DE102004042997B4 - Light emitting semiconductor diode, comprises primary and secondary silicon containing layers of one conductivity, and a third of the opposite conductivity - Google Patents

Abstract

Light emitting semiconductor diode comprises primary and secondary silicon containing layers of one conductivity, and a third layer of the opposite conductivity. Light emission occurs at operating potential by band-band recombination of free charge carriers. The second and third semiconductor layers have a dopant concentration which results in an unsymmetric pn junction between the semiconductor layers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Licht emittierende Halbleiterdiode auf Siliziumbasis und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Licht emittierenden Halbleiterdiode.The The invention relates to a silicon-based light-emitting semiconductor diode and a method of manufacturing such a light-emitting semiconductor diode.

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.The Development of semiconductor technology points towards higher integration density integrated circuits and faster signal processing. Future integrated Circuits are therefore no longer expected to be electronic alone Signal generation and signal processing are based, but increasingly integrate optical and optoelectronic devices to a to further increase the processing speed. For the Optical signal processing is predestined for infrared spectral ranges.

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.base material Semiconductor technology is silicon. Well-known, efficient light and laser diodes however, in the infrared spectral range are not silicon, but in particular from III-V semiconductors such as gallium arsenide, indium arsenide or indium gallium arsenide. These are only in shape complex Hybrid process can be integrated into the silicon-based semiconductor technology. However, such procedures are not granted application opportunities.

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.Of the for the Light emission responsible process is the radiant recombination of electrons and holes at current flow through a diode polarized in the direction of flow, so the Destruction of an electron-hole pair with the emission of a photon. When it comes to free electron-hole pairs, this process becomes also referred to as radiating band-band recombination. For light and Prior art laser diodes often become semiconductor heterostructures used, so layer structures of semiconductor materials different Composition. By a restriction of the charge carrier mobility on a point, a line or a plane can increase the Efficiency of light generation can be effected. This restriction requires in heterostructures structural dimensions in the nanometer range and is referred to as quantum confinement, because they are the charge carrier movement in one, two or three directions limited to discrete, quantized energy states.

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.silicon is not a suitable base material for light emitters for a long time has been considered because silicon as opposed to gallium arsenide, for example and many other semiconductor materials called indirect Semiconductor is. In indirect semiconductors are the energy minimum the conduction band states, corresponding to the minimum energy of free electrons, and the energy maximum of valence band states, corresponding to the minimum energy of free holes as a function of the charge carrier pulse does not consider at the same pulse value. As a photon known is virtually pulse-free, the momentum conservation at the radiating Recombination of free electron-hole pairs in the silicon an interaction of the charge carriers with the crystal lattice guaranteed be, namely by the generation of pulse-like lattice waves in the form of a or more phonons. The destruction of a free electron hole pair under light emission in silicon therefore requires the generation of a Phonons in addition to the desired Photon. Such a process has a lower probability as the direct generation of a photon alone, as in so-called direct semiconductors such as gallium arsenide occurs at the energy minima of electrons and holes at the same momentum value fall.

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.radiant Recombination processes of free charge carriers are compared in silicon Accordingly, direct semiconductors tend to be less likely. This opens competing nonradiative recombination processes of free charge carriers Possibility, to play a comparatively dominant role in recombination. Radiation-free recombination processes of free charge carriers are the Auger recombination, but only at high carrier concentrations comes to fruition, and the Shockley read-hall recombination, hereafter also briefly referred to as SRH recombination. When auger recombination is the energy released in the recombination of electron and hole transferred to a third carrier. In Shockley read-hall recombination, recombination occurs in a cascading process about so-called low energy levels of impurities in the band gap generating a larger number held by phonons. Non-radiative recombination processes so by the presence of impurities, promoted in particular in the form of so-called point defects. One Point defect is for example a defect in the grid or a foreign atom incorporated into the lattice like a transition metal atom.

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.Recently, however, various work has become known which has a comparatively efficient light emission of silicon as its subject. Here, the increased probability of a radiative recombination at dislocations or impurities bound electron-hole pairs is exploited. From the publication Wai Lek Ng et al. "An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode", Nature, Vol. 410, 2001, pages 192-194, a light-emitting diode is known in which in a n-doped silicon substrate heavily p-doped Be are rich implanted. As a dopant, boron is used at a dose of 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy of 30 keV. The boron implantation serves, on the one hand, for p-type doping for generating a pn junction and, on the other hand, for targeted damage to the crystal structure for generating regions with dislocation loop arrays. These dislocation loop regions are intended to create silicon strain strained crystal regions which provide for local variation in silicon bandgap. In this way, potential structures can be created that limit the charge carrier motion to the areas of the dislocation loops. A diffusion of charge carriers to point defects is thus reduced, whereby the probability of non-radiative recombination processes at point defects decreases. The electroluminescence of the device of Ng et al. shows a sub-linear increase of the integrated luminescence intensity in the temperature range between 80 and 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.Out the publication V. Kveder et al. "Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence ", Applied Physics Letters, Volume 84, Number 12, 2004, silicon light emitting diodes are known where in a p- or n-type substrate displacements targeted by a plastic deformation of the substrate are generated. The concentration of point defects, such as impurities by transition metals, is reduced by a gettering with aluminum. Continue made a hydrogen passivation. With these measures becomes an estimated external Quantum efficiency of 0.1% -0.2 % at 300K. The electroluminescence at room temperature is due to a luminescent line designated D1, which is a recombination from at previously unknown impurities bound charge carriers is assigned. The impurities are related to displacements. Your intensity decreases with increasing temperature in the range between 50 and 300 K from.

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.Out the publication Martin A. Green et al. "Efficient silicon light-emitting diodes ", Nature, Vol. 412, 2001, pages 805-808, is a light emitting diode known in which the dominating at room temperature electroluminescence based on phonon-assisted band-band recombination. To increase the efficiency is proposed in the surface area of Diode a grid of pyramidal structures to order losses the light emission due to parasitic internal absorption by free charge carriers or to reduce metal contacts. To further increase the Efficiency of the LED is suggested, the thickness of the diode to raise that Concentration of free charge carriers to reduce or additional emitting surfaces provided.

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.disadvantage this solution is a high process cost for producing the structured Surface. This complicates the integration into the known silicon technology, in particular in view of the steadily progressing reduction of the component structures.

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.Out The document US 2003/0205710 A1 is a silicon-based light-emitting semiconductor diode known. For the production becomes a float zone substrate (FZ substrate) used.

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.From the document US 5,343,070 For example, a silicon-based PIN diode is known in which a reduction in Shockley read-Hall (SRH) recombination is achieved by some form of active layer and doping of sidewalls.

Aus dem Dokument US 4,884,112 ist es bekannt, Leuchtdioden auf Siliziumbasis und Wellenleiter in einem Bauelement aus Silizium zu integrieren.From the document US 4,884,112 It is known to integrate silicon-based light-emitting diodes and waveguides in a silicon component.

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.The The technical problem underlying the invention is a indicate efficient silicon-based light-emitting diode which is compatible with the well-known silicon technology and which the Uses band-band recombination of free charge carriers for light emission.

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.The technical problem is solved by a light-emitting semiconductor diode according to claim 1 and a method for producing a silicon-based light-emitting Semiconductor diode according to Claim 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.The Invention is based on the recognition that one for use in commercial Components suitable semiconductor light-emitting diode based on silicon using band-band recombination not those based on double heterostructures well-known concepts for conventional light emitting or laser diode structures based on direct semiconductor, but a novel structure requires.

Dem liegt die nachfolgend wiedergegebene Analyse der die strahlende Band-Band-Rekombination in Silizium beeinflussenden Faktoren zu Grunde.the the following analysis is the radiant one Band-band recombination underlying factors influencing silicon.

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 The rates of the various recombination mechanisms of free charge carriers, namely SRH recombination, Auger recombination, and radiative band-band recombination, depend in different ways on the excess carrier concentration Δn. For the rate of SRH recombination applies R SRH = Δn * 1 / τ SRH

Dabei bezeichnet τ_SRH die Zeitkonstante der SRH-Rekombination. Die SRH-Zeitkonstante τ_SRH ist umgekehrt proportional zur Konzentration tiefer Störstellen.In this case, τ _SRH denotes the time constant of the SRH recombination. The SRH time constant τ _SRH is inversely proportional to the concentration of deep impurities.

Für die strahlende Rekombinationsrate der Band-Band-Rekombination R_BB gilt RBB ∼ Δn2 * B For the radiative recombination rate of the band-band recombination R _BB applies R BB ~ Δn 2 * B

Für die Rate R_Auger der Auger-Rekomination gilt RAuger ∼ Δn3 * C For the rate R _Auger the Auger recombination applies R Auger ~ Δn 3 * 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.there B denotes the coefficient of radiative recombination for band-band recombination and C (approx for electrons and holes assumed to be identical) coefficients of Auger recombination. The value of B is lower in silicon than in direct semiconductors.

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.Since the coefficients B and C are given, material-dependent constants, two factors are crucial for a high efficiency of radiative recombination in silicon. A first factor is a high value of the SRH time constant τ _SRH . Essential for an efficient radiating band-band recombination of electrons and holes in silicon-based material is thus the use of particularly perfect, low-defect material. It is an essential realization of the invention that this is essential for a silicon-based structure, much more than for structures based on direct semiconductors. As explained, the coefficient of radiative recombination B in silicon has a comparatively low value, and therefore non-radiative competing processes can easily take over. A second factor, which is conducive to a high efficiency of radiative recombination in silicon, according to the above formulas is a high excess carrier concentration of holes and electrons.

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.Problematic is that a high excess carrier concentration requires a high dopant concentration, but this one large number Point effects brings with it, which in turn worsen the material quality and increase the SRH recombination rate.

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.The uses solution according to the invention to the solution this conflict the idea of the radiant band-band recombination to take place in a particularly low-defect layer, the to maintain low defect even no high conductivity doping, but under operating voltage a high excess carrier concentration having. The operating voltage is a voltage that is the diode in the flow direction polt and larger than the diffusion voltage is. The diffusion voltage corresponds to the in the equilibrium state (ie without external voltage) at the pn junction adjusting potential barrier.

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.By using low-defect material, a particularly high charge carrier lifetime can be achieved in silicon because non-radiative recombination processes are greatly reduced in their probability due to the SRH recombination. This corresponds to a long time constant τ _SRH , which according to the invention is at least 10 μs. Values of the time constant τ _SRH in the range of 30 μs, 100 μs or even 1 ms are preferred. In the semiconductor diode according to claim 1, this particularly low-defect layer is the second semiconductor layer. With a definition of the degree of defect poverty equivalent to the present invention, it is to be demanded that the electroluminescence of the phonon-assisted band-band recombination of electrons and electrons in the semiconductor diode according to the invention at room temperature (about 300 K) under operating voltage of the semiconductor diode in the second semiconductor layer Holes have a higher overall intensity than other light emissions.

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.The sees solution according to the invention for the realization of the mentioned idea, in particular for the provision a high excess charge carrier concentration in the second semiconductor layer in the operating state, the following Structure before: The light-emitting semiconductor diode has a first silicon-containing or silicon semiconductor layer a first conductivity type, adjacent thereto the second silicon-containing or silicon semiconductor layer of the first conductivity type, and a third silicon-containing or silicon semiconductor layer a second conductivity type. The first and second semiconductor layers thus have the same conductivity type, while the third semiconductor layer has the opposite conductivity type Has. As conductivity types become here the p-conductivity and understood the n-conductivity.

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.A high excess charge carrier concentration is realized in the operating state in the second semiconductor layer according to the invention with the aid of an asymmetrical pn junction between the second and third semiconductor layer. An asymmetrical pn junction is formed by significantly different concentrations of the conductivity dopants in the second and third semiconductor layers, and according to the invention, a significantly higher concentration of conductivity dopants in the third layer compared to the second layer. In this way, in operation of the semiconductor diode, a high number of minority carriers in the injected second semiconductor layer. Due to the required charge carrier neutrality, this has the consequence that the number of majority carriers in the second semiconductor layer in the region of the pn junction is also increased compared to the value of the equilibrium concentration. This results in a high excess charge carrier concentration of electrons and holes. The second semiconductor layer can emit light efficiently by the solution according to the invention.

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.The Terms minority carriers and Become majority carrier always with regard to the respective layer and its conductivity type used. Since the second and third semiconductor layers have a different conductivity type the minority carriers are the second semiconductor layer in the third semiconductor layer majority carrier, and vice versa.

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.All three semiconductor layers can either contain silicon or consist of silicon. It is under a silicon-containing semiconductor layer, a semiconductor alloy to understand that contains silicon as an alloying ingredient, such as for example, silicon germanium. A silicon semiconductor layer contains however, only silicon and one or more dopants in one Concentration, the amount of which the expert depending on the function of each Layer chooses.

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.One another essential structural element of the semiconductor diode according to the invention is that either the concentration profiles of the conductivity dopant in the first and second semiconductor layers or the material composition the first and second semiconductor layer or a combination of these four parameters selected are that under operating voltage in the border region of the first and second Semiconductor layer is formed a potential barrier, which is a Movement of minority carriers of the second in the first semiconductor layer difficult or prevented. In this way, minority charge carriers are prevented from causing the low-defect second semiconductor layer leave in the direction of the first semiconductor layer in which a Non-radiative recombination is much more likely. These measure serves in conjunction with the unbalanced pn junction and the poor defect also increase the emission efficiency in the second semiconductor layer.

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.A Potential barrier can be determined either by a suitable choice of concentration profiles the conductivity dopants be achieved. For example, the first semiconductor layer a higher one Have dopant concentration than the second. In case of n-doping of both layers then lies the Fermi level in the first Semiconductor layer closer at the conduction band minimum than in the second semiconductor layer. in the Case of p-type doping is the Fermi level in the first semiconductor layer closer to Valence band maximum than in the second semiconductor layer. This generates in the equilibrium case as under operating conditions a profile of bandgap in transition from the second to the first semiconductor layer, for the respective ones Minority carrier one Barrier forms. Such a structure is called a high-low transition designated.

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.With the light of the invention emitting semiconductor diode succeeds of the experts for a long time time for impossible held breakthrough to an efficient, silicon-based light emitter, which can be integrated into sophisticated silicon technology. He does not use the solutions favored by experts, the light emission using quantum mechanical localization effects the charge carrier, be it on defects or in heterostructures. Much more will be the one for the technical implementation in light emit the semiconductor diodes Silicon base so far for completely uninteresting, because considered inefficient band-band recombination of the silicon crystal used.

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.The Light-emitting semiconductor diode can be used as a light-emitting diode or as Laser diode be formed. To produce a laser diode required it is essentially an additional one Resonator structure. This can, for example, by appropriate cleavage of end surfaces getting produced. It is important to note at this point that is the designation "light emitting semiconductor diode "insofar not synonymous with the English term "light emitting diode", the only a light emitting diode, but not a light emitting diode or a Laser diode called.

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 a preferred embodiment the second semiconductor layer one on the first semiconductor layer epitaxially deposited semiconductor layer. With the help of epitaxial Manufacturing processes can be layers with respect to silicon wafers achieve significantly lower defect concentrations. The first and second semiconductor layer may also in the form of a so-called epiwafers. An epiwafer is a wafer with an epitaxial layer deposited thereon by the wafer manufacturer. The latter corresponds to the second semiconductor layer, the wafer of first semiconductor layer.

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 a further exemplary embodiment, the conductivity potential of the third semiconductor layer and its concentration in the third semiconductor layer are selected so that additionally gettering (segregation) occurs. In the case of n-doping of the third semiconductor layer, for example, a phosphorus termination is advantageous. The advantage of gettering is that there is a segregation of transition metals occurs in the manufacture of the semiconductor diode. The solubility of transition metals in a highly phosphorus-doped layer is greater at higher temperatures than in other layers of the structure, especially as in the second semiconductor layer. Therefore, the defect density in the second semiconductor layer can be further reduced.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die zweite Halbleiterschicht nahe dem pn-Übergang Wasserstoff. Eine Wasserstoffpassivierung während der Herstellung bewirkt eine weitere Verbesserung der Schichtqualität.In a further embodiment contains the second semiconductor layer near the pn junction hydrogen. Hydrogen passivation during the Production causes a further improvement of the coating quality.

Bevorzugt liegt die Konzentration von Leitfähigkeitsdotanden in der zweiten Halbleiterschicht zwischen 10¹³ cm^–3 und 10¹⁶ cm^–3.The concentration of conductivity dopants in the second semiconductor layer is preferably between 10 ¹³ cm ^-3 and 10 ¹⁶ 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.In a further embodiment is the thickness of the second semiconductor layer between the semiconductor layer and the third semiconductor layer between 1 and 5 μm. Especially good results were obtained with a thickness of the second semiconductor layer of about 4 microns achieved.

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.at a further embodiment the third semiconductor layer has a thickness of either 25% or less than 25% of the thickness of the second semiconductor layer. A comparatively small layer thickness of the third semiconductor layer has looked at that for the achievement of a possible high quantum efficiency of the light emission most appropriate profile of the Concentration of the conductivity dopant in the third semiconductor layer proved to be advantageous.

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.One Nebenspekt is that the third semiconductor layer in the range of pn junction generated light can reabsorb before exiting the diode. With a relatively small layer thickness of the third semiconductor layer, the near-surface pn junction Therefore, the reabsorption of the light in the third is Semiconductor layer reduced. In this way, the external quantum efficiency of the Increased light emission become.

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) For explanation, the external quantum efficiency is ideally equal to the internal quantum efficiency. The internal quantum efficiency is the ratio of the radiative recombination rate R _BB to the total recombination rate: η i = R BB / (R SRH + R BB + R Auger )

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.On the other hand is the external one in a real, light-emitting semiconductor diode Quantum efficiency is a fraction of internal quantum efficiency, its value Loss of light between the light generation and the decoupling the semiconductor diode reflects. An essential factor is Here, the total reflection of the light generated at the light exit surface, so the interface of crystal and air. A typical value of the relationship between external and internal quantum efficiency is 0.0013. to increase the external quantum efficiency can at the light exit surfaces Antireflection coatings are provided, for example Silicon nitride SiN. Of course can Other suitable materials are used.

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.Preferably the third semiconductor layer has a thickness of 1 μm or of less than 1 μm. With a view to a minimum required layer thickness of the third Semiconductor layer has to be considered that this has the function of an emitter layer and therefore in operation one sufficient to achieve the desired light intensity high charge carrier injection to enable in the second semiconductor layer.

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.at a further embodiment the light of the invention emitting semiconductor diode, the second and the third semiconductor layer respectively a concentration profile of conductivity dopants, which characterized in that under operating voltage of the semiconductor diode the charge carrier density from both majority carriers as also minority carriers in a region of the second semiconductor layer near the third semiconductor layer is larger as the equilibrium charge carrier density the majority carrier of the second Semiconductor layer. In this embodiment, the second and third semiconductor layer strongly different concentration profiles of conductivity dopants on. The third semiconductor layer is either at the unbalanced pn junction or homogeneously doped typically a few orders of magnitude stronger as the second semiconductor layer. Under operating voltage, which is the Diode known in the flow direction polt, the number increases the minority carrier in the second semiconductor layer near the pn junction therefore by a strong Injection from the third semiconductor layer. To preserve the charge neutrality arises near the pn junction in the second semiconductor layer also an increased concentration of majority charge carriers. This allows an increased radiant recombination and increased thus the internal quantum efficiency of the semiconductor diode.

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.at a further embodiment have the first, the second and the third semiconductor layer respectively a concentration profile of conductivity dopants on the way that under operating voltage of the semiconductor diode, the carrier density of both majority carriers as also minority carriers in a region of the second semiconductor layer near the third semiconductor layer a factor between 10 and 100 is greater than the equilibrium carrier density the majority carrier in the second semiconductor layer.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dritte Halbleiterschicht Leitfähigkeitsdotanden in einer Konzentration von 10¹⁹ cm^–3 oder von mehr als 10¹⁹ cm^–3 auf.In a further exemplary embodiment, the third semiconductor layer has conductivity dopants in a concentration of 10 ¹⁹ cm ^-3 or more than 10 ¹⁹ cm ^-3 .

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.Preferably, the third semiconductor layer has a concentration profile of the conductivity doping obtained by implantation of conductivity dopants with a dose between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and some 10 ¹⁵ cm ^-2 , for example between 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 and 5 × 10 ¹⁵ cm ^-2 arises at an implantation energy between 100 and 500 keV.

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.The known use of a litter oxide layer during the Implantation advantageously prevents an uneven penetration depth the dopant and therefore optimizes the doping profile.

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.Of the Value of optimal implantation energy depends on the conductivity dopant used from. As is well known for heavier ions have higher energy be used to achieve the same penetration depth.

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.In the case of an n-doped third semiconductor layer, a concentration profile of the conductivity doping in the third semiconductor layer has proven to be particularly preferred, which can be achieved by implanting conductivity dopants with a dose between 4 × 10 ¹² cm ^-2 and 4 × 10 ¹⁴ cm ^-2 at an implantation energy 80 and 500 keV is formed by a 15 nm thick scattered oxide layer. In one exemplary embodiment, phosphorus is used for n-doping, with the optimum implant energy being between 80 and 130 keV for this element.

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.The Use of other conductivity dopants for n-doping, for example, antimony requires adjustment a corresponding optimal implantation energy associated with this dopant. The higher one Atomic weight of antimony requires obtaining one with phosphorus comparable penetration depth a higher implantation energy.

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.There has been a tendency that the excess charge carrier density in the second semiconductor layer can be set particularly high with relatively high values of the implantation dose and, at the same time, relatively low values of the implantation energy. So combinations of low implantation energies with high implantation doses tend to achieve doping profiles, which are associated with particularly good values of quantum efficiency. The best results have heretofore been achieved when the third semiconductor layer has a concentration profile of conductivity doping resulting from implantation of a phosphorus dose of either 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 or a few × 10 ¹⁵ cm ^-2 , ie, about 1 to 5 × 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy of about 80 keV.

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.In the alternative case of a semiconductor light-emitting diode in which the third semiconductor layer is p-doped, in preferred embodiments it has a concentration profile of the conductivity doping obtained by implanting conductivity dopants with a dose between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and some 10 ¹⁵ cm ^{. 2} , for example, between 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 and 5 × 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy between 30 and 150 keV is formed.

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.to p-doping of the third semiconductor layer is preferably boron used. The most suitable implantation energies are in use of boron in the range of 30 to 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.The Use of other conductivity dopants for p-doping, for example gallium, requires adjustment a corresponding optimal implantation energy associated with this dopant to achieve a suitable concentration profile. The higher atomic weight of gallium requires to be comparable to boron Penetration depth a higher Implantation energy.

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.Here, too, a tendency has been observed that within the range of the stated limit values, the excess charge carrier density in the second semiconductor layer can be set particularly high with relatively high values of the implantation dose and at the same time relatively low values of the implantation energy. So combinations of low implantation energies with high implantation doses tend to achieve doping profiles, which are associated with particularly good values of quantum efficiency. In a preferred embodiment, therefore, the third semiconductor layer has a concentration profile of conductivity doping, by implanting a boron dose of that by implanting a boron dose of between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and some 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implant energy of 30 to 50 keV arises.

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.Especially high excess carrier concentrations have semiconductor diodes according to the invention having a doping profile in the third semiconductor layer, this is done by post-implantation 10 to 30 minute oven heat treatment in nitrogen atmosphere produced at a temperature of between 900 and 1100 ° C.

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.The second semiconductor layer may consist of a doped silicon-germanium alloy. The third semiconductor layer in this case also preferably consists of a silicon-germanium alloy. Silicon germanium has a smaller bandgap than silicon. By using silicon germanium, therefore, the wavelength of the light emission can be increased. The for the op Table signal processing interesting spectral ranges of 1.3 microns or 1.5 microns can be achieved by using silicon germanium in the second semiconductor layer. In the epitaxy of the second semicon terschicht here the required defect poverty can be produced by choosing a suitable material of the first semiconductor layer, given the lattice constant increased by the addition of germanium. For example, the first semiconductor layer may also be silicon germanium with the same or similar alloy composition. This first semiconductor layer should be monocrystalline at least at its interface with the second semiconductor layer. Such a first semiconductor layer can be produced, for example, by deposition from the gas phase with a high layer thickness in the range of a few micrometers on a silicon substrate. That a low-defect production of silicon germanium alloys with a high germanium content is technically manageable is shown by Colace et al. in the publication "Efficient high speed near-infrared photodetectors integrated on Si substrates", Applied Physics Letters, 76, 2000, 1231-1233, after which even the heteroepitaxial production of low-defect germanium layers on silicon substrates is possible for the spectral range of interest here.

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.to Achievement of the potential barrier between first and second semiconductor layer can Two different paths are taken, which are explained below. In a first alternative, the light according to the invention emitting semiconductor diode having a first semiconductor layer with the same Material composition as the second semiconductor layer. The first Semiconductor layer can, as already mentioned, either in the form of a deposited layer or in the form of a substrate or wafer or a wafer section, for example one after the Czochralski (CZ) method or a float zone (FZ) method Wafer. FZ wafers are known to be defective. Another alternative is the already mentioned Using an epiwafer, which is already the first and second Semiconductor layer contains. Here only the third layer under suitable implantation conditions has to be used getting produced.

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.The Potential barrier can in this embodiment of the invention can be produced by the second semiconductor layer is doped weaker as the first semiconductor layer. By a suitable choice of mutual Dotierstoffkon concentrations then forms in the border area between the second and first semiconductor layers have a high-to-low transition, thus a potential structure, which by a transition between a comparatively heavily doped first and a comparatively weakly doped second semiconductor layer of the same conductivity type is formed. there forms the location-dependent Profile of the energy of the conduction band minimum or the valence band maximum as a function of position in transition from the second to the first semiconductor layer, a potential barrier for the Minority carriers transfer from the second to the first semiconductor layer.

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.In In a second alternative, the second semiconductor layer is either of doped silicon or a doped silicon-germanium alloy, and For example, the first semiconductor layer has a different material composition as the second semiconductor layer, such that the second and first Semiconductor layer has a heterostructure with a potential barrier for the Minority carriers transfer from the second to the first semiconductor layer. The silicon germanium alloy is in In terms of dependency the bandgap energy and the lattice constants of the alloy composition meanwhile thoroughly explored. Suitable material compositions of the first and second Semiconductor layer are therefore within the framework of per se known methods the bandgap engineering and strain engineering.

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.One inventive semiconductor device has one or more light-emitting semiconductor diodes integrated therein according to one of the above embodiments on. The semiconductor device according to the invention has the advantage of being a light source for optical signal processing is integrated in the device itself and no externally generated Light must be coupled. This facilitates the production of the component, especially in the light coupling from the outside already Low light losses can occur due to slight misalignment complicate the signal processing in the device. The semiconductor device according to the invention avoids in other words the use of a so-called external Photon battery and the coupling of discrete components associated disadvantages. The semicon terbauelement invention is across from such arrangements of different components on the one hand less expensive in the production, because process steps for the coupling of the individual Modules are not required. As a result, at the same time the production costs lowered. On the other hand increases the integration the reliability the overall arrangement. On the other hand can the structures for light generation and light conduction in the semiconductor device according to the invention be formed monolithic. The common silicon technology points one for these purposes sufficiently high precision on, so that coupling losses can be kept low.

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.For high-data-rate information processing, in a preferred embodiment, one of the light-emitting semiconductor diodes is an optically-downstream light modulator hen, which is adapted to emit the light intensity of the coupled at its input, emitted by the light-emitting semiconductor diode light at its output with time-modulated intensity.

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.According to a second aspect of the invention, the above-mentioned technical problem is solved by methods for producing a silicon-based light-emitting semiconductor diode, comprising the steps:

• a) providing a silicon substrate that either itself forms a first monocrystalline silicon-containing or silicon semiconductor layer of a first conductivity type or contains on a surface,
• b) epitaxially depositing a second silicon-containing semiconductor layer of the first conductivity type on the first semiconductor layer
• c) implanting a dopant in the second semiconductor layer to form a third semiconductor layer of a second conductivity type,

wherein the depositing step and the implanting step are performed so that in the second and third semiconductor layer concentration profiles of Leitdigkeitsdotanden formed that form a single-ended pn junction, such that under operating voltage of the semiconductor diode, a stronger injection of minority carriers from the third to the second semiconductor layer takes place as in the reverse direction, and wherein either the material compositions of the second and third semiconductor layer or the concentration profiles of the conductivity dopant in the first and second semiconductor layer or a combination of these four parameters are set so that in the boundary region of the first and second semiconductor layer under operating voltage of the semiconductor diode Potential barrier is formed, which impedes the transport of minority carriers from the second to the first layer or prevented.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den Vorteilen der erfindungemäßen Licht emittierenden Diode.The Advantages of the method according to the invention arise directly from the advantages of erfindungemäßen light emitting diode.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.following Be exemplary embodiments of inventive method described.

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.at an embodiment is used as the first semiconductor layer either after a Czochralski or silicon wafer produced by a float zone method used. As the first semiconductor layer is preferably a conductivity doped Wafer with a resistivity of 10 ohmxcm used.

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.at Using an epiwafer is typically the deposition of second semiconductor layer takes place already at the manufacturer of the wafer. It can therefore interrupt the production process. An inventive intermediate is therefore due to an epiwafer with a substrate and one on top formed epitaxially deposited second semiconductor layer, the has a low defect density, such that the time constant non-radiative Shockley read-hall recombination in the second Semiconductor layer 10 microseconds or more than 10 microseconds is. This typically reduces the ty in another factory completion of the process according to the invention in this case on the subsequent implantation step.

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.to Production of the third semiconductor layer by implantation becomes in one embodiment the second semiconductor layer before the implantation step with a Coated with litter oxide layer. The choice of material and its Layer thickness is dependent here of the desired Doping profile and the conductivity to be implanted.

Bevorzugte Verfahrensparameter bei der Implantation wurden bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Halbleiterdiode erläutert.preferred Process parameters during implantation have already been related with the description of exemplary embodiments the light of the invention semiconductor diode explained.

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.The internal quantum efficiency of the light emission is in one embodiment particularly high at which the implantation step is a 10-30 minute first Furnace heat treatment (Annealing treatment) in nitrogen atmosphere at a temperature of between 900 and 1100 ° C follows. This heat treatment serves to cure lattice damage, activates dopants and causes a controlled diffusion of dopants. The healing can also a different gas atmosphere respectively.

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.A additional Improvement can be achieved when on the first heat treatment a 20- to 40-minute drive second heat treatment in hydrogen atmosphere (Hydrogen passivation) at a temperature of between 300 ° C and 500 ° C follows.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, Messergebnissen und Simulationen unter Bezugnahme auf die anhängenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:following The invention is based on embodiments, measurement results and simulations explained in more detail with reference to the accompanying figures. It demonstrate:

1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Silizium-Leuchtdiode, 1 a simplified sectional view of an embodiment of a silicon light emitting diode according to the invention,

2 ein schematisches Banddiagramm einer Leuchtdiode mit der Struktur des Ausführungsbeispiels der 1, 2 a schematic band diagram ei ner LED with the structure of the embodiment of the 1 .

3 ein schematisches Banddiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Silizium-Leuchtdiode, 3 a schematic band diagram of a second embodiment of a silicon light-emitting diode,

4 ein schematisches Banddiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels in Form einer Silizium-Germanium-Leuchtdiode mit einer Heterostruktur, 4 FIG. 2 shows a schematic band diagram of a third exemplary embodiment in the form of a silicon germanium light-emitting diode with a heterostructure, FIG.

5 die Temperaturabhängigkeit der Lichtintensität der strahlenden Band-Band-Rekombination in einem Siliziumwafer nach dem Stand der Technik, 5 the temperature dependence of the light intensity of the radiating band-band recombination in a silicon wafer according to the prior art,

6 die Temperaturabhängigkeit der externen Quanteneffizienz der Elektrolumineszenz eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Silizium-Leuchtdiode, 6 the temperature dependence of the external quantum efficiency of the electroluminescence of another embodiment of a silicon light-emitting diode,

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), 7 a comparison of the maximum internal quantum efficiencies of room temperature electroluminescence of various boron implanted p ⁺ n light emitting diodes after either slow oven annealing or rapid thermal anneal (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), 8th a comparison of the maximum internal quantum efficiency of the room temperature electroluminescence of two phosphorus-implanted n ⁺ p light-emitting diodes after either slow oven annealing or rapid thermal annealing (RTA),

9 die Abhängigkeit der Überschussladungsträgerdichte von der Implantationsdosis einer Phosphorimplantation bei einer Flussspannung von 1,2 V, 9 the dependence of the excess charge carrier density on the implantation dose of a phosphorus implantation at a forward voltage of 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 10 the dependence of the internal quantum efficiency on the excess charge carrier concentration for different time constants of the SRH recombination in comparison with experimentally determined values and

11 die Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte von Elektronen und Löchern von der Tiefenposition in einer n⁺-p-Lichtdiode mit einem p⁺-Substrat. 11 the dependence of the charge carrier density of electrons and holes from the depth position in an n ⁺ p light diode with a p ⁺ substrate.

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. 1 shows a first embodiment of a light emitting diode according to the invention 10 , The LED points in an arrow 12 indicated depth direction x a layer sequence of an emitter layer 14 , a base layer 16 and a substrate 18 on. The substrate corresponds to the first semiconductor layer, the base layer of the second semiconductor layer and the emitter layer 14 The third semiconductor layer of claim 1. The substrate is a conventional silicon wafer made, for example, by the Czochralski method. The base layer is an approximately 4 μm thick, epitaxially deposited silicon layer. The base layer is by chemical vapor deposition (CVD) on the (100) -oriented surface of the silicon substrate 18 deposited. Substrate and base layer are n-doped. They have a resistivity of about 10 ohm.cm. The emitter layer 14 and the base layer 16 are first generated in a uniform deposition step. Only by a subsequent implantation step, the emitter layer 14 from the base layer 16 distinguishable. Before implantation, first a 15 nm thick silicon dioxide layer on the emitter layer is first 14 generates the function of a scattering layer in the subsequent implantation step. This layer is in 1 not shown.

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.Light-emitting diodes with the in 1 The structure shown can be produced in various variants, some of which have already been explained above. Hereinafter, further embodiments with reference to 2 to 11 explained.

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. 2 shows a band diagram of an embodiment of a light emitting diode. Plotted are the energy of the valence band maximum E _V , the approximate position of the Fermi energy E _F and the energy E _{C of} the conduction band minimum as a function of the position x corresponding to the in 1 displayed direction.

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.to Fermi Energy is noted to have its implied location in The figures only a rough orientation means. The doping information in the text give the expert a better picture of the actual conditions as the drawn level of Fermi energy. In particular, appears the Fermi level in the second semiconductor layer (base layer) in all figures shifted too far toward the middle of the bandgap. This is alone the inadequacy owed to the graphical representation and has no equivalent in the actual Band structure of the embodiments discussed here.

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.Vertical lines 20 and 22 show the approximate location of the interface 20 between the emitter layer 14 and the base layer 16 as well as the base layer 16 and the substrate 18 on, compare 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.In the embodiment of the 2 it is an n ⁺ p light emitting diode. The n ⁺ -p junction is located near the interface 20 between the emitter and base layers. The schematic band diagram of 2 corresponds approximately to the conditions, as with the help of egg ner Phosphorimplantation be prepared in the base layer. In this way, a phosphorus concentration of about 10 ¹⁹ cm ^-3 arises in the emitter layer. The p-doped base layer 16 has an equilibrium ^{charge carrier} concentration of about 10 ¹⁵ cm ^-3 . For example, boron can be used for p-doping during the epitaxial deposition. The different doping leaves in the in 2 shown equilibrium case, so in the case without externally applied voltage at the n ⁺ -p junction 20 create a parallel step in both the conduction and valence band curves.

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.The substrate 18 is highly p-doped and has, for example, an equilibrium charge carrier concentration in the range of 10 ¹⁸ cm ^-3 to 10 ¹⁹ cm ^-3 . In this way arises at the interface 22 between the substrate and the base layer 16 a high-low transition, which is also reflected in a stepped course of valence and conduction band. The at the interface 22 existing level in conduction band mean for minority carriers of the base layer 16 (Electron) a potential barrier, which impedes the transfer of electrons from the base layer into the substrate. This also applies when an operating voltage is applied in the flow direction of the n ⁺ -p junction at the interface 20 , During operation of the LED of the 2 can therefore be in the base layer 16 a higher electron concentration can be generated than in a structure that does not have a high-to-low transition at the interface 22 and accordingly has a stepless course of valence and conduction band.

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.Due to the very different concentrations of the conductivity dopants in the emitter layer 14 and the base layer 16 be in operation of the light emitting diode of 2 Holes injected in high concentration into the base layer. The high excess concentration of both types of charge carriers in the base layer during operation enables a high rate of radiative recombination and thus a high luminous intensity of the light-emitting diode. The focus of the light emission lies in the area near the n ⁺ -p junction at the interface 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. 3 shows as an alternative to the embodiment of 2 a light emitting diode in which at the interface between the emitter layer 14 and the base layer 16 a p ⁺ -n junction is formed. The representation of the course of the band edges of valence band and conduction band follows the in 2 selected display type. The in 3 smaller energy gap between the upper edge of the valence band and the lower edge of the conduction band is irrelevant. In the embodiment of 3 can as in the embodiment of 2 Silicon can be used as the base material of the light-emitting diode. In contrast to the embodiment of 2 the emitter layer is heavily p-doped here. A p-doping is carried out with boron by implantation. After implantation follows as in the embodiment of 2 a heat treatment at 1000 ° C in a nitrogen atmosphere over 20 minutes and then a further heat treatment in a hydrogen atmosphere at 400 ° C for 30 minutes. The dopant concentration in the emitter layer 14 is about 10 ¹⁹ cm ^-3 . In the base layer 16 which is weakly n-doped with phosphorus, it is about 10 ¹⁴ -10 ¹⁵ cm ^-3 . The phosphorus doping in the base layer can be achieved during epitaxial deposition by adding a phosphorus-containing reaction gas. The substrate 18 is heavily n-doped with a dopant concentration of about 10 ¹⁸ -10 ¹⁹ cm ^-3 . Substrate and epi layers 14 and 16 have a resistivity of about 10 ohm.cm.

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.It is noted that both in the embodiment of 2 as well as in the embodiment of 3 After the second heat treatment, crystal defects can be observed which can be detected predominantly in the deep region of the maximum dopant concentration of the emitter layer. It has been observed that the defect density is higher for larger implant doses.

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.The operation of the light emitting diode of 3 corresponds to that of the embodiment of 2 , However, due to the reverse doping ratios in the present embodiment, holes form the minority carriers in the base layer. With polarity of the p ⁺ -n junction at the interface 20 In the flow direction holes are injected in high concentration from the emitter layer in the base layer. Near the p ⁺ -n junction 20 As a result, a high excess carrier concentration of both holes and electrons arises. Due to the very low probability of non-radiative recombination processes, the charge carriers in the base layer have a long service life. This promotes radiative recombination, which results in the structure of 3 is therefore particularly pronounced. The outflow of minority carriers, ie holes from the base layer 16 becomes, as in the example of the figure, a high-low transition at the interface 22 prevented. The energy level at the transition from the base layer, which is too low with the depth direction x, leads 16 to the substrate 18 represents an energy barrier for holes.

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. 4 shows a further embodiment of a light emitting diode, based on the structure of the light emitting diode 10 of the 1 based. In contrast to the previous embodiments, the emitter layer 14 and the base layer 16 in the present embodiment of doped silicon germanium. The substrate 18 consists of silicon. The Ver conditions at the interface 20 between emitter and base layer are not fundamentally changed by the other material composition of these layers. Silicon germanium can also be deposited in high crystalline purity. Also in the base layer 16 the LED of the 4 Therefore, a particularly high time constant τ _SRH SRH recombination can be achieved. Furthermore, by appropriate selection of the dopant concentrations in the emitter layer and in the base layer, a strong charge carrier injection during operation of the light-emitting diode can be generated, which for a high radiative recombination near the p ⁺ -n junction 20 provides.

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.In contrast to the embodiment of 3 becomes the energy barrier for holes at the transition 22 from the base layer 16 in the substrate 18 in the present case not caused by a particularly different doping, but by the adjusting itself at the heterojunction of silicon germanium and silicon band profile. Silicon is known to have a higher bandgap than silicon 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.The use of silicon germanium in the base layer therefore has the further advantage that the wavelength of the light emission is shifted to lower energy, corresponding to higher wavelengths. In this way, the spectral range of 1.3 μm or 1.5, which is particularly interesting for optical signal processing, can be achieved. When epitaxially depositing the silicon-germanium layer on the substrate, however, it must be taken into account that above a critical layer thickness in the silicon-germanium crystal, defects occur which are due to the strain of the initially epitaxially growing silicon germanium layer. Essential for a high luminous efficacy is that the crystal defects do not pass through the entire base layer until the pn junction 20 but only near the interface 22 occur to the substrate. A conceivable measure for reducing the lattice strain and thus the defect density is the additional incorporation of carbon, at least into substrate-near regions of the base layer 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. 5 FIG. 14 is a graph showing the temperature dependence of the integrated luminescence intensity of band-band recombination in a conventional silicon wafer manufactured by the Czochralski method. The luminescence intensity is plotted logarithmically in arbitrary units on the ordinate. The temperature is plotted linearly on the abscissa in Kelvin. The measuring points entered in the form of diamonds show that the luminescence decreases markedly with increasing temperature and becomes weaker by a factor of 50 in the range between 80 K and 300 K. The intensity curve with increasing temperature can be found in the logarithmic representation of 5 to approximate by a straight line, the dashed line 30 is drawn. 5 shows that in conventional silicon material a room-temperature-efficient band-band recombination is not achievable.

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.In contrast, in a light-emitting diode according to the invention, a band-band recombination can be observed whose efficiency increases significantly with increasing temperature. 6 shows a diagram 32 in which the internal quantum efficiency of the band-band recombination of an n ⁺ p-type semiconductor diode, which is poled in the flow direction. The internal quantum efficiency increases from a temperature of about 80 K and a temperature of 300 K from about 0.05 to a value of about 0.8%. This corresponds to an increase of the internal quantum efficiency by a factor of 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.The diagram 32 of the 6 contains an inserted diagram 34 which compares electroluminescence spectra of the same n ⁺ p-type semiconductor diode at 80K and at 300K. The intensity of electroluminescence is plotted on the ordinate in any linear units. The abscissa shows the photon energy of the emitted light in electron volts (eV). A dashed line 36 represents the electroluminescence spectrum at 300 K, while a solid line 38 represents the electroluminescence spectrum at a temperature of 80K. The in the diagram 34 reproduced intensity ratio between the spectra 36 and 38 corresponds to the actual conditions. At a temperature of 80 K, the spectrum shows 38 a light emission around 0.98 eV, known in the art as D4 luminescence. This is a luminescence caused by defects. At an energy of about 1.1 eV, a further emission structure is evident, which due to its energy position and the measured temperature behavior is clearly attributable to phonon-assisted band-band recombination. The spectrum 36 shows that this band-band recombination gains strong intensity in the temperature range up to 300 K and even forms the dominating luminescence at 300 K. The shift in the maximum of the band-band luminescence BB observable over the spectrum at 80 K corresponds to the known reduction in the band gap of the silicon with increasing temperature.

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.A comparison of 5 and 6 shows that in conventional silicon, the efficiency of the radiating band-band recombination decreases sharply with increasing temperature, while in the light-emitting semiconductor diode according to the invention increases strongly with increasing temperature efficiency.

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.The 7 and 8th Figure 12 shows bar graphs comparing the internal quantum efficiencies of band-band electroluminescence of different embodiments of light-emitting semiconductor diodes at room temperature. In 7 the internal quantum coefficients of nine different embodiments are shown, all of which have a boron p-doped emitter layer 14 exhibit. The nine embodiments are divided from left to right into three groups. bar 40 - 46 indicate the value of the internal quantum efficiency measured on embodiments implanting boron at an implantation energy of 240 keV. The bars 48 - 54 indicate the quantum efficiency of embodiments in which boron is used to make the emitter layer 14 was implanted with an energy of 50 keV. Finally, the bar shows 56 the internal quantum efficiency of an embodiment in which boron was implanted with an energy of 30 keV. In each case two further parameters were varied in the first two groups. On the one hand, two different values of the implantation dose were set. Measurements of embodiments with a boron implantation dose of 2 × 10 ¹² cm ^-2 are by unshaded beams 40 . 44 . 48 and 52 displayed. The quantum efficiencies of embodiments with a boron implantation dose of 2 × 10 ¹⁴ cm ^-2 are indicated by cross-hatched bars 42 . 46 . 50 and 54 displayed. Finally, the quantum efficiency of an embodiment having a boron implantation dose of 1 × 10 ¹⁵ cm ^{-2 is} through a longitudinally hatched beam 56 displayed. As a further parameter of the production, the thermal annealing process was varied. The bars 40 and 42 show embodiments that have been heat treated with a rapid thermal annealing (RTA) step at a temperature of 1040 ° C for 10 seconds in a nitrogen atmosphere. The same goes for the bars 48 and 50 , The bars 44 . 46 . 52 . 54 and 56 on the other hand, show the internal quantum efficiencies of embodiments heat treated at 1000 ° C for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. All embodiments were given a final heat treatment at 400 ° C in a hydrogen atmosphere over 30 minutes.

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.From the measured values 40 - 56 On the one hand, it can be concluded that the quantum efficiency increases with decreasing implantation energy. This shows a comparison of the embodiments of the first two groups produced under the same conditions 40 - 54 , For example, the quantum efficiency of a furnace-treated light emitter treated with boron at an energy of 50 keV (Messbalken 54 ) higher than the quantum efficiency of a similarly treated light emitter in which boron was implanted at an energy of 240 keV. Furthermore, an increase in quantum efficiency is detectable with an increase in the implantation dose. Always the crosshatched bars 42 . 46 . 50 and 54 the quantum efficiency of embodiments with an implantation dose of 2 × 10 ¹⁴ cm ^-2 higher than the quantum efficiencies of the embodiments otherwise produced under identical conditions by the unshaded beams 40 . 44 . 48 and 52 are displayed. Finally, it turns out that a longer thermal heat treatment at 1000 ° C in a nitrogen atmosphere brings a higher quantum efficiency than a fast thermal anneal.

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.Among the embodiments with p-doped emitter layer 14 the best result was obtained, namely an internal quantum efficiency of band-band recombination of 1.5% in implantation with boron with an implantation energy of 30 keV and an implantation dose of 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 , this light emitter following the implantation was subjected to a 30 minute thermal oven annealing step at 1000 ° C in a nitrogen atmosphere. It is to be expected that with further increased implantation doses and reduced implantation energies even better values of internal quantum efficiency can be achieved.

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.The bar chart of the 8th confirms that 7 also drawn in the case of embodiments with an n-doped emitter layer 14 , The bar chart of the 8th shows four measurement results 58 - 64 , The measurement results 58 and 60 were measured on embodiments prepared with phosphorus in a dose of 4 × 10 ¹⁴ cm ^-2 at an implantation energy of 500 keV. The measurement results 62 and 64 were determined in embodiments in which phosphorus was implanted at a lower dose of 4 × 10 ¹³ cm ^-2 at a lower implantation energy of 135 keV. A comparison of these two groups shows that the reduction of the implantation energy and the implantation dose has a positive effect on the internal quantum efficiency. Furthermore, the comparison of internal quantum efficiencies shows 58 and 60 such as 62 and 64 in that even with semiconductor diodes with an n ⁺ -p junction, prolonged thermal annealing in an oven for 30 minutes at 1000 ° C in a nitrogen atmosphere produces better quantum efficiency values than a fast thermal anneal process. That the reading 64 associated embodiment has an internal quantum efficiency of about 1.7%. Here, too, it can be expected that higher quantum efficiency values can be achieved by further reducing the implantation energy. With regard to the optimal implantation dose, the 8th no clear indications are taken. However, it is believed that an increased dose in conjunction with a reduced implant energy will increase the efficiency of light emission at 300K can increase to levels of 5%.

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. 9 shows in a diagram the excess charge carrier density Δn in units of cm ^-3 as a function of the phosphorus implantation dose in the range between 10 ¹³ and 5 × 10 ¹⁴ cm ^-2 . There are two calculated curves 66 and 68 played. The curve marked by a solid line 66 shows the dependence of the excess carrier density on the implantation dose in the case of slow annealing in an oven under the above conditions. The curve marked with a dashed line 68 shows the dependence of the excess charge carrier density Δn on the implantation dose in the case of a rapid thermal annealing step. For the calculations of the curves 66 and 68 the following parameters were used: The implantation energy of phosphorus is 135 keV. The forward voltage of the n ⁺ -p diode is 1.2 V. The substrate has a (100) orientation and contains a conductivity doping with boron in a concentration of 5 × 10 ¹⁴ cm ^-3 . Finally, the temperature used in the calculations is 300 K. The curves 66 and 68 are two, also calculated data points determined at an implantation energy of 500 keV 70 and 72 compared. The data point 70 shows the excess carrier density Δn at an implantation dose of 4 × 10 ¹⁴ cm ^-2 in the case of a slow annealing step. The data point 72 shows the excess carrier density Δn for the case of rapid annealing. The illustrated curves 66 and 68 clearly show that the excess charge carrier density increases with the implantation dose. In this case, the values of the excess charge carrier density in the case of slow annealing in the furnace are always higher than those achievable in the case of a rapid thermal annealing process. The data points 70 and 72 show, moreover, that with an implantation energy of 500 keV lower excess carrier densities are achieved than with an implantation energy of 135 keV. In the 9 The curves and data points shown were determined using a commercially available ISETCAD process and component simulator.

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. 10 shows in a diagram the dependence of the internal quantum efficiency η _internal of the excess charge carrier density Δn. Three curves in the diagram 74 . 76 and 78 show the dependence of the internal quantum efficiency at three predefined values of the SRH time constants τ _SRH . The curve 74 was determined for τ _SRH = 10 μs, the curve 76 for τ _SRH = 100 μs and the curve 78 for τ _SRH = 1 ms. The curves 74 - 78 were calculated using the equation η _i = R _BB / (R _SH + R _BB + R _Auger ). The curves 74 - 78 show that the internal quantum efficiency increases with increasing time constant of the SRH recombination, but there are hardly any differences in the region of an excess charge carrier density of more than 10 ¹⁸ cm ^-3 . This is related to the increase in nonradiative Auger recombination, which is proportional to Δn ³ , see above. The curves 74 - 78 continue to show that the achievable maximum quantum efficiency for lower time constant τ _{SRH is} at higher values of the charge carrier excess _{concentration} . Thus, with a time constant τ _SRH of 10 μs, the maximum of the quantum efficiency is reached at an excess charge carrier density of approximately 10 ¹⁸ cm ^-3 , while at a time constant τ _SRH of 1 ms it is already reached in the region of an excess charge carrier _density of 10 ¹⁷ cm ^-3 .

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.In the diagram of 10 are still data points 80 - 88 registered, which are achieved with various embodiments of light emitters according to the invention. The values of the excess charge carrier concentration in the base layer on which the measurement points are based were determined with the aid of 9 calculated calculation method. The data points show that in a process according to the invention with a phosphorus implantation energy of 135 keV a time constant τ _SRH of about 30 μs is to be used. The excess charge carrier densities achievable with oven annealing are like the measurement points marked accordingly with the capital letter "F" 84 and 86 greater than the fast embrittlement achievable excess charge carrier densities passing through the data points 80 and 82 are displayed. For comparison, a data point 88 drawn from the work of Ng et al. results.

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. 11 shows in a diagram the carrier density as a function of the position x in an embodiment that the basis of 2 corresponds explained structure. Plotted are the carrier densities of holes (dashed curves) at different forward voltages between 0 V and 2 V as well as the carrier density of electrons at the same operating voltages (solid lines) at different values of the forward voltage. The respective type of charge carrier and operating voltage is indicated on each curve. The structure of the embodiment of 11 has a heavily n-doped emitter layer 14 on whose charge carrier density in the equilibrium case, ie at an operating voltage of 0 V, 10 ¹⁹ cm ^-3 . The weakly p-doped epitaxial base layer 16 has a charge carrier concentration of just under 10 ¹⁵ cm ^-3 in the equilibrium state at a sufficient distance from the pn junction at the interface 20 , The p ⁺ substrate 18 has a hole concentration of about 10 ¹⁹ cm ^-3 in the equilibrium state.

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.The dependence of the charge carrier density on the position x was determined by means of a simulation program). Essential result is that with the help of the high-low transition at the interface 22 can be achieved at operating voltages of only 1.2-2 V, a carrier concentration of both electrons and holes in the range of 10 ¹⁸ cm ^-3 . Comparison simulations in which no high-low transition is present, but the base layer 16 Continues into the depth continuously, show that there at a voltage of 1.2 V, only a charge carrier density of electrons and holes in the range of 10 ¹⁷ cm ^-3 can be achieved. The with the help of the high-low transition at the interface 22 The potential barrier for minority charge carriers generated in the semiconductor diodes according to the invention thus ensures an increase in the charge carrier density of both charge carrier types far beyond the equilibrium charge carrier density of the majority charge carriers, and thus enables efficient radiant recombination in the base layer.

Claims (39)

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.Light-emitting semiconductor diode having a first silicon-containing or silicon semiconductor layer of a first conductivity type, an adjacent second silicon-containing or silicon semiconductor layer of the first conductivity type and with a third silicon-containing or silicon semiconductor layer a second conductivity type, at the light emission under operating voltage by a band-band recombination free charge carrier is caused in which the second semiconductor layer is a has low defect density, such that the time constant non-radiative Shockley read-hall recombination 10 Microseconds or more than 10 microseconds, at the second and the third semiconductor layer concentration profiles have conductivity dopants, the one unbalanced pn junction between of the second and third semiconductor layers, thus, that under a voltage applied in the direction of the diode operating voltage a more Injection of minority carriers of the third takes place in the second semiconductor layer as in reverse Direction, and where either the concentration profiles of the conductivity dopant in the first and second semiconductor layers or the material compositions the first and second semiconductor layer or a combination of these four parameters are chosen that under operating voltage in the boundary region of the first and second Semiconductor layer is formed a potential barrier, which is a Movement of minority carriers of the second in the first semiconductor layer difficult or prevented. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, bei der die zweite Halbleiterschicht eine auf der ersten Halbleiterschicht epitaktisch abgeschiedene Halbleiterschicht ist.Light-emitting semiconductor diode according to claim 1, wherein the second semiconductor layer on the first semiconductor layer is epitaxially deposited semiconductor layer. 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.A semiconductor light emitting diode according to any one of the preceding claims, wherein the second semiconductor layer has a concentration of conductivity dopants between 10 ¹³ cm ^-3 and 10 ¹⁶ cm ^-3 . Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Halbleiterschicht eine Dicke von zwischen 1 und 5 μm hat.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the second semiconductor layer has a thickness of between 1 and 5 microns has. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Halbleiterschicht eine Dicke von etwa 4 μm hat.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the second semiconductor layer has a thickness of about 4 μm. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the third semiconductor layer has a thickness of either 25% or less than 25% of the thickness of the second semiconductor layer having. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht eine Dicke von 1 μm oder weniger als 1 μm hat.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the third semiconductor layer has a thickness of 1 μm or less than 1 μm Has. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, in which the second and the third semiconductor layer respectively Concentration profile of conductivity dopants have such that under operating voltage of the semiconductor diode, the Carrier density from both majority carriers as also minority carriers in one Area of the second semiconductor layer near the third semiconductor layer is larger as the equilibrium charge carrier density the majority carrier of second semiconductor layer. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, in which the second and the third semiconductor layer respectively Concentration profile of conductivity dopants have such that under operating voltage of the semiconductor diode, the Carrier density from both majority carriers as also minority carriers in one Area of the second semiconductor layer near the third semiconductor layer by a factor of 10 to 100 greater than the equilibrium charge carrier density the majority carrier of second semiconductor layer. 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.A semiconductor light emitting diode according to any one of the preceding claims, wherein the third semiconductor layer has conductivity dopants in a concentration of 10 ¹⁹ cm ^-3 or more than 10 ¹⁹ cm ^-3 . 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.Light-emitting semiconductor diode after egg The foregoing claims, wherein the third semiconductor layer has a concentration profile of conductivity doping formed by implanting conductivity dopants at a dose between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and several 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy of between 30 and 500 keV. 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.A semiconductor light emitting diode according to any one of the preceding claims, wherein the third semiconductor layer is n-doped and has a conductivity doping concentration profile formed by implanting conductivity dopants at a dose of between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and several 10 ¹⁵ cm ^-2 in a Implantation energy between 80 and 500 keV arises. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die dritte Halbleiterschicht mit Phosphor n-dotiert ist.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the third semiconductor layer is n-doped with phosphorus. 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.A semiconductor light emitting diode according to any one of the preceding claims, wherein said third semiconductor layer has a conductivity profile doping concentration profile formed by implanting a phosphorus dose of some 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy of about 80 keV. 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.A semiconductor light emitting diode according to any one of the preceding claims other than claims 13 and 14, wherein said third semiconductor layer is p-doped and has a conductivity doping concentration profile formed by implanting conductivity dopants at a dose between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and a few tens ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy between 30 and 150 keV is formed. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche außer den Ansprüchen 13 und 14, bei der die dritte Halbleiterschicht mit Bor p-dotiert ist.Light-emitting semiconductor diode according to one of preceding claims except the claims 13 and 14, in which the third semiconductor layer p-doped with boron is. 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.A semiconductor light emitting diode according to any one of the preceding claims other than claims 13 and 14, wherein said third semiconductor layer has a concentration profile of conductivity doping formed by implanting a boron dose of between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and several 10 ¹⁵ cm ^-2 an implantation energy of 30 to 50 keV is formed. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of claims 8 to 17 showing a concentration profile of the conductivity dopants in the third Semiconductor layer, which by a after implantation for 10-30 minutes heat treatment in nitrogen atmosphere produced at a temperature of between 900 and 1100 ° C. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, in which either the second semiconductor layer or the second and third semiconductor layer of a silicon-germanium alloy consists. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste Halbleiterschicht dieselbe Materialzusammensetzung hat wie die zweite Halbleiterschicht.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, in which the first semiconductor layer has the same material composition has like the second semiconductor layer. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste Halbleiterschicht von einem Wafer oder einem Waferabschnitt gebildet wird.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the first semiconductor layer is from a wafer or a wafer section is formed. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the first, second or third semiconductor layer respectively either doped silicon or doped silicon germanium consist. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of preceding claims except Claim 20, wherein the second semiconductor layer is either doped Silicon or a doped silicon germanium alloy, and wherein the first semiconductor layer is a different material composition as the second semiconductor layer, such that the second and the first semiconductor layer has a heterostructure with a potential barrier for the Minority carriers transfer from the second to the first semiconductor layer. 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.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the second semiconductor layer is less heavily doped than the first semiconductor layer, such that in the border region between the second and the first Semiconductor layer, the location-dependent Profile of the energy of the conduction band minimum or the valence band maximum as a function of position in transition from the second to the first semiconductor layer, a potential barrier for the Minority carriers transfer from the second into the first semiconductor layer. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Halbleiterschicht eine höhere Konzentration von Leitfähigkeitsdotanden aufweist als die zweite Halbleiterschicht.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, wherein the first semiconductor layer has a higher concentration of conductivity dopants has as the second semiconductor layer. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Leuchtdiode oder als Laserdiode.Light-emitting semiconductor diode according to one of previous claims, characterized by a design as a light emitting diode or as a laser diode. Halbleiterbauelement mit einer oder mehreren darin integrierten Licht emittierenden Halbleiterdioden nach einem der vorstehenden Ansprüche.Semiconductor device having one or more therein integrated light-emitting semiconductor diodes according to one of preceding claims. 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.Semiconductor component according to Claim 27, having a the light-emitting semiconductor diode optically downstream Light modulator, which is adapted to the light intensity of the its input coupled from the light-emitting semiconductor diode emitted light at its output with temporally modulated intensity. 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.Process for making a silicon-based Light-emitting semiconductor diode, comprising the steps: a) Providing a silicon substrate that is a first monocrystalline silicon-containing or silicon semiconductor layer of a first conductivity type either self-forming or containing on a surface, b) Epitaxial deposition a second silicon-containing semiconductor layer of the first conductivity type on the first semiconductor layer c) implanting a dopant in the second semiconductor layer for forming a third semiconductor layer a second conductivity type, in which the deposition step and the implantation step are carried out in such a way that in the second and third semiconductor layer concentration profiles of Leitfähigkeitsdotanden arise, which form an asymmetric pn junction, such that under operating voltage of Halbleiterdi ode a stronger injection of minority carriers of the third takes place in the second semiconductor layer as in reverse Direction, and where either the material compositions the second and third semiconductor layers or the concentration profiles of the conductivity dopant in the first and second semiconductor layers or a combination These four parameters are set to be in the limit range the first and second semiconductor layer under operating voltage the semiconductor diode is formed a potential barrier, which a transport of minority carriers of the second in the first layer difficult or prevented. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem als erste Halbleiterschicht ein entweder nach einem Czochralski- oder nach einem Float-Zone-Verfahren hergestellter Siliziumwafer verwendet wird.The method of claim 29, wherein as the first semiconductor layer a manufactured according to either a Czochralski or after a float zone process Silicon wafer is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 und 30, bei dem als erste Halbleiterschicht ein Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohmxcm verwendet wird.Method according to one of Claims 29 and 30, in which first semiconductor layer is a wafer having a specific resistance of 10 ohmxcm is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei dem die zweite Halbleiterschicht vor dem Implantationsschritt mit einer Streuoxidschicht beschichtet wird.A method according to any one of claims 29 to 31, wherein the second semiconductor layer before the implantation step with a Litter layer is coated. 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.A method according to any one of claims 29 to 32, wherein the implanting step of forming the third semiconductor layer is performed with a dose of conductivity dopants between 1 x 10 ¹⁴ cm ^-2 and several 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy between 30 and 500 keV. 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.The method of any of claims 29 to 33, wherein the implanting step of forming an n-doped third semiconductor layer by implanting conductivity dopants at a dose between 1 x 10 ¹⁴ cm ^-2 and a few 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy between 80 and 500 keV is performed. 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.The method of any one of claims 29 to 34, wherein the implanting step of producing an n-doped third semiconductor layer by implanting a phosphorus dose of between 1 x 10 ¹⁴ cm ^-2 and several 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy of between 80 and 135 keV is performed. 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.The method of any one of claims 29 to 35, wherein the implanting step of producing a p-doped third semiconductor layer by implantation of conductivity dopants at a dose between 1 × 10 ¹⁴ cm ^-2 and some 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy of between 30 and 150 keV is performed. 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.The method of any one of claims 29 to 34, wherein the implanting step of producing a p-doped third semiconductor layer by implanting a boron dose between 1 x 10 ¹⁴ cm ^-2 and several 10 ¹⁵ cm ^-2 at an implantation energy of either 50 keV or less than 50 keV is performed. 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.A method according to any one of claims 29 to 37, wherein the implantation step, a 10 to 30 minute first oven heat treatment in nitrogen atmosphere at a temperature of between 900 and 1100 ° C follows. 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.A method according to any one of claims 29 to 38, wherein the first heat treatment a 20- to 40-minute drive second heat treatment in hydrogen atmosphere at a temperature of between 300 ° C and 500 ° C follows.