[0001] 本公开涉及一种发光半导体器件。
[0002] 已经开发出用于各种应用的各种发光半导体器件。以满足对紧凑型
光源不断增长的需求。虽然许多
光发射器件旨在于
辐射的永久发射，但也期望具有能够产生持续时间小于1纳秒的非常短的光脉冲的半导体器件。本
发明的目的是提出一种用于产生短光脉冲的器件。
[0003] 根据
权利要求1所述的发光半导体器件来实现该目的。
实施例源自
从属权利要求。
[0004] 除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。
[0005] 发光半导体器件包括具有发射极、基极、集
电极、基极-集电极结和基极-发射极结的双极晶体管、与基极或集电极电连接的猝熄部件、以及配置为向基极-发射极结施加
正向偏置的
开关电路。双极晶体管配置为在高于击穿
电压的反向集电极-基极电压下工作。双极晶体管配置用于产生短光脉冲。术语“光”在此是以
电磁辐射的意义使用。
波长不限于可见
光谱。
[0006] 特别地，双极晶体管是垂直型双极晶体管。在垂直型双极晶体管的工作过程期间，穿过基区的
电流沿垂直于器件的半导体衬底或
晶圆的主表面的方向流动。电流可以额外地具有平行于主表面的横向分量。
[0007] 在发光半导体器件的一个实施例中，开关电路配置为使得发射器能够交替地电连接到地电势和另一电压，以用于触发
雪崩击穿。
[0008] 另一实施例包括连接到发射器的第一电容器，并且开关电路配置为使得第一电容器能够被充电到电容器电压并且通过发射器放电以触发
雪崩击穿。
[0009] 另一实施例包括与猝熄部件并联连接的第二电容器。
[0010] 另一实施例包括连接在集电极与基极之间的第三电容器。
[0011] 在另一实施例中，猝熄部件包括
电阻器或晶体管。
[0012] 在另一实施例中，猝熄部件是有源猝熄电路。
[0013] 另一实施例包括第一器件部件和第二器件部件，该第一器件部件包括双
极光发射器和光检测器，该双极光发射器由双极晶体管、猝熄部件和开关电路形成，并且该第二器件部件包括另外的双极光发射器和另外的光检测器。第一和第二器件部件的布置使得双极光发射器与另外的光检测器相对，另外的双极光发射器与光检测器相对。
[0014] 另一实施例包括形成第一器件部件的一部分的金属间介质和嵌入在金属间介质中的
金属化层。金属化层形成双极光发射器的发光区域的光学限制。
[0015] 另一实施例包括形成第二器件部件的一部分的另外的金属间介质和嵌入在该另外的金属间介质中的其他金属化层，该金属间介质连接到该另外的金属间介质。该另外的金属化层形成另外的光检测器的光接收区域的另外的光学限制。
[0016] 在另一个实施例中，金属化层形成光检测器的光接收区域的另外的光学限制，并且另外的金属化层形成另外的双极光发射器的发光区域的另外的光学限制。
[0017] 另一实施例包括半导体材料衬底，该衬底具有：主表面；第一导电类型的浅阱，位于衬底中的相反的第二导电类型的深阱中；第二导电类型的掺杂区，在所述浅阱，位于所述主表面处；掺杂区和浅阱之间的p-n结；布置在浅阱下方的深阱中的结形成区，结形成区具有第二导电类型的掺杂浓度，结形成区的掺杂浓度高于结形成区外的深阱的掺杂浓度；以及结形成区与浅阱之间的另外的p-n结。当另外的p-n结被
反向偏置到
击穿电压以上时，p-n结和另外的p-n结形成双极光发射器，该双极光发射器通过p-n结上的电流或电压产生光脉冲。
[0018] 另一实施例包括第一导电类型的浅阱
接触区，其在所述浅阱中，位于主表面处。该浅阱接触区的掺杂浓度高于浅阱的掺杂浓度。掺杂区与浅阱接触区相距一定距离布置。
[0019] 另一实施例包括第二导电类型的深阱接触区，其在深阱中，位于主表面处，该深阱接触区的掺杂浓度高于深阱的掺杂浓度。
[0020] 以下是结合
附图对发光半导体器件的示例的详细描述。
[0021] 图1是双极光发射器的局部横截面。
[0022] 图2是另一双极光发射器的局部横截面。
[0023] 图3示出了发光半导体器件的电路图。
[0024] 图4示出了另一发光半导体器件的电路图。
[0025] 图5示出了另一发光半导体器件的电路图。
[0026] 图6示出了另一发光半导体器件的电路图。
[0027] 图7示出了另一发光半导体器件的电路图。
[0028] 图8是堆叠的发光半导体器件的局部横截面。
[0029] 图9是双极光发射器的发光区域的俯视图。
[0030] 图10是单
光子雪崩
二极管的区域的顶视图。
[0031] 图11是另一堆叠的发光半导体器件的局部横截面。
[0032] 图12是另一双极光发射器的发光区域的俯视图。
[0033] 图13是另一单光子
雪崩二极管的区域的俯视图。
[0034] 图1是包括双极晶体管的双极光发射器的部分横截面，该双极晶体管配置为在超过击穿电压的集电极-基极电压下与猝熄部件一起工作。双极光发射器包括半导体材料的衬底，例如，可以是
硅的衬底1。
[0035] 衬底1中的掺杂区具有第一导电类型或相反的第二导电类型。第一导电类型可以是p型
导电性，因此第二导电类型是n型导电性，如通过示例在附图中所示。导电类型可以颠倒。p+和n+分别表示高到足以在半导体材料上形成
欧姆接触的两种导电类型的掺杂浓度。
[0036] 衬底1可以是本征掺杂的或具有低的第一导电类型掺杂浓度。在衬底1的主表面10处，第一导电类型的浅阱3位于第二导电类型的深阱2中。在深阱2到达主表面10的横向边界处可以存在隔离区4，例如，可以是浅槽隔离。
[0037] 如果需要衬底1的电连接，则可以提供第一导电类型的高掺杂浓度的衬底接触区6。衬底接触区6形成在主表面10处，并且可以布置在衬底区11中，该衬底区具有第一导电类型的掺杂浓度，该掺杂浓度产生的导电性高于衬底1的基本导电性。
[0038] 提供深阱接触区7以用于深阱2的电连接，该深阱接触区具有第二导电类型高掺杂浓度。深阱接触区7形成在主表面10处，并且可以布置在阱区12中，该阱区具有第二导电类型的掺杂浓度，产生的导电性高于深阱2的基本导电性。
[0039] 在浅阱3中的主表面10处布置有掺杂区8，该掺杂区具有第二导电类型的高掺杂浓度。提供具有相反的第一导电类型的高掺杂浓度的浅阱接触区9以用于浅阱3的电连接，并且布置在浅阱3中的主表面10处，离掺杂区8的距离小。
[0040] 掺杂区8和浅阱3之间形成p-n结14。在浅阱3下方的深阱2中存在特殊区，该区称为结形成区13，其中在结形成区13与浅阱3之间形成另一p-n结15。结形成区13至少在另一p-n结15处具有升高的第二导电类型的掺杂浓度，因此适合于电荷载流子的雪崩倍增。
[0041] 特别地，双极晶体管是垂直型双极晶体管。深阱2提供集电极，浅阱3提供基极，并且掺杂区8提供双极晶体管的发射极。深阱2具有比浅阱3更深地进入衬底1的区。特别地，结形成区13是深阱2的布置在浅阱3的下方的区。因此，结形成区13到主表面10的距离大于浅阱3到主表面10的距离。因此，通过浅阱3和p-n结30的电流的电荷载流子的运动具有垂直于主表面10的方向上的分量。
[0042] 在图1所示的发光半导体器件中，p-n结14的区域大于另一p-n结15的区域。发光半导体器件可以相对于可选的对称轴S对称，该对称轴在图1中由垂直虚线表示。该器件不必是对称的。
[0043] 区6、7、8、9的高掺杂浓度确保能够在半导体材料和导电接触层之间形成欧姆接触。在所述示例中，接触层由可选的硅化物层16、17、18、19提供。接触塞20、21、22、23可布置在介质层中，特别是例如布线的金属间介质层中。这种介质层本身在半导体技术，特别是标准CMOS工艺中是已知的，并且在图中未示出。
[0044] 接触塞20、21、22、23将接触层16、17、18、19电连接到各自的导体层24、25、26、27，例如，导体层可以是布线的结构化金属化层中的导体迹线。如果未设置硅化物层16、17、18、19，则接触塞20、21、22、23能够直接施加在区6、7、8、9上。
[0045] 如果施加的反向电压超过击穿电压，则光主要从由结形成区13形成的另一p-n结15的区发射。发光区域5大致对应于反向电压超过击穿电压的区域。由浅阱3下方不存在结形成区13的区提供的增大的寄生电容会增加通过器件放电的电荷，从而增加光强度。导体层24、25、26、27布置为使得发光区域5不被导体层24、25、26、27所屏蔽。
[0046] 图2是另一双极光发射器的局部横截面。与根据图1的双极光发射器的元件相对应的根据图2的双极光发射器的元件用相同的附图标记表示。图2示出发光区域5的尺寸基本上与存在另一p-n结15的区的第一尺寸D1相同。特别地，双极晶体管是垂直型双极晶体管，如上文结合图1所述。浅阱3下方不存在结形成区13的区的第二尺寸D2大于根据图1的双极光发射器中的尺寸。更大的第二尺寸D2增加基极-集电极结的电容。当触发双极光发射器时，基极-集电极结放电，直到达到击穿电压为止。基极-集电极结的增加的电容导致通过双极光发射器的电荷载流子的总流量增加。因此增加了由器件发出的光的强度。
[0047] 图3示出了发光半导体器件的实施例的电路图。电路图中所示的部件可以集成在同一
半导体芯片中。该器件包括双极晶体管T，该双极晶体管配置为在超过基极-集电极结的击穿电压的集电极-基极电压下工作。双极晶体管T特别可以是根据图1或图2的双极光发射器。集电极由深阱2、接触层17和接触塞21形成，发射极由掺杂区8、接触层18和接触塞22形成，基极由浅阱3、接触层19和接触塞23形成。p-n结14是基极-发射极结，并且另一p-n结15是基极-集电极结。
[0048] 发光半导体器件的操作基于
单光子雪崩二极管的操作。需要某种形式的猝熄来抑制长时间的雪崩，并确保双极晶体管的基极-集电极结的快速充电。由于快速猝熄，产生极短的光脉冲是可行的。充电时间确定连续光脉冲之间的最小可能时间间隔。利用该器件实现的短充电时间允许大幅增加通过产生的光脉冲的数据传输速率。
[0049] 猝熄部件能够连接到基极或集电极。在下面的描述中，示例性地示出了猝熄部件连接到集电极。
[0050] 在图3所示的示例中，
电阻器R执行猝熄。例如，猝熄部件可以替代地是晶体管或有源猝熄电路。有源猝熄电路允许在基极-集电极结充电期间降低到VHV的电阻，从而获得较短的充电时间。适合于有源猝熄的电路本身是已知的，因此在此不再赘述。
[0051] 在根据图3的电路图的器件中，电阻器R连接在双极晶体管T的集电极C和高压VHV之间。双极晶体管T的基极B接地。替代地，猝熄部件能够连接在基极B和地之间。电路还包括开关S1和S2，其允许将双极晶体管T的发射极E交替地连接到地电势和另一电压-V，该另一电压由不同于地电势的电势提供。器件工作期间的通常切换顺序为：1)S1打开且S2闭合；2)S2打开；3)S1闭合(这会触发雪崩击穿)。
[0052] 图4示出发光半导体器件的另一实施例的电路图。电路图中所示的部件可以集成在同一半导体芯片中。该器件包括双极晶体管T，该双极晶体管配置为在超过基极-集电极结的击穿电压的反向集电极-基极电压下工作。双极晶体管T可以特别地由根据图1或图2的双极光发射器提供。
[0053] 在根据图4的器件中，双极晶体管T的发射极E连接到第一电容器C1。第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3允许将电容器C1连接在地电势和专用电容器电压Vcap之间或地电势和发射器E之间。器件工作期间的通常切换顺序为：1)闭合S1和S3，以将第一电容器C1充电至Vcap；2)打开S1和S3；3)闭合S2，使得第一电容器C1通过发射器E放电以触发雪崩击穿。
[0054] 由于少量
电子足以触发雪崩，因此相对较小的fF级电容就足以实现这一目的。在触发雪崩之后，通过打开第二开关S2并闭合第一开关S1和第三开关S3，将电容器充电到Vcap。
[0055] 图4还示出电容器能够可选地与电阻R并联。这是图4所示电路图中的第二电容器C2。通过第二电容器C2的电容增加了通过基极-集电极结的放电，从而增加了发射光的强度。第二电容器C2的这种布置的优点在于，第二电容器C2的电压要求受限于过偏置电压(超过基极-集电极结的击穿电压的反向电压)。可替代地，包括并联的电阻器和电容器的猝熄部件可以连接在基极B和地之间。第二电容器C2可以是单独的器件，或者可以与发光半导体器件的其他所述的部件一起集成在同一半导体芯片中。还可以在根据图3的电路图的器件中提供与电阻器R并联的电容器。
[0056] 图5示出发光半导体器件的另一实施例的电路图。在该进一步的实施例中，第三电容器C3连接在双极晶体管T的集电极C和基极B之间，使得第三电容器C3与基极-集电极结并联连接。通过第三电容器C3的电容增加了通过基极-集电极结的放电，从而增加了发射光的强度。第三电容器C3可以是单独的器件，或者可以与发光半导体器件的其他所述的部件一起集成在同一半导体芯片中。在根据图1和2的器件中，第三电容器C3尤其可以由浅阱3下方不存在结形成区13的区提供。还可以在根据图3的电路图的器件中提供双极晶体管T的集电极C和基极B之间的电容器。猝熄部件(在图5中所示为电阻)也能够替代地连接在基极B和地之间。
[0057] 图6示出发光半导体器件的另一实施例的电路图。将电阻器R和第二电容器C2替换为有源猝熄电路Q，所述有源猝熄电路能够被提供用于有源充电。连接在双极型晶体管T的集电极C和高压VHV之间的有源猝熄电路Q允许在基极集电极结的充电期间降低到VHV的电阻，从而获得较短的充电时间。这使得光脉冲的重复率更高。替代地，有源猝熄电路Q可以连接在基极B和地之间。
[0058] 图7示出发光半导体器件的另一实施例的电路图。图7所示的电路与图6所示的电路的不同之处在于，猝熄部件Q连接到基极B。这是一个合适的选择。
[0059] 图8是堆叠的发光半导体器件的局部横截面。第一器件部件DC1包括与图1和图2所示的衬底1类似的半导体材料的衬底28、在衬底28的前表面上的金属间介质29以及在相反的后表面上的介质层30。第二器件部件DC2包括另一半导体材料的衬底38、在另一衬底38的前表面上的另一金属间介质39以及在另一衬底38的相反的后表面上的另一介质层40。器件部件DC1、DC2通过介质层29、39彼此接合。在介质层29、39之间可选地设有专用的接合层。
[0060] 第一器件部件DC1还包括布线，该布线包括金属化层，特别是第一金属化层31、第二金属化层32、第三金属化层33和第四金属化层34，其间具有垂直互连35。第二器件部件DC2包括另外的布线，该另外的布线包括另外的金属化层，特别是另外的第一金属化层41、另外的第二金属化层42、另外的第三金属化层43和另外的第四金属化层44，其间具有另外的垂直互连45。金属化层的数量和另外的金属化层的数量是任意的。每个金属化层包括结构化金属层。
[0061] 第一器件部件DC1还包括双极光发射器36和光检测器37，该双极光发射器具有与根据图1和2的双极光发射器之一类似的结构。双极光发射器36包括p-n结14和另一p-n结15。第二器件部件DC2包括另一双极光发射器46和另一光检测器47，该另一双极光发射器具有与根据图1和2的双极光发射器之一类似的结构。例如，光检测器37、47特别地可以是单光子雪崩二极管阵列，或任何其他类型的光检测器。
[0062] 第一器件部件DC1的双极光发射器36布置在第二器件部件DC2的另一光检测器47的对面。第二器件部件DC2的另一双极光发射器46布置在第一器件部件DC1的光检测器37的对面。因此，从第一器件部件DC1的双极光发射器36发射的光能够由第二器件部件DC2的另一光检测器47检测，并且从第二器件部件DC2的另一双极光发射器46发射的光能够由第一器件部件DC1的光检测器37检测。
[0063] 第一器件部件DC1和第二器件部件DC2之间的通信是由短光脉冲实现的，该短光脉冲由双极光发射器36、46发射并由光检测器37、47接收。选择金属间介质29、39以对于光脉冲足够透明。能够使第二器件部件DC2的金属化层44的第一器件部件DC1金属化层34之间的最近距离d足够大，以便在器件部件DC1、DC2之间进行所需的
电隔离。
[0064] 可以提供包括金属化层49、54的衬底通孔48、53，以在布线和后表面的接触垫50、55之间进行电连接。在图8所示的示例中，例如，第一器件部件DC1的衬底通孔48的金属化层
49连接到相应布线的第一金属化层31的一部分，第二器件部件DC2的另一衬底通孔53的另一金属化层54也连接到相应的另外的布线的另一第一金属化层41的一部分。
[0065] 衬底通孔48、53的金属化层49、54可以通过介质层51、56与衬底的半导体材料绝缘。
钝化层52、57可以
覆盖金属化层49、54，但接触垫50、55的区域除外。这些层可以包括部分层的序列，并且可以提供附图中未示出的另外的层。
[0066] 图9示出形成第一器件部件DC1的双极光发射器36的发光区域5和/或第二器件部件DC2的双极光发射器46的发光区域59的各个发光区域的阵列的示例。图10示出形成第一器件部件DC1的光检测器37的光接收区域58和/或第二器件部件DC2的光检测器47的各个光接收区域的阵列的示例。在此示例中，发光区域5的阵列大于光接收区域58的阵列。
[0067] 图11是另一堆叠的发光半导体器件的局部横截面。与根据图8的器件的元件相对应的根据图11的器件的元件用相同的附图标记表示。在根据图11的器件中，金属化层31、32、33、34、41、42、43、44以这样的方式布置：对发射光的传播立体
角进行限制，由此减小器件部件DC1、DC2之间的光学串扰。为此目的，金属化层31、32、33、34、41、42、43、44被构造成具有相同或基本相同的横向尺寸的部分。在两个器件部件DC1、DC2中，这样的部分一个布置在另一个上方以沿发光区域5、光接收区域58和/或发光区域5的阵列和光接收区域58的阵列的横向边界形成光学限制。通过金属化层31、32、33、34的合适布置，也可以为单个发光半导体器件提供这种光学限制。
[0068] 光传播的立体角的限制使得能够并行地在多个通道上进行通信。为此，可以将多个双极光发射器和光检测器集成到堆叠的发光半导体器件中。提供给不同通道的发光区域5和光接收区域58通过光学限制而彼此分离。
[0069] 图12示出形成第一器件部件DC1的双极光发射器36的发光区域5和/或第二器件部件DC2的双极光发射器46的发光区域59的各个发光区域的阵列的另一示例。图13示出形成第一器件部件DC1的光检测器37的光接收区域58和/或第二器件部件DC2的光检测器47的各个光接收区域的阵列的另一示例。在该另一示例中，发光区域5的阵列小于光接收区域58的阵列。
[0070] 所描述的发光半导体器件的优点是能够以标准CMOS工艺生产，而无需任何非通常CMOS工艺步骤，甚至无需任何
修改。另一优点是能够产生持续时间小于1ns的非常短的光脉冲，并且光脉冲的持续时间不取决于电路速度，特别是不取决于时钟
频率、晶体管开关速度等。脉冲重复率能够很高(通常大于100MHz)，并且能够针对常规猝熄部件进行优化，例如，包括有源猝熄电路。所描述的发光半导体器件是自保护的，因为雪崩被猝熄部件阻止。光强度能够通过一个附加的电容器来调整(特别是增加)。
[0071] 附图标记说明
[0072] 1 衬底 16 接触层
[0073] 2 深阱 17 接触层
[0074] 3 浅阱 18 接触层
[0075] 4 隔离区 19 接触层
[0076] 5 发光区域 20 接触塞
[0077] 6 衬底接触区 21 接触塞
[0078] 7 深阱接触区 22 接触塞
[0079] 8 掺杂区 23 接触塞
[0080] 9 浅阱接触区 24 导体层
[0081] 10 主表面 25 导体层
[0082] 11 衬底区 26 导体层
[0083] 12 阱区 27 导体层
[0084] 13 结形成区 28 衬底
[0085] 14 p-n结 29 金属间介质
[0086] 15 另一p-n结 30 介质层
[0087] 31 第一金属化层 56 介质层
[0089] 33 第三金属化层 58 光接收区域
[0090] 34 第四金属化层 59 发光区域
[0091] 35 垂直互连 B 基极
[0092] 36 双极光发射器 C 集电极
[0093] 37 光检测器 C1 第一电容器
[0094] 38 衬底 C2 第二电容器
[0095] 39 金属间介质 C3 第三电容器
[0096] 40 介质层 D1 第一尺寸
[0097] 41 第一金属化层 D2 第二尺寸
[0098] 42 第二金属化层 d 距离
[0099] 43 第三金属化层 DC1 第一器件部件
[0100] 44 第四金属化层 DC2 第二器件部件
[0101] 45 垂直互连 E 发射极
[0102] 46 双极光发射器 Q 有源猝熄电路
[0103] 47 光检测器 R 电阻器
[0104] 48 衬底通孔 S 对称轴
[0105] 49 金属化层 S1 第一开关
[0106] 50 接触垫 S2 第二开关
[0107] 51 介质层 S3 第三开关
[0108] 52 钝化层 T 双极晶体管
[0109] 53 衬底通孔 Vcap 电容器电压
[0110] 54 金属化层 VHV 高电压
[0111] 55 接触垫 -V 另一电压
