[发明专利]发光器件有效
申请号: | 200880130511.8 | 申请日: | 2008-07-25 |
公开(公告)号: | CN102106000A | 公开(公告)日: | 2011-06-22 |
发明(设计)人: | D.A.法塔尔;D.斯图尔特 | 申请(专利权)人: | 惠普开发有限公司 |
主分类号: | H01L33/00 | 分类号: | H01L33/00 |
代理公司: | 中国专利代理(香港)有限公司 72001 | 代理人: | 李娜;王洪斌 |
地址: | 美国德*** | 国省代码: | 美国;US |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 发光 器件 | ||
技术领域
本发明的实施例涉及半导体发光器件。
背景技术
片上和片外通信已成为需要许多芯片的高要求数据密集应用的持续性能增长的关键问题。计算带宽随着晶体管的数量增长而线性放大,但是使用顶级金属导线跨越芯片传递数据的速率以慢得多的步幅增加。此外,能够通过沿芯片边缘安置的引脚在片外传递数据的速率较之计算带宽也增长得较缓慢,并且片上和片外通信的能量成本显著地限制了可实现的带宽。
包括光纤或波导的光学互连已被提出作为片上和片外通信中使用的导线的替选方案。例如,单个光纤线缆可以承载太比特每秒的数字信息,该数字信息被编码在称为光学信号的不同波长的光中,其具有是使用导线传送相同信息的约4×104至约5×104倍的容量(比照具有1.5微米波长下的200 THz 光学信号的5GHz Pentium)。由于日益增加的对以光学信号传送数据的关注,现在极为关注能够被调制以生成光学信号的小尺寸光源。发光二极管(“LED”)是能够被调制为将数据编码在光学信号中的低成本光源。普通LED包括耗尽层,并且在一些情况中可以包括薄的未掺杂的或者本征半导体层,其夹在p型半导体层和n型半导体层之间(参见例如S. Sze, Ch 12.3.2 of Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed., Wiley, New York, 1981)。电极被附连到p型层和n型层。当偏置未被施加到LED时,耗尽层在相应导带中具有相对低浓度的电子以及在相应的价带中具有相对低浓度的被称为“空穴”的空位电子状态并且基本上未发射光。电子和空穴被称为“电荷载流子”或者仅被称为“载流子”。相反地,当跨越层施加正向偏置操作电压时,电子被注入到耗尽层的导带中,而空穴被注入到耗尽层的价带中,创建了多余载流子。在被称为“电子-空穴复合”或“复合”的辐射过程中导带中的电子自发地与价带中的空穴复合。当电子和空穴复合时,发射具有特定波长的光的光子。只要在相同的正向偏置方向上施加适当的操作电压,则在耗尽层中维持非平衡载流子数目并且电子自发地与空穴复合,在几乎所有方向上发射特定波长的光。当偏置被移除时,耗尽层中剩余的多余载流子可以复合或者p-n结的内建电场可以从耗尽层扫除多余载流子,并且辐射复合停止。辐射复合下落(fall-off)时间由多余载流子寿命或者由多余载流子漂移通过耗尽层的时间确定。典型地,在高质量材料中,多余载流子的寿命是长的。因此,在一些情况中,在电压被移除之后多余载流子继续复合一段时间。因此,在电压被关闭或者变低之后的一段时间内,所发射的光学信号可能不会显著减少。
通过调制LED生成的数据编码光学信号理想地由可区分的高强度和低强度组成。例如,可以将对应于位“1”和“0”的高和低操作电压脉冲施加到LED以将相同的信息编码在从LED发射的高强度和低强度的光中。从LED发射的一段时间的高强度光可以表示位“1”,并且从LED发射的一段时间的低强度光或一段时间没有光可以表示位“0”。然而,实际上,当以诸如约50 GHz的高速度调制操作电压时,由于在施加操作电压之间LED可能继续发射光,因此高强度和低强度的光学信号可能无法区分。
图1示出了施加到LED的经调制的正向偏置操作电压相对时间的第一图线102,以及从LED发射的光学信号的强度相对时间的相应的第二图线104。在图线102和104中,水平轴106和108表示时间,竖直轴110表示正向偏置操作电压的量值,并且竖直轴112表示从LED发射的光的强度。矩形114-116表示组成施加到LED的经调制的正向偏置操作电压的电压脉冲的量值和持续时间,其中在每个脉冲之间,电压被关闭。图线102和104表明,在施加脉冲114-116的时间段期间,从LED发射具有相对恒定和连续强度118-120的光。然而,图线104还表明,在脉冲114-116之间的时间段期间,在施加下一脉冲之前LED继续发射具有缓慢减弱但未完全消失的强度的光。特别地,弯曲部分122-124表示在脉冲114-116被关闭之后的相对缓慢的强度减弱。
相对缓慢的强度减弱是电压被关闭时耗尽层的导带中剩余多余电子和价带中剩余多余空穴的结果。在没有操作电压的情况下这些电子和空穴继续复合。此外,由于高调制速度,在多余电子和空穴有机会完全复合之前施加了后续的操作电压脉冲。因此,光学信号的高强度和低强度部分可能无法区分。
因此,需要在高速调制期间呈现输出光强度的迅速减弱的发光器件。
发明内容
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