DE69230552T2 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtungen mit Quantenbegrenzung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Lichtemission von Halbleitern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und einen Apparat zum Erhalten von Lichtemission von Halbleitermaterialien mit indirekter Bandlücke, wie etwa kristallinem Silizium, wobei der Apparat kompatibel mit bekannten VLSI- Prozeßtechnologien ist und mit diesen hergestellt werden kann.
• Eine LED ist ein gleichrichtendes elektronisches Bauteil mit zwei Anschlüssen (p-n Übergang), welches bewirkt, daß Elektronen und Löcher rekombinieren und dabei Licht emittieren, wenn sie in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Wenn die LED innerhalb eines Halbleiters hergestellt wird, werden die Elektronen zum p-n Übergangsgebiet vom n-Typ Gebiet geliefert und die Löcher werden vom p-Typ Gebiet geliefert. Die Energie des emittierten Lichts (und damit dessen Wellenlänge) ist gleich der Energiedifferenz der zwei rekombinierenden Ladungsträger. Für Halbleiter ist die Energiedifferenz gewöhnlich sehr dicht an der Energie der Bandlücke. Für viele Halbleiter und besonders erwähnenswert für Galliumarsenid (GaAs) ist die Bandlücke "direkt", was bedeutet, daß das Elektron und das Loch einfach durch Emittieren eines Photons, das die Energiedifferenz transportiert, rekombinieren können. Für andere Halbleiter wie etwa Silizium (Si) ist die Bandlücke "indirekt", was bedeutet, daß ein Phonon oder Gitterschwingung während des Prozesses der Lichtemission angeregt werden muß. Die Folge davon ist, daß indirekte Bandlückenmaterialien Tausend bis eine Million mal weniger effizient Licht emittieren als Materialien mit direkter Bandlücke (d. h., es wird weniger Licht und mehr Wärme aus der Elektron-Lochrekombination erhalten). Aus diesem Grund sind die vorherrschenden Festkörper LEDs, die heutzutage anzutreffen sind, aus Materialien mit direkter Bandlücke wie etwa Galliumarsenid und dessen Verbindungen hergestellt.
• Es gibt viele Beispiele von Halbleitern, die bis heute nicht praktisch als Lichtquellen verwendet werden, weil sie eine indirekte Bandlücke haben. Diese Beispiele schließen Silizium, Germanium, AlGaAs mit hohem Al Konzentrationen etc. ein. Silizium ist ein sehr wichtiger spezieller Fall eines Halbleitermaterials, das durch seine indirekte Bandlücke beschränkt ist. Viele neue Technologien würden ins Leben gerufen werden, wenn man Si dazu bringen könnte, Licht effizienter zu emittieren. Funktionelle Integration optoelektronischer Leistungsfähigkeit mit dem digitalen und analogen Verarbeitungspotential von Silizium würde eine monolithische Herstellung von drahtlosen Verbindungen hoher Geschwindigkeit auf oder zwischen Chips und/oder Platinen, drahtlose lokale Netzwerkverarbeitung hoher Bandbreite, lichtinduzierte Markierverfahren, etc. erlauben.
• Verschiedene Wege wurden beschritten, um indirekte Bandlücke in eine direkte Bandlücke in Silizium und dessen Verbindungen effektiv umzuwandeln. Eine solche Möglichkeit verwendet die Bandfaltung bzw Verformung, die durch Übergitter eines Materials mit indirekter Bandlücke erzeugt wird. Vergleiche dazu U. Gnutzmann et al., Theory of Direct Optical Transitions in an Optical Indirect Semiconductor with a Superlattice Structure, Appl. Phys., Bd. 3, S. 9 (1974). Obwohl dieses Verfahren offensichtlich zum Herstellen einer direkten Bandlücke funktioniert hat, weist das resultierende Material einen sehr kleinen Wirkungsquerschnitt für Strahlungsrekombination auf. Siehe beispielsweise M. Hybertsen et al., Theory of Optical Transitions in S/Ge(001)Strained-Layer Superlattices, Phys. Rev. B. Bd. 36, Nr. 18, S. 9683 (1987). Die angeregten Ladungsträger haben daher Zeit, andere Rekombinationskanäle, die im allgemeinen nichtstrahlend sind, zu finden. Das wichtige Bauteilkriterium für hohe Effizienz, nämlich ein hohes Verhältnis der Anzahl der Photonen, die pro Ladungsträgerpaarrekombination emittiert werden, wird daher nicht erfüllt.
• Ein weiterer Lösungsansatz war der, Verunreinigungen in das Material mit indirekter Bandlücke einzubringen, um die Elektronen-Lochrekombination an die Verunreinigungsatome zu binden. Die Wellenfunktionen der Ladungsträger werden dabei modifiziert, was zu Rekombinationen entsprechend dem direkten Bandlückentyp führt. Zwei Beispiele dieser Art sind Stickstoff in GaP (D. G. Thomas et al., Isoelectronic Traps Due to Nitrogen in Gallium Phosphide, Phys. Rev.,Bd. 150, Nr. 2, S. 680 (1966)), und Erbium in Si (H. Ennen et al., 1.54 um Electroluminescence of Erbium-Doped Silicon Grwon by Molecular Beam Epitaxy, Appl. Phys. Lett., Bd. 46, Nr. 4, S. 381 (1985)). Der erstgenannte Fall wurde bisher noch nicht auf andere Halbleitermaterialien verallgemeinert. Im letzteren Falle ist beispielsweise der maximale Rekombinationswirkungsgrad sehr klein und die Verunreinigungen sind für strahlende Rekombination bei Raumtemperatur ineffizient. Wiederum wird das Effizienzkriterium nicht erfüllt.
• Ebenfalls viel Mühe wurde darauf verwendet, Materialien mit direkter Bandlücke mit Silizium zu verbinden, um eine Intergration zu erreichen. Versuche haben das Aufwachsen von GaAs direkt auf Silizium miteingeschlossen. Siehe beispielsweise Akiyama et al., Growth of GaAs on Si and its Applications to FETs and LEDs, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 67, S. 53 (1986). Dies hatte bis heute jedoch nur begrenzten Erfolg. Es wurden auch hybride Technologien entwickelt, wie etwa das Verbinden von GaAs Bauteilen mit Si Scheiben (wie von Yablonovich et al., in Van der Waals Bonding of GaAs Epitaxial Liftoff Films Onto Arbitrarv Substrates, Appl. Phys. Lett., Bd. 56, Nr. 24, S. 2419 (1990) offenbart). Diese beiden integrativen Verfahren führen zu Komplikationen in der Siliziumbauteilverarbeitung, weil neue Verfahrensschritte erforderlich sind, die nicht Teil der standardmäßigen Siliziumbauteilherstellungsverfahren sind.
• Es wird angenommen, daß eine Methode zur Umwandlung eines indirekten Bandlückenhalbleiters zu einem direkten Bandlückenhalbleiter darin besteht, die Wellenfunktion der Ladungsträger im indirekten Bandlückenmaterial lokal zu begrenzen. Wenn ein Ladungsträger gebunden ist, tritt eine Quantisierung der Wellenfunktion des Ladungsträgers über die Ausdehnung der Bindung auf, wobei die Energie des Ladungsträgers auf diskrete Werte En mit n = 1, 2, 3, ... beschränkt ist. (Siehe beispielsweise Holonyak et al., Quantum-Well Heterostructure Lasers, IEEE J. Quant. Elect. Bd. QE-16, Nr. 2, S. 170, (1980) und R. Venkatasubramanian et al. in Visible light emission from quantized planar Ge structures, Appl. Phys. Lett. 59, Nr. 13, S. 1603 (1991)). Diese Niveaus ("Quantenniveaus") werden typischerweise durch ein Diagramm mit gebundenen Zuständen, wie es in Fig. 1 für eine SiO&sub2;/Si Quantentopfstruktur gezeigt ist, dargestellt. Diverse Untersuchungen haben demonstriert, daß in dem Maße wie sich die Dicke der Halbleiterschichten, in denen die Ladungsträger gefangen sind, der de Broglie Wellenlänge des Ladungsträgers (λ = h/p, wobei h die Planck'sche Konstante und p der Impuls des Ladungsträgers ist) des Ladungsträgers annähert, der Unterschied zwischen den Niveaus bedeutsam wird (beispielsweise größer als die thermische Energie der Ladungsträger - 25 mV bei Raumtemperatur). Mit diesem quantenmechanischen Ein schluß der Ladungsträger ist eine Verschiebung der Photolumineszenten (PL) Peakenergien zu höheren Werten hin (kleineren Wellenlängen) und eine erhöhte Effizienz in der Bandkantenrekombination verknüpft. Quantentropf, Quantendraht und Quantenpunktstrukturen sind kanonische Beispiele für dieses Verfahren.
• Man betrachte eine sehr einfache aber ziemlich genaue Näherung als ein nützliches Modell für die quantenmechanischen Effekte bei räumlicher Beschränkung. Für einen ddimensionalen unendlich tiefen, rechteckigen Potentialtopf sind die Energieniveaus gegeben durch
• wobei die Planck'sche Konstante geteilt durch 2n, die Quantenzahl n; eine Ganzzahl größer oder gleich 1 (gleich der Anzahl an Halbwellen, die die Teilchenwellenfunktion zwischen den einschränkenden Potentialwänden aufweist), m; die effektive Masse des Leistungsträgers und L¹ die Topfbreite für die i-te Dimension ist. Die niedrigste Energie tritt für alle ni = 1 auf. Damit ist für eine isotrope Masse und für alle Li = L (quadratischer Potentialtopf) in "d" Dimensionen E = dπ²n²/2mL². Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird somit die Energie eines Elektrons und einem Quantentopfhalbleiter mit Beträgen ΔEe1, ΔEe2, etc. und die Energie eines Loches somit durch einen Betrag äEhl, ΔEh2, etc. erhöht, wobei die Massen im allgemeinen verschieden sind.
• Das aus der Elektron- Lochrekombination emittierte Photon besitzt eine Gesamtenergie, die gegeben ist durch
• E- Eg + ΔEen + ΔEhn (2) Für d-dimensionale Potentialtöpfe, wobei zur Einfachheit angenommen wird, daß me = mh = mfree electron ist, ist der Zuwachs AB = AB e + AB h über E9 ungefähr = d/L² in [eV] für L in [nm] und ist in Fig. 2 für d = 1, 2 und 3 gezeigt.
• Quantenmechanischer Einschluß der Ladungsträger führt ebenfalls zu einem Brechen der Translationssymmetrie des Siliziumgitters (d. h., die periodische Struktur wird zunehmend "ungewiß") und führt zu einem Zusammenbruch der Auswahlregeln des Gitterimpulses. Somit wird die Phonenerzeugung bei Rekombination von Ladungsträgern unnötig für die Erzeugung von Photonen (d. h., die Anzahl der direkten Übergänge steigt an, während die Anzahl der indirekten Übergänge absinkt) und der Wirkungsgrad des Bauteils wird gesteigert. Weiterhin vergrößert die räumliche Beschränkung der Elektronen und Löcher im gleichen kleinen Volumen die Überlappung der Wellenfunktion und damit die Wahrscheinlichkeit für die Strahlungsrekombination.
• Beispiele für Elektroneneinschluß sind zur Zeit vielfältig. Es existieren einige Beispiele für kristallines und amorphes Silizium, z. B. D. J. DiMaria et al., Electroluminescence Studies in Silicon Dioxide Films Containing Tiny Silicon Islands, J. Appl. Phys. 56, Nr. 2, S. 401 (1984), und S. Furukawa et al., Three Dimensional Quantum Well Effects in Ultrafine Silicon Particles, Japanese J. Appl. Phys., Bd. 27, Nr. 11, S. L2207 (1988). Die neuste Arbeit bezieht sich auf p-Typ Si, das durch elektrochemisches Ätzen in kleine aber zusammenhängende Klumpen geformt wird (sogenanntes "poröses Silizium" wie es beispielsweise durch M. I. J. Beale et al., in Microstructure and Formation Mechanism of Porous Silicon, Appl. Phys. Lett., Bd. 46, Nr. 1, S. 86 (1985) beschrieben ist). Dieses poröse Silizium wird durch Eintauchen einer Siliziumscheibe in ein säurehaltiges elektrochemisches Bad, das kleine Löcher in die Scheibe bohrt, gebildet. Die Scheibe wird dann chemisch geätzt, um die Löcher zu vergrößern. Dies hinterläßt in etwa ein Zufallsmuster von verbundenen Siliziumvertiefungen, woraus eine schwammartige Struktur resultiert. Wenn die Querschnitte der verbundenen Si Vertiefungen in der Größenordnung von 3 nm sind, wird eine sichtbare Photolumineszenz bei Raumtemperatur mit akzeptablen Wirkungsgrad beobachtet, wie dies durch L. T. Canham in Silicon Quantum Wire Array Fabricated by Electrochemical and Chemical Dissolution of Wafers, Appl. Phys. Lett. 57, Nr. 10, S. 1046 (1990) gezeigt wurde.
• Elektrolumineszenz wurde in 1- und 2-d eingeschlossenen Strukturen in Materialien mit direkter Bandlücke beobachtet. Elektrolumineszenz wurde ebenfalls durch Tunnelinjektion in abgeschiedenem Si in Siliziumdioxid induziert, wie dies von D. J. DiMaria et al., in Elektroluminescence Studies in Silicon Dioxide Films Containinp Tiny Silicon Islands, J. Appl. Phys. 56, Nr. 2, S. 401 (1984) demonstriert wurde. Elektrolumineszenz in porösen Siliziumstrukturen wird von A. Halimaouie et al. in Elektroluminescence in the visible ran4e during anodic oxidation of porous Silicon Film, Appl. Phys. Lett. 59, Nr. 3, S. 304 (1991) beschrieben. Ein elektrolumineszierendes Siliziumbauteil wurde in WO-A- 93104503 beschrieben, das eine frühere internationale Anmeldung im Sinne des Artikels 54/3 EPC ist. Bis heute war es jedoch nicht möglich, ein elektrolumineszierendes Bauteil (z. B. eine LED) in Silizium oder einem anderen Material mit indirekter Bandlücke mit brauchbaren Betriebseigenschaften - insbesondere elektrooptischen Wirkungsgrad - herzustellen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Bauteile bereitzustellen.
• Weiterhin emittieren Halbleiter- LEDs hauptsächlich Licht mit einer Wellenlänge, die prinzipiell durch das Halbleitermaterial aus dem die LED gebildet ist, bestimmt wird. Häufig muß die Ausgangswellenlänge der LEDs leicht verändert bzw. "abgestimmt" oder zwischen zwei oder mehreren verschiedenen Ausgangswellenlängen hin- und hergeschaltet werden, um die Anwendbarkeit der LED zu optimieren. Externe Apparate wie etwa Beugungsgitter, Hologramme und Ähnliches wurden verwendet, um die Ausgangswellenlänge bzw. Längen der lichtemittierenden Bauteile abzustimmen oder zu schalten. Solche externen Abstimmanordnungen sind unvorteilhaft, da sie die Größe und Komplexität der Lichtquelle erhöhen. Es wäre daher vorzuziehen, das Bauteil abstimmen zu können, indem die Eigenschaften des Bauteiles selber gesteuert werden, und somit es eine der weiteren Aufgaben der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Abstimmen oder Umschalten der Ausgangswellenlänge des lichtemittierenden Bauteils zu erleichtern.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrolumineszierende Struktur bereitgestellt mit einem ersten Gebiet eines Halbleitermaterials mit überwiegend indirekter Bandlücke eines Typs, der als Rezeptor für Ladungsträger eines ersten Leitungstyps fungiert; einem zweiten Gebiet eines Materials des Typs, der als Donator von Ladungsträgern des ersten Leitungstyps fungiert und in Berührung mit dem Material des ersten Gebiets angeordnet ist; und wobei die Gebiete so ausgestaltet sind, daß darin ein quantenmechanischer Ladungsträgereinschluß in mehreren Dimensionen vorgesehen ist.
• Die vorliegende Erfindung ist entsprechend dem angefügten Anspruch 1 ein elektroluminiszierender Apparat, der ausgestaltet ist, einen quantenmechanischen Ladungsträgereinschluß in zwei Dimensionen bereitzustellen, und der aus Material mit indirekter Bandlücke, wie etwa Silizium, hergestellt ist, und ein Verfahren entsprechend dem angefügten Anspruch 9 zur Herstellung eines solchen Apparates. Entsprechend einer Ausführungsform umfaßt der Apparat ein Substrat aus Halbleitermaterial, wie etwa kristallinem Silizium, mit einem darauf ausgebildetem Feld paralleler lumineszenter Strukturen im Nanometerbereich (in der Ordnung von 3 nm im Durchmesser), die als ungefähr 2-d säulenförmige Strukturen ausgestaltet sind, die im wesentlichen einen Einschluß freier Ladungsträger bewirken. Die mechanische Zerbrechlichkeit von 2-d quantenmechanisch einschließender Säulen aufgrund ihrer Größe wird überwunden, indem Feldmaterial zwischen den Strukturen vorgesehen ist. Dieses Feldmaterial dient ebenfalls zur Passivierung der Feldanordnung. Das Feldmaterial ist optische transparent bei der bzw. den Betriebswellenlängen und kann ein Nebenprodukt aus der Formierung der Strukturen selber sein. Elektrischer Kontakt zur Formung einer LED ist beispielsweise durch Ablagerung einer Metallkontaktschicht vorgesehen.
• Die räumlichen Ausdehnungen des kristallinen Kerns der Quanten-Säulen, Drähte oder Punkte definieren die Peakwellenlänge λ des emittierten Lichts (λ L², wobei die L die laterale Ausdehnung des Quanten-Einschlußgebietes ist). Daher kann die Auswahl der Ausgangswellenlänge eines lumineszenten Apparats entsprechend der vorliegenden Erfindung durch Steuerung seiner Größe (z. B. des Durchmessers der Säulenstruktur) erreicht werden. Alternativ kann durch Steuern der Prozeßschritte zur Formierung der Feldgruppe von LEDs die Feldgruppe mehrere verschiedene Wellenlängen gleichzeitig emittieren oder so aufgebaut sein, um diskret bei verschiedenen Wellenlängen zu emittieren und unabhängig auf einem Substrat betrieben werden.
• Wenn die 2- oder 3-d Quanten-Einschlußstrukturen in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, driften die quantenmechanisch eingeschlossenen Elektronen und Löcher aufeinander zu und rekombinieren. Diese Rekombination tritt lediglich in der Quanten- Einschlußstruktur (d. h., lediglich in den Säulen, Drähten oder Punkten und nicht in dem zwischenstrukturellen Feldmaterial) auf. Da jedoch der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand von Strukturen viel kleiner als die Wellenlänge des emittierten Lichts ist, können die Strukturen und das zwischenstrukturelle Feldmaterial als eine einzelne homogene optische Struktur betrachtet werden, die einen Netto-Brechungsindex aufweist, der zwischen dem der Strukturen und dem des Feldmaterials liegt. Daher strahlt bei inkohärenter Photoemission das Licht aus der Feldgruppe nahezu in einer Lambert'schen Verteilung so wie bei einer standardmäßigen LED Ansammlung, die Halbleiter mit direkter Bandlücke verwenden. Ferner kann, wenn die Effizienz genügend hoch gemacht wird, die kohärente stimulierte Emission über die spontane Emission dominieren und zu einem Laserbetrieb führen.
• Obwohl die Erfindung für alle Halbleitermaterialien mit indirekter Bandlücke gültig ist, wird die Ausführungsform und Herstellung in kristallinem Silizium im weiteren als ein spezielles Beispiel zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet. Ferner wird die Herstellung und Ausgestaltung einer lichtemittierenden Diode (LED) als ein spezielles Beispiel beschrieben, obwohl die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Arten lumineszenter Bauteile ergeben kann. Das breit definierte Verfahren der vorliegenden Erfindung, das zur Erzeugung einer Si p-n oder p-i-n LED führt, umfaßt das Erzeugen einer entartet dotierten, n-Typ Schicht (z. B. As Dotierung) auf einem p-Typ Gebiet oder Wafer oder dotiertem Gebiet innerhalb eines Siliziumsubstrats. Anschließend wird eine Anordnung von Flecken bzw. Punkten (beispielsweise aus isolierendem Material) auf der Oberfläche der n-Typ Schicht gebildet. Die Mustererzeugung kann durch Elektronenstrahllithographie oder Röntgenstrahllithographie durchgeführt werden. Danach werden in Si Säulen mit vertikalen Wänden durch reaktives Ionenätzen (RIE) bis hinunter in die p-Typ Schicht unter Verwendung der Punkte als eine RIE Maske gebildet. Die Si-Säulen werden dann oxidiert. Die Punkte fungieren auch als Oxidationsmaske. Die RIEverursachten Schäden an der Siliziumoberfläche werden durch den Oxidationsprozeß ausgeheilt. Die Oxidation wird beendet, wenn das verbleibende, nichtoxidierte Si in den Säulen eine Dicke der Ordnung 2 bis 3 nm aufweist. Das Oxid kann dann, wenn nötig, wärmebehandelt werden, um eine viskose Relaxierung und Verringerung von Verspannungen zu ermöglichen. Die isolierenden Punkte werden selektiv weggeätzt und ein transparentes Metall, wie etwa Indiumzinnoxid (ITO) wird anschließend abgelagert, um einen elektrischen Kontakt zu den Säulen zu erzeugen. Ein transparentes einkapselndes Material wird anschließend abgeschieden oder aufgeschleudert, um die Säulen weiterhin zu passivieren und strukturell zu schützen. Somit bildet jede Säule ein LED und im Betrieb werden die LEDs dann in Vorwärtsrichtung parallel vorgespannt, um Lichtemission zu stimulieren.
• Der Bereich der vorliegenden Erfindung und die Art, mit der die Probleme, die mit dem Stand der Technik verknüpft sind, gelöst werden, wird ersichtlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
• Fig. 1 eine Illustration eines typischen Energiebanddiagramms von Silizium, das räumlich von SiO&sub2; eingeschlossen wird, ist und die Quantisierung in einer Dimension darstellt, die in einer Serie von diskreten Energieniveaus ("Quantenniveaus") resultiert.
• Fig. 2 ein Diagramm ist, das näherungsweise die Änderung im Energieniveau in Abhängigkeit der Dimensionszahl des Einschlusses für 1-, 2- und 3- dimensionalen quantenmechanischen Einschluß zeigt.
• Fig. 3 im Querschnitt eine Struktur im anfänglichen Stadium des Verfahrens zum Bilden eines lichtemittierenden Apparates aus Material mit indirekter Bandlücke entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zeigt.
• Fig. 4 eine Draufsicht einer Struktur, des in Fig. 3 gezeigten Prozeßstadiums ist, das eine Anordnung von Punktstrukturen zeigt, das verwendet wird, um Säulenstrukturen in einem lichtemittierenden Bauteil entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu formen.
• Fig. 5 im Querschnitt die Struktur aus Fig. 3 nach dem Ätzen im Verfahren zur Herstellung säulenartiger Strukturen in einem lichtemittierenden Bauteil entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zeigt.
• Fig. 5A eine Variation der in Fig. 5 gezeigten Struktur mit grob säulenartigen Strukturen mit sich verjüngenden Seitenwänden als Teil des lichtemittierenden Bauteils entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zeigt.
• Fig. 6 im Querschnitt eine Struktur im Zustand nach der Oxidation im Prozeß zur Bildung eines lichtemittierenden Bauteils eines Materials mit indirekter Bandlücke entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zeigt.
• Fig. 6A die Struktur aus Fig. 6, wobei die isolierenden Punkte für den weiteren Prozeß entfernt sind, zeigt.
• Fig. 7 im Querschnitt eine Struktur nach Abscheidung von Metallkontakten, mit einer transparenten Metallkontaktschicht und eines transparenten einkapselnden Materials gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Säulen anfänglich von isolierendem Material begrenzt sind.
• Fig. 8 eine Variation der in Fig. 5 gezeigten Struktur, in der nach dem Ätzen keine Punkte auf den Säulen verbleiben, zeigt.
• Fig. 9 die Struktur aus Fig. 8 an einem späteren Prozeßpunkt zur Ausbildung des lumineszenten Apparats, indem die Struktur oxidiert und ein transparentes isolierendes Material zwischen den Säulen abgeschieden wurde, zeigt.
• Fig. 10 die Struktur aus Fig. 9 an einem noch späterem Punkt im Prozeß zur Ausbildung des lumineszenten Apparates, indem die Struktur geebnet und eine Metallkompaktschicht aufgebracht wurde, zeigt.
• Fig. 11 im Querschnitt eine Variation der Struktur aus Fig. 6, in der die Säulen begrenzenden Punkte aus einem metallischen Material gebildet sind, mit anschließender Ablagerung einer transparenten Metallkontaktschicht und eines transparenten einkapselnden Materials, zeigt.
• Fig. 12 eine Draufsicht auf eine illustrative Ausführungsform der Erfindung, in der die lumineszenten Strukturen Quantendrähte sind, die sich in einer Ebene parallel zu der Ebene der Substratoberfläche erstrecken, zeigt.
• Fig. 13 im Profil eine verkürzte Ansicht der in Fig. 12 gezeigten illustrativen Ausführungsform, zeigt.
• Fig. 14 im Querschnitt eine Darstellung einer Ausführungsform einer monolithischen VLSI Struktur, die sowohl eine elektrische (FET) und eine optische (LED) Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, zeigt.
• Fig. 14A eine schematische Schaltungsdarstellung der Ausführungsform einer monolithischen VLSI Struktur, die sowohl eine elektrische (FET) und eine optische (LED) Komponente entsprechend der vorliegenden Erfindung einschließt, zeigt.
• Fig. 15 schematisch im Querschnitt ein Bauteil entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das mit einer Stromversorgung und mit Erdpotential verbunden ist, um Licht zu emittieren, zeigt.
• Fig. 16 eine Struktur zeigt, die den quantenmechanischen Ladungsträgereinschluß in drei Dimensionen darstellt, und die eine epitaxiale Unterschicht hat, auf der Quanten-Säulen gebildet sind, und durch eine weitere epitaxiale Schicht so begrenzt ist, daß die Ladungsträger vertikal innerhalb der Säulen eingeschlossen sind.
• Im allgemeinen werden wie bei den verschiedenen Figuren für gleiche Elemente gleiche Referenzzeichen verwendet.
• Mit Bezug zu Fig. 3, wird nun die Herstellung einer Si LED 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Substrat 12 aus kristallinem Si, daß VLSI-Prozeß kompatibel ist (und tatsächlich auch bereits einigen Stadien der Bauteilprozessierung unterworfen worden ist), hat ein darin ausgebildetes p-Typ Gebiet 14, daß das Substrat entweder teilweise oder gänzlich bis zu einer Tiefe, die ausreichend ist, um die LED zu enthalten, z. B. 100 nm, ausfüllt. Das p-Typ Gebiet 14 kann durch eine der vielen bekannten Techniken, wie etwa Implantation, etc. gebildet werden. Eine p-n Diodenübergangsstruktur wird durch Ausbilden einer abfallend dotierten n-Typ Schicht 16 in berührender Beziehung zum bzw in Berührung mit Gebiet 14 (und möglicherweise zum Substrat 12) erzeugt. Die Schicht 16 wird beispielsweise durch As-Dotierung mittels epitaxialen Aufwachsens, Implantation, Diffusion oder anderer wohlbekannter Mittel bis zu einer Dicke ausgebildet, daß sie sich nicht gänzlich durch das p-Typ Gebiet 14 erstreckt. Es ist anzumerken, daß obwohl das Gebiet 14 als ein p-Typ Material und Gebiet 16 als ein n-Typ Material beschrieben wurde, in der obigen und weiteren Beschreibung n und p ausgetauscht werden können, ohne weder die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu modifizieren noch vom Gedanken und Schutzbereich der im folgenden beanspruchten Erfindung abzuweichen. Ferner wurden oben die anfänglichen Schritte in der Herstellung eines p-n Übergangsbauteils beschrieben. Durch einfache Formung ei ner undotierten intrinsichen Schicht eines Materials (nicht gezeigt) zwischen den Schichten 14 und 16 kann die Grundlage für ein p-i-n Bauteil erhalten werden.
• Nach Bildung der Schicht 16 wird eine Materialschicht 18 an der oberen, offenliegenden Oberfläche von Schicht 16 abgeschieden oder gebildet. Die Schicht 18 mag typischerweise ein isolierendes Material wie etwa Siliziumnitrid sein, obwohl auch andere Materialien einschließlich jener, die im folgenden beschrieben werden, verwendet werden können. Das Diffundieren zwischen dem Material aus Schicht 18 und dem Material aus Schicht 16 (in dieser Ausführungsform, Silizium), muß minimal sein. Die Schicht 18 erhält anschließend ein Muster und wird geätzt, so daß auf der Schicht 18 eine Anordnung von Punkten 18a zurückbleibt, wobei die Punktdurchmesser in der Ordnung von 20 nm liegen und ein typischer Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Punkte 18a in der Ordnung von 50 nm liegt. Die Punktanordnung 18a kann geordnet oder ungeordnet sein, ohne damit von der Grundidee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das verwendete Verfahren zum Erhalten der Punkte 18a darf keine signifikante Oxidation zur Folge haben, und die Zwischendiffusion muß weiterhin minimal sein. Das Verfahren wie etwa Ionenstrahllithographie, Röntgenstrahlen (oder ultraviolett) Lithographie oder Ähnliches sind gut geeignet, um die Punkte 18a zu erhalten und diesen Anforderungen zu genügen. Eine geordnete Anordnung von Punkten 18a ist in einer Draufsicht in Fig. 4 gezeigt.
• Mit der Punktanordnung 18a als Ätzmaske fungierend, um direkt darunterliegende nichtgeätzte Gebiete der Schichten 14 und 16 zurückzulassen, werden die Schichten 14 und 16 (und möglicherweise Substrat 12) durch ein geeignetes Verfahren, z. B. reaktives Ionenätzen (RIE) geätzt. (Obwohl das RIE typischerweise eine Struktur mit vertikalen Wänden produziert, ist eine Struktur 19 mit einem Querschnitt, der unten ein wenig breiter nach oben hin konisch verjüngt ist, wie das in Fig. 5A gezeigte ist, ebenfalls akzeptabel.) Die Säulen 20 mit vertikalen Wänden werden dadurch gebildet und bestehen aus aufeinandergestapelten Gebieten mit p-Typ Material 14, n-Typ Material 16 und isolierende Materialien (Punkten 18a). Diese Struktur ist in Fig. 5 gezeigt. Abhängig von dem zur Bildung der Punkte 18a verwendeten Verfahren und dem Verfahren zum Ätzen der Schichten 14, 16, etc. können andere Materialien, wie etwa Photolack, etc. (nicht gezeigt) ebenfalls auf der Säule gestapelt sein. Das Ätzen wird so durchgeführt, daß alle Säulen 20 untereinander durch einen Teil des p-Typ Materials der Schicht 14, z. B. durch lediglich teilweises Ätzen der Schicht 14 wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, verbunden sind.
• Als nächstes müssen die Säulen 20, in denen die p-n (oder p-i-n) Übergänge liegen, dünn gemacht werden um den benötigten Quanteneinschluß zu erhalten. Dies wird durch Oxidierung der Säulen unter Verwendung von OZ oder H&sub2;O in einem Temperaturbereich von ungefähr 850ºC erreicht. Die Punkte 18a fungieren als eine Oxidationsmaske. Es ist wohl bekannt (vgl. z. B. D. B. Kao et al., Two-Dimensional Thermal Oxidation of Silicon-I. Experiments. IEEE Trans. on Electron Dev., Bd. ED-34, Nr. 5 S. 1008 (1987)) das die Verwendung einer Maske zur Verhinderung von Oxidation immer eine Beeinträchtigung des Oxids unterhalb der Maske zur Folge hat. Dieser Effekt wird benutzt, um die Säulen unter den Punkten 18a schmäler zu gestalten. Gleichzeitig schreitet das Wachsen des Oxids 22 fort und füllt die Gebiete zwischen den Säulen auf. Die oxidierte Struktur mit dem Oxid 22 ist in Fig. 6 gezeigt.
• Der Schritt des Oxidierens bietet eine Reihe von Vorteilen, die die vorliegende Erfindung durchführbar und praktikabel machen. Beispielsweise verlangsamt sich die Oxidationsrate drastisch in dem Maße, wie der Krümmungsradius des verbleibenden Siliziums kleiner wird (vgl. beispielsweise R. Okada et al., Oxidation Property of Silicon Small Particles, App. Phys. Lett. 58, Nr. 15, S. 1662 (1991); D. Liu et al., Fabrication of Wedge- Shaped Silicon Field Emitters With nm-Scale Radij, Appl. Phys. Lett. 58, Nr. 10 S. 1042 (1991); D. B. Kao et al., Two-Dimensional Thermal Oxidation of Silicon-I. Experiments, IEEE Trans. on Electron Dev., Bd. ED-34, Nr. 5 S. 1008 (1987)), was somit zu einer Angleichung der Säulendurchmesser führt und eine verbesserte Kontrolle des abschließenden Stadiums der Dünnung bietet. Weiterhin ist die Si/SiO&sub2; Verbindungsfläche ein stabiler, passiver Si Abschluß mit hoher Bandlücke, der in einem bipolaren Bauteil zur Wirkung kommt. Zusätzlich wird ein RIE verursachter Schaden an den intrinsischen p- Typ und n = Typ Si Oberflächen im Oxidationsprozeß beseitigt. Schließlich neigen die Dotieratome für Verunreinigungen, wie etwa Arsen, für das der Entmischungskoeffizient sehr klein ist, d. h., die Gleichgewichtskonzentration der Verunreinigung im Oxid ist wesentlich geringer als die im Silizium, dazu, aus dem Oxid abzuwandern, wenn es aufge wachsen wird, um in den Siliziumkern einzudringen. Somit besteht ein noch weiterer Vorteil der Oxidation darin, daß die Dotierkonzentration in den Säulen durch den Oxidationsprozeß gesteigert wird.
• Die Oxidation wird beendet, wenn das verbleibende unoxidierte Si in den Säulen 2-3 nm breit ist. Der Schritt kann durch Photolumineszenz aus der Probe, wenn diese in einen kühlen Bereich des Oxidationsreaktors gezogen wird, kalibriert oder überwacht werden. Die Oxidationstemperatur kann verringert werden, wenn man sich dem Endpunkt nähert, um die Kontrolle zu verbessern. Das Oxid kann, wenn notwendig, wärmebehandelt werden, um Viskoserelaxierung und Verspannungsabbau zu ermöglichen.
• Um die Struktur zu komplettieren, muß ein elektrischer Kontakt mit den gedünnten Säulen hergestellt werden. Die Punkte 18a werden entfernt (beispielsweise unter Verwendung von Phosphorsäure für Si&sub3;N&sub4;), ohne die verbleibende Struktur zu beeinflussen, wie es in Fig. 6A gezeigt ist. Ein in Fig. 7 gezeigter Chromfilm 24 wird auf den Säulen abgeschieden. Der Chromfilm dient dazu, die Haftung und den elektrischen Kontakt zwischen dem Silizium und einer nachfolgend abgeschiedenen Metallschicht zu verbessern. Anschließend wird eine transparente Metallschicht wie etwa Indiumzinnoxid (ITO) 26 abgeschieden, um einen elektrischen Kontakt mit dem Film 24 und damit jeder der Säulen herzustellen. Anschließend wird ein transparentes, einkapselndes Material wie etwa Polyimid 28 abgeschieden oder aufgeschleudert, um die darunterliegenden Säulen zu passivieren und strukturell zu schützen.
• Im Betrieb wird dem Apparat 10 eine Vorspannung unter Verwendung der Schicht 26 und des Substrats 12 (oder alternativ über einen nichtgezeigten Kontakt zum p-Topf) als elektrische Kontakte zugeführt. Die zugeführte Vorspannung ist ausreichend, um zu bewirken, daß Elektronen und Löcher sich aufeinanderzubewegen und in den Säulen 20 rekombinieren. Dabei wird unter Betriebsbedingungen bei Raumtemperatur Licht erzeugt, was durch die Pfeile L in Fig. 15 dargestellt wird. Das erzeugte Licht wird durch jegliches Oxid, Einkapselung und transparente Metallkontaktschichten transmittiert und wird durch die Oberfläche des Apparates 10 emittiert, wo es ausgerichtet und für geeignete Anwendungszwecke benutzt werden kann.
• Eine Reihe von Variationen des obigen Prozesses zur Bildung einer LED aus einem Material mit indirekter Bandlücke wird betrachtet. Beispielsweise ist es möglich, Punkte 18a aus einem Material zu bilden, das zusammen mit dem Si während der Deformierung der Säulen geätzt wird. Dies würde eine in Fig. 8 gezeigte Struktur 30 hinterlassen. Die Oxidation würde dann wie oben weiterschreiten, mit dem Unterschied, daß sich das Oxid 32 sowohl oben als auch an den Seiten der Säulen ausbilden würde. Dies ist in Fig. 9 gezeigt ist. Ein transparentes Isolationsmaterial 34 (SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Polyimid etc.) wird anschließend, wie in Fig. 9 gezeigt, in den Zwischenräumen zwischen den Säulen abgeschieden. Die Struktur wird dann mit einem geeigneten Verfahren geebnet, um n- Typ Material von jeder Säule freizulegen, wie dies in Fig. 10 gezeigt wird. Eine Gaswärmebehandlung kann durchgeführt und eine transparente Metallkontaktschicht 36 anschließend durch Sputtern oder andere Maßnahmen abgeschieden werden, um einen Ohmschen Kontakt herzustellen, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.
• Eine weitere Variation des oben beschriebenen grundlegenden Prozesses wäre die Verwendung einer selbstausrichtenden Nano-Skala-Maske (nicht gezeigt), wie etwa eine Maske aus selbstausrichtenden Kugeln. Vergleiche beispielsweise H. W. Deckmann, Applications of Surface Textures Produced With Natural Lithoqraphy, J. aus Vacuum Science and Tech. B. Bd. 1, Nr. 4, S. 1109 (1983). Diese Kugelbereiche werden aus Polystyren oder einem ähnlichen Material mit einem Durchmesser im Bereich von 20- 200 nm gebildet. Die Kugeln sind in einer Flüssigkeit geringer Dichte und hohem Dampfdruck wie etwa Methanol, das auf der Oberfläche des Substrats, des Siliziumnitrids, des Siliziumdioxids, etc. abgeschieden ist, gelöst. Wenn das Substrat beispielsweise mit etwa 30 Umdrehungen pro Minute geschleudert wird, verteilen sich die Kugelbereiche in einer selbständig entstehenden Monoschicht. Die Flüssigkeit, in der die Kugeln gelöst sind, kann durch Zufuhr von warmem, trocknem N2 etc. verdampft werden. Das RIE mit geringer Leistung kann dann unter Verwendung der verbleibenden trocknen Monoschicht als Maske (unter Beachtung, daß die Kugeln nicht geschmolzen werden) durchgeführt werden. Die Kugeln können dann beispielsweise durch Waschen des Wafers entfernt werden.
• Eine noch weitere Variation ist die Bildung der Punkte 18a aus einem nichtoxidierenden Metall wie etwa Palladium oder Metallmultischichten. Zusätzlich zu den oben diskutierten Anforderungen einer minimalen Oxidation und Zwischendiffusion, die die Auswahl für das Material der Punkte 18a bestimmt, besteht eine weitere Bedingung in der Auswahl des Metalls in dieser Ausführungsform darin, daß das Metall und das Si kein Eutektikum mit einer eutektischen Temperatur unterhalb der höchsten Prozeßtemperatur bilden darf. Andere Material/Prozeß-Einschränkungen liegen darin, daß das Material aus dem die Punkte 18a gebildet werden, während des Prozesses nicht wesentlich oxidieren darf und daß die Zwischendiffusion zwischen dem Punktmaterial und dem Silizium minimal sein muß. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung der Punkte 18a wäre die Verdampfung eines geeigneten Metalls durch die Lücken der zuvor erwähnten Kugelanordnung.
• Bezüglich der in Fig. 11 gezeigten Struktur 38 werden alle Verfahrensschritte in der obenbeschriebenen Weise durchgeführt, wenn die Punkte 18a aus einem geeigneten Metall gebildet werden, mit der Ausnahme, daß die Punkte 18a entfernt werden müssen, wenn Ohmsche Kontakte zu den Säulen hergestellt werden. Vielmehr wird nach der Oxidation eine Schicht 40 aus einem transparenten Leiter wie etwa ITO auf dem Oxid 22 und den Punkten 18a abgeschieden, um die Säulen elektrisch zu verbinden. Obwohl die Einführung von Metallpunkten 18a in einigen Reaktorsystemen nicht erwünscht ist, sind entsprechend dieser Ausführungsform wenige Verfahrensschritte zur Herstellung einer LED aus einem Material mit indirekter Bandlücke nötig, was möglicherweise dazu führt, daß Systems zur Herstellung solcher Bauelemente speziell ausgestaltet werden.
• Eine noch weitere Variation wäre die Verwendung eines anderen Substrats als kristallines Silizium. Beispielsweise könnte auf einem Substrat aus Saphir oder Glas ein kristallines oder polykristallines Silizium abgeschieden sein und das Silizium wird dem obenbeschriebenen Prozeß zur Bildung einer LED unterzogen. Ferner könnte das Substrat ein Material mit direkter Bandlücke sein, wie etwa GaAs, auf dem eine Schicht eines Materials mit indirekter Bandlücke wie etwa AlGaAs oder ähnliche Verbindungsstrukturen abgeschieden sind.
• Ferner kann direkt auf dem p-Typ Substrat ein Material gebildet oder abgeschieden sein, das kein Halbleitermaterial ist aber als Ladungsträgerquelle dient (beispielsweise Elektronen). Ein Beispiel dieses Materials in diesem Falle könnte ein geeignetes Metall (z. B. Platin) sein, um damit ein Diodenbauelement des Schotty-Typs zu bilden. In einer Ausführungsform der Schotty-Typ Diode könnte der quantenmechanische Einschluß in mehreren Dimensionen in der oben diskutierten Weise bereitgestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Schotty-Diode würde das p-Typ Substrat poröses Silizium umfassen, wie etwa das, das von L. T. Canham in Silicon Quantum Wire Array Fabricated by Electrochemical and Chemical Dissolution of Wafers, App. Phys. Lett. 57, Nr. 10, S. 1046 (1990) beschrieben ist. In dieser Ausführungsform werden Teile des Siliziumsubstrats geätzt, um säulenartige Strukturen in ähnlicher Ausdehnung wie die oben beschriebenen Säulenkerne zu liefern (mit einer Breite in der Größenordnung von zehn Angström). Ein entsprechend abgelagerter, passivierter, transparenter Isolator (wie beispielsweise Parylen) ist über der Struktur bis zu einer Dicke von beispielsweise 10 nm abgeschieden. Das Parylen wird anschließend durch laterales Ionenfräßen oder einen vergleichbaren Prozeß eingeebnet bis die Oberseiten der Siliziumstruktur freigelegt sind. Schließlich wird ein Chromfilm oder ähnliches Material aufgebracht und anschließend mit einem transparenten Leiter wie etwa ITO bedeckt, um ein elektrischen Kontakt zu den Säulenstrukturen herzustellen.
• Wir beschreiben nun eine illustrative Ausführungsform, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist und in der die longitudinale Achse der Halbleiterquantendrahtstruktur parallel zur Substratoberfläche (d. h., horizontal) liegt. Im allgemeinen gibt es zwei Hauptschwierigkeiten bei der Verwirklichung von Elektrolumineszenz in praktisch verwirklichten Strukturen eines Halbmaterials mit indirekter Bandlücke. Zum ersten muß die lumineszente Struktur extrem kleine Ausdehnungen haben. Auf diese Anforderung wurde oben eingegangen. Die zweite Anforderung ist allerdings die Herstellung eines IC kompatiblen Bauteils, das die Struktur verwendet. Um eine alternative Struktur zur Eingliederung in eine Bauteileumgebung bereitzustellen, kann die vorliegende Erfindung in planaren Strukturen wie folgt hergestellt werden.
• Fig. 12 ist eine Draufsicht und Fig. 13 ist eine Seitenansicht eines Apparats 100, der solche Strukturen verwendet. Bezüglich dieser Figuren ist ein Silicumsubstrat 102 mit einem Gebiet aus SIMOX oder eines vergrabenen Oxids 104 unter einer kristallinen Siliziumoberschicht 106 vorgesehen. Ein Gebiet 108 der Siliziumoberschicht 106 ist mit p- Typ Verunreinigungen implantiert (hier als der obere Bereich des Apparates 100 gezeigt, wenn dieser von oben betrachtet wird), und ein komplementäres Gebiet 110 wird n-Typ dotiert (hier als der untere Bereich des Apparates 100 gezeigt, wenn dieser von oben betrachtet wird). Als nächstes wird ein Oberflächenoxid 112 an der Siliziumoberschicht 106 abgeschieden, die verwendet werden kann, um die anschließend gebildeten Quanteneinschlußstrukturen zu formen. Anschließend wird Siliziumnitrid auf und sich über die obere Oberfläche der Siliziumoberschicht 106 erstreckend abgeschieden und zu Streifen 114 strukturiert. Diese Streifen 114 werden sich im wesentlichen über die Länge der oberen Oberfläche der Siliziumoberschicht 106 erstreckend gezeigt, obwohl sie sich, trotzdem sie die Länge der quantenmechanisch einschließenden Strukturen definieren, in einer ähnlichen Richtung mehr oder weniger ausdehnen können, abhängig von der letztlich gewünschten Ausdehnung der quantenmechanisch einschließenden Strukturen. Eine Anforderung an die Streifen 114 ist allerdings, daß sie sich unabhängig von der Länge über die Grenze zwischen dem p-Typ Gebiet 108 und dem n-Typ Gebiet 110 erstrecken. Anschließend wird die obere Oberfläche der Siliziumoberschicht 106 unter Verwendung der Siliziumnitridstreifen 114 als Oxidmasken oxidiert. Aufgrund der zuvor erwähnten Beeinträchtigung besteht das Resultat die Oxidation der Schicht 106 mit Ausnahme schmaler Kernbezirk darin, als nichtoxidiertes kristallines Silizium unterhalb der Streifen 114 verbleiben. Alternativ kann das RIE wieder unter Verwendung der Streifen 114 als Masken angewendet werden, um Hohlräume (nicht gezeigt) im den zwischenliegenden Gebieten zwischen und unter den Streifen 114 zu öffnen. Die Oxidation kann dann in einer lateralen Weise weiterschreiten, so gesteuert, daß die Kernbezirke 116 aus kristallinem Silizium gebildet werden. Anschließend können, wenn nötig, die Streifen 114 entfernt werden. Das Verschmälern der Kernbezirke 116, die durch eine der beiden Verfahren gebildet wurde, geht weiter bis die Bezirke in der Größenordnung von 2-3 nm sind, wodurch die Quanteneinschlußstrukturen gebildet werden. Die Kernbezirke sind im Vergleich zu ihrer Breite und Höhe sehr lang und werden daher als "Quantendrähte" bezeichnet. Jeder Quantendraht enthält einen p-n (oder äquivalent ei nen p-i-n) Übergang 118 und bildet somit eine LED. Kontakte 120 und 122 werden durch einen geeigneten Prozeß geformt, um das Bauteil zu vervollständigen. (Wenn nötig kann eine Isolierung von unten durch einstellbare elektrostatische Isolation (beispielsweise einem p-n Übergang) vom Substrat 102 bereitgestellt werden.) Licht wird durch die freigelegte obere Oberfläche der oxidierten Siliziumoberschicht 106 emittiert. Die vorherige Erörterung bezüglich des Brechungsindex des säulenartigen Quanteneinschlußapparates trifft somit genauso auf diesen Apparat zu. Die Oberflächenoxidschicht 112 wird daher so ausgestaltet, daß der Gesamtfluß des emittierten Lichts durch interferometrische Effekte maximiert wird.
• Schließlich kann die vorliegende Erfindung ebenso in Strukturen, die einen quantenmechanischen Ladungsträgereinschluß in drei Dimensionen zeigen, verwendet werden. Diese Strukturen, die oft als "Quantenpunkte" bezeichnet werden, können durch mehrere Verfahren bereitgestellt werden. Bezüglich Fig. 16 wird beispielsweise eine Struktur 115 bereitgestellt, wobei mit einer epitaxialen Unterschicht 142, auf die die obenbeschriebenen Quantensäulen gebildet sind, einschließlich eines p-Typ Gebiets 154 und eines n-Typ Gebiets 156 begonnen wird. Die Säulen werden so von einer weiteren epitaxialen Schicht 158 begrenzt, auf der Ladungsträger vertikal innerhalb der Säulen eingeschlossen sind. Wenn die Ausdehnung dieses Einschlusses sich der de Borglie Wellenlänge nähert, werden die Ladungsträger wie oben beschrieben wurde, in einer dritten Dimension quantisiert. Andere Beispiele können in der Literatur gefunden werden, wie etwa bei A. Scherer et al., Fabrication of Microfasers and Microresonator Optical Switches, App. Phys. Lett. Bd. 55, Nr. 26, S. 2724 (1989) und M. B. Stern et al., Fabrication of 20-nm Structures in GaAs, Appl. Phys. Lett. Bd. 45, Nr. 4, S. 410, (1984).
• Ein wesentlicher Vorteil der Herstellung von lichtemittierenden Strukturen aus Materialien mit indirekter Bandlücke wie etwa kristallinem Silizium ist der, daß die Verarbeitung dieser Materialien aus der Verarbeitung wohl bekannter elektronischer Strukturen wie etwa integrierte Schaltkreisbauteile, etc. relativ gut verstanden ist. Noch ein weiterer Vorteil ist, daß jene gleichen elektronischen Strukturen wie etwa Steuerungen, Logik, etc. wie auch andere optische Strukturen wie Lichtdetektoren, Wellenleiter, etc. monolithisch mit den lichtemittierenden Strukturen hergestellt werden können. Fig. 14 zeigt ei ne Ausführungsform 50 einer solchen monolithischen Integration. Wie in Fig. 14A schematisch gezeigt ist, ist eine LED Anordnung 52 (die sich aus LEDs jeglichen hierin beschriebenen Typs oder deren Äquivalenten zusammensetzt) elektrisch mit einem Feldeffekttransistor (FET) 54, der aus Drain 56, Source 58 und Gate 60 besteht, elektrisch verbunden, so daß der FET 54 den Betrieb der LED Anordnung 52 steuert. Diverse andere Bauteile und Anordnungsverbindungen sind für den Fachmann offensichtlich. Beispielsweise kann die Anordnung aus lichtemittierenden Strukturen aus Material mit indirekter Bandlücke gleichzeitig monolithisch mit anderen Komponenten gebildet werden, oder die Anordnung und/oder die anderen Komponenten können vorher gebildet werden und anschließend für integrierten Betrieb weiterverarbeitet oder zusammengefügt werden.
• LEDs mit unterschiedlichem Kerndurchmessern emittierten Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen. Daher können unterschiedlich farbige LEDs auf dem gleichen Chip durch getrennte Treiber angesteuert werden. Zusätzlich zur Variierung der Durchmesser der Punkte 18a umfassen andere Methoden zur Herstellung von LEDs mit unterschiedlichem Kerndurchmesser zeitlich abgestimmtes RlE- Formieren von Säulen, Antioxidationsbeschichtungen auf den Säulen, um das Einsetzen der Oxidation zu verzögern, etc. ein. Für diese Vorgänge ist lediglich eine Maskierung mit geringer Auflösung notwendig.
• Im allgemeinen sind für den Fachmann auf diesem Gebiet, viele Änderungen im Aufbau und stark unterschiedliche Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich ohne von dem in den angefügten Patentansprüchen definierten Bereich abzuweichen. Beispielsweise hat sich die obige Beschreibung auf lumineszente Strukturen aus Silizium konzentriert. Es können jedoch auch andere Halbleitermaterialien mit indirekter Bandlücke als Grundlage lumineszenter Strukturen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet und betrieben werden, dienen. Ferner verwenden die obenbeschriebenen Strukturen eine zweidimensionale Quantisierung, um Lichtemission aus Halbleitermaterialien mit indirekter Bandlücke hervorzubringen. Die gleichen Prinzipien und Herstellungstechniken können verwendet werden, um Strukturen mit dreidimensionaler Quantisierung (beispielsweise sogenannte "Quantenpunkte") zu bilden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung funktionieren und gebildet werden.
• Die Beschreibungen der Ausführungsformen wird damit in keiner Weise als beschränkend betrachtet.

Claims (9)

1. Elektrolumineszenzdiode mit:

einem Substrat (12); und mehreren Säulen (20) aus halbleitendem Material mit einem Durchmesser von ungefähr 2-3 nm, um einen quantenmechanischen Ladungsträgereinschluß in zwei Dimensionen zu liefern, wobei jede der Spalten umfaßt

ein erstes Gebiet (14) aus kristallinem Halbleitermaterial mit indirekter Bandlücke des Typs, der als Rezeptor für Ladungsträger eines ersten Leitungstyps wirkt, angeordnet in berührender Beziehung zum Substrat; und

ein zweites Gebiet (16) eines Materials des Typs, der als Donator von Ladungsträgern des ersten Leitungstyps wirkt, angeordnet in berührender Beziehung zum Material des ersten Gebiets;

so daß die Diode elektroluminesziert, wenn sie in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

2. Die Elektrolumineszenzdiode gemäß Anspruch 1, wobei das Material des zweiten Gebiets Metall ist.

3. Die Elektrolumineszenzdiode gemäß Anspruch 1, wobei das Material des ersten Gebiets Silizium ist.

4. Die Elektrolumineszenzdiode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Gebiet mit Ladungsträgern eines zweiten, dem ersten Leitungstyp entge gengesetzten Leitungstyps bevölkert und so angeordnet ist, daß Ladungsträger aus den ersten und zweiten Gebieten rekombinieren können und dabei Licht emittieren.

5. Die Elektrolumineszenzdiode gemäß Anspruch 4, die weiterhin ein drittes Gebiet aus einem intrinsischen halbleitenden Material mit indirekter Bandlücke umfaßt, das in einem berührenden Verhältnis mit den ersten und zweiten Gebieten so angeordnet ist, daß Ladungsträger aus den ersten und zweiten Gebieten in und durch das dritte Gebiet wandern können und rekombinieren, um Licht zu emittieren.

6. Die Elektrolumineszenzdiode gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die ersten und zweiten Gebiete longitudinale Hauptachsen senkrecht zum Substrat haben, und wobei weiterhin die ersten und zweiten Gebiete in einem koaxialen berührenden Verhältnis angeordnet sind.

7. Die Elektrolumineszenzdiode gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das erste Gebiet mit p-Typ Ladungsträgern bevölkert ist, und wobei ferner das erste Gebiet zwischen dem Substrat und dem zweiten Gebiet angeordnet ist.

8. Die Diode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten und zweiten Gebiete der Säulen zumindest eine gemeinsame Dimension haben, die zum Teil die Wellenlänge des von den darin rekombinierenden Ladungsträgern emittierten Lichts bestimmt, weiterhin mit:

mehreren dritten Gebieten aus halbleitendem Material mit indirekter Bandlücke, die so ausgestaltet sind, um darin einen quantenmechanischen Ladungsträgereinschluß in zwei Dimensionen bereitzustellen, und die mit Ladungsträgern mit einem gewissen Leitungstyp bevölkert und in berührender Beziehung mit dem Substrat angeordnet sind;

mehreren vierten Gebieten aus halbleitendem Material mit indirekter Bandlücke, die so ausgestaltet sind, um darin einen quantenmechanischen Ladungsträgereinschluß in zwei Dimensionen bereitzustellen, und die mit Ladungsträgern des Leitungstyps, der dem besagten einen gewissen Leitungstyp entgegengesetzt ist, bevölkert und so angeordnet sind, daß jedes dritte Gebiet ein damit verknüpftes viertes Gebiet hat und weiterhin daß die Ladungsträger von verknüpften dritten und vierten Gebieten rekombinieren können, um dadurch Licht zu emittieren; und

wobei die dritten und vierten Gebiete wenigstens eine gemeinsame Dimension haben, die zum Teil die Wellenlänge des von den darin rekombinierenden Ladungsträgern erzeugten Lichts bestimmt, die verschieden ist von der gemeinsamen Dimension der ersten und zweiten Gebiete, so daß die Wellenlänge des von den in den ersten und zweiten Gebieten rekombinierenden Ladungsträgern emittierten Lichts verschieden ist von der Wellenlänge des von den in den dritten und vierten Gebieten rekombinierenden Ladungsträger emittierten Lichts.

9. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolumineszenzdiode mit den Schritten:

Bilden auf einem Substrat (12) eines ersten Gebiets (14) aus einem kristallinen halbleitenden Material mit indirekter Bandlücke des Typs, der als Rezeptor für Ladungsträger eines ersten Leitungstyps wirkt und in berührendem Verhältnis zu dem Substrat angeordnet ist; und

Bilden eines zweiten Gebiets (16) eines Materials des Typs, der als Donator der Ladungsträger des ersten Leitungstyps wirkt und in berührendem Verhältnis zum Material des ersten Gebiets angeordnet ist;

Bilden mehrerer Säulen (20) aus halbleitendem Material mit einem Durchmesser von ungefähr 2-3 nm, die teilweise das erste Gebiet und das zweite Gebiet umfassen, um einen quantenmechanischen Ladungsträgereinschluß in zwei Dimensionen bereitzustellen, so daß die Diode elektroluminesziert, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.