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Micron and Nano-dimensioned Silicon LEDs emitting at 650 and 750-850 nm wavelengths in standard Si Integrated Circuitry
IEEE Journal of Quantum Electronics ( IF 2.5 ) Pub Date : 2020-08-01 , DOI: 10.1109/jqe.2020.2994980
Lukas W. Snyman , Kaikai Xu , Jean-Luc Polleux

Optical transitions in silicon avalanche mode silcon LEDs were modeled, using the energy band structure, available carrier energy and momentum spreads. Based on previous experimental observations, it was hypothesized that emissions at these wavelengths can be enhanced by using a combination of excitation of carriers in high electric fields and scattering of excited carriers in compensated, high dopant impurity p+n+ environments, optical emissions at 650 and 750-850 nm wavelength emission regimes could be stimulated. A number of p+np+ devices were subsequently designed and realized using a 0.35-micron RF bipolar fabrication process that provided control over both carrier energy and carrier balancing. The optical emission characteristics of the devices was analyzed using an optical fiber lensed probe spectrophotometer and high-resolution optical microscopy. Clear evidence is obtained that 650 nm emissions can be enhanced in nano dimensioned emission spots by using these technologies. The devices operated in the 5-10V and 0.08–10mA regime. External emission intensities of up to 100 nW $\mu \text{m}^{2}$ were observed. Furthermore, using the same modeling, light emission was observed at nano-dimensioned regions emitting in the 750 - 850 nm emission region by placing high dopant impurity regions next to lowly doped high E fleld regions, and relaxing and scattering carriers in these zones. The 750 - 850 nm emissions may find application in both short haul and long haul integrated Si AMLEDs coupled to silicon nitride waveguide structures.

中文翻译:

在标准硅集成电路中发射 650 和 750-850 nm 波长的微米和纳米尺寸硅 LED

使用能带结构、可用载流子能量和动量传播对硅雪崩模式硅 LED 中的光学跃迁进行建模。根据之前的实验观察,假设可以通过结合使用高电场中载流子的激发和补偿的高掺杂杂质 p+n+ 环境中的激发载流子散射、650 和 650 度的光发射的组合来增强这些波长的发射。可以激发 750-850 nm 波长的发射机制。随后使用 0.35 微米 RF 双极制造工艺设计并实现了许多 p+np+ 器件,该工艺提供对载流子能量和载流子平衡的控制。使用光纤透镜探针分光光度计和高分辨率光学显微镜分析器件的光发射特性。获得明确的证据表明,使用这些技术可以在纳米尺寸的发射点中增强 650 nm 的发射。这些器件在 5-10V 和 0.08-10mA 范围内运行。观察到高达 100 nW $\mu \text{m}^{2}$ 的外部发射强度。此外,使用相同的模型,通过在低掺杂高 E 区域旁边放置高掺杂杂质区域,并在这些区域中弛豫和散射载流子,在 750-850 nm 发射区域中发射的纳米尺寸区域观察到光发射。750 - 850 nm 发射可以应用于与氮化硅波导结构耦合的短距离和长距离集成 Si AMLED。获得明确的证据表明,使用这些技术可以在纳米尺寸的发射点中增强 650 nm 的发射。这些器件在 5-10V 和 0.08-10mA 范围内运行。观察到高达 100 nW $\mu \text{m}^{2}$ 的外部发射强度。此外,使用相同的模型,通过在低掺杂高 E 区域旁边放置高掺杂杂质区域,并在这些区域中弛豫和散射载流子,在 750-850 nm 发射区域中发射的纳米尺寸区域观察到光发射。750 - 850 nm 发射可以应用于与氮化硅波导结构耦合的短距离和长距离集成 Si AMLED。获得明确的证据表明,使用这些技术可以在纳米尺寸的发射点中增强 650 nm 的发射。这些器件在 5-10V 和 0.08-10mA 范围内运行。观察到高达 100 nW $\mu \text{m}^{2}$ 的外部发射强度。此外,使用相同的模型,通过在低掺杂高 E 区域旁边放置高掺杂杂质区域,并在这些区域中松弛和散射载流子,在 750 - 850 nm 发射区域中发射的纳米尺寸区域观察到光发射。750 - 850 nm 发射可以应用于与氮化硅波导结构耦合的短距离和长距离集成 Si AMLED。08-10mA 状态。观察到高达 100 nW $\mu \text{m}^{2}$ 的外部发射强度。此外,使用相同的模型,通过在低掺杂高 E 区域旁边放置高掺杂杂质区域,并在这些区域中松弛和散射载流子,在 750 - 850 nm 发射区域中发射的纳米尺寸区域观察到光发射。750 - 850 nm 发射可以应用于与氮化硅波导结构耦合的短距离和长距离集成 Si AMLED。08-10mA 状态。观察到高达 100 nW $\mu \text{m}^{2}$ 的外部发射强度。此外,使用相同的模型,通过在低掺杂高 E 区域旁边放置高掺杂杂质区域,并在这些区域中松弛和散射载流子,在 750 - 850 nm 发射区域中发射的纳米尺寸区域观察到光发射。750 - 850 nm 发射可以应用于与氮化硅波导结构耦合的短距离和长距离集成 Si AMLED。以及在这些区域中松弛和散射的载流子。750 - 850 nm 发射可以应用于与氮化硅波导结构耦合的短距离和长距离集成 Si AMLED。以及在这些区域中松弛和散射的载体。750 - 850 nm 发射可以应用于与氮化硅波导结构耦合的短距离和长距离集成 Si AMLED。
更新日期:2020-08-01
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