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Die Erfindung betrifft ein Licht-emittierendes Halbleiterbauelement und ein opto-elektronisches Bauelement mit einem solchen Licht-emittierenden Halbleiterbauelement.
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Die immer stärker voranschreitende Verwendung von opto-elektronischen, insbesondere bei der Nachrichtenübertragung eingesetzten Bauelementen stellt bei Verwendung des Halbleitermaterials Silizium aufgrund dessen indirekter Bandlücke an die Halbleiterforschung und -technologie große Herausforderungen. Diese Herausforderungen werden dadurch verstärkt, dass eine Notwendigkeit besteht, opto-elektronische Komponenten mit der üblichen CMOS-Technologie auf Silizium-Basis zu vereinen. Um Drahtverbindungen einhergehende Nachteile wie etwa in nicht-akzeptablen Verzögerungen oder einem Übersprechen sowie Erwärmungsproblemen zu verhindern, werden Bestrebungen unternommen, zu einer monolithischen Integration von optischen Komponenten auf einer Halbleiterscheibe (On-Chip) zu kommen.
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Für derartige opto-elektronische Bauelemente werden in dem Halbleitermaterial Silizium bekannte lumineszierende, einer Erbium-Dotierung oder Versetzungen bzw. Versetzungsnetzwerken zugeschriebene Lichtemissionsbanden im Spektralbereich von 1,3 bis 1,55 μm ausgenutzt. Eine technologische Ausnutzung dieser Infrarotübergänge in einem opto-elektronischen Bauelement bzw. einer lichtemittierenden Halbleiterstruktur erfordern besondere Prozessschritte, um die Effizienz der strahlenden Rekombination zu erhöhen und gleichzeitig eine gezielte schaltungstechnische Steuerung erreichen zu können.
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In
US 5,438,210 A ist die Herstellung von Si-LED auf SOI-Substraten zur Verwendung in optischen Kopplern mit verbesserter Effizienz beschrieben. In T. Hoang et al. proceedings of ESSDERC, Grenoble, France, 2005, 359–362 ist die Ausnutzung von Versetzungen zur Verbesserung der Lichtemission von Si-LED beschrieben. J. Bao et al., Proc. of Conf. on Lasers and Electro-Optics 2007, 6.–11. May 2007, 1–2, beschreibt die Ausnutzung von Punktdefekten zur Verbesserung der Lichtemission von Si-LEDs. Hoang and Bao erzeugen die jeweiligen Gitterstörungen durch Ionenimplantation mit anschließenden Ausheilverfahren.
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Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Silizium-Struktur zu schaffen, in der eine strahlende Rekombination von Ladungsträgern mit einer Lichtenergie unterhalb der verbotenen Zone des Siliziums für ein opto-elektronisches Bauelement nutzbar gemacht werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung in einem ersten Aspekt ein Licht-emittierendes Halbleiterbauelement, aufweisend
- – ein SOI-Substrat, dieses umfassend:
eine Trägerschicht,
eine vergrabene Oxidschicht auf der Trägerschicht und
eine dotierte Silizium-Schichtstruktur eines Leitfähigkeitstyps, umfassend mindestens zwei aneinander grenzende Silizium- oder Siliziumgermaniumschichten, in deren Grenzbereich ein Versetzungsnetzwerk ausgebildet ist, an welchem bei Injektion von Minoritätsladungsträgern eine strahlende Ladungsträgerrekombination mit einer Lichtenergie stattfindet, die geringer als eine Bandlückenenergie der Silizium- oder Siliziumgermaniumschichten ist, sowie
- – einen Kollektor und einen vom Kollektor lateral beabstandeten Injektor, wobei der Kollektor im Bereich zwischen dem Versetzungsnetzwerk und einer von der Trägerschicht abgewandten Oberfläche der Silizium-Schichtstruktur als pn-Übergang ausgebildet ist, und der Injektor als Metall-Isolator-Halbleiter-Diode, nachfolgend als MIS-Diode bezeichnet, ausgeführt ist, und wobei sich das Versetzungsnetzwerk in lateraler Richtung zwischen dem Injektor und dem Kollektor erstreckt. Die Silizium-Schichtstruktur wird erfindungsgemäß aus zwei über ein Bondingverfahren miteinander verbundenen Halbleiterscheiben hergestellt. Dabei werden die beiden Halbleiterscheiben um einen jeweiligen Winkel zueinander verdreht und/oder verkippt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement können aufgrund seiner Struktur im Betrieb Minoritätsladungsträger über den Injektor in das Silizium bis in einen von dem Versetzungsnetzwerk durchsetzten Bereich unterhalb des Kontaktes eingebracht werden. Diese Minoritätsladungsträger rekombinieren dann mit im Bereich der Versetzungen des Versetzungsnetzwerks lokalisierten Majoritätsladungsträgern strahlend. Dabei wird Licht mit einer Energie ausgestrahlt, die kleiner als die verbotene Zone von Silizium ist, das entsprechend auch von dem Silizium nicht reabsorbiert wird. Die Ladungsträger werden erfindungsgemäß von dem Kollektor angezogen, wobei sie lateral entlang des Versetzungsnetzwerkes driften. Erfindungsgemäß werden also über ein Injektor-Kollektorsystem von dem Injektor Minoritätsladungsträger auf das mit Majoritätsladungsträgern dekorierte Versetzungsnetzwerk gebracht und entlang des Netzwerkes zu dem Kollektor transportiert. Auf dem Weg entlang des Versetzungsnetzwerks findet dann die strahlende Rekombination der Ladungsträger statt.
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In einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe ein opto-elektronisches Bauelement mit einer auf einem SOI-Substrat ausgebildeten Wellenleiterstruktur und einem in die Wellenleiterstruktur integrierten Licht-emittierendes Halbleiterbauelement vor.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, eine zur Übertragung in Glasfasersystemen günstige Lumineszenz bei einer Wellenlänge von etwa 1,5 μm oder etwa 1,3 μm bei Raumtemperatur in Integration mit üblichen über eine CMOS-Technologie hergestellten Bauelementen nutzen zu können.
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In einer Ausführungsform ist die Isolatorschicht der Metall-Isolator-Diode (MIS) aus Hafniumoxid (HfO2) gebildet. Bevorzugt ist die Halbleiterschicht der MIS-Diode die oberflächennahe Siliziumschicht der Silizium-Schichtstruktur und die Isolatorschicht der MIS-Diode umfasst eine unmittelbar auf der Siliziumschicht liegende Siliziumoxidschicht und eine Hafniumoxidschicht. Der Injektor kann alternativ als Metall-Oxid-Halbleiterkontakt (MOS) ausgebildet sein, was jedoch nicht bevorzugt ist.
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Eine andere Ausführungsform des Licht-emittierenden Halbleiterbauelements zeichnet sich dadurch aus, dass ein sich über die Silizium-Schichtstruktur und eine Halbleiterschicht der MIS-Diode erstreckendes Dotierungsprofil derart ausgebildet ist, dass durch Anlegen einer geeigneten Spannung an den Injektor Minoritätsladungsträger in das Versetzungsnetzwerk injizierbar sind.
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Die Ladungsträger am Injektor können durch eine Spannungsbeschaltung in Durchlassrichtung injizierbar sein.
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Das erfindungsgemäße Licht-emittierende Halbleiterbauelement ist mit CMOS- und SOI-Technologien vollständig kompatibel und liefert außergewöhnlich starke Versetzungs-Lumineszenz. Da derartige Lichtemitterstrukturen in dünnen SOI-Schichten aufgebaut werden können, ist ihre Integration in SOI-basierte Wellenleiter mit großem Vorteil möglich.
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Erfindungsgemäß weist die Silizium-Schichtstruktur eine Dicke von zwischen 30 und 80 Nanometer, insbesondere 40 nm auf.
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Das für die strahlende Emission verantwortliche Versetzungsnetzwerk kann erfindungsgemäß durch unterschiedliche Vorgänge erzeugt werden. So kann es eine Implantation von Ionen über die Oberfläche des wenigstens einen Halbleitermaterials erzeugt werden. Denkbar ist es aber auch, das Versetzungsnetzwerk durch plastische Verformung des wenigstens einen Halbleitermaterials herzustellen.
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Bevorzugt ist die Halbleiterstruktur aus zwei über ein Bondingverfahren miteinander verbundenen Siliziumscheiben hergestellt, wobei die eine Siliziumscheibe eine Oxidschicht aufweist. So wird erfindungsgemäß eine SOI-Schicht (Silicon on insulator) gebildet. Die beiden Siliziumscheiben sind dabei um einen Winkel zueinander verdreht und/oder verkippt. Erfindungemäß wird das Silizium durch einen Oberflächenabtrag von der dem substratabgewandten Halbleiterscheibe hergestellt ist. Der Abtrag von der Silizium-Oberfläche kann mit den in der Halbleiterprozesstechnologie üblichen nass- und trockenchemischen sowie mechanischen Abtrag-Techniken erfolgen.
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Besonders bevorzugt wird das für die strahlenden Rekombination ausgenutzte Versetzungsnetzwerk in dem Verbindungsbereich der beiden Siliziumscheiben verwendet.
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Je nach Art und Weise der Erzeugung der Versetzungen kann das Versetzungsnetzwerk Stufen und/oder Schraubenversetzungen enthalten. Dabei hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass Schraubenversetzungen die Versetzungslumineszenz begünstigen. Insbesondere ist die Intensität der Elektrolumineszenz abhängig von einem Abstand bzw. einer Dichte der Versetzungen.
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In einer weiteren Ausführung weist das Licht-emittierende Halbleiterbauelement einen gegenüber der von der Trägerschicht abgewandten Oberfläche vergrabenen Injektor und Kollektor auf, wobei der Kollektor und der Injektor jeweils durch einen von der Oberfläche in die die Silizium-Schichtstruktur eingelassenen Kontaktierungsabschnitt elektrisch ansteuerbar sind.
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Erfindungsgemäß kann wenigstens einer der Kontaktierungsabschnitte durch eine Diffusion von einem Metall oder durch eine Dotierung erzeugbar sein. Denkbar ist es auch, dass wenigstens einer der Kontaktierungsabschnitte durch eine Implantation von einem Metall oder einem Dotierstoff erzeugbar ist.
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In einer Ausführung des erfindungsgemäßen opto-elektronischen Bauelements ist der Wellenleiter im Bereich des Injektors und/oder des Kollektors unterhalb der Oberfläche angekoppelt. Bevorzugt kann der Wellenleiter über ein kegelförmiges Verbindungsstück an das Halbleiterbauelement angekoppelt sein.
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Vorzugsweise ist der Wellenleiter der Wellenleiterstruktur weiter als Rippenwellenleiter ausgebildet. Auch kann das opto-elektronische Halbleiterbauelement auch Koppler- und Resonatorstrukturen enthalten. Das opto-elektronische Halbleiterbauelement kann durch einen Trockenätzprozesse umfassende Herstellungsvorgang hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den begleitenden, in unterschiedlichen Maßstäben und zum Teil stark vereinfachend gehaltenen Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine Darstellung der bei der Erfindung ausgenutzten Lumineszenz,
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2 eine Prinzipdarstellung zur erfindungsgemäßen Lichtemission bei T = 300 K,
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3 einen elektronenmikroskopischen Teilquerschnitt durch eine erfindungsgemäße Siliziumstruktur
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4(a) eine Prinzipdarstellung gemäß 3(b) sowie eine Darstellung eines Lumineszenzspektrums bei T = 80 K,
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5 eine schematische Darstellung eines Licht-emittierenden Halbleiterbauelements,
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6 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Injektors und Kollektors,
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7 eine vereinfachte Darstellung eines Ladungsträgertransport in dem Licht-emittierenden Halbleiterbauelement,
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8 ein Elektrolumineszenzspektrum an einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement,
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9 Elektrolumineszenzspektren an einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement mit entsprechender spektraler Darstellung,
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10 eine vereinfachte Darstellung eines opto-elektronischen Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung,
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11 erfindungsgemäße Layout-Ausführungen für die erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur und
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12 erfindungsgemäße Nanowellenleiter in einer elektronenmikroskopischen Darstellung.
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Eine erfindungsgemäße Halbleiterstruktur nutzt einen mit D1–D3 bezeichneten Spektralbereich eines in 1 dargestellten, bei Raumtemperatur gewonnenen Elektrolumineszenzspektrums aus. Aus 1 ist ersichtlich, dass die an Versetzungen bzw. Versetzungsnetzwerken durch eine strahlende Ladungsträgerrekombination erzeugten Emissionsbanden im Spektralbereich von 1300 bis 1550 nm bei Raumtemperatur (RT) gegenüber der durch Bandband-Übergänge und damit im Bereich der Energielücke von Silizium erfolgenden strahlenden Rekombinationsprozess hinsichtlich ihrer Intensität deutlich erhöht sind. Das in 1 gezeigte Elektrolumineszenzspektrum wird mit einer in 2 vereinfacht dargestellten Anordnung erreicht, in dem durch eine elektrische Spannungsbeschaltung zwischen zwei auf einem Halbleitermaterial 3 angebrachten Kontakten 1, 2 Nicht-Gleichgewichtsladungsträger erzeugt werden, die unter Aussendung von Lumineszenz zur Einstellung eines Gleichgewichts strahlend miteinander rekombinieren. Sofern dabei eine solche Elektrolumineszenz in einem reinen Siliziumkristall angeregt wird, in dem keine elektronischen Niveaus in die Bandlücke einbringende Störstellen vorhanden sind, erfolgt die Lumineszenz im Bandkantenbereich des Siliziums. Wie es in 2b veranschaulicht ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Elektrolumineszenz an einer Siliziumschichtstruktur angeregt, deren Aufbau in der 3 dargestellt ist. Auf einem Silizium-on-Insulator-(SOI)-Substrat, welches aus einem Siliziumsubstrat 4, einem darauf abgeschiedenen bzw. durch natürliche Oxidation gebildeten Siliziumoxid 5 und einer dieses auf der dem Substrat 4 abgewandten Seite einschließenden weiteren Siliziummaterial 6 gebildet ist. Das vom Siliziumsubstrat 4 und der Siliziumschicht 6 eingebettete Oxid ist ein in der Halbleitertechnik wohlbekanntes Buried Oxide Layer (BOX). Auf die erfindungsgemäß etwa Löcher leitend (p-Typ) dotierte Siliziumschicht 6 ist über ein Siliziumscheiben-Verbindungsverfahren (Wafer Bonding) eine weitere SOI-Struktur in umgekehrter Reihenfolge aufgebracht worden.
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Dabei ist das zweite, in umgekehrter Reihenfolge aufgebrachte SOI-Substrat 8 so auf das SOI-Substrat 7 aufgebracht worden, dass die Oberflächen und damit die kristallographischen Orientierungen der miteinander in Kontakt gebrachten Siliziumscheiben um einen Winkel α verdreht und einen Winkel β verkippt sind. Diese bevorzugt etwa in einem Bereich von α, β ≤ 10° liegenden Verkippungen bzw. Verdrehungen der miteinander zu verbindenden Siliziumkristalle führen zu einer Ausbildung von Schrauben- und/oder Stufenversetzungen, welche die Gitterfehlpassung an der Verbindungsfläche der beiden Siliziumkristalle aufnehmen und ausgleichen. Die hierbei im Rahmen der Erfindung eingesetzten Verfahren sind in der Halbleitertechnologie wohlbekannt.
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Bei dem Halbleiterbauelement wird die vergrabene Oxidschicht 5 der entgegengesetzt zur SOI-Struktur 7 aufgebrachten SOI-Struktur 8 durch übliche nass- und/oder trockenchemische Verfahren unter Bildung einer in 4a schematisch dargestellten Halbleiterstruktur abgetragen, deren oberhalb der verborgenen Oxidschicht 5 liegende Siliziumschicht 6 ein Versetzungsnetzwerk unterhalb der freien Oberfläche aufweist. Die mit Hilfe von in 4c dargestellten Lumineneszenzlinien (D1-like) befinden sich in einer Tiefe von vorzugsweise 20 nm unterhalb der Oberfläche der Siliziumschicht 6. Bei dem in 4c gezeigten Lumineszenzspektrum ist neben der D1-Bande ein bei einer Energie von 1,1 eV auftretender strahlender Übergang zu beobachten. Bei dieser in der Fig. mit BB bezeichneten, im Vergleich zu der D1-Bande eine geringere Halbwertsbreite aufweisenden Spektralbande handelt es sich um eine Band-Band-Lumineszenz von Silizium. Diese schmalere Bande BB entsteht in den Schichten 6 und 4 gemäß der Darstellung in 4a.
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Durch eine entsprechende Wahl einer Anregungslaserwellenlänge kann eine Anregung experimentell auf die p-Siliziumschicht 6 konzentriert werden und ist in 4c in der mit den Buchstaben OS gekennzeichneten numerisch berechneten Bande dargestellt. Dabei wurde die Absorption des Anregungslichtes in der Schicht 6 und 5 und im Substrat 4 berechnet und eine Trennung der Lumineszenz auf die Bereiche 6 und 4 durchgeführt. Eine Trennung beider Komponenten kann durchgeführt werden unter der Annahme, dass die Band-Band-Lumineszenz proportional zur Anregungsdichte ist. Dabei wurde die Absorption des Anregungslichtes in der SOI-Schicht und im Substrat berechnet, unter Beachtung der multiplen Reflektion in der Struktur. Das Spektrum der Strahlung, die nur aus der SOI-Schicht kommt, ist in 6 durch die Buchstaben OS gekennzeichnete Linie dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Beitrag der versetzungsbedingten Lumineszenz bei etwa 1.5 μm um ein Mehrfaches größer ist als die Band-Band-Lumineszenz. Bei einer elektrischen Anregung über einen erfindungsgemäßen MIS-Stapel – im Gegensatz zur optischen Anregung keine Ladungsträger in das Si-Substrat injiziert – wird das gesamte Lumineszenzspektrum hauptsächlich aus den D-Versetzungsbanden bestehen.
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Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die nicht-strahlende Rekombination an der Grenzfläche zwischen BOX (buried oxide) und Si-Schicht sowie an der Oberfläche der Si-Schicht die Effizienz des Lichtemitters erheblich limitieren kann. Daher stellt die Konstruktion des Licht-emittierenden Halbleiterbauelements in SOI eine besondere Herausforderung dar. Ein möglicher Aufbau einer im erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement vorgesehenen MIS-Diode, die ein in SOI eingefügtes Versetzungsnetzwerk als aktiven Bereich für die 1,5 μm-Lichtemission nutzt, ist schematisch in 5 dargestellt. Bevorzugt werden die erfindungsgemäß vorgesehenen MIS-Strukturen mittels AVD-Epitaxie hergestellt. Dabei werden auf defektfreiem Silizium HfO2-Schichten abgeschieden und mit einem Titan-Kontakt kontaktiert.
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Zur Erzeugung von Strahlung werden Überschuss-Ladungsträger im aktiven Gebiet generiert, d. h. am Versetzungsnetzwerk. Zwei Faktoren spielen für diesen Prozess eine wichtige Rolle. Der erste Faktor ist die Konzentration der Überschuss-Minoritätsladungsträger, die durch die MIS-Struktur injiziert wird. Die MIS-Struktur bestimmt die Menge der überschüssigen Minoritäts-Ladungsträger, die in den aktiven Bereich des Emitters, d. h. zum Netzwerk, fließen. Je mehr Minoritäten in diesen Bereich vorhanden sind, desto stärker ist die Lumineszenz. Der zweite wesentliche Faktor ist die Fähigkeit der Versetzungsnetzwerke, Minoritätsträger aufzunehmen und dadurch in der Folge die gewünschte strahlende Rekombination zu ermöglichen. Die injizierten Minoritätsladungsträger können generell auf verschiedenen Wegen rekombinieren: (a) in der dünnen Si-Schicht einschließlich Netzwerk und (b) an der Oberfläche der dünnen Si-Schicht sowie an der Grenzfläche zwischen BOX und Si-Schicht, die eine besonders starke Senke für Ladungsträger darstellt. Um eine effiziente Licht-emittierende Halbleiterstruktur zu erhalten, ist es deshalb notwendig, Vorkehrungen zu treffen, die es erlauben, dass die Minoritätsträger möglichst am Versetzungsnetzwerk rekombinieren und die vermeiden, dass Überschuss-Ladungsträger an der Grenzfläche oder im Si-Volumen verloren gehen.
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Um eine ausreichende Effizienz der Versetzungsstrahlung aus der SOI-Schicht erzielen zu können, wurde Zwei-Elektroden-Anordnung gewählt. Die aus Injektor und Kollektor gebildete Anordnung wird genutzt, um einen unmittelbaren elektrischen Zugang zum Versetzungsnetzwerk zu erreichen. Die in 6 schematisch dargestellte Anordnung kann auch aus zwei pn-Übergängen bestehen.
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Die Versetzungsnetzwerke sammeln freie Ladungsträger auf. Genau diese Eigenschaft wird in der in 6 gezeigten Konstruktion gezielt ausgenutzt, um die Ladungsträger bevorzugt auf das Versetzungsnetzwerk zu lenken.
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Zur Kontaktierung der SOI-basierten LED wird auf der Vorderseite des Wafers lokal eine Injektor-Anordnung aufgebracht. Diese Anordnung wird entweder durch eine MIS-Struktur gebildet. Ein weiterer, als Kollektor ausgebildeter Kontakt ist notwendig, um die überschüssigen Ladungsträger abfließen zu lassen. Dieser wird mittels eines pn-Überganges realisiert, welcher im Betrieb in Sperrrichtung geschaltet ist. Durch diesen zweiten elektrischen Kontakt werden die überschüssigen Ladungsträger auf die Versetzungen ,fokussiert' und in Bewegung gesetzt. Dabei treffen sie auf strahlende Rekombinationszentren und generieren die versetzungsspezifische D-Lumineszenz umfassend die D1-Bande. Es kann davon ausgegangen werden, dass auf diese Weise der Verlust an Ladungsträgern durch Rekombination im Si-Volumen und besonders an der Oberfläche/Grenzfläche minimiert wird. Somit wird die Effizienz der erfindungsgemäßen Licht-emittierenden Halbleiterstruktur hauptsächlich durch das Verhältnis der Raten von nichtstrahlender und strahlender Rekombination im Netzwerk selbst begrenzt. Dieses Verhältnis, wie auch die Wellenlänge der Strahlung, ist spezifisch für die mikroskopische Struktur der Versetzungen und wird durch den Bondingprozess eingestellt.
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Erfindungsgemäß werden entsprechend – wie schematisch in 7 dargestellt – über einen als Metall-Isolator-Halbleiterdiode (MIS) ausgeführten Injektor Minoritätsladungsträger 11 in eine p-dotierte Halbleiterschicht 6' (3) injiziert. Erfindungsgemäß wird dabei eine Spannungsbelegung des Injektors 10 derart ausgeführt, dass eine zur Injektion der Minoritätsladungsträger 11 notwendige Inversionsschicht bis in eine Tiefe unterhalb der Oberfläche 6a' reicht, dass ein etwa 20 nm unterhalb der Oberfläche 6a' befindliches Vernetzungsnetzwerk 12 von den Minoritätsladungsträgern erreicht wird. In einem lateralen Abstand zu dem Injektor 10 ist ein als eine pn-Diode ausgebildeter Kollektor 14 vorgesehen.
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Der pn-Übergang wird erfindungsgemäß dabei unter Verwendung von Masken durch eine lokale, flache Dotierstoff-Implantation, gefolgt von einer kurzzeitigen thermischen Behandlung (RTA) erzeugt. Die dotierten Gebiete wurden anschließend durch Bedampfen mit Aluminium elektrisch/ohmisch kontaktiert. Erfindungsgemäß können unterschiedliche Strukturen dieser Art erzeugt werden, um ihre Eignung für in die Wellenleiter integrierbare Lichtemitter sicherzustellen.
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Der pn-Übergang des Kollektors 14 ist dabei derart in Sperrrichtung geschaltet, dass eine an Ladungsträgern verarmte Zone unterhalb der Oberfläche 6a' das parallel zur Oberfläche angeordnete Versetzungsnetzwerk 12 durchsetzt und in einer in Richtung des Pfeiles i zum Innern der Siliziumschichtstruktur überragt. Durch die in 7 dargestellte Anbringung des Injektors 10 und des Kollektors 14 wird ein Transport der Minoritätsladungsträger 11 in lateraler Richtung erreicht. Bei diesem Wanderungsprozess der durch den Injektor 10 in die Siliziumschichtstruktur eingebrachten Überschuss-Minoritätsladungsträger 11 entlang des Versetzungsnetzwerkes 12 wird eine Rekombination unter Aussendung von Strahlung mit an Versetzungen des Versetzungsnetzwerkes 12 gebundenen Majoritätsladungsträgern ermöglicht. Diese Rekombination führt zur Aussendung der in 1 dargestellten Emissionsbanden D1–D3.
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In 8 ist ein bei Raumtemperatur erhaltenes Elektrolumineszenzsignal an einer erfindungsgemäßen Siliziumstruktur gezeigt. Diese hier in Form eines vertikalen weißen Emissionslichtstriches wird erfindungsgemäß in einen Wellenleiter eines opto-elektronischen Halbleiterbauelements eingekoppelt. In 9 ist neben der Darstellung gemäß 8, bei der die Elektrolumineszenz unter einer Beleuchtung des Hintergrundes dargestellt ist (9a), auch die spektrale Abhängigkeit des Emissionslichtes gezeigt, 9d
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9 belegt, dass es möglich ist, mit einer erfindungsgemäßen Injektor-Kollektor-Anordnung in SOI-Schichten mit Versetzungsnetzwerken effiziente Versetzungs-Lumineszenz bei 300 K zu erzeugen. Zum Nachweis der Lumineszenz wurde dabei ein neu entwickeltes Mikro-Elektrolumineszenz-System angewandt, welches Infrarotaufnahmen der Lumineszenz aus Strukturen mit Sub-mm-Abmessungen ermöglicht. Der Vergleich der Aufnahmen mit (9b) und ohne Band-Band-Lumineszenz-Filter (9c) belegt, dass die Strahlung primär durch Lumineszenz am Versetzungsnetzwerk entsteht. Es ist keine Änderung der Helligkeitsverteilung mit und ohne Filter zu sehen. Selbst in der Abbildung mit starker Hintergrundbeleuchtung (9a) ist die lumineszierende Struktur deutlich zu erkennen. Wird berücksichtigt, dass wegen des großen Brechungsindexunterschiedes zwischen Si und Luft nur weniger als 10% der Lumineszenzstrahlung ausgekoppelt werden, ist zu schließen, dass die generierte Lumineszenzstrahlung ungewöhnlich stark ist, geschätzt mit einer Effizienz von mehreren Prozent.
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Die Darstellung der Elektrolumineszenz in 9c ist unter Verwendung eines die bandkantennahe Lumineszenz von Silizium herausfilternden Kantenfilters dargestellt. Erfindungsgemäß wird diese Elektrolumineszenz nun nicht an einer Oberfläche einer Halbleiterstruktur ausgenutzt, sondern die im Innern der Halbleiterstruktur ausgestrahlte Emission wirkungsvoll in einen Wellenleiter eines opto-elektronischen Bauelements eingeleitet. Dazu zeigt die 10 einen Aufbau, in dem ein Wellenleiter 15 mit einem in den vorangehenden Figuren schematisch dargestellten, mit einem Injektor und einem Kollektor versehenen Bereich einer Siliziumstruktur verbunden ist. Erfindungsgemäß ist dabei oberhalb einer auf einem Substrat 4 befindlichen vergrabenen Oxidschicht 5 durch ein zuvor beschriebenes Bondingverfahren ein Siliziumversetzungsnetzwerk 12 eingebracht worden. Oberhalb des Versetzungsnetzwerks befindet sich im Bildbereich der 10 der nach außen mit Kontakten versehene Injektor-Kollektor-Bereich A und damit ein erfindungsgemäßes Licht-emittierendes Halbleiterbauelement.
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In dem Licht-emittierenden Halbleiterbauelement 16 sind sowohl der Injektor als auch der Kollektor unterhalb der Oberfläche 16a abgesenkt eingebracht, sodass jeweils ein aus einem Metall gebildeter Kontaktstreifen 17, 18 von der Oberfläche 16a in das Silizium 6' eingebracht ist. Durch eine entsprechende Beschaltung werden über den nicht näher dargestellten Injektor, der als MIS-Diode ausgeführt ist, Minoritätsladungsträger in das Silizium 6' injiziert, die dann in lateraler Richtung durch eine Sperrbeschaltung des ebenfalls nicht näher dargestellten, mit dem Metallabschnitt 18 verbundenen Kollektors angezogen werden und zu einer strahlenden Rekombination entlang des Versetzungsnetzwerkes 12 führen. Die durch eine Rekombination der Minoritätsladungsträger mit an den Versetzungen des Versetzungsnetzwerkes 12 gebundenen Majoritätsladungsträgern erzeugte Strahlung wird durch eine kegelartige Verjüngung 20 der Siliziumschicht 6' optisch in den Wellenleiter 15 eingekoppelt. Das imitierte Licht wird dann durch den Wellenleiter 15 in an sich üblicher Weise zu weiteren in der einfachen Prinzipdarstellung der 10 nicht gezeigten opto-elektronischen Elementen geleitet.
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11 zeigt im Rahmen der Erfindung denkbare Layoutgestaltungen für eine Wellenleiterstruktur des opto-elektronischen Bauelements. Diese Wellenleiter werden dabei in BiCMOS-Technologie mit dem Licht-emittierenden Halbleiterbauelement integriert. Dazu werden im vorliegenden Beispiel Gate-Module einer 0,25 μm Technologie benutzt. Als Prozesstechnologie werden dazu Trockenätzprozesse verwendet. Erfindungsgemäß benutzte Wellenleiter sind in 12 anhand von nach einem Ätzen, Veraschen einer Fotolackmaske und einer Entfernung einer Nitrid-Hartmaske dargestellten Nano-Wellenleiter verwendet. Im Rahmen der Erfindung versteht es sich, dass neben einfachen Nano-Wellenleitern auch komplexere Strukturen, die Koppler- und Resonatorstrukturen umfassen, in die Technologie integriert werden und Teil eines erfindungsgemäßen opto-elektronischen Bauelementes sind. Dabei steht eine Reduzierung der intrinsischen Wellenleiterverluste im Vordergrund.
