodos convencionales de procesamiento de circuitos integrados. El metal y los materiales aislantes depositados se usan para realizar un reflector superior para dirigir la luz que se genera por un diodo de unión PN de silicio a un detector de fotodiodo de unión PN de silicio. El generador de luz o LED puede operarse o bien en el modo de avalancha o en el modo directo. Además, los reflectores laterales se describen como un medio para contener la luz hacia el par LED-fotodetector. Además, se describe un LED de silicio PN de unión serpentina para el modo de avalancha del LED de silicio.

El documento US 8,344,394 B1 describe un circuito que incluye múltiples regiones dopadas en un sustrato. Una primera de las regiones dopadas tiene una punta próxima a una segunda de las regiones dopadas y se separa de la segunda región dopada por una región intrínseca para formar una estructura P-I-N. El circuito también incluye un primer y segundo electrodos acoplados eléctricamente a la primera y segunda regiones dopadas, respectivamente. Los electrodos se configuran para suministrar tensiones a la primera y segunda regiones dopadas para polarizar inversamente la estructura P-I-N y generar luz. La primera región dopada podría incluir múltiples puntas, la segunda región dopada podría incluir múltiples puntas, y cada punta de la primera región dopada podría encontrarse próxima a una de las puntas de la segunda región dopada para formar múltiples estructuras P-I-N. La estructura P-I-N también podría configurarse para operar en modo de conductividad de inyección de doble avalancha con retroalimentación positiva interna.

El documento US 2012/153864 A1 describe un dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio p+np+ que comprende una primera unión de polarización inversa y una segunda unión de polarización directa.

Objetos de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio, que supera, al menos parcialmente, las desventajas asociadas con los dispositivos emisores de luz existentes.

Es además un objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como un dispositivo emisor de luz de bajo coste, pero eficiente, con salida de luz de alta intensidad que puede usarse para diversos propósitos.

También es un objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo emisor de luz que sea novedoso e implique una etapa inventiva.

Resumen de la invención

De acuerdo con un aspecto que no forma parte de la presente invención, se proporciona un dispositivo basado en pn de silicio con diferentes concentraciones de dopantes e impurezas implantadas estratégicamente que se colocan en el dispositivo, la unión pn se polariza inversa, de manera que se estimula y mejora la emisión óptica de 650 nm. Puede colocarse estratégicamente una densidad de impurezas a una distancia lejos de la zona de excitación de polarización inversa, de manera que se forme una alta concentración de electrones energizados, una segunda unión que se coloca a una distancia estratégica lejos de esta zona inyecta una alta densidad de agujeros de baja energía en dirección opuesta, de manera que se estimulan los mecanismos de recombinación y los procesos de generación fotónica en la zona de interacción entre los electrones de alta energía y los agujeros de baja energía.

Una zona de alta impureza puede coincidir estratégicamente con la zona de alta recombinación de electrones de alta energía y agujeros de baja energía para mejorar la extensión del momento de ambas especies portadoras difusoras y mejorar la generación de fotones del dispositivo.

Puede fabricarse un canal de conducción mediante la tecnología de proceso de semiconductores adecuada, para mejorar la densidad tanto de los electrones energéticos difusores como de los agujeros difusores y mejorar la generación fotónica en dicho canal.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se define en la reivindicación 1, que comprende una primera unión y una segunda unión, dicha primera unión que incluye una zona de excitación con polarización inversa para inyectar portadores de alta energía en una primera unión y dicha segunda unión tiene polarización directa para inyectar portadores de baja energía de alta densidad opuestos a dicha primera dirección, en donde se forma una zona de interacción entre dicha primera unión y dicha segunda unión para mejorar la emisión de fotones de 650 nm a través de interacciones entre dichos portadores de alta energía y dichos portadores de baja energía.

Los portadores de alta energía son los electrones y los portadores de baja energía son los agujeros.

La primera región de unión se forma como una unión p+n.

La segunda región de unión se forma como una unión np+.

La zona de interacción se forma como una región n débilmente dopada.

El dispositivo se forma como un dispositivo de unión de tipo p+np+. La emisión de fotones puede generarse por la excitación de los electrones mediante el uso de la primera unión de polarización inversa empujada hacia la avalancha o casi avalancha, que excita a los portadores a lo largo de la primera banda de conducción hasta valores de momento cercanos a cero, seguida de una disminución de su momento cristalino a través de la dispersión de los electrones y la disminución adicional de sus momentos cristalinos a valores de momento cercanos a cero, seguida por la recombinación con agujeros de alta densidad y baja energía disponibles en la banda de valencia, de los mismos valores de momento cristalino.

Sustancialmente sólo los electrones pueden necesitar energizarse en la primera banda de conducción de silicio, preferentemente a energías de aproximadamente 3 eV o 1,8 eV por encima de la energía en el primer mínimo de la banda de conducción.

Puede crearse una zona específica de electrones altamente energizados a cierta distancia lejos de la primera unión. La segunda unión np+ puede colocarse a cierta distancia lejos de la zona de electrones altamente energizados, y los agujeros se inyectan en esta zona desde la segunda unión np+ y mediante difusión a través de una cierta pieza de la región n neutra poco dopada de la unión.

Se establece una condición de polarización de optimización para la segunda unión np+ que optimizará la energía de los agujeros difusores de manera que la probabilidad de recombinación entre electrones se optimice en términos de energías tanto de electrones como de agujeros.

Los equilibrios de portadores de ingeniería y la densidad de portadores pueden optimizarse de manera que las densidades puedan equilibrarse adecuadamente

Un canal estrecho o cable de conducción puede ingeniarse para confinar el flujo de portadores solo a ciertas regiones cristalinas y aumentar la densidad tanto de los electrones como de los portadores de agujeros.

Pueden introducirse zonas específicas adicionales que permitan mejorar la dispersión tanto de los electrones difusores como de los portadores de agujeros para mejorar la probabilidad de recombinación a través de la extensión del momento.

Las condiciones de operación del dispositivo pueden optimizarse para evitar daños térmicos en las regiones activas del dispositivo al operar en condiciones de baja excitación con uniones que no necesariamente se empujan hacia la avalancha y portadores de carga de agujero que adquieren energías muy bajas.

Descripción detallada de la invención

La invención se describirá ahora en mayor detalle por medio de un ejemplo con referencia al siguiente dibujo en el que se muestra:

Figura 1(a) distribuciones de energía de electrones de portadores en el espacio k y energía en silicio para un campo aplicado de 300 kV.cm-1 como se obtiene de los estudios de simulación de Monte Carlo; Figura 1(b) y (c) distribuciones de momento de electrones y agujeros en el espacio k en la primera zona de Brillouin;

Figura 2 distribución de energía de las poblaciones de electrones y agujeros en la banda de conducción y la banda de valencia del silicio para diversas condiciones de excitación, cambios de momento y posibles transiciones fotónicas posteriores;

Figura 3 características de ionización de los electrones en el silicio;

Figura 4 densidades excitadas de electrones y agujeros en una unión de polarización inversa de silicio p+n bajo condiciones de baja excitación;

Figura 5. dirección de excitación y distancias de difusión en estructuras de silicio pn con polarización inversa;

Figura 6(a) Sección transversal lateral del LED de inyección de Si de avalancha p+np+;

Figura 6(b) Distribución de campo eléctrico a través del dispositivo durante condiciones de polarización activa;

Figura 6(c) Sección transversal de conducción del dispositivo;

Figura 7 dispositivo p+np+ con acoplamiento resistivo pasivo a través de la segunda unión y con una sola fuente de tensión de polarización;

Figura 8(a) Perfiles de campo eléctrico y densidad de portadores para un LED Si Av de una única unión abrupta p+n que muestra una dispersión desequilibrada y minimizada de portadores por centros de impurezas y perfiles de campo eléctrico y densidad de portadores para un LED Si Av de unión graduada p+nn+ que muestra una energización equilibrada y maximizada de portadores seguida por la dispersión maximizada de portadores de carga en una matriz de átomos de impurezas dopantes cargados positivamente;

Figura 9 se observa un comportamiento de pico en las curvas de emisión óptica frente a la corriente; Figura 10(a) resultados brutos que muestran una potencia óptica de espectro total de 600 nW medida para el LED Si Av de unión p+np+ graduada a 3 mA en una escala lineal;

Figura 10(b) potencia espectral (vatios por canal de longitud de onda nm) medida para los dispositivos LED Si de unión solapada p+nn+, p+n+ y graduada p+nn+, respectivamente; y

Figura 11(a) a (c) tienen la misma estructura que en la Figura 6 con una región n+ delgada adicional.

El dispositivo inventivo proporciona una emisión de 650 nm, que es particularmente útil por las siguientes razones. La luz puede propagarse con pérdidas relativamente bajas a través de guías de ondas que permiten enlaces microópticos en chip que pueden usarse para la futura comunicación óptica en chip y el procesamiento óptico de datos. Las emisiones ópticas de 650 mn o 750 nm pueden enlazarse fácilmente con los sistemas de comunicación óptica de 1550 nm existentes, que en su mayoría operan en sistemas fuera del chip, ya que implica que la frecuencia de la portadora en chip tiene que reducirse esencialmente a la mitad para convertirla a 1550 nm. La capacidad de ancho de banda de datos del procesamiento de señales ópticas en chip se duplica efectivamente cuando se consideran las posibles frecuencias de modulación en la portadora óptica alta. Ya que los detectores de silicio simples tienen una muy buena detectividad hasta -90 dBm, se dispone de un amplio presupuesto de potencia para realizar enlaces ópticos efectivos para diversos propósitos. Típicamente, la conversión de la potencia a luz de LED Si Av es de -40 dBm, las pérdidas de inserción en las guías de ondas pueden ser de -20 dB y los detectores tienen típicamente una eficiencia de conversión de -10dB. Esto implica que se dispone de hasta 20 dB de pérdidas en las guías de ondas para un sistema de accionamiento de 1 dBm o 30 dB de pérdidas para un sistema de accionamiento de 10 dBm (10 V y 1 mA). Típicamente, las pérdidas en las guías de ondas basadas en micronitruros a 650 nm son del orden de 0,5 dB por cm de longitud del chip. Para aplicaciones de comunicaciones en el espacio libre, las pérdidas de inserción en el entorno pueden minimizarse a -10 dB, lo que implica que se dispone de -50 dB para pérdidas en el espacio libre a través de mecanismos de propagación direccional o isotrópica. Los LED Si Av, con su dimensionamiento de microdispositivo de polarización inversa, muestran una alta capacidad de modulación de hasta 100 GHz o más. Por tanto, puede combinarse efectivamente con estructuras detectoras HBT de Si Ge con una detectividad de modulación de hasta 30 GHz. Pueden fabricarse diversos sensores microópticos directamente en el chip.

Al tener en cuenta todos los diversos mecanismos que pueden diseñarse para generar emisiones a partir del silicio, se cree que el mecanismo particular que se describe en esta invención ofrece la mayor viabilidad para generar emisiones de alta intensidad. Las técnicas Monte Carlo de energías y momentos de portadores en la estructura de la banda de silicio se han realizado cuando un volumen de cristal se somete a un alto campo eléctrico como el que se experimenta en estos dispositivos en condiciones de fuerte polarización inversa. Se usaron los mismos mecanismos físicos para los mecanismos de dispersión, pero los conceptos de las técnicas Monte Carlo se aplicaron en las simulaciones por ordenador.

La Figura 1 (a) y (b) muestran, respectivamente, las funciones básicas de distribución de energía f(E) y para la función de densidad de número g(E) f(E) para electrones en condiciones de ionización por impacto cuando se excitan en un campo eléctrico de 3 x 104 V.cm-1. Se observó que la distribución de energía de los electrones en la banda de conducción para este campo de excitación se encuentra en el intervalo de 1,1 a 1,7 eV, mientras que se observa una dispersión de momento bastante amplia para los electrones (Figura 1 (b)). Se observaron tendencias similares para los agujeros (Figura 1 (c)), pero la extensión tanto en energía como en momento es menor debido a la masa efectiva más pesada de los agujeros en el silicio. Se observa una gran variación especialmente para los electrones en la primera zona de Brillouin, lo que implica que los electrones adquieren una amplia variación en los valores de momento durante los procesos de dispersión de la red. Los valores de momento de agujero revelan un comportamiento de dispersión similar, pero en menor extensión y solo se canalizan en el campo E principal y en la dirección de excitación.

Se deduce que mediante la ingeniería de los niveles de dopaje de la unión pn y la magnitud de la tensión a través de la unión, puede ingeniarse la magnitud del campo eléctrico que es responsable de energizar los portadores durante una situación de avalancha de polarización inversa.

Al tener en cuenta los intervalos de energización que se encuentran disponibles a través del proceso de energización del campo eléctrico, se deduce que pueden generarse diversas "poblaciones de energía portadora" dentro de la estructura de banda de energía del silicio. Esto se ilustra esquemáticamente tanto para los electrones como para los agujeros en la Figura 2 como poblaciones sombreadas.

Al diseñar diferentes dispositivos y poblar densidades de portadores difusores, y mediante la ingeniería adecuada de la extensión del momento de los portadores durante la difusión, se deduce que, las transiciones ópticas específicas pueden, posteriormente, generarse en dispositivos de emisión de longitud de onda de silicio que pueden generarse. Si solo se inyectan electrones en una matriz sin que se inyecten o generen portadores adicionales, solo los electrones disiparán la energía y los cambios de momento en una matriz n+. En tal caso, lo más probable es que solo las transiciones o relajaciones de energía de los electrones generen emisiones fotónicas. Al comparar las energías de transición y la física de conversión como en la Figura 2, es evidente que las emisiones se encontrarán fundamentalmente en el intervalo de longitud de onda larga, es decir, de 750 nm a 850 nm. Las emisiones de longitud de onda en esta longitud de onda podrían usarse principalmente en las aplicaciones de comunicación por infrarrojos de longitud de onda larga. También es adecuado para diversas aplicaciones de guía de ondas en chip, ya que las pérdidas en las guías de ondas en estas longitudes de onda son sustancialmente mucho menores. De manera similar, podría utilizarse en la comunicación de corto alcance en el espacio libre desde dispositivos microdimensionados a nivel de microchip.

Por otra parte, si las poblaciones y las distribuciones de momento de electrones y agujeros se establecen, de manera que las transiciones de Tipo B se establezcan principalmente como en la Figura 2, con algunas transiciones asistidas por momento, como en los resultados de la última publicación, pueden generarse emisiones muy altas de aproximadamente 650 nm. Esta longitud de onda todavía es adecuada para la propagación de guía de ondas de bajas pérdidas en chip y para diversas aplicaciones en el espacio libre, ya que se encuentra en la zona roja/infrarroja. Si tanto los electrones como los agujeros se generan por igual en densidades de portadores iguales y se pueblan adecuadamente en la estructura de la banda de energía, de manera que coincidan los valores de momento de los portadores excitados, pueden estimularse transiciones particulares de Tipo D donde pueden ocurrir transiciones directas y de muy alta energía. Esta longitud de onda de emisión se encontrará principalmente en la región de longitud de onda ultravioleta. Como resultado de la muy alta energía de los fotones, puede anticiparse que estos fotones pueden utilizarse en dispositivos de micro-detección en diversas aplicaciones, como en el campo de la micro-bio y micro-chip de detección y análisis.

Por tanto, en principio, pueden generarse tres intervalos de emisión de longitud de onda para estos tipos de LED Si Av con emisiones principalmente de 450 nm, 650 nm y aproximadamente 850 nm.

De estos tres, la emisión de 650 nm tiene la mayor posibilidad de ser estimulada como se dilucidará en la descripción de esta invención.

Al considerar todas las emisiones fotónicas probables que pueden generarse en el silicio, como se describió anteriormente, se postula que la generación de emisión de luz por excitación de electrones mediante el uso de una unión de polarización inversa empujada hacia la avalancha o casi avalancha, que excita a los portadores a lo largo de la primera banda de conducción hasta valores de momento cercanos a cero, seguida de una disminución de su momento cristalino a través de la dispersión de los electrones y la disminución adicional de sus momentos cristalinos a valores de momento cercanos a cero, seguida por la recombinación con agujeros de alta densidad y baja energía disponibles en la banda de valencia, de los mismos valores de momento cristalino, esta transición ofrece el potencial para producir las emisiones ópticas más altas en el silicio. Estas transiciones se indican por el mecanismo de transición de portador C en la Figura 2.

En una primera parte de la invención, fundamentalmente solo los electrones son y necesitan energizarse en la primera banda de conducción de silicio a energías de aproximadamente 3 eV o 1,8 eV por encima de la energía en el primer mínimo de la banda de conducción.

Esto puede lograrse mediante el uso del hecho físico de que, en condiciones de baja excitación, la tasa de ionización de los electrones es aproximadamente 10 veces mayor que la de los agujeros, como se muestra en la Figura 3.

Al aplicar este fenómeno en una unión pn de igual densidad de dopantes, implica que en o cerca de las condiciones de avalancha, puede establecerse una alta densidad de electrones de alta energía de cerca de 3 eV en el lado n de la unión, y a cierta distancia de la interfaz metalúrgica pn como se ilustra esquemáticamente en la Figura 3. Ya que el campo eléctrico no es lo suficientemente alto para ionizar una alta densidad de agujeros, se deduce que los agujeros de alta energía que se generaron a partir de los procesos de ionización de electrones solo se difundirán hacia el lado opuesto de la unión, como se ilustra en la Figura 2 (b).

Posteriormente, puede crearse una zona específica de electrones altamente energizados a cierta distancia lejos de la unión pn metalúrgica que contiene fundamentalmente electrones altamente energizados de aproximadamente 3 eV. Esto será más o menos igual a aproximadamente 5 veces la longitud de difusión promedio de los electrones de alta energía, que es del orden de 150 nm, lo que conduce a un valor de aproximadamente 0,6 micras.

En un escenario de unión p+n, donde la región p se encuentra altamente dopada y la región n poco dopada, la capa de agotamiento se extiende fundamentalmente hacia el lado n y, por tanto, los electrones lograrán fundamentalmente longitudes de difusión largas y causarán multiplicaciones secundarias. Este concepto se ilustra esquemáticamente en la Figura 4. Los agujeros experimentarán una alta dispersión en una capa delgada en la región p+ y la emisión de luz solo se limitará a una capa muy delgada en la interfaz p+.

Una segunda región dopada p+ que contiene una alta densidad de agujeros de baja energía se ubica en dicha zona que contiene electrones de alta energía. Por tanto, se establece una zona en el dispositivo donde se produce una recombinación muy alta de electrones de alta energía de momento cristalino cercano a cero con agujeros de baja energía que cumplen las condiciones establecidas para el mecanismo de transición fotónica C.

Sin embargo, una segunda unión pn ofrecería una barrera potencial de 0,7 eV a los electrones difusores, lo que podría reducir la energía de los electrones y anular el propósito de la recombinación. Un requisito secundario es, por tanto, que la segunda unión pn debe tener una ligera polarización directa con aproximadamente 0,7 V para reducir dicha barrera.

La segunda unión pn podría colocarse a cierta distancia lejos de la zona de electrones energizados, y los agujeros que se inyectan en esta zona desde la segunda unión p+n y mediante la difusión a través de una cierta pieza de la región n neutra poco dopada de la unión. Sin embargo, debe asegurarse de que los agujeros no adquieran alta energía ya que esto empujará las energías de los agujeros hacia abajo en la banda de valencia y anulará la recombinación de alta intensidad de acuerdo con el mecanismo de transición C. Además, el flujo de difusión opuesto que verán los electrones de alta energía también puede reducir la alta energía adquirida de los electrones difusores. Se establece una condición de polarización de optimización para la segunda unión np+ que optimizará la energía de los agujeros difusores de manera que la probabilidad de recombinación entre electrones se optimice en términos de energías tanto de electrones como de agujeros. Se observará un comportamiento de pico con un pico alto en la intensidad de emisión óptica para tales condiciones.

Los equilibrios de portadores de ingeniería y la densidad de portadores se optimizan para aumentar las emisiones fotónicas de acuerdo con el mecanismo de transición C.

La magnitud de la intensidad de emisión de la magnitud óptica será una función del producto de las respectivas densidades de portadores a través de

donde n' es la densidad de los electrones energizados y p' la densidad de los agujeros localizados de energía específicamente ingeniada y C es una constante de proporcionalidad.

De ello se deduce que si (1) las densidades de los portadores de los electrones y agujeros difusores pudieran aumentarse significativamente por unidad de volumen del cristal de silicio, y (2) si las densidades pudieran equilibrarse adecuadamente mediante la ingeniería de las densidades para que sean iguales, las emisiones fotónicas de silicio pueden aumentarse significativamente.

Esto podría lograrse mediante la facilitación o ingeniería de un canal estrecho o un cable de conducción para confinar el flujo de portadores solo a ciertas regiones del cristal y aumentar la densidad tanto de los electrones como de los portadores de agujeros.

Pueden introducirse zonas específicas adicionales en el dispositivo anterior que permitirán mejorar la dispersión tanto de los electrones difusores como de los portadores de agujeros. Esta dispersión de los electrones de alta energía causará un cambio de momento o una extensión de momento en el momento cristalino asociado con los electrones energéticos difusores. Tal extensión de momento puede mejorar la probabilidad de recombinación en el mecanismo de generación fotónica C como se representa en la Figura 2. La creación de un cambio de momento lateral de los portadores en la estructura de banda mejorará considerablemente la probabilidad de recombinación fotónica de acuerdo con el mecanismo C.

Tales regiones podrían construirse fácilmente en la unión mediante el uso de técnicas de implantación que usan especies neutras extrañas o mediante la introducción de zonas de dispersión superficial adyacentes cerca de las zonas de recombinación previstas. Una modalidad preferida de este concepto se muestra en la Figura 11, donde se usa la misma estructura que en la Figura 6 pero se introduce una región n+ delgada adicional que contiene una alta densidad de dopantes de fósforo para mejorar la dispersión de los electrones salidos difusos a través de esta región en condiciones prevalecientes de campo E inferior y que interactúan con un flujo opuesto de agujeros de baja energía inyectados. Esta zona de alta dispersión puede crearse opcionalmente también por medio de técnicas de implantación que usan especies de implantación más neutras o incluso difusión de Si-Si O2 para crear una zona de centros de alta dispersión en su mayoría de naturaleza de defecto de interfaz para mejorar la dispersión de los electrones de alta energía difusores y los agujeros de menor energía.

Las anteriores condiciones de operación del dispositivo pueden optimizarse para evitar los daños térmicos en las regiones activas del dispositivo. Los dispositivos portadores calientes con uniones s empujadas hacia una fuerte avalancha, a menudo crean una energía excesivamente alta y altas densidades de electrones y agujeros energéticos, con agujeros calientes que transportan la mayor parte de la energía debido a su mayor masa. Esto puede causar graves daños a las estructuras cristalinas y a las secciones de material sensible del dispositivo.

En el diseño anterior como en esta invención, el dispositivo opera en condiciones de baja excitación con uniones que no necesariamente se empujan hacia la avalancha y los portadores de carga de los agujeros que adquieren energías muy bajas. Estas características hacen que el dispositivo sea extremadamente viable como dispositivo de alta generación de fotones casi sin degradación con el tiempo, y que aseguran una larga vida útil y bajos efectos secundarios de portadores calientes.

Además, permitiría usar el mismo dispositivo como estructura detectora sin dañar la unión de detección debido a la operación anterior como dispositivo portador caliente. Se han observado comúnmente efectos de degradación en la capacidad de detección de uniones pn que se han colocado en modo de operación de avalancha. En la industria de los semiconductores se sabe normalmente que los dispositivos portadores calientes causan efectos indeseables e inconsistencias en el comportamiento a largo plazo del dispositivo y en su fiabilidad. Por tanto, los diseñadores de semiconductores normalmente se alejan de los dispositivos portadores calientes.

A continuación, se describirá una primera modalidad de la invención con respecto a un dispositivo p+np+.

Los dispositivos de unión de tipo p+np+ específicos pueden diseñarse en este estudio como en la Figura 6 mediante el uso de un proceso bipolar de Si de 0,35 micras con una capacidad de aplicación de RF de alta frecuencia. Este proceso permite grabar un "pilar alargado" de estructuras columnares en un amplio sustrato p semiaislante de silicio situado en la parte inferior. Por tanto, estas estructuras podrían confinar efectivamente la difusión lateral del portador y maximizar la densidad del portador de difusión a lo largo de las estructuras. Se definió una región delgada de solapamiento p+n+ justo adyacente a la región p+. El propósito de esta región fue crear una región delgada de región neta de bajo n dopado, pero que contuviera un alto contenido excepcional de impurezas dopantes. Por tanto, tal región podría sostener entonces un alto campo eléctrico, pero al mismo tiempo también proporcionar una zona de dispersión muy alta para los portadores excitados. Se colocó una segunda región p+ cerca de la epicapa n, con el propósito de polarizarla directamente e inyectar agujeros de baja energía en la unión emisora de luz en avalancha. La dimensión de cada bloque de la estructura columnar era de aproximadamente una micra de dimensión cada uno. El área total de conducción de la sección transversal del dispositivo era de aproximadamentel pm 2 Los contactos adecuados se procesaron en la sección de alto dopaje con un tercer contacto estratégicamente en contacto con la región n media. La primera unión del dispositivo se polarizó inversa, hasta que los electrones portadores sufren procesos de ionización. La ionización tanto de los electrones como de los agujeros ocurre en la región n de alta impureza y bajo dopaje del dispositivo. Sin embargo, ya que la relación en el silicio es diez veces mayor para los electrones que para los agujeros en condiciones de baja excitación, fundamentalmente los electrones se excitan y atraviesan hacia la región n del dispositivo.

Por tanto, la tensión de polarización de la región n central (Terminal 2) facilitó el control del nivel de excitación en la primera unión de polarización inversa. De manera similar, al aplicar tensión de polarización en la Terminal 3, la segunda unión np+ en la estructura podría polarizarse directamente de manera que se inyecten agujeros en la unión de avalancha. Ya que la distancia desde la segunda unión np+ es pequeña, las energías del agujero inyectado que alcanzan la región n de bajo dopaje se mantienen altas. Al colocar las denominadas "resistencias de polarización" en el circuito de polarización del dispositivo, como se ilustra esquemáticamente en la figura 7, podría controlarse la mezcla particular de portadores que atraviesan la región de transición, D. Por ejemplo, al seleccionar R1 cero y R2 infinitamente alto, solo J1 tendría polarización inversa y solo se administraría corriente de avalancha (fundamentalmente electrones) en la unión primaria, J1. De manera similar, si se administra una tensión de polarización directa a través de J2, una densidad de corriente o cierta porción de "agujeros inyectados" puede alcanzar la unión de avalancha. Si R2 pasa a valores muy altos, una densidad muy alta de, fundamentalmente, agujeros atravesaría la unión J1.

Este procedimiento implica que las características de emisión de luz del dispositivo podrían estudiarse en función de la magnitud de la corriente, el tipo de portador y la mezcla de portadores que atraviesan la unión de avalancha. Ya que se conocen los valores de las resistencias y se mide la tensión a través de cada resistencia, el componente de avalancha y de inyección de agujeros podría calcularse en cada caso y compararse con la corriente total del dispositivo, IT, que fluye a través del dispositivo.

También debe mencionarse que a medida que la tensión de polarización en la Terminal 2 aumenta a valores altos, tanto las altas densidades de electrones como los agujeros se excitarían en la zona de excitación, y la distribución de energía de los agujeros también se distribuiría más. Por lo tanto, tendría sentido, cuidar el efecto de los agujeros inyectados de baja energía, solo en las corrientes totales más bajas del dispositivo, ya que, en condiciones de baja excitación, los portadores excitados en la zona de excitación son fundamentalmente electrones debido al coeficiente de ionización más alto para los electrones en estas condiciones (aproximadamente diez veces mayor que el de los agujeros). La elección de tales condiciones permitiría estudiar con mayor precisión la inyección de agujeros de baja energía en la unión de avalancha emisora de luz.

Los resultados de producción óptica medidos para los dispositivos se midieron con una sonda-lente de fibra óptica con un analizador de espectro Anritso MS9710B conectado.

A continuación, se describirá una segunda modalidad que no forma parte de la invención con respecto al dispositivo de unión graduada p+nn+.

La Figura 8 muestra un escenario de modelado para un dispositivo de unión p+nn+ especialmente diseñado, con una matriz específica de densidad de dopante de impureza n positiva de menor valor que se ubica en la parte central del dispositivo. En particular, se presentan aquí las características de una unión graduada, con el perfil de impurezas que aumenta hacia la segunda región de "unión nn+".

Particularmente notable es que se mantienen condiciones de campo E altas cerca de la primera unión metalúrgica p+n. Esta característica apoyaría específicamente los procesos de ionización de portadores y de multiplicación de portadores a medida que ocurren a través de los procesos normales de avalancha. Además, al controlar cuidadosamente la tensión del dispositivo aplicado en este dispositivo, se podría establecer un modo de operación de baja ionización que promovería la ionización y la multiplicación de electrones por unidad de longitud de cristal a medida que se difunden hacia la segunda región de unión metalúrgica nn+. Con una excitación de campo E de 2 x 105 V.cm-1, el coeficiente de ionización de los electrones es aproximadamente de diez a veinte veces mayor que el de los agujeros en el silicio.

Ya que cada proceso de multiplicación por un electrón ionizante conduce a la generación de un único agujero. Se deduce que las densidades de agujeros generadas por agujeros se escalarán correspondientemente con las densidades de electrones hacia las regiones n dopadas más altas. Esto implica que se generan densidades aproximadamente iguales de electrones y agujeros en la parte central del dispositivo, entre las dos áreas de unión metalúrgica. Los perfiles de densidad se solapan considerablemente sobre un gran volumen de cristal y este escenario podría promover especialmente los procesos de recombinación electrón-agujero entre bandas, como se hipotetizó por medio de las transiciones de tipo C en la Figura 2.

Ya que una matriz de átomos de impurezas dopantes positivas se incrusta a lo largo de toda la región n agotada del dispositivo; además, implica que el momento cristalino para los electrones en el silicio puede sufrir cambios de momento localizados debido a procesos de dispersión localizados.

Estos procesos podrían promover especialmente los procesos de recombinación electrón-agujero entre bandas de Tipo C y Tipo D, así como también los procesos de relajación electrón-agujero intra-banda y de transición de Tipo A y Tipo B.

Puede anticiparse que estos procesos de Tipo C y D ocurrirían en toda la región central entre uniones, pero los procesos de Tipo A y B ocurrirían especialmente en las regiones de deriva de electrones y agujeros de gran volumen donde el campo eléctrico es más bajo que los niveles de campo crítico de ionización de electrones.

Puede anticiparse que también puede ocurrir un proceso similar para los agujeros difusores a medida que se difunden hacia la primera unión metalúrgica p+n, especialmente si también hay un gradiente de átomos dopantes de impurezas también presente en esta unión. Sin embargo, ya que el campo E es mucho más bajo hacia la segunda región de unión n+p, puede esperarse que el nivel de generación de los agujeros sea más bajo.

Por último, hay que tener en cuenta que los tiempos de tránsito de los portadores en las uniones de polarización inversa de silicio pn y pin de alto campo eléctrico y corta distancia son extremadamente cortos. En general, se prevé una capacidad de alta frecuencia de hasta decenas de GHz.

En conclusión, se presentan algunos resultados experimentales breves para probar la validez de la descripción de esta patente.

En la Figura 9 se presenta la emisión óptica de salida frente a la corriente total del dispositivo que se polarizó con un acoplamiento resistivo entre la segunda región p+ y media n y una única polarización negativa como en la Figura en la región p+. Se muestra un claro pico de la curva de emisión de salida en la condición de operación de tensión de polarización media que indica que ocurrió un cambio de mecanismo en el mecanismo de generación óptica y que básicamente confirma todos los argumentos de la descripción que se presentan en la sección 2 de la descripción de esta patente.

Las características de emisión óptica frente a corriente que se observan para esta operación del dispositivo se resumen en la Figura 8. Una característica interesante ocurre en las características O-I del dispositivo que muestran un claro aumento en la intensidad de emisión óptica en ciertas condiciones de polarización y magnitudes de corriente. Estas características pueden explicarse de acuerdo a los aspectos operativos descritos anteriormente en la descripción de la invención.

En la Figura 10, se presentan las características de emisión óptica de salida en forma espectral tanto en forma lineal como logarítmica. Ambas de estas curvas ilustran un aumento de aproximadamente 150 veces de las características de emisión óptica específicamente en la región de emisión de 650 nm. Esta observación confirma de nuevo explícitamente la estimulación y optimización de los procesos de generación fotónica en el silicio como se dilucida en la Sección 2 y en la Figura 2.

En la Figura 11, tienen la misma estructura que en la Figura 6 con una región n+ delgada adicional.

Este n+ secundario o cualquier zona de alta dispersión de portadores se introduce en la segunda región en condiciones de campo E predominantes inferiores a las necesarias para la ionización.

La invención se define por las reivindicaciones anexas.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio de tipo p+np+ que comprende una primera unión p+n (J1) y una segunda unión np+ (J2), dicha primera unión p+n que incluye una zona de excitación con polarización inversa para inyectar portadores de alta energía en una primera dirección y dicha segunda unión np+ se polariza directamente para inyectar portadores de baja energía de alta densidad en oposición a dicha primera dirección, en donde se forma una zona de interacción como una región n débilmente dopada entre dicha primera unión y dicha segunda unión para mejorar la emisión de fotones de 650 nm a través de interacciones entre dichos portadores de alta energía y dichos portadores de baja energía caracterizados porque se agrega una región delgada de solapamiento p+n+ adyacente a la región p+ de la primera unión p+n que proporciona una zona de dispersión para portadores excitados, y porque el dispositivo comprende un terminal en contacto con la zona de interacción y que se adapta para aplicar una tensión de polarización a dicha zona de interacción.

2. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se reivindicó en la reivindicación 1, en donde los portadores de alta energía son electrones y los portadores de baja energía son agujeros.

3. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio de la reivindicación 1 o 2 que comprende una región n+ delgada adicional en la zona de interacción.

4. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la emisión de fotones se genera mediante la excitación de electrones mediante el uso de la primera unión de polarización inversa empujada hacia la avalancha o casi avalancha, que excita los portadores a lo largo de la primera banda de conducción hasta valores de momento cercanos a cero seguidos de una reducción de su momento cristalino a través de la dispersión de los electrones y una disminución adicional de sus momentos cristalinos hasta valores de momento cercanos a ceros, seguidos de una recombinación con agujeros de alta densidad y baja energía disponibles en la banda de valencia, de los mismos valores de momento cristalino.

5. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se reivindicó en la reivindicación 4, en donde solo los electrones necesitan energizarse en la primera banda de conducción de silicio.

6. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se reivindicó en la reivindicación 5, en donde los electrones se energizan a energías de aproximadamente 3 eV o 1,8 eV por encima de la energía en el primer mínimo de la banda de conducción.

7. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en donde se crea una zona específica de electrones altamente energizados a una distancia lejos de la primera unión.

8. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se reivindicó en la reivindicación 7, en donde la segunda unión np+ se coloca a cierta distancia lejos de la zona de electrones altamente energizados, y se inyectan agujeros en esta zona desde la segunda unión np+ y mediante la difusión a través de una cierta pieza de la región n neutra poco dopada de la unión.

9. El dispositivo emisor de luz de avalancha de silicio como se reivindicó en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde se establece una condición de polarización para la segunda unión np+ de manera que la probabilidad de recombinación entre electrones se optimiza en términos de energías tanto de electrones como de agujeros.