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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleitervorrichtungen
und spezifischer Halbleitervorrichtungen, bei denen Halbleiter der
Gruppe IV für die
Lichtemission auf Aufbringen einer Spannung darauf verwendet werden.
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Herkömmlicherweise
werden lichtemittierende Halbleitervorrichtungen aus ausgewählten Materialien
unter Anwendung von Halbleitern der Verbindungen der Spalten III–V hergestellt,
die Arsenid (As) und Phosphor (P) umfassen. Jedoch sind die meisten Halbleitervorrichtungen
für die
typische Verwendung bei zentralen Prozessoreinheiten (ZPU) und Speichern
so konstruiert, dass Silicium (Si) verwendet wird, was es wiederum
schwierig macht, die lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen
monolithisch auf einem Si-Substrat zusammen mit einer ZPU und Speichern
herzustellen. Auch besteht, da Si-Substrate billig sind, die Notwendigkeit
der Entwicklung von lichtemittierenden Elementen, die auf einem
Si-Substrat ausgeführt
sind, das als Grundplatte verwendet wird.
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Jedoch
ist Si ein Halbleiter vom indirekten Übergangstyp, der eine geringe
Lichtemissionseffizienz aufweist. Dies führt zu einer ungenügenden Lichtemission
bei lichtemittierenden Halbleiterelementen, wobei die pn-Verbindung
von Si einfach auf einem Si-Substrat gebildet wird.
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Im
Gegensatz dazu umfassen diejenigen Materialien, die auf Si-Substraten
herstellbar sind, Silicium-Germanium (SiGe). Obwohl weiterhin Studien durchgeführt werden,
während
erwartet wird, dass SiGe vom direkten Übergangstyp ist, sind Vorrichtungen
mit erhöhter
Leuchteffizienz noch nicht entwickelt worden.
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Poröses Si,
das durch Ätzen
der Oberfläche eines
Si-Substrats mit Poren gefüllt
ist, könnte
bei Raumtemperaturen eine starke Fotolumineszenz-Lichtemission aufweisen.
Jedoch ist die Leuchteffizienz im Vergleich mit der Menge der Strominjizierung
relativ gering und von unbeständiger Charakteristik.
Aus diesem Grund ist poröses
Si in der Praxis nicht erfolgreich eingeführt worden.
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Die
Erreichbarkeit einer optisch gepumpten Lichtemission (Fotolumineszenzemission)
ist bei X. Zhao et al., Japanese Journal of Applied Physics, Band
33, L649 (1994) besprochen worden. Dieses Dokument offenbart, dass
eine relativ starke Fotolumineszenz in Bereichen des Spektrums von
Ultraviolettstrahlen zu Blaulicht bei Raumtemperaturen aus Si-Mikrokristallen
eines Durchmessers von 5 Nanometern (nm) oder weniger beobachtbar
ist, die durch Erhitzen von amorphem Si hergestellt worden sind.
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Ein
anderer Bericht (Z.H. Lu et al., Nature, Band 378, 258 (1995)) zeigt,
dass eine relativ starke Fotolumineszenzemission aus einer Supergitterstruktur
bei Raumtemperatur beobachtet wurde. Die Struktur wurde durch abwechselndes
Wachstum von amorphem Si einer Dicke von mehreren Nanometern und
Si-Oxidfilmen gebildet.
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Leider
bieten die vorher bekannten Ansätze nur
Vorrichtungsstrukturen mit ausschließlich einer Fotolumineszenzemissionsfähigkeit.
Diese Strukturen bleiben unfähig,
Licht durch Strominjizierung zu emittieren und es fehlt ihnen daher
eine elektrische Regulierbarkeit.
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Eine
beispielhafte Lichtemissionsvorrichtung ist in einem Dokument, K.
Chen et al., J. Non-Cryst. Solids, 198, 833 (1996) offenbart. Die
offenbarte Vorrichtung wurde durch Bilden eines mehrschichtigen Supergitters
mit einer Lamination von amorphen Si-Dünnfilmen und nitrierten Si-Dünnfilmen, Erhitzen des Laminats
zur teilweisen Kristallisation und daraufhin einfaches Bereitstellen
von Elektroden darauf erhalten. Bei diesem Ansatz stößt man auf
zwei Probleme. Die Leuchteffizienz ist aufgrund einer steigenden
Abweichung der Größe und Dichte
von Mikrokristallen gering, weil eine gleichförmige Wärmeaufbringung unter Anwendung
von Laserwärmeverarbeitung
unerreichbar ist. Ein anderes Problem besteht darin, dass die Vorrichtung
die Verwendung von Spannungen von hohem Potential wie beispielsweise 25
Volt oder mehr erforderlich macht, weil das mehrschichtige Laminat
eine Dicke von 200 nm oder mehr aufweist.
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Noch
ein weiteres Beispiel einer lichtemittierfähigen Vorrichtung ist in der
veröffentlichten
Japanischen Patentanmeldung Nr. 5-218499 (JP-A-S-218499) offenbart.
Diese Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie eine Lichtemission
durch örtliches
Verbessern des Quantum-Confinement-Effekts durch Verwendung von
Si vom p-Typ und Si vom n-Typ bietet, die miteinander in Kontakt
stehen, eines Größenmaßstabs von
mehreren Nanometern. Ein weiteres Beispiel des Stands der Technik
ist in der JP-A-6-140669 offenbart, wobei mit Verunreinigungen vom
p- und n-Typ dotierte Schichten mit feinen Linien einer Breite von
etwa 10 nm oder schmäler (Quantenmikrolinien)
Seite an Seite miteinander in Kontakt stehen, was erlaubt, Löcher und
Elektronen aus den Regionen jeweils vom p- und n-Typ zur Rekombination
an einem Verbindungsabschnitt zu injizieren, was zur Emission von
Lichtstrahlen (Elektrolumineszenz) führt.
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Die
oben angegebenen Ansätze
des Stands der Technik sind inhärent
darauf gerichtet, die Heteroverbindungsstruktur mit Halbleitermikrolinien
bereitzustellen, die direkt mit anderen Halbleiterschichten kontaktiert
werden. Ein mit diesem Typ von Struktur assoziiertes Problem besteht
darin, dass die umgebenden Halbleiterabschnitte einen wesentlich
größeren Bandabstand
aufweisen als die Halbleiterabschnitte. Dadurch wird es sehr schwierig
gemacht, Elektronen und Löcher effizient
in den Verbindungsabschnitt zu injizieren. Selbst dort, wo die Elektronen und
Löcher
injiziert werden können,
können
diese nach außen
auslaufen, was zu einer ungenügenden Leuchteffizienz
führt.
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Wie
oben beschrieben erreichen die lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen
des Stands der Technik auf der Basis von Si keine ausreichende Lichtemissionseffizienz.
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Shcheglov
et al, „Electroluminescence
and photoluminescence of Ge implanted Si/SiO2/Si
structures (Elektrolumineszenz und Fotolumineszenz von Ge-implantierten
Si/SiO2/Si-Strukturen)", Appl. Phys. Lett 66 Seiten 745 bis
747 (1995) beschreiben eine Elektrolumineszenzvorrichtung, die unter
Anwendung eines, dicken (z.B. 70 nm dicken) SiO2-Films, der
Ge-Nanokristalle enthält,
hergestellt worden ist. Die Vorrichtung gibt Strahlung ab, wenn
sie im Umkehrvorspannungs-Versagungsmodus betrieben wird.
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WO
96/30951 betrifft eine mit Silicium verträgliche, lichtemittierende oder
-erfassende Vorrichtung umfassend mehrere Quantenpunkte, wobei jeder
Quantumpunkt mehrere abwechselnde Silicium- und Silicium-Germaniumschichten
umfasst. Die Regionen zwischen den Quantenpunkten sind mit dielektrischem
Material gefüllt.
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JP 8 307 011 betrifft ein
lichtemittierendes Element, das mehrere Siliciummikrokristalle umfasst, die
unter Anwendung des CVD-Verfahrens gebildet worden sind.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine neue
und verbesserte Halbleitervorrichtung unter Anwendung von Si mit
einer erhöhten
Lichtemissionseffizienz bereitzustellen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Halbleitervorrichtung auf der Basis von Si bereitzustellen, die
in der Lage ist, die Lichtemission elektrisch zu regulieren.
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In
einer ersten Ausgestaltung bietet die vorliegende Erfindung eine
Halbleitervorrichtung umfassend eine erste leitfähige Schicht; eine zweite leitfähige Schicht;
eine mikrokristalline Halbleiterschicht, die zwischen den ersten
und zweiten leitfähigen Schichten
eingebracht ist, wobei die mikrokristalline Halbleiterschicht Halbleitermikrokristalle
und einen isolierenden oder dielektrischen Film umfasst, wobei der
Film jedes Mikrokristall derart umgibt, dass die Mikrokristalle
in dem Film eingebettet sind, wobei die ersten und zweiten leitfähigen Schichten
entweder:
Halbleiterschichten der Gruppe IV mit entgegengesetzten
Polaritäten
sind; oder eine der ersten oder zweiten leitfähigen Schichten ein Halbleiter
vom n-Typ oder p-Typ der Gruppe IV ist und die andere leitfähige Schicht
eine Metallschicht ist; und wobei die Halbleitermikrokristalle Silicium
umfassen und eine Größe von weniger
als oder gleich 10 nm derart besitzen, dass sie einen Quantum-Confinement-Effekt aufweisen
und der Film, der jedes Mikrokristall umgibt, dünn genug ist, um es Elektronen
und Löchern
auf das Aufbringen einer Spannung zwischen den ersten und zweiten
leitfähigen
Schichten hin zu erlauben, sich durch den Film zur Injizierung in
die Halbleitermikrokristalle zu tunneln, derart, dass die Elektronen
und Löcher
für die
Lichtemission erneut miteinander kombiniert werden.
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Einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
gemäß umfasst
einer der Halbleiter der Gruppe IV vom p- oder n-Typ Silicium.
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Die
mikrokristalline Halbleiterschicht kann Löcher in einem Volumen enthalten,
das gleich oder weniger als fünf
Prozent des Volumens der Schicht ist.
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Einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
gemäß wird eine
Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die als ihre lichtemittierende
Schicht mehrere mikrokristalline Halbleiterschichten enthält. Jede Schicht
ist der mikrokristallinen Halbleiterschicht äquivalent, wobei eine Gesamtdicke
der Mikrokristallschichten 80 nm oder weniger beträgt.
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In
einer zweiten Ausgestaltung bietet die vorliegende Erfindung eine
Halbleitervorrichtung umfassend eine erste leitfähige Schicht; eine zweite leitfähige Schicht;
und eine Halbleiterfeinlinienschicht, die zwischen den ersten und
zweiten leitfähigen
Schichten eingebracht ist, wobei die Halbleiterfeinlinienschicht
mindestens zwei Halbleiterfeinlinien und einen isolierenden oder
dielektrischen Film umfasst, der eine Resistivität aufweist, die höher ist
als diejenige der Halbleiterfeinlinien, wobei der Film jede der Halbleiterfeinlinien
mit einer Filmdicke derart umgibt, dass jede der feinen Linien in
dem Film eingebettet sind, wobei die ersten und zweiten leitfähigen Schichten
entweder: Halbleiterschichten der Gruppe IV mit entgegengesetzten
Polaritäten
sind; oder eine der ersten oder zweiten leitfähigen Schichten ein Halbleiter
vom n-Typ oder p-Typ der Gruppe IV ist und die andere leitfähige Schicht
eine Metallschicht ist; und wobei die mindestens zwei Halbleiterfeinlinien Längs- und
Querdimensionen von weniger als oder gleich 10 nm derart besitzen,
dass sie einen Quantum-Confinement-Effekt aufweisen, wobei der Film, der
jede Halbleiterfeinlinie umgibt, dünn genug ist, um es Elektronen
und Löchern
auf das Aufbringen einer Spannung zwischen den ersten und zweiten
leitfähigen
Schichten hin zu erlauben, sich durch den isolierenden Film zur
Injizierung in die Halbleiterfeinlinien zu tunneln zum erneuten
Kombinieren darin für die
Lichtemission, wobei die Halbleiterfeinlinien Silicium umfassen.
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Die
Halbleitervorrichtung kann eine Lichtemissionsschicht mit mehreren
Halbleiterfeinlinienschichten enthalten, wobei jede der Halbleiterfeinlinienschicht äquivalent
ist und eine Gesamtdicke von 80 nm oder weniger aufweist.
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Die
Halbleiterschicht der Gruppe IV kann Silicium umfassen.
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In
einer dritten Ausgestaltung bietet die vorliegende Erfindung eine
Halbleitervorrichtung umfassend eine erste leitfähige Schicht (31, 103, 127);
eine zweite leitfähige
Schicht (34, 105, 129); und eine mehrschichtige
Halbleiterstruktur (104, 128), die zwischen den
ersten und zweiten leitfähigen
Schichten eingebracht ist; wobei die Struktur eine abwechselnde
Lamination mehrerer Halbleiterschichten (32) der zweiten
Gruppe IV und mehrere isolierende oder dielektrische Filme (33)
umfasst, wobei jede der Halbleiterschichten (32) der zweiten
Gruppe IV eine Dicke von weniger oder gleich 10 Nanometern aufweist, wobei
jeder Film (33) eine Dicke aufweist, die weniger oder gleich
5 Nanometern ist, wobei die abwechselnde Lamination von Schichten
eine Dicke von weniger als oder gleich 80 Nanometern aufweist, wobei die
ersten (31, 103, 127) und zweiten (134, 105, 129) leitfähigen Schichten
entweder-Halbleiterschichten der
Gruppe IV mit entgegengesetzten Polaritäten sind; oder eine der ersten
(31, 103, 127) oder zweiten (34, 105, 129)
leitfähigen
Schichten ein Halbleiter vom n-Typ oder p-Typ der Gruppe IV ist
und die andere leitfähige
Schicht eine Metallschicht ist; wobei auf das Aufbringen einer Spannung
zwischen den ersten (31, 103, 127) und
zweiten (34, 105, 129) leitfähigen Schichten
hin Elektronen und Löcher
sich durch die Filme (33), die eine hohe Resistivität aufweisen,
hindurchtunneln zur Injizierung in die Halbleiterschichten (32)
der zweiten Gruppe IV zur Rekombination der Elektronen und Löcher für die Emission von
Licht und wobei die Halbleiterschichten der zweiten Gruppe IV Silicium
umfassen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
werden eine Halbleitervorrichtung, die ein Lichtaufnahmeelement
enthält, das
aus Halbleiter der Gruppe IV hergestellt ist, und irgendeine der
oben beschriebenen Halbleitervorrichtungen auf dem gleichen Halbleitersubstrat
bereitgestellt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden eine Halbleitervorrichtung, die eine integrierte Schaltung
mit Transistoren, die aus Halbleitern der Gruppe IV hergestellt
sind, Widerstände
und Kondensatoren, ein Lichtaufnahmeelement, das aus Halbleiter
der Gruppe IV hergestellt ist und irgendeine der obigen Halbleitervorrichtungen auf
demselben Halbleitersubstrat bereitgestellt.
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1 bis 4 sind
Querschnittsdiagramme, die Halbleitervorrichtungen der jeweiligen
ersten bis vierten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
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5 veranschaulicht
in einer Querschnittsansicht eine Halbleiteranzeigetafel gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht eines
Lichtemissionselements der in 5 gezeigten Anzeigetafel.
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht der Halbleitervorrichtung, die in 7 gezeigt
ist.
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9 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung einer siebten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gemäß.
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10 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung einer achten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gemäß.
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11 zeigt
eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung aus 10.
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12 ist
eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung einer neunten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gemäß.
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13 ist
eine bildliche Querschnittsdarstellung einer Schnittstruktur einer
Lichtemissionsschicht, die mehrere Mikrokristalle enthält, die
die vorliegende Erfindung verkörpern.
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14 ist
eine Querschnittsansicht von porösem
Silicium des Stands der Technik.
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15 ist
eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer
Anschaltspannung und Lichtintensität in Abhängigkeit von einer Gesamtfilmdicke
in einer Halbleitervorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung
verkörpert.
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16 zeigt
im Querschnitt eine Halbleitervorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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17 ist
eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Wellenlänge in Abhängigkeit
von der Intensität
von emittiertem Licht in einer Halbleitervorrichtung, die in 16 gezeigt ist,
zeigt.
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Die
vorliegende Erfindung ist dargestellt, indem eine lichtemittierfähige Schicht
so strukturiert ist, dass sie einen dünnen dielektrischen Film (oder
einen Hochresistivitätsfilm)
enthält,
der Halbleitermikrokristalle der Gruppe IV umgibt oder „umwickelt", die im Wesentlichen
aus denjenigen Kristallen einer Größe von 10 nm oder weniger mit
einer Fähigkeit
bestehen, den Quantum-Confinement-Effekt (die Wirkung des Erlaubens
von Quantum-Confinement-Erhöhungen
mit abnehmender Größe) aufzuweisen.
Eine andere Charakteristik der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass eine Struktur mit Halbleitermikrokristallen der Gruppe IV entweder
in einer dielektrischen Schicht oder einer Hochresistivitätsschicht eingegraben
ist. Noch eine weitere Charakteristik der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass diese lichtemittierende Schicht zwischen Halbleitern
vom p- und n-Typ
eingebracht ist, um zu erlauben, dass auf das Aufbringen einer Spannung
dazwischen, Löcher
und Elektronen in den dünnen
dielektrischen Film durch Tunnelwirkung zum Injizieren in die Halbleitermikrokristalle
eindringen, wodurch die Emission von Licht durch Rekombination hervorgerufen
wird. Das kann eine Leuchteffizienz ergeben, die über diejenige
lichtemittierender Vorrichtungen des Stands der Technik hinausgeht.
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Ebenfalls
der vorliegenden Erfindung gemäß kann die
Lichtemissionsschicht sich zwischen einem Metallfilm und einem Halbleiter
vom p-Typ oder alternativ zwischen einem Metallfilm und einem Halbleiter vom
n-Typ befinden.
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Des
Weiteren ist die Lichtemissionsschicht erfindungsgemäß so strukturiert,
dass ein dünner
dielektrischer Film (Oxidfilm oder Nitritfilm) die Si-Mikrokristalle,
die typischerweise eine Größe von 10
nm oder weniger aufweisen, umgibt, was die Verbesserung des Quantum-Confinement-Effekts
erlaubt und es dadurch ermöglicht,
dass dieser Teil in einen pseudodirekten Halbleiter vom Übergangstyp
umgewandelt wird, so dass sich die Leuchteffizienz erhöht.
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Des
Weiteren erlaubt die Verwendung der Struktur, bei der die Lichtemissionsschicht
sich zwischen den Halbleitern vom p- und n-Typ befindet, der Struktur, bei
der sich die Emissionsschicht zwischen dem Metall und dem Halbleiter
vom p-Typ befindet oder der Struktur, bei der die Schicht sich zwischen dem
Metall und dem Halbleiter vom n-Typ befindet, Löchern und Elektronen auf das
Anschalten der Vorrichtung hin effizient in die Halbleitermikrokristalle
injiziert zu werden, wodurch es ermöglicht wird, dass die beabsichtigte
Rekombination nur am Mikrostrukturabschnitt stattfindet, was es
wiederum ermöglicht, die
Leuchteffizienz zu erhöhen.
Gleichzeitig ist es möglich,
die Emission von Licht elektrisch zu regulieren.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch dazu fähig, zu verursachen, dass die
Lichtemissionswellenlänge
je nach der Größe der Halbleitermikrokristalle variiert
oder sich ändert.
Das ermöglicht
es, die Wellenlänge
von emittiertem Licht durch geeignetes Einstellen der Größe derartiger
Mikrokristalle zu regulieren.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass eine starke Lichtemission bei
niedrigen Spannungspotentialen erreichbar ist. Das lässt sich
deshalb sagen, weil zusätzliche
Spannungen nicht mehr erforderlich sind, weil die Mikrokristallschicht,
deren fester Teil eine Fülldichte
von 95 % oder mehr (im Wesentlichen 100 %) aufweist, weiterhin eine
geringe Resistivität im
Vergleich mit porösem
Silicium aufweist, das aufgrund des Einschließens von Poren darin eine hohe Resistivität aufweist.
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13 zeigt
eine Querschnittsansicht einer typischen Form der lichtemittierfähigen Vorrichtung, bei
der das Prinzip der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
Wie gezeigt, weist die Struktur Halbleitermikrokristalle 1307 auf,
die in einer Hochresistivitäts- oder
dielektrischen Schicht 1302 eingegraben sind.
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14 zeigt
eine Querschnittsansicht eines porösen Siliciums des Stands der
Technik. Das in 14 gezeigte poröse Silicium
ist so strukturiert, dass eine Halbleiterschicht 1401 geätzt wird,
was zur Bildung einer erhöhten
Anzahl von Poren 1402 darin führt.
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Ein
noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht aus der
Möglichkeit,
eine monolithische siliciumfunktionelle Vorrichtung herzustellen, die
von dem integrales Bilden der vorgeschriebenen lichtemittierenden
Halbleitervorrichtung zusammen mit anderen Halbleitervorrichtungskomponenten
auf der Basis von Silicium einschließlich, jedoch nicht darauf
beschränkt,
Speicher und ZPU auf dem gleichen Siliciumsubstrat herrührt.
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Mehrere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben. Man sollte jedoch beachten, dass die Erfindung
nicht ausschließlich
auf die veranschaulichenden Ausführungsformen
beschränkt
sein sollte und in einer Vielfalt von Modifikationsformen in der
Praxis durchgeführt
werden kann.
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Erste Ausführungsform
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird nun eine Querschnittsansicht
einer lichtemittierenden Elektrolumineszenz-Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß gezeigt.
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Wie
gezeigt, weist ein Substrat 11 aus Silicium (Si) vom p-Typ eine obere Fläche auf,
auf der eine Halbleitermikrokristallschicht 14 gebildet
ist. Die Halbleitermikrokristallschicht 14 umfasst einen
dielektrischen Film 13 und extrafeine Si-Mikrokristalle 12,
die in den dielektrischen Film 13 „eingegraben" sind. Der dielektrische
Film 13 kann beispielsweise aus SiO2 hergestellt
sein. Eine Schicht polykristallines Silicium (Poly-Si) vom n-Typ 15 wird
auf der Halbleiter-Mikrokristallschicht 14 gebildet.
Eine transparente Elektrode 16 wird auf der Schicht von
Poly-Si vom n-Typ 15 gebildet. Eine Elektrode 17 wird
auf der unteren Fläche
des Si-Substrats
vom p-Typ 11 gebildet, wodurch die Struktur der Halbleitervorrichtung, die
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verkörpert,
fertiggestellt wird.
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Eine
Herstellungsmethode der in 1 gezeigten
Halbleitervorrichtung wird nun erklärt.
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Zuerst
wird ein thermischer Oxidfilm durch Oxidationstechniken auf der
Oberfläche
des Substrats von Si vom p-Typ 11 bis zu einer vorbestimmten Dicke
von beispielsweise 1 Nanometer (nm) gebildet. Die angewendete Oxidation
kann eine thermische Oxidation des Substrats in einem Sauerstoffgas – bevorzugt
eine trockene Oxidation – sein.
Daraufhin wird die dabei gebildete Struktur einem chemischen Aufdampf-
(CVD-) Vorgang unter Anwendung von Disilan als Rohmaterialgas bei
einem Druck von beispielsweise 133,3 Pa (1 Torr) unterworfen, was
den Si-Mikrokristallen 12 erlaubt, auf dem Oxidfilm bei
einer Temperatur von 700°C
zwei Minuten lang zu wachsen. Die dabei gebildeten Si-Mikrokristalle 12 weisen
einen Korndurchmesser oder eine Größe von etwa 5 nm auf. Als nächstes wird
die Struktur nochmals in einem Sauerstoffgas bei einer Temperatur von
750°C oxidiert,
um eine Oxidation von 1 nm des Teils der Struktur um die Mikrokristalle 12 herum
zu erreichen. Auf diese Weise wird die Halbleiter-Mikrokristallschicht 14 so
hergestellt, dass der SiO2-Film 13 sich
auf der Oberfläche
der Schicht 14 befindet.
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Als
nächstes
werden sowohl Si als auch geringere Mengen an Arsenid (As) Dotiermittel
gleichzeitig auf der Halbleiter-Mikrokristallschicht 14 abgesetzt,
während
das Substrat 11 auf eine Temperatur von 550°C eingestellt
wird, um die Schicht von Poly-Si vom n-Typ 15 bis auf eine
Dicke von beispielsweise mehreren hundert Nanometern wachsen zu lassen.
Die Dicke dieses Poly-Si vom n-Typ wird sorgfältig bestimmt, um sicherzustellen,
dass die Leuchteffizienz insignifikant reduziert wird.
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Des
Weiteren wird eine transparente Elektrode 16 durch Aufdampfen
auf der Schicht 15 von Poly-Si vom n-Typ, die auf dem Substrat 11 aufliegt,
gebildet. Beispielsweise kann die Elektrode 16 aus Indiumzinnoxid
(ITO) hergestellt sein. Eine Metallelektrode 17 wird auf
die untere Fläche
des Substrats 11 aufgedampft, wodurch eine PIN-Verbindungsdiodenstruktur
fertiggestellt wird.
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Nach
Aufbringen einer Vorwärts-Vorspannung
auf die so hergestellte PIN-Diode „tunneln" Elektronen und Löcher durch den dielektrischen
Film 13, um in die Si-Mikrokristalle 12 injiziert
zu werden, die in den dielektrischen Film 13 eingegraben
sind, was zur Rekombination von Löchern und Elektronen in diesem
Teil führt.
Im Falle dieser Struktur umfasst die Wellenlänge des emittierten Lichts
Regionen des Spektrums, die von Infrarot zu Rotlicht reichen.
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Als
Alternative neigen selbst auf das Aufbringen einer Umkehrvorspannung
auf die PIN-Diode, solange das Potential der Vorspannung ausreichend stärker ist,
Elektronen und Träger
dazu, eine hohe elektrostatische potentielle Energie für das Tunneln durch
den Oxidfilm von der Schicht vom p-Typ und der Schicht vom n-Typ
auf eine Art und Weise aufzuweisen, die zu der im Falle der Vorwärtsvorspannung umgekehrt
ist. Aus diesem Grund hat es sich erwiesen, dass das Aufbringen
von Umkehr-Vorspannungen auch das Injizieren von Elektronen und
Löchern in
die Si-Mikrokristalle 12 für ihre Rekombination und die
dabei entstehende Lichtemission erlaubt.
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Bei
der veranschaulichenden Ausführungsform
ist die Effizienz der Elektronen-/Lochinjizierung etwas reduziert,
weil die Energielücke
der Si-Mikrokristalle 12 größer ist als die Bandlücke des
Siliciumsubstrats vom p-Typ 11 und der Schicht aus Polysilicium
vom n-Typ 15. Um dies zu verbessern, kann eine Struktur
gebildet werden, bei der die Siliciumschichten vom p- und n-Typ
durch kristalline Siliciumcarbid-(SiC-) (oder amorphe) Schichten
ersetzt werden. Dieser Ersatz kann erfolgen, weil SiC eine größere Bandlücke aufweist
als Si, was eine effiziente Injizierung von Elektronen und Löchern ermöglicht. Diese
Wirksamkeit kann auch bei anderen später noch beschriebenen Ausführungsformen
angewendet werden. Außerdem
werden ähnliche
Wirkungen und Vorteile bei Vorrichtungsstrukturen erwartet, die unter
Anwendung dieser Mikrokristalle außer dem reinen Si, einschließlich SiC
oder SiGe hergestellt werden. Derartige Mikrokristalle lassen sich
unter Anwendung zur Zeit verfügbarer
CVD-Techniken herstellen.
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Es
ist zu bemerken, dass die PIN-Verbindungslichtemissionsdiode,
die die vorliegende Erfindung verkörpert, in der Lage ist, ohne
Weiteres eine Emission von Lichtstrahlen nach außen von den Seitenwänden der
Vorrichtung zu bieten. Eine derartige Emission nach außen wird
effizienzmäßig noch
weiter dadurch erhöht,
dass die Schicht, die über
der Lichtemissionsschicht 14 (z.B. Schicht aus Poly-Silicium vom n-Typ 15 in
der veranschaulichenden Ausführungsform)
liegt, dünn
gemacht wird oder alternativ durch Anwendung ausgewählter Materialien,
bei denen die optische Absorptionskante kürzer als die Wellenlänge von
emittierten Lichtstrahlen ist. Man beachte auch, dass bei der Ausführungsform
die Si-Mikrokristalle 12 durch CVD-Züchtungstechniken gebildet
und dann einer thermischen Verarbeitung unterworfen werden zum Oxidieren
der Oberfläche derselben
unter Anwendung thermischer Trockenoxidationstechniken, wodurch
der mikrokristallinen Halbleiterschicht 14 eine erhöhte Dichte
verliehen wird.
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Zweite Ausführungsform
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer lichtemittierenden Dioden-(LED-)
Struktur einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß.
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Wie
in 2 gezeigt, weist ein Si-Substrat vom n-Typ 21 auf
einer oberen Fläche
eine mikrokristalline Halbleiterschicht 24 auf, die einen
dielektrischen Film 23 und mehrere Si-Mikrokristalle 22 enthält, die
in den dielektrischen Film 23 eingegraben sind. Der dielektrische
Film 23 kann beispielsweise aus SiO2 hergestellt
sein. Die mikrokristalline Schicht 24 besitzt eine Oberfläche, auf
der eine amorphe Siliciumschicht vom p-Typ 25 gebildet
ist. Eine transparente Elektrode 26 wird auf der amorphen
Siliciumschicht 25 gebildet. Eine Elektrode 27 wird
an der unteren Fläche
des Si-Substrats vom n-Typ 21 gebildet, wodurch die Halbleiter-LED-Struktur,
die die zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verkörpert,
fertiggestellt wird.
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Ein
Herstellungsverfahren für
die Vorrichtung von 2 ist wie folgt.
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Zuerst
wird das Si-Substrat vom n-Typ 21 auf einen Auflagetisch
in einem Molekularstrahlepitaxie-(MBE-) Apparat, der verwendet wird,
aufgebracht; dann wird amorphes Silicum bis zu einer Dicke von 10
nm gezüchtet,
während
das Substrat 21 bei Raumtemperatur gehalten wird. Daraufhin
erfolgt das thermische Bearbeiten in der Sauerstoffgasatmosphäre zehn
Minuten lang bei 500°C,
wobei die Si-Mikrokristalle 22 einer Korngröße von mehreren Nanometern
innerhalb des Siliciumoxidfilms gebildet werden. Die Korngröße derartiger
Si-Mikrokristalle 22 ist durch Einstellen der Erhitzungszeitspanne
gut regulierbar. So wird der dielektrische Film 23 so gebildet,
dass er die Si- Mikrokristalle 22 umgibt
oder „umwickelt", wodurch die mikrokristalline
Halbleiterschicht 24 gebildet wird.
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Daraufhin
werden sowohl Si- als auch Bor-(B) Dotiermittel gleichzeitig an
die obere Fläche der
mikrokristallinen Halbleiterschicht 24 geführt, wodurch
gestattet wird, dass eine amorphe Siliciumschicht vom p-Typ 25 darauf
bis zu einer Dicke von mehreren hundert Nanometern wächst. Wenn
Lichtstrahlen aus der Oberfläche
der dabei entstehenden Vorrichtungsstruktur entnommen werden sollen, kann
durch Unterdrücken
der optischen Absorption am amorphen Silicium das Durchlassvermögen erhöht werden.
Das lässt
sich durch Wasserstoffterminierung einer herunterbaumelnden Bindung
von Silicium, die sich innerhalb der amorphen Schicht befindet,
durch thermisches Bearbeiten der amorphen Siliciumschicht vom p-Typ 25 in
einem Wasserstoffgas erreichen.
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Als
Nächstes
werden die transparente Elektrode 26 und die Metallelektrode 27 auf ähnliche
Weise wie bei der Ausführungsform
von 1 gebildet, wodurch die beabsichtigte Struktur
der LED, die die zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ebenfalls verkörpert, fertiggestellt wird.
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Der
Betrieb dieser LED ist wie folgt. Auf Aufbringen einer Vorwärts-Vorspannung
darauf Tunneln Löcher
und Elektronen, die aus den Elektroden injiziert worden sind, durch
den dünnen
SiO2-Film 23 zum Injizieren in
die Si-Mikrokristalle 22 zum Rekombinieren, das zur Emission
von Licht führt.
Die Wellenlänge
von emittiertem Licht ist je nach der Kristallgröße oder -dimension bestimmbar.
Ein Beispiel besteht darin, dass sichtbares Rotlicht aus denjenigen Si-Mikrokristallen emittierbar
ist, die eine Korngröße von 3
nm aufweisen. Bei dieser LED-Struktur ist auch eine sichtbare Lichtemission
selbst nach Anwendung einer Umkehrvorspannung, wie in der oben angegebenen
Ausführungsform
von 1, erhältlich.
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Dritte Ausführungsform
-
3 zeigt
eine Querschnittsansicht, die eine LED-Vorrichtung veranschaulicht, die eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verkörpert.
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Wie
gezeigt, weist ein Si-Substrat vom p-Typ 31 auf einer Oberfläche eine
mehrschichtige Struktur auf, bei der es sich um eine abwechselnde
Lamination von Si-Kristallschichten 32 und Siliciumoxidfilmen 33 und
eine dielektrische Schicht 38 zwischen den mehrschichtigen
Strukturen handeln kann. Die dielektrische Schicht 38 kann
beispielsweise aus Siliciumdioxid gebildet sein. Eine Poly-Siliciumschicht vom
n-Typ 34 wird auf der Mehrschichtstruktur aufliegend gebildet.
Eine transparente Elektrode 35 wird auf der Schicht 34 gebildet.
Eine Metallelektrode 36 wird an der unteren Fläche des
Si-Substrats vom p-Typ 31 gebildet, wodurch die LED-Struktur,
die das Prinzip der vorliegenden Erfindung erfüllt, fertiggestellt wird. Bei
dieser Ausführungsform
werden Elektronen und Löcher
in die Poly-Siliciumschichten 32 als Teil eines Supergitters 37 für die Emission
von Lichtstrahlen injiziert.
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Die
LED-Struktur von 3 ist unter Anwendung des unten
beschriebenen Verfahrens herstellbar.
-
Zuerst
wird eine amorphe Siliciumschicht vom p-Typ durch MBE-Techniken auf der
Oberfläche des
Si-Substrats vom p-Typ 31 bis zu einer Dicke von einigen
wenigen Mikrometern gebildet. Dann wird ein thermischer Oxidfilm
typischerweise einer Dicke von 10 nm durch thermische Trockenoxidationstechniken gebildet.
Die dabei gebildete Struktur wird dann mit einem Elektronenstrahl,
der einen Sondendurchmesser von 2 nm aufweist und so fokussiert
ist, dass er einen Punkt einer vorbestimmten Größe definiert, bestrahlt. Als
Nächstes ätzt ein
ausgewähltes Ätzmittel auf
der Basis von Silicofluorwasserstoffsäure die Struktur für das selektive Ätzen von
durch Strahl bestrahlen Teilen. Bei dieser Ausführungsform werden Si gegenüber ausgesetzte
Regionen eines Durchmessers von 5 nm (Teile zur Verwendung beim
Bilden des in 3 gezeigten Supergitters 37)
gebildet.
-
Dann
wird amorphes Si einer Dicke von 3 nm unter Anwendung von MBE-Techniken
gezüchtet. Daraufhin
wird ein ausgewählter
Teil des Si, der seinem etwa 1 nm dicken Oberflächenteil entspricht, durch
Trockenoxidationstechniken in einem Sauerstoffgas bei 750°C thermisch
oxidiert unter Bildung eines Oxidfilms 33 einer Dicke von
bis zu 2 nm (die dabei gebildete Dicke ist im Wesentlichen doppelt
so groß aufgrund
der volumetrischen Ausdehnung). Als Nächstes wird eine amorphe Si-Schicht 32 darauf
bis zu einer Dicke von 3 nm gezüchtet,
die dann zur Bildung eines typischerweise 2 nm dicken Si-Oxidfilms trocken
oxidiert wird. Diese Struktur wird dann unter Vakuum bei etwa 1000°C mehrere
dutzend Minuten lang erhitzt, was zur Umkristallisation des amorphen Si
unter Bildung der in 3 gezeigten Supergitterstrukturen
führt.
-
Als
Nächstes
wird die dabei gebildete Struktur dem MBE-Verfahren bei niederen Temperaturen unterworfen,
während
gleichzeitig Molekularstrahlen von As und Si als Dotiermittel auf
die Substratfläche aufgeliefert
werden, so dass ein Poly-Siliciumfilm vom
n-Typ 34 darauf bis zu einer Dicke von mehreren hundert
Nanometern gezüchtet
wird. Eine transparente Elektrode 35 von ITO wird auf den
Poly-Si-Film vom n-Typ 34 aufgedampft, während eine
Metallelektrode 36 auf der Unterseite des Si-Substrats
vom p-Typ 31 aufgedampft wird.
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Der
Betrieb der so hergestellten PIN-Verbindungsdiode ist wie folgt.
Auf das Aufbringen einer Vorwärts-Vorspannung
darauf gehen injizierte Löcher
und Elektronen durch Tunnelwirkung durch den Siliciumoxidfilm 33 einer
Dicke von 2 nm in das Supergitter 37 hindurch und werden
dann miteinander an den Siliciumkristallschichten 32 innerhalb
des Supergitters 37 rekombiniert, wodurch die Emission
von Lichtstrahlen hervorgerufen wird. Die Peakwellenlänge von
in diesem Fall emittiertem Licht beträgt circa 520 nm (im Bereich
von Grünlicht).
In der in 3 gezeigten LED-Struktur ist
die Lichtemission auch auf Aufbringen einer Umkehr-Vorspannung,
wie in der Ausführungsform
von 1 erreichbar.
-
Im
Falle der Laminationsstruktur von mehrfachen Filmen, wie bei der
Ausführungsform
von 3, wird die geeignete Gesamtfilmdicke der Mikrokristallschichten,
die als Lichtemissionsschicht wirken, beispielsweise durch Berechnen
der Spannungsabhängigkeit
der Lichtemissions- und Lichtintensitätscharakteristiken der Schichten
bestimmt.
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15 zeigt
eine grafische Darstellen, die auf Berechnungswerten basierend einen
Zusammenhang zwischen einer Spannung, die für die Lichtemission erforderlich
ist (Anschaltspannung) in Abhängigkeit
von der Gesamtdicke der Lichtemissionsschicht zusammen mit einem
Verhältnis
der emittierten Lichtintensität
und der Gesamtdicke zeigt. Wie gezeigt, hat die durch eine Linie 1501 gezeigte
Anschaltspannung die Tendenz, sich an einem Punkt, an dem die Gesamtdicke
der Lichtemissionsschicht nicht mehr als 80 nm beträgt, schnell
zu erhöhen.
Der Grund dafür
ist, dass ein Vorwiderstand der Vorrichtung wertmäßig mit
einer Erhöhung
der Dicke steigt. Das erfolgt auch, weil die Multiplizierung von
Elektronen aufgrund eines Lawinenabbaus im Falle einer dünnen Schicht
erfolgt. Umgekehrt wird die durch eine Linie 1502 gezeigte Lichtintensität gesättigt, wenn
die Dicke etwa 80 nm beträgt.
So ist die Gesamtdicke bevorzugt weniger als oder gleich 80 nm.
-
Die
Dickenreduktion ist auch bei der Herstellung der Mikrokristalle
wichtig. Wenn die Dicke signifikant ist, so kann eine Temperaturvariation
während des
thermischen Bearbeitens zum Herstellen von Mikrokristallen stattfinden, die
die Kristallgröße und -dichte
wiederum veränderlich
macht. In dem oben in dem Abschnitt Besprechen des Hintergrunds
besprochenen Artikel von Chen et al. ist die Gesamtdicke der Lichtemissionsschicht
sogar 200 nm. Aus genau diesem Grund ist es schwierig, die beabsichtigte
Kristallisation unter Anwendung einer thermischen Standardverarbeitung
zu erreichen; im alternativen Fall ist der Ansatz im Artikel von
Chen et al. dahingehend, eine Kristallisation unter Anwendung von
Laserstrahlung zu erzielen. Die Anschaltspannung liegt sogar bei
25 Volt. Das ist der Variation der Mikrokristallgröße und -dichte
zusätzlich
zur Erhöhung
des Vorwiderstands zuzuschreiben. Bei der die vorliegende Erfindung
verkörpernden
Struktur ist die Dicke ausreichend reduziert oder minimiert, um
die thermische Leitfähigkeit
zu erhöhen,
was es wiederum möglich macht,
die Herstellung gleichförmiger
oder regelmäßiger Mikrokristalle
zu erleichtern.
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Es
ist auch zu beachten, dass bei dieser Ausführungsform die mehrschichtigen
Filme zwar aus SiO2 hergestellt werden,
dieses Material jedoch durch dielektrische Materialien niedriger
Resistivität wie
beispielsweise amorphes SiC oder amorphen Kohlenstoff (C) ersetzt
werden kann. Bei derartigen Materialien ist die beabsichtige Lichtemission
bei sogar niedrigeren Spannungen erreichbar. Derartige Materialien
sind in Form von Filmen mit erhöhter
Genauigkeit durch Anwendung der zur Zeit verfügbaren Plasma-CVD- oder thermischen
CVD-Techniken herstellbar.
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Vierte Ausführungsform
-
4 ist
eine Querschnittsansicht einer PIN-Verbindungs-LED einer vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß.
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Ein
Si-Substrat vom n-Typ 41 weist auf einer oberen Fläche eine
Anordnung von im Abstand gehaltenen Mikrokristallen 42 mit
Oberflächen
auf, die jeweils durch einen dielektrischen Film bedeckt sind. Ein
Abstandsraum zwischen nebeneinander liegenden Mikrokristallen 42 wird
mit einer dielektretischen Schicht 43 gefüllt, die
beispielsweise aus Si3N4 bestehen
kann. Eine amorphe Siliciumschicht vom p-Typ 44 wird auf
den darüberliegenden
dielektrischen Schichten 43 gebildet. Eine transparente
Elektrode 45 wird auf der amorphen Siliciumschicht vom
p-Typ 44 gebildet. Eine Metallelektrode 46 wird
auf der Unterseite des Si-Substrats vom n-Typ 41 gebildet,
wodurch die Halbleitervorrichtungsstruktur, die die vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verkörpert,
fertiggestellt wird.
-
Die
LED-Struktur von 4 kann durch das Verfahren,
das nun folgt, hergestellt werden.
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Zuerst
wird ein gestalteter Elektronenstrahl benutzt, um sich nach unten
zu bewegen, um auf die Oberfläche
des Si-Substrats vom n-Typ 41 aufzutreffen unter Verursachen
von Residualkohlenstoffverunreinigung, die darauf durch Elektronenanregungsreaktion
bis zu einer Dicke von 1 nm und mit einem Durchmesser von 10 nm
abgesetzt wird. Dann wird eine Si3N4-Schicht 43 auf dem Substrat 41 durch Plasma-CVD-Techniken bis zu
einer Dicke von 10 nm so aufgebracht, dass Si3N4 sich nur auf ausgewählten Regionen befindet, die
nicht auf der Kohlenstoffverunreinigung aufliegen.
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Dann
wird nur der Kohlenstoffverunreinigungsteil durch Anwendung von
Sauerstoffplasma-Ätztechniken
entfernt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Si3N4-Film 43 ebenfalls leicht weggeätzt, so
dass seine Dicke auf 5 nm reduziert wird. Als Nächstes wird eine Schicht auf
eine Art und Weise wie bei den Ausführungsformen von 1 oder 2 selektiv
so gebildet, dass sie Silicium-Mikrokristalle 42 auf denjenigen
Abschnitten ohne den Si3N4-Film 43 enthält.
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Als
Nächstes
werden Si- und Bor-(B-) Dotiermittelverunreinigungen auf die Silicium-Mikrokristalle 42 und
den dielektrischen Film 43 aufgebracht, um die amorphe
Siliciumschicht vom p-Typ 44 bis zu einer Dicke von mehreren
hundert Nanometern zu züchten.
Wenn Lichtstrahlen aus der Vorrichtungsoberfläche entnommen werden sollen,
so wird die amorphe Siliciumschicht vom p-Typ 44 in einem Wasserstoffgas
zur Wasserstoffterminierung einer herunterbaumelnden Bindung von
Silicium innerhalb der amorphen Schicht erhitzt, wobei die optische
Absorption am amorphen Silicium unterdrückt und dadurch das Durchlässigkeitsvermögen erhöht wird.
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Als
Nächstes
wird wie bei der Ausführungsform
von 1 die transparente ITO-Elektrode 45 auf
der amorphen Siliciumschicht vom p-Typ 44 gebildet und
die Metallelektrode 46 wird auf der Unterseite des Siliciumsubstrats
vom Endtyp 41 gebildet, wodurch die veranschaulichende
LED-Struktur fertiggestellt wird.
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Fünfte Ausführungsform
-
5 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Anzeigetafel einer flachen Oberfläche einer
fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß. Die Anzeigetafel
einer flachen Oberfläche
umfasst eine Matrixanordnung von Reihen und Spalten von Bildelementen
oder „Pixeln", wobei bei jeder
die PIN-Verbindungs-LED von 1 angewendet
wird.
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Wie
in 5 gezeigt, weist die Anzeigetafel ein Siliciumsubstrat 51 auf,
auf dem mehrere Siliciumkristalle vom p-Typ 52 so gebildet
sind, dass nebeneinanderliegende Kristalle 52 elektrisch
voneinander durch dielektrische Filme 58 isoliert sind.
Eine integrierte Schaltanordnung (nicht gezeigt) wird ebenfalls
auf dem Substrat 51 gebildet und umfasst Transistoren zum
Regulieren der auf ein jeweiliges der Siliciumkristalle vom p-Typ 52 aufgebrachten Spannungen.
Ein Rotlicht emittierendes Element 53, ein Grünlicht emittierendes
Element 54 und ein Blaulicht emittierendes Element 55 werden
für jeden
Pixel auf entsprechenden Siliciumkristallen vom p-Typ 52 bereitgestellt.
Nebeneinanderliegende Elemente 53, 54 und 55 werden
voneinander durch eine dielektrische Schicht 56 isoliert.
Eine gemeinsame Elektrode (nicht gezeigt), die aus ITO hergestellt
ist, wird so gebildet, dass sie über
den Lichtemissionselementen 53–55 liegt.
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6 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der Lichtemissionselemente 53–55. Jedes der Lichtemissionselemente 54–55 weist
eine mehrschichtige Struktur auf, die eine „untere" Schicht Siliciumkristall vom p-Typ 61,
eine „Zwischen"-Schicht 62 und
eine „obere" Siliciumschicht
vom n-Typ 63 umfasst. Die Zwischenschicht 62 enthält Silicium-Mikrokristalle,
wie bei den Ausführungsformen
von 1 und 2, und wirkt so als Lichtemissionsschicht.
Die Elektrode 64 weist auf einer Oberfläche eine gemeinsame Elektrode 64 auf,
die zum Erden gekoppelt ist. Die obere Schicht 63 kann
beispielsweise aus ITO hergestellt sein.
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Die
flache Anzeigetafel kann durch das Verfahren, das nun folgt, hergestellt
werden.
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Zuerst
wird eine integrierte Schaltung (IS) aus Transistoren auf dem Siliciumsubstrat 51 unter Anwendung
von Siliciumverfahrenstechnologien wie Lithografie- und Ätztechniken
gebildet. Diese IS dient dem Regulieren von Spannungen, die auf
eine Matrix von Lichtemissionselementen, wie später noch im Einzelnen beschrieben,
aufgebracht werden. Dann wird eine Siliciumkristallschicht vom p-Typ
durch CVD-Techniken
abgesetzt. Als Nächstes
wird die dabei gebildete Struktur durch ein Fotolithografieverfahren
unter Bildung der Siliciumkristalle vom p-Typ 52 geätzt, wobei
jedes Kristall 52 eine quadratische planare Gestalt einer
Größe von 100 μm × 100 μm aufweist.
Die Kristalle 52 jedes Elements werden von den anderen
Elementen durch den Siliciumoxidfilm 53 isoliert.
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Ein
Siliciumoxidfilm wird dann durch CVD-Techniken auf diesem Substrat
bis zu einer Dicke von 1 μm
gezüchtet.
Der Film wird zu einem dielektrischen Film. Die dabei gebildete
Struktur wird durch Fotoexpositionsverfahren mit einem Muster versehen
und dann geätzt,
um ausgewählte
Siliciumkristalle vom p-Typ nach außen bloßzulegen. Die Kristalle dienen
der späteren
Bildung der Rotlicht emittierenden Elemente 53. Nach der
Bildung eines Oxidfilms einer Dicke von etwa 2 nm durch thermische
Oxidation werden Siliciumkristalle eines Durchmessers von 5 nm durch
CVD-Techniken gezüchtet. Die
Kristalle werden dann unter Bildung einer Lichtemissionsschicht 62,
die mit einem dünnen
thermischen Oxidfilm beschichtet wird und Siliciummikrokristalle
eines Durchmessers von 3 nm darin enthält, thermisch oxidiert. Zu
diesem Zeitpunkt sind die Mikrokristalle dimensionsmäßig aufgrund
der Dehnbanspruchung zwischen dem Oxidfilm und Silicium „gesättigt" und unterscheiden
sich daher größenmäßig auf
insignifikante Weise während
des kontinuierlichen Ausführens
von Oxidationsverfahren für
eine vordefinierte Zeitspanne. Die dabei gebildeten Mikrokristalle
können
eine Elektrolumineszenz von Rotlichtstrahlen aufweisen.
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Als
Nächstes
werden diejenigen Teile des Oxidfilms, die über anderen ausgewählten Regionen liegen,
in denen die Grünlicht
emittierenden Elemente gebildet werden sollen, durch Fotolithografietechniken
mit einem Muster versehen und zum Entfernen geätzt. Nach Abschluss der thermischen
Oxidation zur Bildung eines Oxidfilms einer Dicke von 2 nm werden
Siliciummikrokristalle eines Durchmessers von 4 nm dann durch CVD-Techniken
gezüchtet.
Die dabei gebildete Struktur wird dann thermisch oxidiert unter
Bildung einer Lichtemissionsschicht 62, die Siliciummikrokristalle
eines Durchmessers von 2 nm enthält.
Während
dieses thermischen Oxidationsvorgangs bleiben die vorher hergestellten Mikrokristalle eines
Durchmessers von 3 nm unverändert,
weil sie aufgrund des Vorliegens der Dehnspannung zwischen dem Oxidfilm
und Silicium kein Fortschreiten der Reaktion aufweisen. Die so gebildeten
Mikrokristalle verursachen aufgrund des Quantengrößeneffekts
eine Elektrolumineszenz von Grünlichtstrahlen.
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Als
Nächstes
werden diejenigen Teile des Oxidfilms, die über den verbleibenden ausgewählten Regionen
liegen, in denen die Blaulichtemissionselemente gebildet werden
sollen, durch Fotoexpositionstechniken mit einem Muster versehen
und zur Entfernung geätzt.
Nach der Bildung eines Oxidfilms einer Dicke von etwa 2 nm durch
thermische Oxidation werden Silicium-Mikrokristalle eines Durchmessers
von 3 nm durch CVD-Techniken gezüchtet.
Die dabei gebildete Struktur wird dann unter Bildung einer Lichtemissionsschicht 62,
die Silicium-Mikrokristalle eines Durchmessers von 1,5 nm enthält, thermisch
oxidiert. Die so gebildeten Mikrokristalle können durch den Quantengrößeneffekt
eine Elektrolumineszenz von Blaulicht aufweisen.
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Die
Bildung von Regionen von Rot-(R), Grün-(G) und Blau-(B) Lichtemissionselementen 53–55 findet
derart statt, dass diese sequentiell angeordnet sind (Streifenmusteranordnung);
als Alternative können
diese Elemente in einem dreieckigen Muster (Mosaikanordnung) vorliegen.
Auf alle Fälle
sind diese mit einer Gruppe von drei RGB-Elementen pro Pixel angeordnet.
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Als
Nächstes
wird eine Poly-Siliciumschicht vom n-Typ durch CVD-Techniken auf
den Lichtemissionsschichten 62 gezüchtet; daraufhin wird eine transparente
ITO-Elektrode darauf abgesetzt. Die ITO-Elektrode wird zusammen
mit entsprechenden Elementen bei einem Erdungspotential gehalten.
Die dabei gebildete Vorrichtungsstruktur ist so angeordnet, dass
sie eine vorgefertigte IS-Einheit begleitet, die dazu verwendet
wird, einen Strom (oder eine Spannung), der (die) an die drei (RGB-)
Typen von Emissionselementen geliefert wird, in zweiunddreißig (32)
gleichen Schritten von Niveaus auf digitale Art und Weise variabel
zu machen. Bei einer derartigen Anordnung bietet ein Emissionselement
die Möglichkeit,
32 verschiedene Töne
einer einzigen Farbe anzuzeigen; so ermöglicht das Kombinieren von
drei Farblicht emittierenden Elementen das Anzeigen von Bildern
mit 32 × 32 × 32 = 32,768
verschiedenen Farbniveaus.
-
Wenn
diese Elemente auf einem Siliciumsubstrat von 12 inch gebildet werden,
das einen Bildschirmbereich von 20 cm × 15 cm einnimmt, so wird es
möglich,
eine Großbildschirm-Hochpräzisionsanzeigbarkeit
mit einer gesamten Pixelzahl von 2000 × 1500 zu erreichen. Diese
Anzeige kann auch mit erhöhten
Geschwindigkeiten im Vergleich mit Standardflüssigkristallanzeige-(LCD-)
Platten arbeiten, weil die Lichtemissionselemente direkt auf die
IS auf dem Siliciumsubstrat aufgebracht sind, während die Plattendicke reduziert
wird. Dies kann dazu führen, dass
eine dünne
Großbildschirm-Hochpräzisions-Flachflächenanzeigevorrichtung
erreicht wird, die keinen zusätzlichen
Platz für
das Installieren, im Gegensatz zu herkömmlichen CRT-Fernsehgeräten, erfordert.
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Sechste Ausführungsform
-
7 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung einer sechsten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß. 8 zeigt eine
entsprechende perspektivische Ansicht der Halbleitervorrichtung
von 7.
-
Die
Halbleitervorrichtung umfasst ein Si-Substrat vom p-Typ 71.
Mehrere parallele Halbleiterfeinlinien oder -mikrolinien 72 werden
auf dem Si-Substrat vom p-typ 71 gebildet, wobei die Oberfläche jeder
Linie 72 mit einem dielektrischen Film beschichtet wird.
Ein dielektrischer Film 73 wird zwischen nebeneinander
liegende Halbleitermikrolinien 72 auf dem Substrat 71 gebildet
oder „eingegraben". Der Film 73 kann beispielsweise
aus SiO2 hergestellt sein. Eine amorphe
Siliciumschicht vom n-Typ 74 wird so gebildet, dass sie
vollständig
auf den Mikrolinien 72 und dem SiO2-Film 73 aufliegt.
Eine transparente Elektrode 75 wird auf der amorphen Siliciumschicht
vom n-Typ 74 gebildet. Eine Metallelektrode 76 wird
auf der Unterseite des Si-Substrats vom p-Typ 71 gebildet,
wodurch die Halbleitervorrichtungsstruktur, die die sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verkörpert,
fertiggestellt wird.
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Die
in 7–8 gezeigte
Vorrichtungsstruktur wird durch das Verfahren wie folgt hergestellt.
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Es
wird ein Siliciumsubstrat vom p-Typ 71 hergestellt. Ein
thermischer Oxidfilm wird durch thermische Trockenoxidation auf
dem Substrat bis zu einer Dicke von 1 nm gebildet. Dann wird die
Oberfläche
des Oxidfilms selektiv in linearen Regionen darauf unter Anwendung
von Elektronenstrahl-Lithografietechniken
freigelegt. Dann wird die dabei gebildete Struktur bei einer Temperatur
von 750°C
in einer Vakuumkammer zum Entfernen oder Abziehen ausschließlich der
bloßgelegten
Teile erhitzt, was zum teilweisen Bloßlegen des Siliciumsubstrats 71 bei streifenförmigen Teilen
einer Breite von etwa 7 nm führt.
Silicium wird dann durch MBE-Techniken bis auf eine Dicke von 1
nm darauf gezüchtet,
während das
Substrat 41 bei einer Temperatur von 550°C gehalten
wird. Die dabei gebildeten Feinlinienmikrokristalle sind höhen- und
breitenmäßig wesentlich
kleiner, wodurch der Quantumgrößeneffekt
erfolgen kann.
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Dann
wird die Substrattemperatur auf Raumtemperatur gesenkt. Silicium
und eine geringe Menge Arsenid-(As-) Verunreinigung werden dann
gleichzeitig abgesetzt, das amorphe Silicium vom n-Typ 74 lässt man
auf eine Dicke von mehreren hundert Nanometern derart wachsen, dass
emittierte Lichtstrahlen erhältlich
sind, während
die Intensität
derselben reduziert wird. Eine transparente ITO-Elektrode 75 wird
durch Aufdampfen auf der oberen Fläche des amorphen Siliciums
vom n-Typ 74 gebildet, während eine Metallelektrode 76 durch
Verdampfen auf der Unterseite des Substrats 71 gebildet
wird.
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Der
Betrieb der so hergestellten PIN-Verbindungs-LED-Struktur ist wie
folgt. Auf das Aufbringen einer Vorwärts-Vorspannung hin werden
Löcher
und Elektronen in die Silicium-Mikrokristalle 72 zum
Rekombinieren so emittierter Lichtstrahlen injiziert.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird die Wellenlänge
von emittiertem Licht über
ein Spektrum ausgebreitet, das an oder in der Nahe der Peripherie
der Rotlichtregion des Spektrums einen Peak aufweist.
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Siebte Ausführungsform
-
9 zeigt
eine Querschnittsansicht einer lichtemittierbaren Halbleitervorrichtung
der sieben Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß.
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Ein
Si-Substrat vom p-Typ 91 weist eine obere Fläche auf,
auf der eine Halbleiter-Mikrokristallschicht 93 zusammen
mit einer standardgroßintegrierten
(LSI-) Schaltungsanordnung gebildet wird. Die Mikrokristallschicht 93 enthält Silicium-Mikrokristalle 92 mit
Oberflächen,
die mit einem dielektrischen Film beschichtet sind. Auf dieser Halbleiter-Mikrokristallschicht 93 ist
eine Poly-Siliciumschicht vom n-Typ 94 gebildet,
auf der eine geerdete Elektrode 95 gebildet und an das
Erdungspotential gekoppelt wird, wodurch die Halbleitervorrichtung
mit der LSI-Einheit und integral darauf hergestelltem Licht emittierendem
Element bereitgestellt wird. Wie in 9 gezeigt,
ist ein assoziatives im Abstand gehaltenes „externes" Schaltbrett mit einem fotoempfindlichen
Element 97 der Halbleitervorrichtung gegenüber angeordnet,
wobei das Element 97 als Lichtaufnahmeelement zum Aufnehmen von
Strahlen von aus der Halbleitervorrichtung emittiertem Licht funktioniert.
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In
der Ausführungsform
von 9 ist die gezeigte Halbleiterstruktur zur Verwendung
als lichtemittierende Vorrichtung mit irgendeinem der in 1-8 gezeigten
lichtemittierenden Elemente, die an der Peripherie der LSI gebildett
werden, adaptierbar. Die Halbleitervorrichtung ist so konstruiert, dass
eine Ausgangsspannung der LSI zum lichtemittierenden Element geführt wird,
wodurch dessen Signal durch Anschalten/Abschalten der Lichtemission regelbar
gemacht wird. Das gegenüberliegende
fotoempfindliche Element 97 nimmt ein derartiges Abschalt-/Anschaltsignal
vom lichtemittierenden Element zur Umwandlung in ein entsprechendes
elektrisches Signal auf, das dann an die Schaltanordnung des Bretts 96 weitergegeben
wird. Bei einer derartigen Anordnung können elektrische Signale der
LSI optisch transmittiert werden, wodurch Probleme, denen man sich
bei elektrischen Substrat-zu-Substrat-Signaltransmissionsschemen des Stands
der Technik unter Anwendung von Metallleitungen, wie Onlinesignalverzögerung und
unerwünschte
Wärmeerzeugung
gegenübersieht,
eliminiert werden.
-
Obwohl
bei dieser Ausführungsform
die lichtemittierenden und -aufnehmenden Elemente getrennt bereitgestellt
werden, können
beide als Alternative auf einem einzigen Siliciumsubstrat gebildet werden.
Da das Lichtaufnahmelement eines der Standard-pn-Siliciumverbindungsfotodioden
sein kann, wird das Element auf dem Siliciumsubstrat hergestellt.
-
Außerdem kann
ein einziges Siliciumsubstrat so konstruiert sein, dass es eine
Oberfläche
aufweist, die in Unterbereiche aufgeteilt ist, wobei ein Unterbereich
derselben für
die Bildung von Kraftvorrichtungskomponenten, die einen hoch bemessenen Spannungsabbau
erfordern, und wobei der andere für durch Niedrigspannung getriebene
Digitalelemente bestimmt ist. Die Unterbereiche können räumlich voneinander
isoliert sein, während
sie die Signalübertragung
zwischen ihnen durch Anwendung einer Kombination der oben beschriebenen
lichtemittierenden und -aufnehmenden Elementen gestatten. Ist dies
der Fall, so wird es möglich,
die Vorrichtung im Vergleich mit Vorrichtungen des Stands der Technik, bei
denen getrennte Substrate, eines für die Kraftelemente und das
andere für
Digitalelemente verwendet werden, noch weiter zu miniaturisieren
oder „zu
verkleinern".
-
Die
obigen Ausführungsformen,
die in 1 bis 9 gezeigt sind, sind aufgezeichnet,
um lichtemittierende Vorrichtungen des Mehrschichttyps zu zeigen,
bei dem ein Strom in einer zur Substratoberfläche senkrechten Richtungfließt. Als
Nächstes
erfolgt eine Erklärung
der lichtemittierenden Vorrichtungen des „planaren" Typs, bei dem ein Stromfluss mit Bezug
auf die Substratoberfläche
waagrecht ermöglicht
wird, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfassen.
Die unten aufgeführten Vorrichtungsstrukturen
sind selbst dort herstellbar, wo das Substrat ein dielektrisches
Substrat ist, und aus diesem Grund werden sie insbesondere in dem Fall
vorgezogen, wo diese funktionsfähig
mit Hochspannungsvorrichtungskomponenten gekoppelt sind.
-
Achte Ausführungsform
-
10 ist
eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, die eine „planare" Struktur einer achten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß verwirklicht. 11 ist
eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung aus 10.
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Ein
Siliciumsubstrat 101 weist eine Oberfläche auf, auf der ein Siliciumoxid-(SiO2-) Film 102 gebildet ist. Eine
Siliciumschicht vom n-Typ 103 und eine Supergitterschicht 104 und
eine Siliciumschicht vom p-Typ 105 werden auf dem SiO2- Film 102 auf nebeneinandergereihte
Weise gebildet. Die Supergitterschicht 104 kann eine mehrschichtige
Lamination von Siliciumfilmen und SiO2-Filmen,
wie in 10 gezeigt, sein.
-
Die
Vorrichtungsstruktur von 10–11 kann
durch das Verfahren wie unten beschrieben hergestellt werden.
-
Zuerst
wird das Siliciumsubstrat 101 unter Bildung eines Siliciumoxid-(SiO2-) Films einer Dicke von etwa 1 μm thermisch
oxidiert. Eine nicht dotierte amorphe Siliciumschicht wird auf der
dabei gebildeten Oberfläche
durch MBE-Techniken bis zu einer Dicke von mehreren Nanometern bei
Raumtemperaturen gebildet. Dann wird die Struktur in eine Sauerstoffgasumgebung
zur Bildung eines typischerweise 1 nm dicken thermischen Oxidfilms
durch thermische Trockenoxidation bei einer Temperatur von 750°C eingegeben.
Es wird auf der dabei gebildeten Fläche ein amorpher Siliciumfilm
typischerweise einer Dicke von 3 nm unter Anwendung von MBE-Züchtungstechniken
gebildet. Daraufhin wird ein Oberflächenteil einer Dicke von 1
nm des Siliciums durch Trockenoxidationstechniken bei 750°C unter Bildung
eines Oxidfilms einer Dicke von 2 nm (die Dicke wird aufgrund der
Volumen- oder Massenausdehnung praktisch doppelt sein) oxidiert.
Das amorphe Silicium wird noch weiter bis zu einer Dicke von 3 nm
darauf gezüchtet;
dann wird durch Anwendung von Trockenoxidation ein Siliciumoxidfilm
einer Dicke von etwa 2 nm gebildet. Dieser Vorgang wird zwanzigmal wiederholt,
um eine Silicium-/Siliciumoxid-Supergitterstruktur
herzustellen. In diesem Fall wird das Verfahren so gestaltet, dass
ein Siliciumoxidfilm sich auf der oberen Fläche eines derartigen Supergitters
befindet. Als Nächstes
wird die Struktur in einem Stickstoffgas mehrere dutzend Minuten
lang auf circa 1000°C
erhitzt, wodurch das amorphe Silicium dazu gebracht wird, teilweise
eine Umkristallisation unter Bildung von Mikrokristallen darin aufzuweisen,
so dass die Leuchteffizienz erhöht
wird.
-
Als
Nächstes
wird eine mit einem Muster versehene Resistmaske mit einer Linienbreite
von 1 μm durch
ein Bemusterungsverfahren unter Anwendung von schrittweisen Expositionstechniken
gebildet. Die Maske wird verwendet, um ein reaktives Ionenätz-(RIÄ-) Verfahren
zum Entfernen der Außenseitenteile
des Supergitters durchzuführen.
Dann wird ein Plasma-CVD-Vorgang durchgeführt, um Silicium vom p-Typ
bis auf eine Dicke von etwa 80 nm auf den bloßgestellten Bereichen, die
aus der Ätzentfernung
herrühren,
zu züchten.
Als Nächstes
wird nur eine Seite der Außenregionen
des Supergitters durch Feldionenimplantation mit einer ausgewählten Verunreinigung
zum Ändern
oder „Umkehren" der Leitfähigkeit
vom n-Typ dotiert. Es werden Elektroden auf der Oberfläche der
Regionen vom p-Typ und n-Typ gebildet. Versuche haben gezeigt, dass
auf das Anschalten hin die dabei gebildete Struktur eine Emission
von infraroten Lichtstrahlen aufweist. Dies erfolgt, weil die Wirkung
des Elektronen-/Lochconfinements innerhalb
des Supergitters steigt. Diese Struktur ist deshalb vorteilhaft,
weil sich die Resistivität
im Gegensatz zu denjenigen Strukturen des senkrechten Stromflusstyps,
erhöht.
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Wahlweise
kann während
der Herstellung des Supergitters die Struktur, auf der das amorphe Silicium
abgesetzt worden ist, in Sauerstoffgasen auf etwa 800°C zur Bildung
von Silicium-Mikrokristallen, die
mit einem Oxidfilm beschichtet sind, erhitzt werden. Das Wiederholen
dieses Vorgangs führt
zur Herstellung einer mehrschichtigen Struktur von isolierten Mikrokristallen.
Eine niedrige Resistivität
ist durch Einengen des Supergitters derart, dass es eine Breite von
weniger 1 μm,
erhältlich.
Dazu wird das stufenweise Expositionsverfahren durch ein Elektronenstrahl-Expositionsverfahren
ersetzt. Zusätzlich
dazu besteht der Grund für
die Verwendung der mehrschichtigen Struktur für die Mikrokristalle darin,
die Resistivität
zu verringern. Wenn eine derartig niedrige Resistivität nicht
kritisch ist, werden mehrschichtige Mikrokristalle nicht notwendigerweise
verwendet und können
durch eine nur einschichtige Struktur ersetzt werden, um eine ausreichende
Lichtemissionsleistung zu erreichen.
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Man
beachte auch, dass bei dieser Ausführungsform die mehrschichtigen
dielektrischen Filme zwar aus SiO2 hergestellt
werden, diese jedoch alternativ aus amorphem SiC oder amorphem Kohlenstoff (C)
einer niedrigen Resistivität
bestehen können.
Im derartigen Fall lässt
sich eine effiziente Lichtemission mit geringeren Spannungen erreichen.
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Neunte Ausführungsform
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12 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Halbleiterfotokupplungsvorrichtung
einer neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß.
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Wie
gezeigt, enthält
ein Siliciumsubstrat 121 eine Siliciumregion vom n-Typ 122 und
eine Siliciumregion vom p-Typ 123 auf
einer nebeneinanderliegenden Art und Weise. Das Substrat 121 weist
eine Oberfläche
auf, auf der Elektroden 124, 125 derart gebildet
werden, dass die Elektrode 124 ein Ende aufweist, das die
Region vom n-Typ 122 überlappt und
die Elektrode 125 weist ein Ende auf, das die Region vom
p-Typ 123 überlappt.
Die veranschaulichende Struktur ist zur Verwendung als pn-Verbindungsfotodiode
geeignet, die als fotoempfindliches oder lichtaufnehmendes Element
dient. Eine untere Fläche
des Substrats 121 wird mit einem Siliciumoxidfilm 126 beschichtet.
Eine Siliciumschicht vom n-Typ 127,
eine Silicium-/Siliciumoxid-Supergitterschicht 128 und
eine Siliciumschicht vom p-Typ 129 werden auf planare Art
und Weise auf der unteren Fläche
des Films 126 gebildet. Nicht dotierte Si-Schichten 130,
deren Dicke größer ist
als die Schichten 127–129 befinden
sich auf den entgegengesetzten Seiten einer derartigen planaren
Struktur auf der unteren Substratfläche, wie in 12 gezeigt.
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Elektroden 131, 132 befinden
sich auf den entgegengesetzten Si-Schichten 130 derart,
dass die Elektrode 131 elektrisch mit der Schicht vom n-Typ 127 verbunden
ist, und die Elektrode 132 mit der Schicht vom p-Typ 129 elektrisch
verbunden ist, wodurch die beabsichtigte Lichtemissionsvorrichtung fertiggestellt
wird.
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Die
Vorrichtungsstruktur von 12 kann durch
folgendes Verfahren hergestellt werden.
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Zuerst
wird ein Substrat aus Silicium auf der Isolator-(SOI-) Struktur
gebildet, wobei Silicium- und dielektrische Substrate aufeinander
laminiert und miteinander verbunden werden. Das SOI-Substrat kann
alternativ eine SIMOX-Struktur (Trennung durch Implantation von
Sauerstoff) sein. Unter Anwendung des SOI-Substrats wird eine Standard-pn-Verbindungsfotodiode
bekannter Struktur auf einem Siliciumsubstrat 121 hergestellt.
Die untere Fläche
des Siliciumsubstrats 121 wird geätzt, um eine Öffnung an
einer Stelle direkt unterhalb des Transistors zu definieren. Ein
lichtemittierendes Element wird auf eine Art und Weise ähnlich der
in 10–11 gezeigten
Ausführungsform
hergestellt. Dann werden jeweils Elektroden auf den oberen und unteren
Flächen
der dabei gebildeten Struktur unter Anwendung von Standardherstellungstechniken
gebildet, wodurch ein Fotokoppler fertiggestellt wird, bei dem der
Siliciumoxidfilm 126 dazwischen eingeschlossen ist.
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Ein
typischer Fotokoppler des Stands der Technik ist so beschaffen,
dass er ein lichtemittierendes Element enthält, bei dem ein Verbindungshalbleiter
wie Galliumarsenid (GaAs) verwendet wird, und eine Silicium-pn-Verbindungsfotodiode
oder einen Silicium-npn-Fototransistor, die unabhängig voneinander
hergestellt werden, zusammen mit jeweiligen Dioden, auf denen die
Elemente montiert sind, während
ein ausgewähltes
dielektrisches Material, wie beispielsweise ein transparentes Harz
oder dergleichen, zwischen den Elementen angeordnet ist. Die veranschaulichende
Ausführungsformstruktur
ist dem Stand der Technik überlegen,
da das angewendete Herstellungsverfahren vereinfacht ist, während die
Struktur verkleinert ist aufgrund einer Erhöhung der Abbauspannung, ungeachtet
einer Abnahme der Dicke des verwendeten Siliciumoxidfilms. Ein anderer
Vorteil der Ausführungsform
besteht darin, dass der veranschaulichende Fotokoppler auf dem SOI-Substrat
zusammen mit anderen Silicium-IS-Komponenten herstellbar ist.
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Es
ist zu beachten, dass bei einer der obigen Ausführungsformen die Halbleiter-Mikrokristalle
und das Supergitter zwar so strukturiert sind, dass sie zwischen
den Halbleitern vom n-Typ und p-Typ vorliegen, die p-n-Kombination
jedoch durch eine Kombination eines Metalls und entweder eines der
Halbleiter vom p- und n-Typ ersetzt werden können. Bei einer derartigen Änderung
können
auch ähnliche Auswirkungen
und Vorteile wie bei einer unten aufgeführten Ausführungsform erhalten werden.
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Zehnte Ausführungsform
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16 ist
eine teilweise Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung vom
Metallisolatorhalbleiter-(MIS-) Typ einer zehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß.
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Ein
Si-Substrat vom p-Typ 161 weist eine Oberfläche auf,
auf der eine Lichtemissionsschicht 165 gebildet wird. Die
Lichtemissionsschicht 165 kann aus amorphem Silicium hergestellt
werden, das Silicium-Mikrokristalle 165 enthält, die
verteilungsmäß darin „vergraben" sind. Die Si-Mikrokristall-Lichtemissionsschicht 162 weist
auf einer Oberfläche eine
dünne Metallelektrode
(halbopake Elektrode) 163 auf. Das Si-Substrat vom p-Typ 161 weist
eine Elektrode 164 auf einer unteren Fläche des Substrats 161 auf,
wodurch die Vorrichtungsstruktur fertiggestellt wird.
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Die
Struktur wird durch das unten angegebene Verfahren hergestellt.
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Es
wird ein Si-Substrat vom p-Typ 161 hergestellt. Amorphes
Si wird auf dem Substrat 161 bis zu einer Dicke von 3 nm
unter Anwendung von MBE-Methoden aufgebracht. Es werden in dem amorphen
Si bei Temperaturen von 700 bis 800°C eine Minute lang Mikrokristalle 165 gebildet.
Der Korndurchmesser der Si-Mikrokristalle kann beispielsweise etwa
2 nm betragen. In diesem Fall weist das amorphe Si eine höhere Resistivität auf als
Si.
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Dann
wird Vakuumaufdampfen unter Bildung eines Titanfilms typischerweise
einer Dicke von 5 nm und eines Goldfilms einer ungefähren Dicke
von 50 nm auf der Si-Mikrokristallschicht 162 durchgeführt, wodurch
eine Metallelektrode 163 gebildet wird. Daraufhin wird
eine Metallelektrode 164 auf die untere Fläche des
Substrats 161 aufgedampft, wodurch die MIS-Dodenstruktur fertiggestellt
wird.
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Durch
Versuche ist bestätigt
worden, dass auf das Aufbringen einer potentiell ausreichenden Umkehrvorspannung
auf die MIS-Diode
hin Elektronen und Löcher
höhere
elektrostatische Potentialenergien aufweisen, was dazu führt, dass
die Elektronen und Löcher
durch das amorphe Si aus der Schicht vom p-Typ 161 bzw.
der Metallelektrode 163 auf eine Art und Weise injiziert
werden, die derjenigen im Fall des Einbringens der Vorwärtsspannung entgegengesetzt
ist, um dadurch die Emission von Lichtstrahlen aufzuweisen. Während die
Mikrokristallschicht 165, die als Lichtemissionsschicht
wirkt, eine Dicke von nur 3 nm aufweisen kann, war die Intensität des emittierten
Lichts signifikant genug, um sicherzustellen, dass eine ausreichende
Sichtbarkeit auf das Aufbringen einer Spannung von 4 bis 5 Volt bei
Raumtemperaturen hin verbleibt. Das emittierte Licht ist orange
gefärbt.
Das Spektrum des emittierten Lichts ist in 17 gezeigt.
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Es
ist beschrieben worden, dass die vorliegende Erfindung die Möglichkeit
bietet, Elektronen und Löcher
durch Tunnelwirkung effizient in die Siliciumregion einer ausgewählten Größe zu injizieren, die
einen erwarteten Quanteneffekt ergibt, was wiederum eine Halbleitervorrichtung
mit verbesserter Leuchteffizienz bereitstellt. Ein weiterer Vorteil
der vorliegenden Erfindung besteht aus der Möglichkeit, ein lichtemittierendes
Element unter Anwendung eines Siliciumsubstrats herzustellen, das
zu einer Verbesserung der Leistung und Verlässlichkeit und dabei zu einer
Reduzierung der Dimension führt,
während
gleichzeitig das Zusammenpassen mit anderen Halbleitervorrichtungskomponenten
auf der Basis von Silicium verbessert wird.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen
offenbart und veranschaulicht worden ist, sind die dabei involvierten
Prinzipien zur Verwendung bei zahlreichen anderen Ausführungsformen,
Modifikationen und Änderungen
geeignet, die mit dem Stand der Technik, auf den die Erfindung zutrifft,
vertrauten Fachleuten offensichtlich sein werden. Die Erfindung
ist deshalb nur wie durch den Umfang der angehängten Ansprüche angegeben beschränkt.