DE102005052582A1 - Silicon-based light emitter has luminescent middle layer between contacts with additional dielectric protective layers on its boundaries with these layers - Google Patents

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    • H05B33/12—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces
    • H05B33/22—Light sources with substantially two-dimensional radiating surfaces characterised by the chemical or physical composition or the arrangement of auxiliary dielectric or reflective layers

Abstract

A silicon-based light emitter comprises a front metal contact (6), a luminescent middle isolation layer (5) and a rear side conductive contact layer with at least one additional dielectric protective layer on one or both boundaries of the isolation layer. Preferably the rear contact layer comprises a semiconductor (MIS) structure or a metal (MIM) structure. Preferably the luminescent layer is formed by ion beam implantation of group IV elements.

Description

Die Erfindung betrifft den verbesserten Aufbau eines Si-basierten Lichtemitters auf der Basis einer MIS (Metall – Isolator – Halbleiter) Struktur (mit MOS als Sonderform für SiO2 als Isolator) oder MIM (Metall – Isolator – Metall) Struktur. Zur Erhöhung von Lebensdauer und Stabilität werden in den Aufbau dielektrische Schutzschichten eingefügt.The invention relates to the improved structure of an Si-based light emitter based on an MIS (metal-insulator-semiconductor) structure (with MOS as a special form for SiO 2 as insulator) or MIM (metal-insulator-metal) structure. To increase durability and stability, dielectric protective layers are incorporated in the structure.

Si-basierte Lichtemitter [L. Rebohle et al., Appl. Phys. B 71 (2000) 131] gewinnen zunehmend an Bedeutung für die Integration optischer und elektrischer Funktionen auf einem Chip. Potentielle Anwendungen reichen dabei von der Entwicklung integrierter Optokoppler [ DE 100 11 258.7 ] über miniaturisierte Sensoren bis hin zu Lichtemitterarrays für die Fluoreszenzanalyse biochemischer Analyten [ DE 101 30 568.0 ].Si-based light emitter [L. Rebohle et al., Appl. Phys. B 71 (2000) 131] are becoming increasingly important for the integration of optical and electrical functions on a chip. Potential applications range from the development of integrated optocouplers [ DE 100 11 258.7 ] via miniaturized sensors to light emitter arrays for the fluorescence analysis of biochemical analytes [ DE 101 30 568.0 ].

Si-basierte Lichtemitter zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit den herkömmlichen Methoden der Si-Technologie monolithisch auf Si prozessiert werden können. Im Gegensatz zu Lichtemittern auf der Basis von Verbindungshalbleitern müssen Si-basierte Lichtemitter nicht separat hergestellt und nicht mittels einer Hybridtechnologie aufwendig mit integrierten Schaltungen verbunden werden.Si-based Light emitters are characterized by the fact that they are compatible with the conventional ones Methods of Si technology are monolithically processed on Si can. In contrast to light emitters based on compound semiconductors need Si-based Light emitter not manufactured separately and not by means of a hybrid technology consuming connected with integrated circuits.

Der Si-basierte Lichtemitter besteht im engeren Sinne aus einer MIS oder MIM-Struktur, bei der unter Anlegung einer elektrischen Spannung Ladungsträger vom Metall oder vom Halbleiter in den Isolator injiziert werden. Der Isolator ist durch vorangegangene Prozessschritte derart modifiziert, dass sich in ihm oder an den Grenzflächen zum Metall bzw. dem Halbleiter Lumineszenzzentren befinden. Die Ladungsträger werden im Isolator unter dem Einfluss des elektrischen Feldes in Richtung Gegenelektrode beschleunigt und transferieren einen Teil der gewonnenen kinetischen Energie durch Stoßanregung auf die Lumineszenzzentren, die dadurch in einen angeregten Zustand übergehen. Die Lumineszenzzentren kehren dann unter Aussendung eines Photons in den Grundzustand zurück.Of the Si-based light emitter consists in the narrower sense of an MIS or MIM structure, when under application of an electrical voltage charge carriers from Metal or injected from the semiconductor in the insulator. Of the Insulator is modified by previous process steps in such a way that in it or at the interfaces to the metal or the semiconductor Luminescence centers are located. The charge carriers are submerged in the insulator the influence of the electric field in the direction of the counter electrode accelerates and transfers part of the kinetic Energy through shock stimulation to the luminescence centers, which thereby change into an excited state. The luminescence centers then turn on emission of a photon back to the ground state.

Diese Wirkungsweise ist fundamental verschieden von der Wirkungsweise von Lichtemitterdioden (LED) auf der Basis von Verbindungshalbleitern oder organischen Materialien (OLED). Bei einer LED werden Ladungsträger unterschiedlicher Polarität (i.d.R. negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher) von beiden Elektroden in die Struktur injiziert, und die Lumineszenz wird direkt durch die Rekombination beider Ladungsträgerarten in der Rekombinationszone erzeugt. Im Gegensatz dazu wird bei Si-basierten Lichtemittern im wesentlichen nur eine Ladungsträgerart (vorwiegend Elektronen) injiziert, die die Lumineszenzzentren elektrisch anregt. Weiterhin wird die Lumineszenz nicht durch Ladungsträgerrekombination, sondern durch die optische Abregung der zuvor elektrisch angeregten Lumineszenzzentren bewirkt. Eine Umpolung der angelegten Spannung an den Si-basierten Lichtemitter führt dazu, dass die selbe Ladungsträgerart jetzt von der Gegenelektrode aus injiziert wird. Bei asymmetrischem Schichtaufbau ist mit einer Verschiebung der Leistungsparameter zu rechnen. Eine mögliche Injektion von Ladungsträgern umgekehrter Polarität von der entsprechenden Gegenelektrode mit geringerer Intensität spielt für die Wirkungsweise keine Rolle, kann aber zu einer weiteren Modifikation der Leistungsparameter führen.These Mode of action is fundamentally different from the mode of action of light emitting diodes (LED) based on compound semiconductors or organic materials (OLED). With an LED, charge carriers become more different Polarity (i.d.R. negatively charged electrons and positively charged holes) of both electrodes are injected into the structure, and the luminescence becomes directly through the recombination of both types of charge carriers produced in the recombination zone. In contrast, with Si-based light emitters essentially only one type of charge carrier (predominantly electrons) injected, which electrically excites the luminescence. Farther The luminescence is not by charge carrier recombination, but by the optical excitation of the previously electrically excited luminescence causes. A polarity reversal of the applied voltage to the Si-based Light emitter leads to that the same type of charge carrier now injected from the counter electrode. In asymmetric Layer construction is associated with a shift in performance parameters to count. A possible Injection of charge carriers reverse polarity of the corresponding counter electrode plays with less intensity for the Mode of action does not matter, but can be a further modification the performance parameters lead.

Um bei einem Si-basierten Lichtemitter einen nennenswerten Stromfluss zur Erzeugung von Licht zu erreichen, ist es notwendig, eine Spannung in der Nähe der Durchbruchsspannung des Isolators anzulegen. Ein Teil der injizierten und beschleunigten Ladungsträger erreicht die Gegenelektrode mit einer hinreichend hohen kinetischen Energie. Beim Auftreffen auf die Grenzfläche kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Defekten, die im geladenen Zustand die Injektionsbarriere erniedrigen können. Beim Durchbruch tritt ein positiver Rückkopplungseffekt auf. An einer lokalen Stelle der Grenzfläche kommt es zu einer Defekthäufung, die zur Erniedrigung der Injektionsbarriere führt. Unter Konstantspannung erhöht sich die Anzahl der injizierten Ladungsträger, was wiederum eine Erhöhung der Defektdichte an der Grenzfläche nach sich zieht. Dieser selbstverstärkende Prozess führt letztendlich zu einem lokalen irreversiblen Durchbruchskanal, der den gesamten Stromfluss in sich bündelt und den Lichtemitter zerstört. Bei für Anwendungen typischen Stromdichten im Bereich 10–3 bis 10–2 Acm–2 liegt die Lebensdauer daher im Bereich weniger Minuten.In order to achieve a significant current flow for generating light in an Si-based light emitter, it is necessary to apply a voltage in the vicinity of the breakdown voltage of the insulator. Part of the injected and accelerated charge carriers reaches the counterelectrode with a sufficiently high kinetic energy. When hitting the interface, it is very likely to form defects that can lower the injection barrier in the charged state. When breakthrough, a positive feedback effect occurs. At a local site of the interface, a defect accumulation occurs which leads to a lowering of the injection barrier. Constant voltage increases the number of charge carriers injected, which in turn leads to an increase in the defect density at the interface. This self-reinforcing process ultimately leads to a local irreversible breakthrough channel, which bundles the entire current flow and destroys the light emitter. With typical current densities in the range of 10 -3 to 10 -2 Acm -2 for applications, the lifetime is therefore in the range of a few minutes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lebensdauer und Stabilität eines Si-basierten Lichtemitters zu verbessern.Of the Invention is based on the object life and stability of a Si-based light emitter to improve.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die zusätzliche Einführung dielektrischer Schutzschichten in den vorhandenen Schichtaufbau gelöst. Diese Schutzschichten werden zwischen Metall und Isolator bzw. Halbleiter und Isolator eingebracht. Dabei ist sowohl ein einseitiger Aufbau mit einer dielektrischen Schutzschicht als auch ein zweiseitiger Aufbau mit einer dielektrischen Schutzschicht zwischen jeder Elektrode und dem Isolator denkbar. Design- und Materialparameter der Schutzschichten werden dabei so gewählt, dass die Funktion des Lichtemitters nicht beeinträchtigt wird. Durch die zusätzliche Einführung dielektrischer Schutzschichten wird der weiter oben beschriebene Degradationsprozess vermieden bzw. in seiner Intensität stark reduziert. Gleiches gilt für weitere Degradationsprozesse wie z.B. Band-zu-Band Anregungen hochenergetischer Ladungsträger, die parallel mit dem oben beschriebenen Prozess auftreten können.The object is achieved by the additional introduction of dielectric protective layers in the existing layer structure. These protective layers are introduced between metal and insulator or semiconductor and insulator. In this case, both a one-sided structure with a dielectric protective layer and a two-sided structure with a dielectric protective layer between each electrode and the insulator are conceivable. Design and material parameters of the protective layers are chosen so that the function of the light emitter is not impaired. The additional introduction of dielectric protective layers avoids the degradation process described above greatly reduced in intensity. The same applies to further degradation processes such as band-to-band excitations of high-energy charge carriers, which can occur in parallel with the process described above.

Die Einführung einer derartigen dielektrischen Schutzschicht erhöht die Lebensdauer des Lichtemitters um bis zu zwei Größenordnungen, die damit bei für Anwendungen typischen Stromdichten im Bereich 10–3 bis 10–2 Acm–2 Werte bis zu einigen Tagen erreicht.The introduction of such a dielectric protective layer increases the lifetime of the light emitter by up to two orders of magnitude, thus reaching values of up to several days at current densities in the range of 10 -3 to 10 -2 Acm -2 typical for applications.

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen für eine MIS- und eine MIM-Struktur näher erläutert.The The invention will be described below with reference to two exemplary embodiments of a MIS system. and a MIM structure closer explained.

In der zugehörigen Zeichnung zeigenIn the associated Show drawing

1 eine erfindungsgemäße MIS-Struktur mit einer dielektrischen Schutzschicht 1 an inventive MIS structure with a dielectric protective layer

2 eine erfindungsgemäße MIM-Struktur mit zwei dielektrischen Schutzschichten 2 an inventive MIM structure with two dielectric protective layers

Ausführungsbeispiel 1: MIS-Struktur mit einer dielektrischen SchutzschichtEmbodiment 1: MIS structure with a dielectric protective layer

Die Herstellung der Strukturen erfolgt, indem auf einem Si-Wafer 1 in einer Feldoxidumgebung 2 eine dünne SiO2-Schicht 3 (Dicke 10...500 nm) durch thermische Oxidation aufgebracht wird. Diese SiO2-Schicht wird mit Ge+-Ionen mit Peakkonzentrationen von 1...6 at% implantiert und mit einer anschließenden Temperung (1 s...240 min) bei 600...1200°C behandelt. Infolge dieser Behandlung bilden sich Lumineszenzzentren 5 in der implantierten dünnen Oxidschicht 3 heraus. Dann wird mittels PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition) eine SiOxNy-Schicht (10...500 nm) mit x = 0...2 als dielektrische Schutzschicht 4 abgeschieden. Nach einer nochmaligen Temperung wird Indium-Zinnoxid (ITO) als transparenter Metallkontakt 6 abgeschieden. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über eine an den ITO-Kontakt 6 angeschlossene Leitbahn 7 und auf der Waferrückseite über eine Aluminiumbeschichtung 8.Fabrication of the structures is done by placing on a Si wafer 1 in a field oxide environment 2 a thin SiO 2 layer 3 (Thickness 10 ... 500 nm) is applied by thermal oxidation. This SiO 2 layer is implanted with Ge + ions with peak concentrations of 1 ... 6 at% and treated with a subsequent annealing (1 s ... 240 min) at 600 ... 1200 ° C. As a result of this treatment, luminescent centers are formed 5 in the implanted thin oxide layer 3 out. Then, by means of PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition), an SiO x N y layer (10 to 500 nm) with x = 0... 2 as a dielectric protective layer 4 deposited. After repeated heat treatment, indium tin oxide (ITO) becomes a transparent metal contact 6 deposited. The electrical contact is made via a to the ITO contact 6 connected interconnect 7 and on the wafer backside over an aluminum coating 8th ,

11
Si-Substrat (Halbleiter)Si substrate (Semiconductor)
22
FeldoxidumgebungFeldoxidumgebung
33
dünne SiO2-Schicht (Isolator)thin SiO 2 layer (insulator)
44
dielektrische Schutzschichtdielectric protective layer
55
Lumineszenzzentrenluminescence
66
vorderer transparenter Kontakt (Metall)front transparent contact (metal)
77
Leitbahninterconnect
88th
Aluminiumbeschichtungaluminum coating

Ausführungsbeispiel 2: MIM-Struktur mit zwei dielektrischen SchutzschichtenEmbodiment 2: MIM structure with two dielectric protective layers

Die Herstellung der Strukturen erfolgt, indem auf einem Glassubstrat 9, das nur als mechanisches Substrat dient, ein Pt-Kontakt 10 abgeschieden und lithographiert wird. Auf diesem wird eine untere SiOxNy-Schicht (10...500 nm) mit x = 0...2 als dielektrische Schutzschicht 11 sowie eine reine SiO2-Schicht 3 (10...500 nm) abgeschieden. Diese SiO2-Schicht wird mit Tb+-Ionen mit Peakkonzentrationen von 0.3...3 at% implantiert und mit einer anschließenden Temperung (1 s...240 min) bei 600...1200°C behandelt. Infolge dieser Behandlung bilden sich Lumineszenzzentren 5 in der implantierten dünnen Oxidschicht 3 heraus. Analog zum Ausführungsbeispiel 1 wird nochmals eine SiOxNy-Schicht (10...500 nm) mit x = 0...2 als dielektrische Schutzschicht 4 abgeschieden. Nach einer weiteren Temperung wird ITO als transparenter Metallkontakt 6 abgeschieden. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über die entsprechend lithographierten ITO-Kontakte 6 und Pt-Kontakte 10.The production of the structures takes place by placing on a glass substrate 9 which serves only as a mechanical substrate, a Pt contact 10 is deposited and lithographed. On this, a lower SiO x N y layer (10 ... 500 nm) with x = 0 ... 2 as a dielectric protective layer 11 and a pure SiO 2 layer 3 (10 ... 500 nm) deposited. This SiO 2 layer is implanted with Tb + ions with peak concentrations of 0.3 ... 3 at% and treated with a subsequent annealing (1 s ... 240 min) at 600 ... 1200 ° C. As a result of this treatment, luminescent centers are formed 5 in the implanted thin oxide layer 3 out. Analogously to exemplary embodiment 1, an SiO x N y layer (10... 500 nm) with x = 0... 2 as a dielectric protective layer is again formed 4 deposited. After further tempering, ITO becomes transparent metal contact 6 deposited. The electrical contacting takes place via the corresponding lithographed ITO contacts 6 and Pt contacts 10 ,

99
SiO2-Substrat SiO 2 substrate
1010
Pt-Elektrode (Halbleiter)Pt electrode (Semiconductor)
1111
dielektrische Schutzschicht dielectric protective layer
33
dünne SiO2-Schicht (Isolator)thin SiO 2 layer (insulator)
44
dielektrische Schutzschichtdielectric protective layer
5 5
Lumineszenzzentrenluminescence
66
vorderer transparenter Kontakt (Metall) front transparent contact (metal)

Claims (12)

Si-basierter Lichtemitter bestehend aus einem frontseitigen Metallkontakt, einem Lumineszenzzentren enthaltenden Isolator und einer rückseitigen, leitfähigen Kontaktschicht, dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder an beiden Grenzflächen des Isolators eine oder mehrere zusätzliche dielektrische Schutzschichten eingebracht werden.Si-based light emitter consisting of a front metal contact, a luminescence center-containing insulator and a back, conductive contact layer, characterized in that one or more additional dielectric protective layers are introduced at one or both interfaces of the insulator. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige, leitfähige Kontaktschicht ein Halbleiter (MIS-Struktur) oder ein Metall (MIM-Struktur) ist.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that the back, conductive Contact layer a semiconductor (MIS structure) or a metal (MIM structure) is. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzzentren im Isolator mittels Ionenstrahlsynthese durch Implantation von Elementen der IV. Hauptgruppe und/oder von Elementen der Gruppe der seltenen Erden gebildet werden. Dieser Prozess schließt eine adäquate Temperung sowie die Kombination verschiedener Implantationen zur Erzeugung verschiedener Farben in einem Lichtemitter ein.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that the luminescence centers in the insulator means Ion beam synthesis by implantation of elements of the IV. Main group and / or formed by elements of the group of rare earths. This Process closes an adequate one Annealing and the combination of different implantations for Create different colors in a light emitter. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere, in Emissionsrichtung liegende Elektrode transparent ist und aus den Materialien Indium-Zinnoxid mit einer Dicke von 20-200 nm oder einem dünnen halbtransparenten Metallschichtsystem wie Aluminium oder Chrom/Gold mit einer Dicke zwischen 10 und 30 nm besteht.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that the front, lying in the emission direction Electrode is transparent and made of the materials indium tin oxide with a thickness of 20-200 nm or a thin semi-transparent metal layer system such as aluminum or chromium / gold with a thickness between 10 and 30 nm exists. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass intransparente Materialien für die vordere, in Emissionsrichtung liegende Elektrode verwendet werden und die Elektrode zusätzliche, mittels lithographischer Strukturierung erzeugte transparente Bereiche (Fenster) aufweist.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that non-transparent materials for the front, used in the emission direction electrode and the Additional electrode, transparent areas produced by lithographic structuring (Window). Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schutzschicht aus Si3N4, SiOxNy oder einem anderen geeignetem Dielektrikum wie z.B. oxidische Verbindungen der Elemente Al, Hf, Mo, Ta, Ti, Y und Zr besteht.Si-based light emitter according to claim 1, characterized in that the dielectric protective layer consists of Si 3 N 4 , SiO x N y or another suitable dielectric such as oxidic compounds of the elements Al, Hf, Mo, Ta, Ti, Y and Zr , Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schutzschicht aus einem Material mit Stöchiometriegradienten besteht oder selbst aus mehreren Schichten aufgebaut ist.Si-based light emitter according to claim 1, characterized in that the dielectric protective layer is made of a material with stoichiometric gradients consists of or even consists of several layers. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schutzschicht mittels PECVD aufgebracht wurde.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that the dielectric protective layer by means of PECVD was applied. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schutzschicht mit einem alternativen Abscheideverfahren wie z.B. CVD oder Sputtern aufgebracht wurde.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that the dielectric protective layer with an alternative Deposition methods such as e.g. CVD or sputtering was applied. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator aus SiO2, nichtstöchiometrischen SiOx mit (x < 2), Si3N4 oder einem anderen geeignetem Isolator besteht.Si-based light emitter according to claim 1, characterized in that the insulator consists of SiO 2 , non-stoichiometric SiO x with (x <2), Si 3 N 4 or another suitable insulator. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation erst nach Aufbringen der dielektrischen Schutzschicht erfolgt und somit durch diese hindurch implantiert werden muss.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that the implantation only after application of the dielectric Protective layer takes place and thus implanted therethrough must become. Si-basierter Lichtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der Prozesse Implantation, Temperung und Aufbringen der dielektrischen Schutzschicht geändert, neu kombiniert oder mehrfach hintereinander ausgeführt wird.Si-based light emitter according to claim 1, characterized characterized in that the sequence of processes implantation, annealing and applying the dielectric protective layer changed, new combined or repeated several times.
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WO2002061815A1 (en) * 2001-01-31 2002-08-08 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method of manufacturing a semiconductor structure comprising clusters and/or nanocrystals of silicon and a semiconductor structure of this kind
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