DE102004042997B4

DE102004042997B4 - Silizium-basierter Lichtemitter

Info

Publication number: DE102004042997B4
Application number: DE102004042997A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Kittler; Armin Dr. Fischer; Tzanimir Arguirov; Winfried Dr. Seifert
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: DE102004042997A1

Abstract

Licht emittierende Halbleiterdiode mit einer ersten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer angrenzenden zweiten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und mit einer dritten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps,
bei der die Lichtemission unter Betriebsspannung durch eine Band-Band-Rekombination freier Ladungsträger hervorgerufen wird,
bei der die zweite Halbleiterschicht eine geringe Defektdichte aufweist, derart, dass die Zeitkonstante nichtstrahlender Shockley-Read-Hall-Rekombination 10 Mikrosekunden oder mehr als 10 Mikrosekunden beträgt,
bei der die zweite und die dritte Halbleiterschicht Konzentrationsprofile von Leitfähigkeitsdotanden aufweisen, die einen unsymmetrischen pn-Übergang zwischen der zweiten und dritten Halbleiterschicht entstehen lassen, derart, dass unter einer in Flussrichtung der Diode angelegten Betriebsspannung eine stärkere Injektion von Minoritätsladungsträgern von der dritten in die zweite Halbleiterschicht stattfindet als in umgekehrter Richtung,
und bei der entweder die Konzentrationsprofile des Leitfähigkeitsdotanden in der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder die Materialzusammensetzungen der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder eine Kombination dieser vier Parameter...

Description

Die Erfindung betrifft eine Licht emittierende Halbleiterdiode auf Siliziumbasis und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Licht emittierenden Halbleiterdiode.
Die Entwicklung der Halbleitertechnologie weist in Richtung höherer Integrationsdichte integrierter Schaltungen und schnellerer Signalverarbeitung. Zukünftige integrierte Schaltungen werden voraussichtlich daher nicht mehr allein auf elektronischer Signalerzeugung und Signalverarbeitung beruhen, sondern zunehmend optische und optoelektronische Bauelemente integrieren, um eine weitere Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erzielen. Für die optische Signalverarbeitung sind infrarote Spektralbereiche prädestiniert.

Basismaterial der Halbleitertechnologie ist Silizium. Bekannte, effiziente Leucht- und Laserdioden im infraroten Spektralbereich sind jedoch nicht aus Silizium, sondern insbesondere aus III-V-Halbleitern wie Galliumarsenid, Indiumarsenid oder Indiumgalliumarsenid hergestellt. Diese sind jedoch nur in Form aufwändiger Hybridverfahren in die siliziumbasierte Halbleitertechnologie integrierbar. Solchen Verfahren werden jedoch keine Anwendungschancen eingeräumt.

Der für die Lichtemission verantwortliche Prozess ist die strahlende Rekombination von Elektronen und Löchern bei Stromfluss durch eine in Flussrichtung gepolte Diode, also die Vernichtung eines Elektron-Loch-Paares unter Emission eines Photons. Handelt es sich um freie Elektron-Loch-Paare, wird dieser Prozess auch als strahlende Band-Band-Rekombination bezeichnet. Bei Leucht- und Laserdioden nach dem Stand der Technik werden häufig Halbleiter-Heterostrukturen verwendet, also Schichtstrukturen von Halbleitermaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung. Durch eine Einschränkung der Ladungsträgerbeweglichkeit auf einen Punkt, eine Linie oder eine Ebene kann eine Erhöhung der Effizienz der Lichterzeugung bewirkt werden. Diese Einschränkung erfordert bei Heterostrukturen Strukturmaße im Nanometerbereich und wird als Quantum-Confinement bezeichnet, weil sie die Ladungsträgerbewegung in einer, zwei oder drei Richtungen auf diskrete, quantisierte Energiezustände beschränkt.

Silizium ist lange Zeit nicht als geeignetes Basismaterial für Lichtemitter angesehen worden, weil Silizium im Gegensatz zu beispielsweise Galliumarsenid und vielen anderen Halbleitermaterialien ein so genannter indirekter Halbleiter ist. Bei indirekten Halbleitern liegen das Energieminimum der Leitungsbandzustände, entsprechend der minimalen Energie freier Elektronen, und das Energiemaximum der Valenzbandzustände, entsprechend der minimalen Energie freier Löcher, als Funktion des Ladungsträgerimpulses betrachtet nicht bei demselben Impulswert. Da ein Photon bekanntlich praktisch impulsfrei ist, muss die Impulserhaltung bei der strahlenden Rekombination von freien Elektron-Loch-Paaren im Silizium durch eine Wechselwirkung der Ladungsträger mit dem Kristallgitter gewährleistet werden, nämlich durch die Erzeugung von impulsbehafteten Gitterwellen in Form eines oder mehrerer Phononen. Die Vernichtung eines freien Elektron-Lochpaares unter Lichtemission erfordert im Silizium also die Erzeugung eines Phonons zusätzlich zum erwünschten Photon. Ein solcher Prozess hat eine geringere Wahrscheinlichkeit als die unmittelbare Erzeugung allein eines Photons, wie sie in so genannten direkten Halbleitern wie Galliumarsenid erfolgt, bei denen die Energieminima von Elektronen und Löchern auf denselben Impulswert fallen.

Strahlende Rekombinationsprozesse freier Ladungsträger sind im Silizium im Vergleich mit direkten Halbleitern demnach tendenziell weniger wahrscheinlich. Dies eröffnet konkurrierenden strahlungslosen Rekombinationsprozessen freier Ladungsträger die Möglichkeit, eine vergleichsweise dominante Rolle bei der Rekombination zu spielen. Strahlungslose Rekombinationsprozesse freier Ladungsträger sind die Auger-Rekombination, die allerdings erst bei hohen Ladungsträgerkonzentrationen zum Tragen kommt, und die Shockley-Read-Hall-Rekombination, nachfolgend auch kurz als SRH-Rekombination bezeichnet. Bei der Auger-Rekombination wird die bei der Rekombination von Elektron und Loch frei werdende Energie auf einen dritten Ladungsträger übertragen. Bei der Shockley-Read-Hall-Rekombination findet die Rekombination in einem kaskadenartigen Prozess über so genannte tiefe Energieniveaus von Störstellen in der Bandlücke unter Erzeugung einer größeren Anzahl von Phononen statt. Nichtstrahlende Rekombinationsprozesse werden also durch die Gegenwart von Störstellen, insbesondere in Form so genannter Punktdefekte gefördert. Ein Punktdefekt ist beispielsweise eine Fehlstelle im Gitter oder ein in das Gitter eingebautes fremdes Atom wie ein Übergangsmetallatom.

In jüngerer Zeit sind jedoch verschiedene Arbeiten bekannt geworden, die eine vergleichsweise effiziente Lichtemission von Silizium zum Gegenstand haben. Dabei wird die erhöhte Wahrscheinlichkeit einer strahlenden Rekombination an Versetzungen oder Störstellen gebundener Elektron-Loch-Paare ausgenutzt. Aus der Veröffentlichung Wai Lek Ng et al. „An efficient room-temperature siliconbased light-emitting diode", Nature, Vol. 410, 2001, Seiten 192–194 ist eine Leuchtdiode bekannt, bei der in einem n-dotierten Siliziumsubstrat stark p-dotierte Bereiche implantiert sind. Als Dotierstoff wird Bor mit einer Dosis von 1 × 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von 30 keV verwendet. Die Borimplantation dient zum einen der p-Dotierung zur Erzeugung eines pn-Übergangs und zum anderen der gezielten Schädigung der Kristallstruktur zur Erzeugung von Bereichen mit Versetzungsschleifen (dislocation loop arrays). Diese Bereiche mit Versetzungsschleifen sollen Kristallgebiete mit mechanischer Verspannung des Siliziumgitters erzeugen, welche für eine lokale Veränderung der Bandlücke des Siliziums sorgen. Auf diese Weise können Potenzialstrukturen entstehen, die die Ladungsträgerbewegung auf die Bereiche der Versetzungsschleifen beschränken. Eine Diffusion von Ladungsträgern zu Punktdefekten wird so verringert, wodurch die Wahrscheinlichkeit nichtstrahlender Rekombinationsprozesse an Punktdefekten sinkt. Die Elektrolumineszenz des Bauelements von Ng et al. zeigt einen sublinearen Anstieg der integrierten Lumineszenzintensität im Temperaturbereich zwischen 80 und 300 K.

Aus der Veröffentlichung V. Kveder et al. „Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence", Applied Physics Letters, Volume 84, Number 12, 2004, sind Silizium-Leuchtdioden bekannt, bei denen in einem p- oder n-Typ-Substrat Versetzungen gezielt durch eine plastische Deformation des Substrats erzeugt werden. Die Konzentration von Punktdefekten, wie etwa Verunreinigungen durch Übergangsmetalle, wird durch eine Getterung mit Aluminium verringert. Weiterhin wird eine Wasserstoff-Passivierung vorgenommen. Mit diesen Maßnahmen wird eine geschätzte externe Quanteneffizienz von 0,1 %–0,2 % bei 300 K erzielt. Die Elektrolumineszenz bei Raumtemperatur rührt von einer als D1 bezeichneten Lumineszenzlinie her, die einer Rekombination von an bisher unbekannten Störstellen gebundenen Ladungsträgern zugeordnet wird. Die Störstellen stehen in Verbindung mit Versetzungen. Ihre Intensität nimmt mit steigender Temperatur im Bereich zwischen 50 und 300 K ab.

Aus der Veröffentlichung Martin A. Green et al. „Efficient silicon light-emitting diodes", Nature, Vol. 412, 2001, Seiten 805–808, ist eine Leuchtdiode bekannt, bei der die bei Raumtemperatur dominierende Elektrolumineszenz auf phononenassistierter Band-Band-Rekombination beruht. Zur Erhöhung der Effizienz wird vorgeschlagen, im Oberflächenbereich der Diode ein Gitter pyramidenartiger Strukturen anzuordnen, um Verluste der Lichtemission infolge einer parasitären internen Absorption durch freie Ladungsträger oder an Metallkontakten zu verringern. Zur weiteren Erhöhung der Effizienz der Leuchtdiode wird vorgeschlagen, die Dicke der Diode zu erhöhen, die Konzentration freier Ladungsträger zu reduzieren oder zusätzliche Emissionsflächen vorzusehen.

Nachteil dieser Lösung ist ein hoher Verfahrensaufwand zur Herstellung der strukturierten Oberfläche. Dies erschwert die Integration in die bekannte Silizium-Technologie, insbesondere im Hinblick auf die stetig fortschreitende Verkleinerung der Bauelementstrukturen.

Aus dem Dokument US 2003/0205710 A1 ist eine auf Silizium basierende lichtemittierende Halbleiterdiode bekannt. Zur Herstellung wird ein Float-Zone-Substrat (FZ-Substrat) verwendet.

Aus dem Dokument US 5,343,070 ist eine PIN-Diode auf Siliziumbasis bekannt, bei der eine Reduktion der Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombination durch eine bestimmte Form der aktiven Schicht und das Dotieren von Seitenwänden erreicht wird.

Aus dem Dokument US 4,884,112 ist es bekannt, Leuchtdioden auf Siliziumbasis und Wellenleiter in einem Bauelement aus Silizium zu integrieren.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, eine effiziente siliziumbasierte Licht emittierende Diode anzugeben, die mit der bekannten Siliziumtechnologie kompatibel ist und die die Band-Band-Rekombination freier Ladungsträger zur Lichtemission nutzt.

Das technische Problem wird gelöst durch eine Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer siliziumbasierten Licht emittierenden Halbleiterdiode nach Anspruch 29.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine für den Einsatz in kommerziellen Bauelementen geeignete Licht emittierende Halbleiterdiode auf Siliziumbasis unter Nutzung der Band-Band-Rekombination nicht die auf Doppel-Heterostrukturen basierenden bekannten Konzepte für herkömmliche Leucht- oder Laserdiodenstrukturen auf der Basis direkter Halbleiter nutzen kann, sondern eine neuartige Struktur erfordert.

Dem liegt die nachfolgend wiedergegebene Analyse der die strahlende Band-Band-Rekombination in Silizium beeinflussenden Faktoren zu Grunde.

Die Raten der verschiedenen Rekombinationsmechanismen freier Ladungsträger, nämlich der SRH-Rekombination, der Auger-Rekombination und der strahlenden Band-Band-Rekombination hängen auf unterschiedliche Weise von der Überschuss-Ladungsträgerkonzentration Δn ab. Für die Rate der SRH-Rekombination gilt RSRH = Δn * 1/τSRH

Dabei bezeichnet τ_SRH die Zeitkonstante der SRH-Rekombination. Die SRH-Zeitkonstante τ_SRH ist umgekehrt proportional zur Konzentration tiefer Störstellen.

Für die strahlende Rekombinationsrate der Band-Band-Rekombination R_BB gilt RBB ∼ Δn2 * B

Für die Rate R_Auger der Auger-Rekomination gilt RAuger ∼ Δn3 * C

Dabei bezeichnet B den Koeffizienten strahlender Rekombination für die Band-Band-Rekombination und C den (näherungsweise für Elektronen und Löcher als identisch angenommenen) Koeffizienten der Auger-Rekombination. Der Wert von B ist im Silizium geringer als in direkten Halbleitern.

Da es sich bei den Koeffizienten B und C um vorgegebene, materialabhängige Konstanten handelt, sind zwei Faktoren für eine hohe Effizienz strahlender Rekombination im Silizium entscheidend. Ein erster Faktor ist ein hoher Wert der SRH-Zeitkonstanten τ_SRH. Wesentlich für eine effiziente strahlende Band-Band-Rekombination von Elektronen und Löchern in siliziumbasiertem Material ist also die Verwendung besonders perfekten, defektarmen Materials. Es ist eine wesentliche der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis, dass dies für eine Siliziumbasierte Struktur von ganz wesentlicher Bedeutung ist, viel mehr als für Strukturen auf der Basis direkter Halbleiter. Denn wie erläutert hat der Koeffizient der strahlenden Rekombination B im Silizium einen vergleichsweise geringen Wert, und können nichtstrahlende Konkurrenzprozesse daher leicht Überhand nehmen. Ein zweiter Faktor, der förderlich ist für eine hohe Effizienz strahlender Rekombination im Silizium, ist nach den oben stehenden Formeln eine hohe Überschuss-Ladungsträgerkonzentration von Löchern und Elektronen.

Problematisch ist, dass eine hohe Überschussladungsträgerkonzentration eine hohe Dotierstoffkonzentration erfordert, diese jedoch eine große Anzahl Punktde fekte mit sich bringt, die wiederum die Materialqualität verschlechtern und die SRH-Rekombinationsrate erhöhen.

Die erfindungsgemäße Lösung nutzt zur Lösung dieses Konfliktes die Idee, die strahlende Band-Band-Rekombination in einer besonders defektarmen Schicht stattfinden zu lassen, die zur Wahrung der Defektarmut selbst keine hohe Leitfähigkeitsdotierung, jedoch unter Betriebsspannung eine hohe Überschussladungsträgerkonzentration aufweist. Die Betriebsspannung ist eine Spannung, die die Diode in Flussrichtung polt und größer als die Diffusionsspannung ist. Die Diffusionsspannung entspricht der sich im Gleichgewichtszustand (also ohne externe Spannung) am pn-Übergang einstellenden Potenzialbarriere.

Durch die Verwendung defektarmen Materials kann im Silizium eine besonders hohe Ladungsträgerlebensdauer erzielt werden, weil nichtstrahlende Rekombinationsprozesse aufgrund der SRH-Rekombination in ihrer Wahrscheinlichkeit stark verringert sind. Dies entspricht einer langen Zeitkonstante τ_SRH, die erfindungsgemäß mindestens 10 μs beträgt. Bevorzugt sind Werte der Zeitkonstante τ_SRH im Bereich von 30 μs, 100 μs oder sogar 1 ms. In der Halbleiterdiode gemäß Anspruch 1 ist diese besonders defektarme Schicht die zweite Halbleiterschicht. Mit einer im Hinblick auf die vorliegende Erfindung äquivalenten Definition des Grades der Defektarmut ist zu fordern, dass in der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode bei Raumtemperatur (ungefähr 300 K) unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode in der zweiten Halbleiterschicht die Elektrolumineszenz der phononenassistierten Band-Band-Rekombination von Elektronen und Löchern eine höhere Gesamtintensität hat als andere Lichtemissionen.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht zur Realisierung der genannten Idee, insbesondere zur Bereitstellung einer hohen Überschussladungsträgerkonzentration in der zweiten Halbleiterschicht im Betriebszustand weiterhin folgende Struktur vor: Die Licht emittierende Halbleiterdiode hat eine erste siliziumhaltige oder Silizium-Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, angrenzend daran die zweite siliziumhaltige oder Silizium-Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, sowie eine dritte siliziumhaltige oder Silizium-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähig keitstyps. Die erste und zweite Halbleiterschicht haben also den selben Leitfähigkeitstyp, während die dritte Halbleiterschicht den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat. Als Leitfähigkeitstypen werden hier die p-Leitfähigkeit und die n-Leitfähigkeit verstanden.

Eine hohe Überschuss-Ladungsträgerkonzentration wird im Betriebszustand in der zweiten Halbleiterschicht erfindungsgemäß mit Hilfe eines unsymmetrischen pn-Übergangs zwischen der zweiten und dritten Halbleiterschicht realisiert. Ein unsymmetrischer pn-Übergang entsteht durch deutlich unterschiedlich hohe Konzentrationen der Leitfähigkeitsdotanden in der zweiten und dritten Halbleiterschicht, und zwar erfindungsgemäß einer deutlich höheren Konzentration von Leitfähigkeitsdotanden in der dritten Schicht im Vergleich zur zweiten Schicht. Auf diese Weise wird im Betrieb der Halbleiterdiode eine hohe Anzahl Minoritätsladungsträger in die zweite Halbleiterschicht injiziert. Dies hat wegen der erforderlichen Ladungsträgerneutralität zur Folge, dass auch die Anzahl der Majoritätsladungsträger in der zweiten Halbleiterschicht im Bereich des pn-Übergangs gegenüber dem Wert der Gleichgewichtskonzentration erhöht wird. Es entsteht also eine hohe Überschussladungsträgerkonzentration von Elektronen und Löchern. Die zweite Halbleiterschicht kann durch die erfindungsgemäße Lösung effizient Licht abstrahlen.

Die Begriffe Minoritätsladungsträger und Majoritätsladungsträger werden stets im Hinblick auf die jeweilige Schicht und ihren Leitfähigkeitstyp verwendet. Da die zweite und dritte Halbleiterschicht einen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp haben, sind die Minoritätsladungsträger der zweiten Halbleiterschicht in der dritten Halbleiterschicht Majoritätsladungsträger, und umgekehrt.

Alle drei Halbleiterschichten können entweder siliziumhaltig sein oder aus Silizium bestehen. Dabei ist unter einer siliziumhaltigen Halbleiterschicht eine Halbleiterlegierung zu verstehen, die Silizium als Legierungsbestandteil enthält, wie beispielsweise Silizium-Germanium. Eine Silizium-Halbleiterschicht enthält dagegen allein Silizium und einen oder mehrere Dotierstoffe in einer Konzentration, deren Betrag der Fachmann je nach Funktion der jeweiligen Schicht wählt.

Ein weiteres wesentliches Strukturelement der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode ist, dass entweder die Konzentrationsprofile des Leitfähigkeitsdotanden in der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder die Materialzusammensetzung der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder eine Kombination dieser vier Parameter so gewählt sind, dass unter Betriebsspannung im Grenzbereich der ersten und zweiten Halbleiterschicht eine Potentialbarriere gebildet ist, welche eine Bewegung von Minoritätsladungsträgern von der zweiten in die erste Halbleiterschicht erschwert oder verhindert. Auf diese Weise wird verhindert, dass Minoritätsladungsträger die defektarme zweite Halbleiterschicht in Richtung der ersten Halbleiterschicht verlassen, in der eine nichtstrahlende Rekombination deutlich wahrscheinlicher ist. Diese Maßnahme dient im Zusammenwirken mit dem unsymmetrischen pn-Übergang und der Defektarmut ebenfalls der Erhöhung der Emissionseffizienz in der zweiten Halbleiterschicht.

Eine Potentialbarriere kann entweder durch eine geeignete Wahl der Konzentrationsprofile der Leitfähigkeitsdotanden erzielt werden. Beispielsweise kann die erste Halbleiterschicht eine höhere Dotierstoffkonzentration als die zweite aufweisen. Im Falle der n-Dotierung beider Schichten liegt dann das Ferminiveau in der ersten Halbleiterschicht näher am Leitungsbandminimum als in der zweiten Halbleiterschicht. Im Fall der p-Dotierung liegt das Ferminiveau in der ersten Halbleiterschicht näher am Valenzbandmaximum als in der zweiten Halbleiterschicht. Dies erzeugt im Gleichgewichtsfall wie unter Betriebsbedingungen ein Profil der Bandlücke im Übergang von der zweiten zur ersten Halbleiterschicht, das für die jeweiligen Minoritätsladungsträger eine Barriere bildet. Eine solche Struktur wird als Hoch-Tief-Übergang bezeichnet.

Mit der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Halbleiterdiode gelingt der von der Fachwelt lange Zeit für unmöglich gehaltene Durchbruch zu einem effizienten, Silizium-basierten Lichtemitter, der in die hoch entwickelte Siliziumtechnologie integrierbar ist. Er nutzt hierzu nicht die von der Fachwelt favorisierten Lösungen, die auf Lichtemission unter Ausnutzung quantenmechanischer Lokalisierungseffekte der Ladungsträger, sei es an Defekten oder sei es in Heterostrukturen setzen. Vielmehr wird die für die technische Umsetzung in Licht emittieren den Halbleiterdioden auf Silizium-Basis bislang für völlig uninteressant, weil als ineffizient erachtete Band-Band-Rekombination des Siliziumkristalls genutzt.

Die Licht emittierende Halbleiterdiode kann als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgebildet sein. Zur Herstellung einer Laserdiode bedarf es im wesentlichen einer zusätzlichen Resonatorstruktur. Diese kann beispielsweise durch geeignete Spaltung der Endflächen hergestellt werden. Es ist wichtig, an dieser Stelle anzumerken, dass ist die in dieser Anmeldung verwendete Bezeichnung „Licht emittierende Halbleiterdiode" insofern nicht mit dem englischen Begriff „Light Emitting Diode" synonym ist, der lediglich eine Leuchtdiode, nicht jedoch eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode bezeichnet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Halbleiterschicht eine auf der ersten Halbleiterschicht epitaktisch abgeschiedene Halbleiterschicht. Mit Hilfe epitaktischer Herstellungsverfahren lassen sich Schichten mit gegenüber Siliziumwafern wesentlich geringerer Defektkonzentrationen erzielen. Die erste und zweite Halbleiterschicht können auch in Form eines sogenannten Epiwafers vorliegen. Ein Epiwafer ist ein Wafer mit einer vom Waferhersteller darauf abgeschiedenen epitaktischen Schicht. Letztere entspricht der zweiten Halbleiterschicht, der Wafer der ersten Halbleiterschicht.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Leitfähigkeitsdotand der dritten Halbleiterschicht und seine Konzentration in der dritten Halbleiterschicht so gewählt, dass zusätzlich eine Getterung (Segregation) eintritt. Im Falle der n-Dotierung der dritten Halbleiterschicht ist beispielsweise eine Phosphorgetterung vorteilhaft. Der Vorteil der Getterung ist, dass eine Segregation von Übergangsmetallen bei der Herstellung der Halbleiterdiode auftritt. Die Löslichkeit von Übergangsmetallen in eine hoch phosphor-dotierten Schicht ist bei höheren Temperaturen größer als in anderen Schichten der Struktur, insbesondere als in der zweiten Halbleiterschicht. Daher kann die Defektdichte in der zweiten Halbleiterschicht noch weiter verringert werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die zweite Halbleiterschicht nahe dem pn-Übergang Wasserstoff. Eine Wasserstoffpassivierung während der Herstellung bewirkt eine weitere Verbesserung der Schichtqualität.

Bevorzugt liegt die Konzentration von Leitfähigkeitsdotanden in der zweiten Halbleiterschicht zwischen 10¹³ cm^–3 und 10¹⁶ cm^–3.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der zweiten Halbleiterschicht zwischen der Halbleiterschicht und der dritten Halbleiterschicht zwischen 1 und 5 μm. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer Dicke der zweiten Halbleiterschicht von etwa 4 μm erzielt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die dritte Halbleiterschicht eine Dicke von entweder 25 % oder von weniger als 25 % der Dicke der zweiten Halbleiterschicht. Eine vergleichsweise geringe Schichtdicke der dritten Halbleiterschicht hat sich mit Blick auf das für die Erzielung einer möglichst hohen Quanteneffizienz der Lichtemission geeignetste Profil der Konzentration des Leitfähigkeitsdotanden in der dritten Halbleiterschicht als vorteilhaft erwiesen.

Ein Nebenaspekt ist, dass die dritte Halbleiterschicht im Bereich des pn-Übergangs erzeugtes Licht vor dem Austritt aus der Diode reabsorbieren kann. Mit einer relativ geringen Schichtdicke der dritten Halbleiterschicht, die einem oberflächennahen pn-Übergang entspricht, wird daher die Reabsorption des Lichts in der dritten Halbleiterschicht verringert. Auf diese Weise kann die externe Quanteneffizienz der Lichtemission erhöht werden.

Zur Erläuterung: die externe Quanteneffizienz ist im Idealfall gleich der internen Quanteneffizienz. Die interne Quanteneffizienz ist das Verhältnis der strahlenden Rekombinationsrate R_BB zur gesamten Rekombinationsrate: ηi = RBB/(RSRH + RBB + RAuger)

Dagegen ist bei einer realen, Licht emittierenden Halbleiterdiode die externe Quanteneffizienz ein Bruchteil der internen Quanteneffizienz, dessen Wert Lichtverluste zwischen der Lichterzeugung und der Auskopplung aus der Halbleiterdiode wiederspiegelt. Ein wesentlicher Faktor ist hier die Totalreflexion des erzeugten Lichts an der Lichtaustrittsfläche, also der Grenzfläche von Kristall und Luft. Ein typischer Wert des Verhältnisses zwischen externer und interner Quanteneffizienz ist 0,0013. Zur Erhöhung der externen Quanteneffizienz können an den Lichtaustrittsflächen Antireflex-Beschichtungen vorgesehen werden, beispielsweise aus Siliziumnitrid SiN. Selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien Verwendung finden.

Vorzugsweise hat die dritte Halbleiterschicht eine Dicke von 1 μm oder von weniger als 1 μm. Mit Blick auf eine minimal erforderlicher Schichtdicke der dritten Halbleiterschicht ist zu berücksichtigen, dass diese die Funktion einer Emitterschicht hat und daher im Betrieb eine zur Erzielung der gewünschten Lichtintensität ausreichend hohe Ladungsträgerinjektion in die zweite Halbleiterschicht ermöglichen soll.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Halbleiterdiode weisen die zweite und die dritte Halbleiterschicht jeweils ein Konzentrationsprofil von Leitfähigkeitsdotanden auf, welches dadurch charakterisiert ist, dass unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode die Ladungsträgerdichte von sowohl Majoritätsladungsträgern als auch Minoritätsladungsträgern in einem Bereich der zweiten Halbleiterschicht nahe der dritten Halbleiterschicht größer ist als die Gleichgewichtsladungsträgerdichte der Majoritätsladungsträger der zweiten Halbleiterschicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die zweite und dritte Halbleiterschicht stark unterschiedliche Konzentrationsprofile von Leitfähigkeitsdotanden auf. Die dritte Halbleiterschicht ist entweder am unsymmetrischen pn-Übergang oder homogen typischerweise um einige Größenordnungen stärker dotiert als die zweite Halbleiterschicht. Unter Betriebsspannung, die die Diode bekanntlich in Durchflussrichtung polt, steigt die Anzahl der Minoritätsladungsträger in der zweiten Halbleiterschicht nahe dem pn-Übergang daher durch eine starke Injektion aus der dritten Halbleiterschicht. Zur Wahrung der Ladungs neutralität entsteht nahe dem pn-Übergang in der zweiten Halbleiterschicht auch eine erhöhte Konzentration von Majoritätsladungsträgern. Dies ermöglicht eine erhöhte strahlende Rekombination und erhöht damit die interne Quanteneffizienz der Halbleiterdiode.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die erste, die zweite und die dritte Halbleiterschicht jeweils ein Konzentrationsprofil von Leitfähigkeitsdotanden auf der Art, dass unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode die Ladungsträgerdichte von sowohl Majoritätsladungsträgern als auch Minoritätsladungsträgern in einem Bereich der zweiten Halbleiterschicht nahe der dritten Halbleiterschicht um einen Faktor zwischen 10 und 100 größer ist als die Gleichgewichtsladungsträgerdichte der Majoritätsladungsträger in der zweiten Halbleiterschicht.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dritte Halbleiterschicht Leitfähigkeitsdotanden in einer Konzentration von 10¹⁹ cm^–3 oder von mehr als 10¹⁹ cm^–3 auf.

Bevorzugt weist die dritte Halbleiterschicht ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung auf, das durch Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2, beispielsweise zwischen 1 × 10¹⁵ cm^–2 und 5 × 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 100 und 500 keV entsteht.

Die an sich bekannte Verwendung einer Streuoxid-Schicht während der Implantation verhindert in vorteilhafter Weise eine ungleichmäßige Eindringtiefe der Dotanden und optimiert daher das Dotierungsprofil.

Der Wert der optimalen Implantationsenergie hängt vom verwendeten Leitfähigkeitsdotanden ab. Bekanntlich muss für schwerere Ionen eine höhere Energie aufgewendet werden, um dieselbe Eindringtiefe zu erzielen.

Bei einer n-dotierten dritten Halbleiterschicht hat sich als besonders bevorzugt ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung in der dritten Halbleiterschicht erwiesen, das durch Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 4 × 10¹² cm^–2 und 4 × 10¹⁴ cm^–2 bei einer Implantationsenergie 80 und 500 keV durch eine 15 nm dicke Streuoxidschicht entsteht. Zur n-Dotierung wird dabei in einem Ausführungsbeispiel Phosphor verwendet, wobei für dieses Element die optimale Implantationsenergie zwischen 80 und 130 keV liegt.

Die Verwendung anderer Leitfähigkeitsdotanden zur n-Dotierung, beispielsweise Antimon erfordert die Einstellung einer entsprechenden, diesem Dotanden zugeordneten optimalen Implantationsenergie. Das höhere Atomgewicht von Antimon erfordert zur Erzielung einer mit Phosphor vergleichbaren Eindringtiefe eine höhere Implantationsenergie.

Es wurde eine Tendenz festgestellt, dass die Überschussladungsträgerdichte in der zweiten Halbleiterschicht mit relativ hohen Werten der Implantationsdosis und gleichzeitig relativ niedrigen Werten der Implantationsenergie besonders hoch eingestellt werden kann. Tendenziell erzielen also Kombinationen niedriger Implantationsenergien mit hohen Implantationsdosen Dotierungsprofile, welche mit besonders guten Werten der Quanteneffizienz einhergehen. Die besten Ergebnisse wurden bislang erzielt, wenn die dritte Halbleiterschicht ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung aufweist, das durch Implantation einer Phosphor-Dosis von entweder 1 × 10¹⁵ cm^–2 oder einigen × 10¹⁵ cm^–2, also etwa 1 bis 5 × 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von etwa 80 keV entsteht.

Im alternativen Falle einer Licht emittierenden Halbleiterdiode, bei der die dritte Halbleiterschicht p-dotiert ist, hat diese in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung, das durch Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2, beispielsweise zwischen 1 × 10¹⁵ cm^–2 und 5 × 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 30 und 150 keV entsteht.

Zur p-Dotierung der dritten Halbleiterschicht wird vorzugsweise Bor verwendet. Die geeignetsten Implantationsenergien liegen bei Verwendung von Bor im Bereich von 30 bis 50 keV.

Die Verwendung anderer Leitfähigkeitsdotanden zur p-Dotierung, beispielsweise Gallium, erfordert die Einstellung einer entsprechenden, diesem Dotanden zugeordneten optimalen Implantationsenergie zur Erzielung eines geeigneten Konzentrationsprofils. Das höhere Atomgewicht von Gallium erfordert zur Erzielung einer mit Bor vergleichbaren Eindringtiefe eine höhere Implantationsenergie.

Auch hier wurde eine Tendenz beobachtet, dass im Bereich der genannten Grenzwerte die Überschussladungsträgerdichte in der zweiten Halbleiterschicht mit relativ hohen Werten der Implantationsdosis und gleichzeitig relativ niedrigen Werten der Implantationsenergie besonders hoch eingestellt werden kann. Tendenziell erzielen also Kombinationen niedriger Implantationsenergien mit hohen Implantationsdosen Dotierungsprofile, welche mit besonders guten Werten der Quanteneffizienz einhergehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die dritte Halbleiterschicht daher ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung, das durch Implantation einer Bor-Dosis von das durch Implantation einer Bor-Dosis von zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von 30 bis 50 keV entsteht.

Besonders hohe Überschussladungsträgerkonzentrationen weisen erfindungsgemäße Halbleiterdioden mit einem Dotierungsprofil in der dritten Halbleiterschicht auf, das durch eine nach der Implantation erfolgende 10- bis 30-minütige Ofen-Wärmebehandlung in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 900 und 1100 °C entsteht.

Die zweite Halbleiterschicht kann aus einer dotierten Silizium-Germanium-Legierung bestehen. Auch die dritte Halbleiterschicht besteht in diesem Fall vorzugsweise aus einer Silizium-Germanium-Legierung. Silizium-Germanium weist eine geringere Bandlücke auf als Silizium. Durch die Verwendung von Silizium-Germanium kann daher die Wellenlänge der Lichtemission vergrößert werden. Die für die optische Signalverarbeitung interessanten Spektralbereiche um 1,3 μm oder 1,5 μm können durch Verwendung von Silizium-Germanium in der zweiten Halbleiterschicht erreicht werden. Bei der Epitaxie der zweiten Halblei terschicht ist hier angesichts der durch Hinzufügung von Germanium erhöhten Gitterkonstante die erforderliche Defektarmut durch Wahl eines geeigneten Materials der ersten Halbleiterschicht herstellbar. Die erste Halbleiterschicht kann beispielsweise ebenfalls Silizium-Germanium mit gleicher oder ähnlicher Legierungszusammensetzung sein. Diese erste Halbleiterschicht sollte zumindest an ihrer Grenzfläche zur zweiten Halbleiterschicht einkristallin sein. Eine solche erste Halbleiterschicht kann beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase mit hoher Schichtdicke im Bereich einiger Mikrometer auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden. Dass eine defektarme Herstellung von Silizium-Germanium-Legierungen mit hohem Germaniumanteil technisch beherrschbar ist, zeigen Colace et al. in der Veröffentlichung „Efficient high speed near-infrared Ge photodetectors integrated on Si substrates", Applied Physics Letters, 76, 2000, 1231-1233. Danach gelingt sogar die heteroepitaktische Herstellung von defektarmen Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten für den hier interessanten Spektralbereich.

Zur Erzielung der Potenzialbarriere zwischen erster und zweiter Halbleiterschicht können zwei unterschiedliche Wege beschritten werden, die nachfolgend erläutert werden. In einer ersten Alternative hat die erfindungsgemäße Licht emittierende Halbleiterdiode eine erste Halbleiterschicht mit derselben Materialzusammensetzung wie die zweite Halbleiterschicht. Die erste Halbleiterschicht kann dabei wie schon erwähnt entweder in Form einer abgeschiedenen Schicht oder in Form eines Substrats oder Wafers oder eines Waferabschnittes vorliegen, beispielsweise eines nach dem Czochralski(CZ)-Verfahren oder eines nach dem Float-Zone (FZ)-Verfahren hergestellten Wafers. FZ-Wafer sind bekanntlich defektärmer. Eine weitere Alternative ist die schon erwähnte Verwendung eines Epiwafers, der also schon die erste und zweite Halbleiterschicht enthält. Hier muss nur die dritte Schicht unter geeigneten Implantationsbedingungen hergestellt werden.

Die Potenzialbarriere kann bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt werden, indem die zweite Halbleiterschicht schwächer dotiert ist als die erste Halbleiterschicht. Durch geeignete Wahl der beiderseitigen Dotierstoffkon zentrationen bildet sich dann im Grenzbereich zwischen der zweiten und der ersten Halbleiterschicht ein Hoch-Tief-Übergang, also eine Potenzialstruktur, die durch einen Übergang zwischen einer vergleichsweise stark dotierten ersten und einer vergleichsweise schwach dotierten zweiten Halbleiterschicht gleichen Leitfähigkeitstyps entsteht. Dabei bildet das ortsabhängige Profil der Energie des Leitungsbandminimums oder des Valenzbandmaximums als Funktion der Position im Übergang von der zweiten zur ersten Halbleiterschicht eine Potenzialbarriere für den Minoritätsladungsträgertransfer von der zweiten in die erste Halbleiterschicht.

In einer zweiten Alternative besteht die zweite Halbleiterschicht entweder aus dotiertem Silizium oder einer dotierten Silizium-Germanium-Legierung, und hat die erste Halbleiterschicht eine andere Materialzusammensetzung als die zweite Halbleiterschicht, derart, dass die zweite und erste Halbleiterschicht eine Heterostruktur mit einer Potenzialbarriere für den Minoritätsladungsträgertransfer von der zweiten in die erste Halbleiterschicht bilden. Die Silizium-Germanium-Legierung ist im Hinblick auf die Abhängigkeit der Bandlückenenergie und der Gitterkonstanten von der Legierungszusammensetzung mittlerweile gründlich erforscht. Geeignete Materialzusammensetzungen der ersten und zweiten Halbleiterschicht sind daher im Rahmen an sich bekannter Methoden des Bandgap-Engineerings und des Strain-Engineerings zu ermitteln.

Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement weist eine oder mehrere darin integrierte Licht emittierende Halbleiterdioden nach einem der oben erläuterten Ausführungsbeispiele auf. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass eine Lichtquelle für die optische Signalverarbeitung in das Bauelement selbst integriert ist und kein extern erzeugtes Licht eingekoppelt werden muss. Dies erleichtert die Herstellung des Bauelements, zumal bei der Lichteinkopplung von extern schon durch geringe Dejustierung hohe Lichtverluste auftreten können, die die Signalverarbeitung im Bauelement erschweren. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement vermeidet in anderen Worten die Verwendung einer so genannten externen Photonenbatterie und die mit der Kopplung diskreter Bauelemente verbundenen Nachteile. Das erfindungsgemäße Halblei terbauelement ist gegenüber solchen Anordnungen aus unterschiedlichen Bauelementen zum einen weniger aufwändig in der Herstellung, weil Verfahrensschritte zur Kopplung der einzelnen Module nicht erforderlich sind. Dadurch werden zugleich die Herstellungskosten gesenkt. Zum anderen erhöht die Integration die Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung. Dagegen können die Strukturen zur Lichterzeugung und Lichtleitung beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement monolithisch ausgebildet werden. Die gängige Siliziumtechnologie weist eine für diese Zwecke ausreichend hohe Präzision auf, so dass Einkopplungsverluste gering gehalten werden können.

Für die Informationsverarbeitung mit hoher Datenrate ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein der Licht emittierenden Halbleiterdiode optisch nachgeschalteter Lichtmodulator vorgesehen, der ausgebildet ist, die Lichtintensität des an seinem Eingang eingekoppelten, von der Licht emittierenden Halbleiterdiode emittierten Lichts an seinem Ausgang mit zeitlich modulierter Intensität abzugeben.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird das oben genannte technische Problem gelöst durch Verfahren zur Herstellung einer Silizium-basierten Licht emittierenden Halbleiterdiode, mit den Schritten:

a) Bereitstellen eines Silizium-Substrats, das eine erste einkristalline siliziumhaltige oder Silizium-Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps entweder selbst bildet oder an einer Oberfläche enthält,
b) Epitaktisches Abscheiden einer zweiten siliziumhaltigen Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps auf der ersten Halbleiterschicht
c) Implantieren eines Dotierstoffes in die zweite Halbleiterschicht zum Ausbilden einer dritten Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps,

wobei der Abscheideschritt und der Implantationsschritt so durchgeführt werden, dass in der zweiten und dritten Halbleiterschicht Konzentrationsprofile von Leit fähigkeitsdotanden entstehen, die einen unsymmetrischen pn-Übergang bilden, derart, dass unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode eine stärkere Injektion von Minoritätsladungsträgern von der dritten in die zweite Halbleiterschicht stattfindet als in umgekehrter Richtung, und wobei entweder die Materialzusammensetzungen der zweiten und dritten Halbleiterschicht oder die Konzentrationsprofile des Leitfähigkeitsdotanden in der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder eine Kombination dieser vier Parameter so eingestellt werden, dass im Grenzbereich der ersten und zweiten Halbleiterschicht unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode eine Potenzialbarriere gebildet wird, welche einen Transport von Minoritätsladungsträgern von der zweiten in die erste Schicht erschwert oder verhindert.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den Vorteilen der erfindungemäßen Licht emittierenden Diode.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird als erste Halbleiterschicht ein entweder nach einem Czochralski- oder nach einen Float-Zone-Verfahren hergestellter Siliziumwafer verwendet. Als erste Halbleiterschicht wird dabei bevorzugt ein leitfähigkeitsdotierter Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohmxcm verwendet.

Bei Verwendung eines Epiwafers ist typischerweise die Abscheidung der zweiten Halbleiterschicht schon beim Hersteller des Wafers erfolgt. Es kann also eine Unterbrechung des Herstellungsprozesses eintreten. Ein erfindungsgemäßes Zwischenprodukt wird daher durch einen Epiwafer mit einem Substrat und einer darauf epitaktisch abgeschiedenen zweiten Halbleiterschicht gebildet, die eine geringe Defektdichte aufweist, derart, dass die Zeitkonstante nichtstrahlender Shockley-Read-Hall-Rekombination in der zweiten Halbleiterschicht 10 Mikrosekunden oder mehr als 10 Mikrosekunden beträgt. Dadurch reduziert sich die ty pischerweise in einer anderen Fabrik erfolgende Fertigstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Fall auf den nachfolgenden Implantationsschritt.

Zur Herstellung der dritten Halbleiterschicht durch Implantation wird in einem Ausführungsbeispiel die zweite Halbleiterschicht vor dem Implantationsschritt mit einer Streuoxidschicht beschichtet. Die Wahl des Materials und seiner Schichtdicke erfolgt hier in Abhängigkeit vom gewünschten Dotierungsprofil und dem zu implantierenden Leitfähigkeitsdotanden.

Bevorzugte Verfahrensparameter bei der Implantation wurden bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Halbleiterdiode erläutert.

Die interne Quanteneffizienz der Lichtemission ist in einem Ausführungsbeispiel besonders hoch, bei dem auf den Implantationsschritt eine 10- bis 30-minütige erste Ofen-Wärmebehandlung (Ausheilungsbehandlung) in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 900 und 1100 °C folgt. Diese Wärmebehandlung dient der Ausheilung von Gitterschäden, aktiviert Dotanden und bewirkt eine kontrollierte Diffusion von Dotierstoffen. Die Ausheilung kann auch einer anderen Gasatmosphäre erfolgen.

Eine zusätzliche Verbesserung kann erzielt werden, wenn auf die erste Wärmebehandlung eine 20- bis 40-minütige zweite Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre (Wasserstoffpassivierung) bei einer Temperatur von zwischen 300 °C und 500 °C folgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, Messergebnissen und Simulationen unter Bezugnahme auf die anhängenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Silizium-Leuchtdiode,
2 ein schematisches Banddiagramm einer Leuchtdiode mit der Struktur des Ausführungsbeispiels der 1,
3 ein schematisches Banddiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Silizium-Leuchtdiode,
4 ein schematisches Banddiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels in Form einer Silizium-Germanium-Leuchtdiode mit einer Heterostruktur,
5 die Temperaturabhängigkeit der Lichtintensität der strahlenden Band-Band-Rekombination in einem Siliziumwafer nach dem Stand der Technik,
6 die Temperaturabhängigkeit der externen Quanteneffizienz der Elektrolumineszenz eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Silizium-Leuchtdiode,
7 einen Vergleich der maximalen internen Quanteneffizienzen der Raumtemperatur-Elektrolumineszenz verschiedener Bor-implantierter p⁺-n-Leuchtdioden nach entweder langsamer Ofenausheilung oder schneller thermischer Ausheilung (RTA),
8 einen Vergleich der maximalen internen Quanteneffizienz der Raumtemperatur-Elektrolumineszenz zweier Phosphor-implantierter n⁺-p-Leuchtdioden nach entweder langsamer Ofenausheilung oder schneller thermischer Ausheilung (RTA),
9 die Abhängigkeit der Überschussladungsträgerdichte von der Implantationsdosis einer Phosphorimplantation bei einer Flussspannung von 1,2 V,
10 die Abhängigkeit der internen Quanteneffizienz von der Überschussladungsträgerkonzentration für verschiedene Zeitkonstanten der SRH-Rekombination im Vergleich mit experimentell ermittelten Werten und
11 die Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte von Elektronen und Löchern von der Tiefenposition in einer n⁺-p-Lichtdiode mit einem p⁺-Substrat.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode 10. Die Leuchtdiode weist in einer durch einen Pfeil 12 angezeigten Tiefenrichtung x eine Schichtfolge einer Emitterschicht 14, einer Basisschicht 16 und eines Substrats 18 auf. Das Substrat entspricht der ersten Halbleiterschicht, die Basisschicht der zweiten Halbleiterschicht und die Emitterschicht 14 der dritten Halbleiterschicht des Anspruchs 1. Bei dem Substrat handelt es sich um einen herkömmlichen Siliziumwafer, der beispielsweise mit dem Czochralski-Verfahren hergestellt ist. Die Basisschicht ist eine ca. 4 μm dicke, epitaktisch abgeschiedene Siliziumschicht. Die Basisschicht ist durch chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) auf der (100)-orientierten Oberfläche des Siliziumsubstrats 18 abgeschieden. Substrat und Basisschicht sind n-dotiert. Sie weisen einen spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm x cm auf. Die Emitterschicht 14 und die Basisschicht 16 werden zunächst in einem einheitlichen Abscheideschritt erzeugt. Erst durch einen darauffolgenden Implantationsschritt wird die Emitterschicht 14 von der Basisschicht 16 unterscheidbar. Vor der Implantation wird zunächst wird zunächst eine 15 nm dicke Siliziumdioxidschicht auf der Emitterschicht 14 erzeugt, die im nachfolgenden Implantationsschritt die Funktion einer Streuschicht wahrnimmt. Diese Schicht ist in 1 nicht dargestellt.
Leuchtdioden mit der in 1 gezeigten Struktur können in verschiedenen Varianten hergestellt werden, von denen einige oben schon erläutert wurden. Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele anhand der 2 bis 11 erläutert.
2 zeigt ein Banddiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Leuchtdiode. Aufgetragen sind die Energie des Valenzbandmaximums E_V, die ungefähre Lage der Fermi-Energie E_F und die Energie E_C des Leitungsbandminimums als Funktion der Position x entsprechend der in 1 angezeigten Richtung.
Zur Fermi-Energie ist anzumerken, dass sie ihre angedeutete Lage in den Figuren nur eine grobe Orientierung bedeutet. Die Dotierungsangaben im Text geben dem Fachmann ein besseres Bild von den tatsächlichen Verhältnissen als das eingezeichnete Niveau der Fermi-Energie. Insbesondere erscheint das Fermi-Niveau in der zweiten Halbleiterschicht (Basisschicht) in allen Figuren zu weit in Richtung der Mitte der Bandlücke verschoben. Dies ist allein der Unzulänglichkeit der graphischen Darstellung geschuldet und hat keine Entsprechung in der tatsächlichen Bandstruktur der hier besprochenen Ausführungsbeispiele.
Vertikale Linien 20 und 22 zeigen die ungefähre Lage der Grenzfläche 20 zwischen der Emitterschicht 14 und der Basisschicht 16 sowie der Basisschicht 16 und dem Substrat 18 an, vergleiche 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 handelt es sich um eine n⁺-p-Leuchtdiode. Der n⁺-p-Übergang befindet sich im Umfeld der Grenzfläche 20 zwischen der Emitter- und der Basisschicht. Das schematische Banddiagramm der 2 entspricht in etwa den Verhältnissen, wie sie mit Hilfe einer Phosphorimplantation in die Basisschicht hergestellt werden. Auf diese Weise entsteht eine Phosphorkonzentration von etwa 10¹⁹ cm^–3 in der Emitterschicht. Die p-dotierte Basisschicht 16 hat eine Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration von etwa 10¹⁵ cm^–3. Zur p-Dotierung kann während der epitaktischen Abscheidung beispielsweise Bor verwendet werden. Die unterschiedliche Dotierung lässt in dem in 2 dargestellten Gleichgewichtsfall, also im Fall ohne extern angelegte Spannung am n⁺-p-Übergang 20 eine parallel verlaufende Stufe sowohl im Leitungs- als auch im Valenzband-Verlauf entstehen.
Das Substrat 18 ist stark p-dotiert und weist beispielsweise eine Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration im Bereich von 10¹⁸ cm^–3 bis 10¹⁹ cm^–3 auf. Auf diese Weise entsteht an der Grenzfläche 22 zwischen dem Substrat und der Basisschicht 16 ein Hoch-Tief-Übergang, der sich ebenfalls in einem stufenförmigen Verlauf von Valenz- und Leitungsband wiederspiegelt. Die an der Grenzfläche 22 bestehende Stufe im Leitungsbandverlauf bedeutet für Minoritätsladungsträger der Basisschicht 16 (Elektronen) eine Potentialbarriere, die den Übergang von Elektronen aus der Basisschicht in das Substrat erschwert. Dies gilt auch bei Anlegen einer Betriebsspannung in Durchflussrichtung des n⁺-p-Übergangs an der Grenzfläche 20. Im Betrieb der Leuchtdiode der 2 kann daher in der Basisschicht 16 eine höhere Elektronenkonzentration erzeugt werden als in einer Struktur, die keinen Hoch-Tief-Übergang an der Grenzfläche 22 aufweist und dementsprechend einen stufenlosen Verlauf von Valenz- und Leitungsband hat.
Aufgrund der stark unterschiedlichen Konzentrationen der Leitfähigkeitsdotanden in der Emitterschicht 14 und der Basisschicht 16 werden im Betrieb der Leuchtdiode der 2 Löcher in hoher Konzentration in die Basisschicht injiziert. Die hohe Überschusskonzentration beider Ladungsträgersorten in der Basisschicht im Betrieb ermöglicht eine hohe Rate strahlender Rekombination und damit eine hohe Leuchtintensität der Leuchtdiode. Der Schwerpunkt der Lichtemission liegt dabei im Bereich nahe dem n⁺-p-Übergang an der Grenzfläche 20.
3 zeigt als Alternative zum Ausführungsbeispiel der 2 eine Leuchtdiode, bei der an der Grenzfläche zwischen der Emitterschicht 14 und der Basisschicht 16 ein p⁺-n-Übergang gebildet ist. Die Darstellungsweise des Verlaufes der Bandkanten von Valenzband und Leitungsband folgt der in 2 gewählten Darstellungsart. Der in 3 kleinere Energieabstand zwischen der Oberkante des Valenzbandes und der Unterkante des Leitungsbandes ist ohne Bedeutung. Im Ausführungsbeispiel der 3 kann wie im Ausführungsbeispiel der 2 Silizium als Basismaterial der Leuchtdiode verwendet werden. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 ist die Emitterschicht hier stark p-dotiert. Eine p-Dotierung erfolgt mit Bor durch Implantation. Nach der Implantation folgt wie beim Ausführungsbeispiel der 2 eine Wärmebehandlung bei 1000 °C in Stickstoffatmosphäre über 20 Minuten und eine daran anschließende weitere Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre bei 400 °C über 30 Minuten. Die Dotierstoffkonzentration in der Emitterschicht 14 beträgt etwa 10¹⁹ cm^–3. In der Basisschicht 16, die mit Phosphor schwach n-dotiert ist, beträgt sie etwa 10¹⁴–10¹⁵ cm^–3. Die Phosphordotierung in der Basisschicht kann während des epitaktischen Abscheidens durch Hinzufügen eines phosphorhaltigen Reaktionsgases erzielt werden. Das Substrat 18 ist stark n-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹⁸–10¹⁹ cm^–3. Substrat und Epischichten 14 und 16 weisen einen spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm x cm auf.
Es wird angemerkt, dass sowohl im Ausführungsbeispiel der 2 als auch im Ausführungsbeispiel der 3 nach der zweiten Wärmebehandlung Kristalldefekte beobachtbar sind, die sich überwiegend im tiefen Bereich der maximalen Dotierstoffkonzentration der Emitterschicht nachweisen lassen. Es wurde beobachtet, dass die Defektdichte für größere Implantationsdosen höher ist.
Die Funktionsweise der Leuchtdiode der 3 entspricht der des Ausführungsbeispiels der 2. Jedoch bilden aufgrund der umgekehrten Dotierverhältnisse im vorliegenden Ausführungsbeispiel Löcher die Minoritätsladungsträger in der Basisschicht. Bei Polung des p⁺-n-Übergangs an der Grenzfläche 20 in Durchflussrichtung werden Löcher in hoher Konzentration aus der Emitterschicht in die Basisschicht injiziert. In der Nähe des p⁺-n-Übergangs 20 entsteht infolgedessen eine hohe Überschussladungsträgerkonzentration von sowohl Löchern als auch Elektronen. Aufgrund der besonders geringen Wahrscheinlichkeit nichtstrahlender Rekombinationsprozesse haben die Ladungsträger in der Basisschicht eine hohe Lebensdauer. Dies fördert die strahlende Rekombination, welche in der Struktur der 3 daher besonders ausgeprägt ist. Der Abfluss von Minoritätsladungsträgern, also Löchern aus der Basisschicht 16 wird wie im Beispiel der Figur durch einen Hoch-Tief-Übergang an der Grenzfläche 22 verhindert. Die mit der Tiefenrichtung x zu geringen Energien führende Energiestufe am Übergang von der Basisschicht 16 zum Substrat 18 stellt für Löcher eine Energiebarriere dar.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiode, die auf der Struktur der Leuchtdiode 10 der 1 basiert. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen bestehen die Emitterschicht 14 und die Basisschicht 16 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus dotiertem Silizium-Germanium. Das Substrat 18 besteht aus Silizium. Die Verhältnisse an der Grenzfläche 20 zwischen Emitter und Basisschicht werden durch die andere Materialzusammensetzung dieser Schichten nicht grundlegend verändert. Auch Silizium-Germanium kann in hoher kristalliner Reinheit abgeschieden werden. Auch in der Basisschicht 16 der Leuchtdiode der 4 kann daher eine besonders hohe Zeitkonstante τ_SRH der SRH-Rekombination erzielt werden. Weiterhin kann durch entsprechende Wahl der Dotierstoffkonzentrationen in der Emitterschicht und in der Basisschicht eine starke Ladungsträgerinjektion im Betrieb der Leuchtdiode erzeugt werden, die für eine hohe strahlende Rekombination nahe dem p⁺-n-Übergang 20 sorgt.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 wird die Energiebarriere für Löcher am Übergang 22 von der Basisschicht 16 in das Substrat 18 vorliegend nicht durch eine besonders stark unterschiedliche Dotierung, sondern durch den sich am Heteroübergang von Silizium-Germanium und Silizium einstellenden Bandverlauf hervorgerufen. Silizium hat bekanntlich eine höhere Bandlücke als Silizium-Germanium.
Die Verwendung von Silizium-Germanium in der Basisschicht hat daher den weiteren Vorteil, dass die Wellenlänge der Lichtemission zu geringeren Energie, entsprechend höheren Wellenlängen hin verschoben ist. Auf diese Weise kann der für die optische Signalverarbeitung besonders interessante Spektralbereich um 1,3 μm oder 1,5 erreicht werden. Beim epitaktischen Abscheiden der Silizium-Germaniumschicht auf dem Substrat ist jedoch zu berücksichtigen, dass oberhalb einer kritischen Schichtdicke im Silizium-Germaniumkristall Fehler entstehen, die der Verspannung der zunächst epitaktisch aufwachsenden Silizium-Germaniumschicht geschuldet sind. Wesentlich für eine hohe Lichtausbeute ist, dass die Kristalldefekte sich nicht durch die gesamte Basisschicht bis zum p-n-Übergang 20 fortsetzen, sondern allein nahe der Grenzfläche 22 zum Substrat hin auftreten. Eine denkbare Maßnahme zur Reduzierung der Gitterverspannung und damit der Defektdichte ist der zusätzliche Einbau von Kohlenstoff zumindest in substratnahe Bereiche der Basisschicht 16.
5 zeigt in einem Diagramm die Temperaturabhängigkeit der integrierten Lumineszenzintensität der Band-Band-Rekombination in einem herkömmlichen Silizium-Wafer, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt ist. Die Lumineszenzintensität ist in beliebigen Einheiten an der Ordinate logarithmisch aufgetragen. Die Temperatur ist an der Abszisse in Kelvin linear abgetragen. Die in Form von Rauten eingetragenen Messpunkte zeigen, dass die Lumineszenz mit zunehmender Temperatur deutlich abnimmt und im Bereich zwischen 80 K und 300 K etwa um einen Faktor 50 schwächer wird. Der Intensitätsverlauf mit steigender Temperatur lässt sich in der logarithmischen Darstellung der 5 durch eine Gerade annähern, die als gestrichelte Linie 30 eingezeichnet ist. 5 zeigt, dass in herkömmlichem Silizium-Material eine bei Raumtemperatur effiziente Band-Band-Rekombination nicht erzielbar ist.
Im Gegensatz dazu kann in einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode eine Band-Band-Rekombination beobachtet werden, deren Effizienz mit steigender Temperatur deutlich zunimmt. 6 zeigt ein Diagramm 32, bei dem die interne Quanteneffizienz der Band-Band-Rekombination einer n⁺-p-Halbleiterdiode, die in Durchflussrichtung gepolt ist. Die interne Quanteneffizienz steigt zwischen einer Temperatur von etwa 80 K und einer Temperatur von 300 K von etwa 0,05 bis auf einen Wert von etwa 0,8 % an. Dies entspricht einer Steigerung der internen Quanteneffizienz um einen Faktor 16.
Das Diagramm 32 der 6 enthält ein eingefügtes Diagramm 34, das Elektrolumineszenzspektren der selben n⁺-p-Halbleiterdiode bei 80 K und bei 300 K miteinander vergleicht. Die Intensität der Elektrolumineszenz ist an der Ordinate in beliebigen linearen Einheiten aufgetragen. An der Abszisse ist die Photonenenergie des emittierten Lichts in Elektronenvolt (eV) aufgetragen. Eine gestrichelte Linie 36 gibt das Elektrolumineszenzspektrum bei 300 K wieder, während eine durchgezogene Linie 38 das Elektrolumineszenzspektrum bei einer Temperatur von 80 K darstellt. Das im Diagramm 34 wiedergegebene Intensitätsverhältnis zwischen den Spektren 36 und 38 entspricht den tatsächlichen Verhältnissen. Bei einer Temperatur von 80 K zeigt das Spektrum 38 eine Lichtemission um 0,98 eV, die in Fachkreisen als D4-Lumineszenz bekannt ist. Es handelt sich hierbei um eine durch Störstellen hervorgerufene Lumineszenz. Bei einer Energie von etwa 1,1 eV zeigt sich eine weitere Emissionsstruktur, die aufgrund ihrer Energieposition und des gemessenen Temperaturverhaltens eindeutig einer phononenassistierten Band-Band-Rekombination zuzuordnen ist. Das Spektrum 36 zeigt, dass diese Band-Band-Rekombination im Temperaturbereich bis 300 K stark an Intensität gewinnt und bei 300 K sogar die dominierende Lumineszenz bildet. Die gegenüber dem Spektrum bei 80 K beobachtbare Verschiebung des Maximums der Band-Band-Lumineszenz BB entspricht der bekannten Verringerung der Bandlücke des Siliziums mit steigender Temperatur.
Ein Vergleich der 5 und 6 zeigt also, dass im herkömmlichen Silizium die Effizienz der strahlenden Band-Band-Rekombination mit zunehmender Temperatur stark sinkt, während sie in der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Halbleiterdiode mit zunehmender Temperatur stark an Effizienz gewinnt.
Die 7 und 8 zeigen Balkendiagramme, in denen die interne Quanteneffizienzen der Band-Band-Elektrolumineszenz unterschiedlicher Ausführungsbeispiele von Licht emittierenden Halbleiterdioden bei Raumtemperatur einander gegenüber gestellt sind. In 7 sind die internen Quanteneffizienten neun verschiedener Ausführungsbeispiele dargestellt, die alle eine mit Bor p-dotierte Emitterschicht 14 aufweisen. Die neun Ausführungsbeispiele sind von links nach rechts in drei Gruppen unterteilt. Balken 40–46 zeigen den Wert der internen Quanteneffizienz an, der an Ausführungsbeispielen gemessen wurde, bei denen Bor mit einer Implantationsenergie von 240 keV implantiert wurde. Die Balken 48–54 zeigen die Quanteneffizienz von Ausführungsbeispielen an, bei denen Bor zur Herstellung der Emitterschicht 14 mit einer Energie von 50 keV implantiert wurde. Schließlich zeigt der Balken 56 die interne Quanteneffizienz eines Ausführungsbeispiels an, bei dem Bor mit einer Energie von 30 keV implantiert wurde. In den ersten beiden Gruppen wurden jeweils zwei weitere Parameter vari iert. Zum einen wurden zwei unterschiedliche Werte der Implantationsdosis eingestellt. Messwerte an Ausführungsbeispielen mit einer Bor-Implantationsdosis von 2 × 10¹² cm^–2 sind durch unschraffierte Balken 40, 44, 48 und 52 angezeigt. Die Quanteneffizienzen von Ausführungsbeispielen mit einer Bor-Implantationsdosis von 2 × 10¹⁴ cm^–2 sind durch kreuzschraffierte Balken 42, 46, 50 und 54 angezeigt. Schließlich ist die Quanteneffizienz eines Ausführungsbeispiels mit einer Bor-Implantationsdosis von 1 × 10¹⁵ cm^–2 durch einen längsschraffierten Balken 56 angezeigt. Als weiterer Parameter der Herstellung wurde das thermische Ausheilverfahren variiert. Die Balken 40 und 42 zeigen Ausführungsbeispiele, die mit einem schnellen thermischen Ausheilungsschritt (Rapid Thermal Annealing, RTA) bei einer Temperatur von 1040 °C für 10 Sekunden in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt wurden. Das selbe gilt für die Balken 48 und 50. Die Balken 44, 46, 52, 54 und 56 zeigen dagegen die internen Quanteneffizienzen von Ausführungsbeispielen, die einem Ofen bei 1000 °C für 20 Minuten in Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt wurden. Alle Ausführungsbeispiele erhielten eine abschließende Wärmebehandlung bei 400 °C in Wasserstoffatmosphäre über 30 Minuten.
Aus den Messwerten 40–56 lässt sich zum einen schlussfolgern, dass die Quanteneffizienz mit sinkender Implantationsenergie steigt. Dies zeigt ein Vergleich der unter gleichen Bedingungen hergestellten Ausführungsbeispiele der ersten beiden Gruppen 40–54. So ist beispielsweise die Quanteneffizienz eines im Ofen (Furnace) wärmebehandelten Lichtemitters, der mit Bor bei einer Energie von 50 keV behandelt wurde (Messbalken 54) höher als die Quanteneffizienz eines in gleicher Weise behandelten Lichtemitters, bei dem Bor mit einer Energie von 240 keV implantiert wurde. Weiterhin ist eine Erhöhung der Quanteneffizienz mit einer Steigerung der Implantationsdosis feststellbar. Stets sind die kreuzschraffierten Balken 42, 46, 50 und 54 der Quanteneffizienz von Ausführungsbeispielen mit einer Implantationsdosis von 2 × 10¹⁴ cm^–2 höher als die Quanteneffizienzen der ansonsten unter identischen Bedingungen hergestellten Ausführungsbeispiele, die durch die unschraffierten Balken 40, 44, 48 und 52 angezeigt sind. Schließlich zeigt sich, dass eine längere thermische Wärmebehandlung bei 1000 °C in Stickstoffatmosphäre eine höhere Quanteneffizienz mit sich bringt als ein schnelles thermisches Ausheilen.
Unter den Ausführungsbeispielen mit p-dotierter Emitterschicht 14 wurde das beste Ergebnis, nämlich eine interne Quanteneffizienz der Band-Band-Rekombination von 1,5 % bei einer Implantation mit Bor mit einer Implantationsenergie von 30 keV und einer Implantationsdosis von 1 × 10¹⁵ cm^–2 erzielt, wobei dieser Lichtemitter im Anschluss an die Implantation einem 30minütigen thermischen Ofen-Ausheilschritt bei 1000 °C in Stickstoffatmosphäre unterzogen wurde. Es ist zu erwarten, dass mit weiter gesteigerten Implantationsdosen und verringerten Implantationsenergien noch bessere Werte der internen Quanteneffizienz erzielt werden können.
Das Balkendiagramm der 8 bestätigt die aus 7 gezogenen Schlussfolgerungen auch für den Fall von Ausführungsbeispielen mit einer n-dotierten Emitterschicht 14. Das Balkendiagramm der 8 zeigt vier Messergebnisse 58–64. Die Messergebnisse 58 und 60 wurden an Ausführungsbeispielen gemessen, die mit Phosphor in einer Dosis von 4 × 10¹⁴ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von 500 keV hergestellt wurden. Die Messergebnisse 62 und 64 wurden an Ausführungsbeispielen ermittelt, bei denen Phosphor mit einer geringeren Dosis von 4 × 10¹³ cm^–2 bei einer geringeren Implantationsenergie von 135 keV implantiert wurde. Ein Vergleich dieser beiden Gruppen zeigt, dass die Verringerung der Implantationsenergie und der Implantationsdosis einen positiven Effekt auf die interne Quanteneffizienz hat. Weiterhin zeigt sich beim Vergleich der internen Quanteneffizienzen 58 und 60 sowie 62 und 64, dass auch bei Halbleiterdioden mit einen n⁺-p-Übergang das längere thermische Ausheilen in einem Ofen über 30 Minuten bei 1000 °C in Stickstoffatmosphäre bessere Werte der Quanteneffizienz hervorbringt als ein schneller thermischer Ausheilprozess. Das dem Messwert 64 zugeordnete Ausführungsbeispiel hat eine interne Quanteneffizienz von etwa 1,7 %. Auch hier ist zu erwarten, dass mit einer weiteren Verringerung der Implantationsenergie höhere Werte der Quanteneffizienz erzielt werden können. Im Hinblick auf die optimale Implantationsdosis können der 8 keine eindeutigen Hinweise entnommen werden. Es wird jedoch vermutet, dass eine erhöhte Dosis in Verbindung mit einer verringerten Implantationsenergie die Effizienz der Lichtemission bei 300 K bis auf Werte von 5 % erhöhen kann.
9 zeigt in einem Diagramm die Überschussladungsträgerdichte Δn in Einheiten von cm^–3 als Funktion der Phosphor-Implantationsdosis im Bereich Zwischen 10¹³ und 5 × 10¹⁴ cm^–2. Es sind zwei berechnete Kurven 66 und 68 wiedergegeben. Die mit durchgezogener Linie gekennzeichnete Kurve 66 zeigt die Abhängigkeit der Überschussladungsträgerdichte von der Implantationsdosis für den Fall des langsamen Ausheilens in einem Ofen bei den oben genannten Bedingungen. Die mit gestrichelter Linie gekennzeichnete Kurve 68 zeigt die Abhängigkeit der Überschussladungsträgerdichte Δn von der Implantationsdosis im Falle eines schnellen thermischen Ausheilschrittes. Für die Berechnungen der Kurven 66 und 68 wurden folgende Parameter zugrunde gelegt: Die Implantationsenergie von Phosphor beträgt 135 keV. Die Durchflussspannung der n⁺-p-Diode beträgt 1,2 V. Das Substrat weist eine (100)-Orientierung auf und enthält eine Leitfähigkeitsdotierung mit Bor in einer Konzentration von 5 × 10¹⁴ cm^–3. Schließlich beträgt die den Berechnungen zugrunde gelegte Temperatur 300 K. Den Kurven 66 und 68 sind zwei bei einer Implantationsenergie von 500 keV bestimmte, ebenfalls berechnete Datenpunkte 70 und 72 gegenübergestellt. Der Datenpunkt 70 zeigt die Überschussladungsträgerdichte Δn bei einer Implantationsdosis von 4 × 10¹⁴ cm^–2 für den Fall eines langsamen Ausheilschrittes. Der Datenpunkt 72 zeigt die Überschussladungsträgerdichte Δn für den Fall des schnellen Ausheilens. Die dargestellten Kurven 66 und 68 zeigen deutlich, dass die Überschussladungsträgerdichte mit der Implantationsdosis ansteigt. Dabei liegen die Werte der Überschussladungsträgerdichte im Falle des langsamen Ausheilens im Ofen stets höher als die bei einem schnellen thermischen Ausheilprozess erzielbaren Werte. Die Datenpunkte 70 und 72 zeigen darüber hinaus, dass bei einer Implantationsenergie von 500 keV geringere Überschussladungsträgerdichten erzielt werden als bei einer Implantationsenergie von 135 keV. Die in 9 dargestellten Kurven und Datenpunkte wurden mit Hilfe eines handelsüblichen Prozess- und Bauelementsimulators des Typs ISETCAD ermittelt.
10 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der internen Quanteneffizienz η_internal von der Überschussladungsträgerdichte Δn. Drei im Diagramm enthaltene Kurven 74, 76 und 78 zeigen die Abhängigkeit der internen Quanteneffizienz bei drei vorgegebenen Werten der SRH-Zeitkonstanten τ_SRH. Die Kurve 74 wurde für τ_SRH = 10 μs bestimmt, die Kurve 76 für τ_SRH = 100 μs und die Kurve 78 für τ_SRH = 1 ms. Die Kurven 74–78 wurden mit Hilfe der Gleichung η_i = R_BB/(R_SH + R_BB + R_Auger) berechnet. Die Kurven 74–78 zeigen, dass die interne Quanteneffizienz mit zunehmender Zeitkonstante der SRH-Rekombination steigt, wobei jedoch im Bereich einer Überschussladungsträgerdichte von mehr als 10¹⁸ cm^–3 kaum Unterschiede bestehen. Dies hängt mit der Zunahme der nichtstrahlenden Auger-Rekombination zusammen, die proportional zu Δn³ ist, vergleiche oben. Die Kurven 74–78 zeigen weiterhin, dass das erzielbare Maximum der Quanteneffizienz für geringere Zeitkonstanten τ_SRH bei höheren Werten der Ladungsträgerüberschusskonzentration liegt. So ist bei einer Zeitkonstanten τ_SRH von 10 μs das Maximum der Quanteneffizienz bei einer Überschussladungsträgerdichte von etwa 10¹⁸ cm^–3 erreicht, während es bei einer Zeitkonstante τ_SRH von 1 ms schon im Bereich einer Überschussladungsträgerdichte von 10¹⁷ cm^–3 erreicht ist.
Im Diagramm der 10 sind weiterhin Datenpunkte 80–88 eingetragen, die mit verschiedenen Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Lichtemittern erzielt werden. Die den Messpunkten zugrunde liegenden Werte der Überschussladungsträgerkonzentration in der Basisschicht wurden mit Hilfe der anhand von 9 erläuterten Berechnungsmethode ermittelt. Die Datenpunkte zeigen, dass bei einer erfindungsgemäßen Verfahrensführung mit einer Phosphor-Implantationsenergie von 135 keV eine Zeitkonstante τ_SRH von etwa 30 μs zugrunde zu legen ist. Die bei Ofen-Ausheilung erzielbaren Überschussladungsträgerdichten sind, wie die entsprechend mit dem Großbuchstaben „F" gekennzeichneten Messpunkte 84 und 86 anzeigen, größer als die mit schnellem Ausheilen erzielbaren Überschussladungsträgerdichten, welche durch die Datenpunkte 80 und 82 angezeigt sind. Zum Vergleich ist ein Datenpunkt 88 eingezeichnet, der sich aus der eingangs erwähnten Arbeit von Ng et al. ergibt.
11 zeigt in einem Diagramm die Ladungsträgerdichte als Funktion der Position x in einem Ausführungsbeispiel, dass der anhand von 2 erläuterten Struktur entspricht. Aufgetragen sind die Ladungsträgerdichten von Löchern (gestrichelte Kurven) bei verschiedenen Durchflussspannungen zwischen 0 V und 2 V sowie die Ladungsträgerdichte von Elektronen bei den selben Betriebsspannungen (durchgezogene Linien) bei verschiedenen Werten der Durchflussspannung. Die jeweilige Ladungsträgerart und Betriebsspannung ist an jeder Kurve angegeben. Die Struktur des Ausführungsbeispiels der 11 weist eine stark n-dotierte Emitterschicht 14 auf, deren Ladungsträgerdichte im Gleichgewichtsfall, also bei einer Betriebsspannung von 0 V, 10¹⁹ cm^–3 beträgt. Die schwach p-dotierte epitaktische Basisschicht 16 hat im Gleichgewichtszustand eine Ladungsträgerkonzentration von knapp 10¹⁵ cm^–3 in ausreichendem Abstand vom pn-Übergang an der Grenzfläche 20. Das p⁺-Substrat 18 hat im Gleichgewichtszustand eine Löcherkonzentration von etwa 10¹⁹ cm^–3.
Die Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte von der Position x wurde mit Hilfe eines Simulationsprogramms) berechnet. Wesentliches Ergebnis ist, dass mit Hilfe des Hoch-Tief-Übergangs an der Grenzfläche 22 bei Betriebsspannungen von nur 1,2–2 V eine Ladungsträgerkonzentration von sowohl Elektronen als auch Löchern im Bereich von 10¹⁸ cm^–3 erzielt werden kann. Vergleichssimulationen, bei denen kein Hoch-Tief-Übergang vorhanden ist, sondern sich die Basisschicht 16 in die Tiefe hinein kontinuierlich fortsetzt, zeigen, dass dort bei einer Spannung von 1,2 V lediglich eine Ladungsträgerdichte von Elektronen und Löchern im Bereich von 10¹⁷ cm^–3 erzielt werden kann. Die mit Hilfe des Hoch-Tief-Übergangs an der Grenzfläche 22 in den erfindungsgemäßen Halbleiterdioden erzeugte Potentialbarriere für Minoritätsladungsträger sorgt also für eine Erhöhung der Ladungsträgerdichte beider Ladungsträgersorten weit über die Gleichgewichtsladungsträgerdichte der Majoritätsladungsträger hinaus und ermöglicht auf diese Weise eine effiziente strahlende Rekombination in der Basisschicht.

Claims

Licht emittierende Halbleiterdiode mit einer ersten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer angrenzenden zweiten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und mit einer dritten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, bei der die Lichtemission unter Betriebsspannung durch eine Band-Band-Rekombination freier Ladungsträger hervorgerufen wird, bei der die zweite Halbleiterschicht eine geringe Defektdichte aufweist, derart, dass die Zeitkonstante nichtstrahlender Shockley-Read-Hall-Rekombination 10 Mikrosekunden oder mehr als 10 Mikrosekunden beträgt, bei der die zweite und die dritte Halbleiterschicht Konzentrationsprofile von Leitfähigkeitsdotanden aufweisen, die einen unsymmetrischen pn-Übergang zwischen der zweiten und dritten Halbleiterschicht entstehen lassen, derart, dass unter einer in Flussrichtung der Diode angelegten Betriebsspannung eine stärkere Injektion von Minoritätsladungsträgern von der dritten in die zweite Halbleiterschicht stattfindet als in umgekehrter Richtung, und bei der entweder die Konzentrationsprofile des Leitfähigkeitsdotanden in der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder die Materialzusammensetzungen der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder eine Kombination dieser vier Parameter so gewählt sind, dass unter Betriebsspannung im Grenzbereich der ersten und zweiten Halbleiterschicht eine Potenzialbarriere gebildet ist, welche eine Bewegung von Minoritätsladungsträgern von der zweiten in die erste Halbleiterschicht erschwert oder verhindert.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, bei der die zweite Halbleiterschicht eine auf der ersten Halbleiterschicht epitaktisch abgeschiedene Halbleiterschicht ist.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Halbleiterschicht eine Konzentration von Leitfähigkeitsdotanden zwischen 10¹³ cm^–3 und 10¹⁶ cm^–3 hat.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Halbleiterschicht eine Dicke von zwischen 1 und 5 μm hat.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Halbleiterschicht eine Dicke von etwa 4 μm hat.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht eine Dicke von entweder 25% oder von weniger als 25% der Dicke der zweiten Halbleiterschicht aufweist.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht eine Dicke von 1 μm oder weniger als 1 μm hat.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite und die dritte Halbleiterschicht jeweils ein Konzentrationsprofil von Leitfähigkeitsdotanden aufweisen derart, dass unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode die Ladungsträgerdichte von sowohl Majoritätsladungsträgern als auch Minoritätsladungsträgern in einem Bereich der zweiten Halbleiterschicht nahe der dritten Halbleiterschicht größer ist als die Gleichgewichtsladungsträgerdichte der Majoritätsladungsträger der zweiten Halbleiterschicht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite und die dritte Halbleiterschicht jeweils ein Konzentrationsprofil von Leitfähigkeitsdotanden aufweisen derart, dass unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode die Ladungsträgerdichte von sowohl Majoritätsladungsträgern als auch Minoritätsladungsträgern in einem Bereich der zweiten Halbleiterschicht nahe der dritten Halbleiterschicht um einen Faktor von 10 bis 100 größer ist als die Gleichgewichtsladungsträgerdichte der Majoritätsladungsträger der zweiten Halbleiterschicht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht Leitfähigkeitsdotanden in einer Konzentration von 10¹⁹ cm^–3 oder von mehr als 10¹⁹ cm^–3 aufweist.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung aufweist, das durch Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 30 und 500 keV entsteht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht n-dotiert ist und ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung aufweist, das durch Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 80 und 500 keV entsteht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht mit Phosphor n-dotiert ist.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht ein Konzentrationsprofil der Leitfä higkeitsdotierung aufweist, das durch Implantation einer Phosphor-Dosis von einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von etwa 80 keV entsteht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche außer den Ansprüchen 13 und 14, bei der die dritte Halbleiterschicht p-dotiert ist und ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung aufweist, das durch Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 30 und 150 keV entsteht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche außer den Ansprüchen 13 und 14, bei der die dritte Halbleiterschicht mit Bor p-dotiert ist.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche außer den Ansprüchen 13 und 14, bei der die dritte Halbleiterschicht ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotierung aufweist, das durch Implantation einer Bor-Dosis von zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von 30 bis 50 keV entsteht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 8 bis 17, die ein Konzentrationsprofil der Leitfähigkeitsdotanden in der dritten Halbleiterschicht aufweist, das durch eine nach der Implantation erfolgende 10- bis 30-minütige Wärmebehandlung in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 900 und 1100 °C entsteht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der entweder die zweite Halbleiterschicht oder die zweite und dritte Halbleiterschicht aus einer Silizium-Germanium-Legierung besteht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste Halbleiterschicht dieselbe Materialzusammensetzung hat wie die zweite Halbleiterschicht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste Halbleiterschicht von einem Wafer oder einem Waferabschnitt gebildet wird.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste, zweite oder dritte Halbleiterschicht jeweils entweder aus dotiertem Silizium oder aus dotiertem Silizium-Germanium bestehen.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche außer Anspruch 20, bei der die zweite Halbleiterschicht entweder aus dotiertem Silizium oder einer dotierten Silizium-Germanium-Legierung besteht, und bei der die erste Halbleiterschicht eine andere Materialzusammensetzung als die zweite Halbleiterschicht aufweist, derart, dass die zweite und erste Halbleiterschicht eine Heterostruktur mit einer Potenzialbarriere für den Minoritätsladungsträgertransfer von der zweiten in die erste Halbleiterschicht bilden.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Halbleiterschicht schwächer dotiert ist als die erste Halbleiterschicht, derart, dass im Grenzbereich zwischen der zweiten und der ersten Halbleiterschicht das ortsabhängige Profil der Energie des Leitungsbandminimums oder des Valenzbandmaximums als Funktion der Position im Übergang von der zweiten zur ersten Halbleiterschicht eine Potenzialbarriere für den Minoritätsladungsträgertransfer von der zweiten in die erste Halbleiterschicht bildet.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Halbleiterschicht eine höhere Konzentration von Leitfähigkeitsdotanden aufweist als die zweite Halbleiterschicht.
Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Leuchtdiode oder als Laserdiode.
Halbleiterbauelement mit einer oder mehreren darin integrierten Licht emittierenden Halbleiterdioden nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 27, mit einem der Licht emittierenden Halbleiterdiode optisch nachgeschalteten Lichtmodulator, der ausgebildet ist, die Lichtintensität des an seinem Eingang eingekoppelten, von der Licht emittierenden Halbleiterdiode emittierten Lichts an seinem Ausgang mit zeitlich modulierter Intensität abzugeben.
Verfahren zur Herstellung einer Silizium-basierten Licht emittierenden Halbleiterdiode, mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Silizium-Substrats, das eine erste einkristalline siliziumhaltige oder Silizium-Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps entweder selbst bildet oder an einer Oberfläche enthält, b) Epitaktisches Abscheiden einer zweiten siliziumhaltigen Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps auf der ersten Halbleiterschicht c) Implantieren eines Dotierstoffes in die zweite Halbleiterschicht zum Ausbilden einer dritten Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei der Abscheideschritt und der Implantationsschritt so durchgeführt werden, dass in der zweiten und dritten Halbleiterschicht Konzentrationsprofile von Leitfähigkeitsdotanden entstehen, die einen unsymmetrischen pn-Übergang bilden, derart, dass unter Betriebsspannung der Halbleiterdi ode eine stärkere Injektion von Minoritätsladungsträgern von der dritten in die zweite Halbleiterschicht stattfindet als in umgekehrter Richtung, und wobei entweder die Materialzusammensetzungen der zweiten und dritten Halbleiterschicht oder die Konzentrationsprofile des Leitfähigkeitsdotanden in der ersten und zweiten Halbleiterschicht oder eine Kombination dieser vier Parameter so eingestellt werden, dass im Grenzbereich der ersten und zweiten Halbleiterschicht unter Betriebsspannung der Halbleiterdiode eine Potenzialbarriere gebildet wird, welche einen Transport von Minoritätsladungsträgern von der zweiten in die erste Schicht erschwert oder verhindert.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem als erste Halbleiterschicht ein entweder nach einem Czochralski- oder nach einem Float-Zone-Verfahren hergestellter Siliziumwafer verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 und 30, bei dem als erste Halbleiterschicht ein Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohmxcm verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei dem die zweite Halbleiterschicht vor dem Implantationsschritt mit einer Streuoxidschicht beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Implantationsschritt zur Herstellung der dritten Halbleiterschicht mit einer Dosis von Leitfähigkeitsdotanden zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 30 und 500 keV durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 33, bei dem der Implantationsschritt zur Herstellung einer n-dotierten dritten Halbleiterschicht durch Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 80 und 500 keV durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 34, bei dem der Implantationsschritt zur Herstellung einer n-dotierten dritten Halbleiterschicht mittels Implantation einer Phosphor-Dosis von zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von zwischen 80 und 135 keV durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, bei dem der Implantationsschritt zur Herstellung einer p-dotierten dritten Halbleiterschicht mittels Implantation von Leitfähigkeitsdotanden mit einer Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie zwischen 30 und 150 keV durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 34 bei dem der Implantationsschritt zur Herstellung einer p-dotierten dritten Halbleiterschicht mittels Implantation einer Bor-Dosis zwischen 1 × 10¹⁴ cm^–2 und einigen 10¹⁵ cm^–2 bei einer Implantationsenergie von entweder 50 keV oder weniger als 50 keV durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 37, bei dem auf den Implantationsschritt eine 10- bis 30-minütige erste Ofen-Wärmebehandlung in Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 900 und 1100 °C folgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 38, bei dem auf die erste Wärmebehandlung eine 20- bis 40-minütige zweite Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von zwischen 300 °C und 500 °C folgt.