DE10000707B4

DE10000707B4 - Herstellungsverfahren für leuchtende Strukturen auf Siliziumsubstrat

Info

Publication number: DE10000707B4
Application number: DE10000707A
Authority: DE
Inventors: Heiner Röcken
Original assignee: Rubitec Gesellschaft fur Innovation & Technologie Ruhr Univ Bochum Mbh; Rubitec Gesellschaft fur Innovation und Technologie Der Ruhr-Universitat Bochum Mbh
Current assignee: Rubitec Gesellschaft fur Innovation & Technologie Ruhr Univ Bochum Mbh; Rubitec Gesellschaft fur Innovation und Technologie Der Ruhr-Universitat Bochum Mbh
Priority date: 2000-01-10
Filing date: 2000-01-10
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: WO2001052331A1; DE10000707A1; AU2001239219A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Strukturen in Silizium, wobei ein räumlich begrenzter Bereich eines vordotierten Siliziumsubstrats gegendotiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendotierung derart erfolgt, daß mittels fokussierter Ionenimplantation linienartige Strukturen erzeugt werden, durch welche der räumlich begrenzte Bereich in vollständig voneinander separierte Bereiche geteilt wird, welche zum Betrieb mit Kontaktierungen versehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Strukturen in Silizium, wobei ein räumlich begrenzter Bereich eines vordotierten Siliziumsubstrats gegendotiert wird.
LEDs und andere technisch verwendbare, lichtemittierende Halbleiterbauelemente bestehen in der Regel aus Verbindungshalbleitern wie z. B. GaAs, GaP oder GaAsP. Das hängt damit zusammen, daß die Elektrolumineszenz-Eigenschaften durch die elektronischen Bandstrukturen dieser sogenannten III/V-Materialien begünstigt werden.
Mit den üblichen Großintegrationstechnologien ergibt sich das Problem, daß das mit Abstand am weitesten verbreitete Material in der Chip-Herstellung Silizium ist. Da Silizium und die genannten Verbindungshalbleiter unterschiedliche Kristallstrukturen haben, gestaltet sich die Integration von lichtemittierenden Bauelementen in mikroelektronische Systeme auf Siliziumsubstraten aufwendig und schwierig. Insbesondere kommen aus dem genannten Grund konventionelle epitaktische Verfahren nicht in Frage.

Seit 1955 ist bekannt, daß Elektrolumineszenz in Silizium an in Sperrichtung betriebenen pn-Übergängen auftritt. Es kommt zu einem sogenannten Durchbruchstrom, der von einer Leuchterscheinung begleitet ist, wenn die an den pn-Übergang in Sperrichtung angelegte elektrische Spannung einen bestimmten Wert überschreitet (siehe z.B. R. Newman, Physical Review, Band 100, 1955, Seiten 700 – 703). Hieraus ergibt sich unmittelbar die Möglichkeit, leuchtende Bauelemente auf Siliziumsubstrat zu integrieren. Zur Herstellung des pn-Übergangs ist jedoch eine Mehrzahl von Prozeßschritten zur photolithographischen Maskierung und anschließenden Dotierung mittels Diffusion oder Ionenimplantation erforderlich. Das Verfahren ist daher aufwendig und unökonomisch.

Aus der DE 42 08 560 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Strukturen auf Siliziumsubstrat bekannt. Gemäß dem vorbekannten Verfahren wird mittels ansich bekannter Methoden der Halbleitertechnologie ein pn-Übergang erzeugt, der ganz oder teilweise mit einer lumineszenzfähigen Schicht abgedeckt ist. Zur Lichterzeugung im sichtbaren Bereich wird ein pn-Übergang in Sperrichtung durch Anlegen einer Spannung im Bereich der Durchbruchspannung betrieben, wobei der pn-Übergang eine genügend hohe Durchbruchspannung aufweisen muß, damit eine ausreichende Anregungsenergie der Ladungsträger zur Lichterzeugung erreicht wird. Nachteilig ist bei den in der vorgenannten Druckschrift beschriebenen Halbleiterstrukturen, dass diese mittels herkömmlicher Halbleitertechnologie aufwendig herzustellen sind. Zur Herstellung des pn-Übergangs ist eine Mehrzahl von Prozeßschritten zur photolithographischen Maskierung und anschließenden Dotierung mittels Diffusion oder Ionenimplantation erforderlich. Insbesondere die Kontaktierung der gegensätzlich dotierten Bereiche des pn-Übergangs macht eine große Zahl von zusätzlichen Prozeß- und Maskierungsschritten nötig. Die vorbekannten Halbleiterstrukturen sind daher aufwendig und damit teuer in ihrer Herstellung.

Aus dem Artikel "Microprobe as implanter for semiconductor devices" von J. Meijer et al. in der Zeitschrift "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B" (ISSN 0168-583X), Band 158 (1999), Seiten 39 – 34 ist ein Hochenergie-Ionenprojektor vorbekannt, der zur simultanen, großflächigen Strukturierung von Halbleiteroberflächen, insbesondere auch von Siliziumoberflächen, mittels fokussierter Ionenimplantation einsetzbar ist. Mit der kostengünstigen Herstellung von lichtemittierenden Strukturen auf Siliziumsubstrat befaßt sich dieser Artikel allerdings nicht.

Die DE 43 26 754 A1 offenbart einen empfindlichen Halbleiter-Fotodetektor mit großem Dynamikbereich. Bei dessen Herstellung werden seitlich eines leitenden Kanals in einem Substrat dotierte Strukturen erzeugt, was mittels fokussierter Ionenimplantation geschehen kann. Auch diese Druckschrift befaßt sich indes nicht mit der kostengünstigen Herstellung von lichtemittierenden Strukturen in Silizium.

Des weiteren ist bekannt, daß an speziell behandelten, porösen Oberflächen eines Siliziumsubstrats Elektrolumineszenz auftritt (siehe P. M. Fauchet, Journal of Luminescence, Band 80, 1999, Seiten 53 – 64). Die Herstellung der porösen Oberfläche ist sehr aufwendig, und die nötigen Schritte sind schwer zu kontrollieren. Aufgrund der Porosität ist die Oberfläche des Materials besonders groß und damit äußert reaktiv und empfindlich. Ein erfolgreicher Einsatz dieser Technologie zur Herstellung von lichtemittierenden Bauelementen ist bisher noch nicht abzusehen.

Ausgehend von dem angeführten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Bauelementen auf Siliziumsubstrat bereitzustellen, das ohne zusätzliche Maskierungsschritte auskommt. Gewünscht wird dabei, daß die leuchtenden Strukturen langzeitstabil und unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen (Atmosphäre, Temperatur) sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Gegendotierung derart erfolgt, daß mittels fokussierter Ionenimplantation linienartige Strukturen erzeugt werden, durch welche der räumlich begrenzte Bereich in vollständig voneinander separierte Bereiche geteilt wird, welche zum Betrieb mit Kontaktierungen versehen werden.

Durch die Verwendung der fokussierten Ionenimplantation wird eine präzise strukturierte Dotierung der Halbleiteroberfläche möglich. Dabei kann auf aufwendige Maskierungsschritte vollständig verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Gegendotierung läßt sich ohne Probleme in eine bestehende Silizium-Technologie zur Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen einbeziehen. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß sich auf diese Weise optoelektronische Schaltungen mit integrierten Leuchtelementen realisieren lassen. Denkbare An wendungen ergeben sich bei Displays, Lichtleiterverstärkern und anderen mikrooptischen Bauelementen. Die Erzeugung linienartiger Strukturen gemäß der Erfindung ist mittels fokussierter Ionenimplantation, beispielsweise durch entsprechende Ablenkung des Ionenstrahls, auf besonders einfache Art und Weise möglich. Ferner erlaubt es die Ionenimplantation, eine linienartige Gegendotierung des vordotierten Siliziumsubstrats mit geeigneter Eindringtiefe der Dotierungsstoffe zu erzeugen, so daß die räumlich begrenzten Bereiche des Substrats in vollständig voneinander separierte Bereiche geteilt werden. Es entstehen auf diese Art und Weise laterale npn- bzw. pnp-Übergänge, so daß bei Anlegen einer ausreichend hohen Spannung der jeweils in Sperrichtung betriebene pn- bzw. np-Übergang zum Leuchten gebracht wird. Der jeweils andere Übergang wird in Durchlaßrichtung betrieben. Da jeweils gleichdotierte Bereiche der lichtemittierenden Strukturen kontaktiert werden, gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach und kostengünstig.

Zweckmäßigerweise wählt man bei der fokussierten Ionenimplantation die Dotierungsdosis derart, daß die Ladungsträgerdichte des vordotierten Siliziumsubstrats überkompensiert wird. Auf vordotiertem n-Typ-Silizium ergeben sich lateral begrenzte p-Typ-Bereiche. Durch die Überkompensation werden laterale npn-Übergänge erzeugt. In gleicher Weise lassen sich alternativ pnp-Übergänge durch Erzeugung von strukturierten n-Typ-Gebieten auf p-Typ-Silizium herstellen. Bei Anlegen einer ausreichend hohen Spannung wird der jeweils in Sperrichtung betriebene pn- bzw. np-Übergang zum Leuchten gebracht.

Experimente haben gezeigt, daß erfindungsgemäß hergestellte lichtemittierende Strukturen auf Siliziumsubstrat ein breites, weiß erscheinendes Emissionsspektrum aufweisen. Dabei ist die Lichtemission auf einen eng begrenzten Bereich des pn-Übergangsgebietes von weniger als ein Mikrometer Breite beschränkt.

Zur Herstellung eines nutzbaren lichtemittierenden Bauteils ist es zweckmäßig, die fokussierte Ionenimplantation in einem lateral begrenzten Bereich auf der Halbleiteroberfläche durchzuführen. Dieser läßt sich beispielsweise durch einen Maskierungsschritt mit anschließendem naß- oder trockenchemischen Ätzen präparieren. Das Ergebnis ist eine vordotierte Siliziuminsel, die von der Umge bung, die weitere optische oder elektronische Bauteile aufnehmen kann, elektrisch isoliert ist.

Zur Kontaktierung der lichtemittierenden Struktur werden zweckmäßigerweise in der Peripherie des lateral begrenzten Bereiches Metall-Halbleiterübergänge angebracht. Die beiden Kontaktstellen müssen durch den gemäß der Erfindung gegendotierten Bereich voneinander getrennt sein. Wurde durch die fokussierte Ionenimplantation beispielsweise eine p-dotierte Struktur erzeugt, so findet die Kontaktierung im n-dotierten Gebiet statt. Beim Anlegen einer Spannung befindet sich einer der pn-Übergänge in Durchlaß- und der andere in Sperrichtung. Dieser wird von einem Durchbruchstrom durchflossen, wobei es zur Lichtemission kommt.

Experimente haben gezeigt, daß sich die lichtemittierenden Strukturen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft herstellen lassen, wenn die Vordotierung des Siliziumsubstrats 10¹⁶ – 10¹⁹, vorzugsweise 5 × 10¹⁷ Dotierstoffatome pro cm³ beträgt.

Die Gegendotierung sollte dann mit 10¹⁸ – 10²¹, vorzugsweise mit 5 × 10¹⁹ Dotierstoffatomen pro cm³ erfolgen. Nach Möglichkeit sollte die Dosis bei der Gegendotierung etwa zwei Größenordnungen größer sein als im vordotierten Substrat.

Die Strukturierung des lichtemittierenden Bauteils erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß bei der fokussierten Ionenimplantation eine vorgegebene (Loch-)Maske, die sich im Ionenstrahl befindet, mittels einer Ionenoptik auf die Halbleiteroberfläche abgebildet wird. Durch das Abbildungsverfahren lassen sich die durch die Maske vorgegebenen Strukturen stark verkleinert abbilden. Es ist ionenoptisch ohne weiteres möglich, das Ionenstrahlbündel in wenigsten einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung auf 0,01 Mikrometer – 10,0 Mikrometer zu fokussieren. Vorteilhafterweise ergeben sich so auch für die erfindungsgemäß hergestellten leuchtenden Strukturen Dimensionen, die mit den Strukturen der modernen Großintegrationstechnologien kompatibel sind.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten leuchtenden Bauelements;
2: Halbleiteroberfläche in verschiedenen Stadien bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer lichtemittierenden Struktur.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen n-dotierten Siliziumkristall 1, in dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine p-dotierte Zone 2 erzeugt wurde. Der npn-Übergang setzt sich zusammen aus einem n-Gebiet 3, einem p-Gebiet 2 und einem n-Gebiet 4. Die Abbildung zeigt ortsfeste Donatoren 5 und Akzeptoren 6, sowie bewegliche Ladungsträger in Form von Löchern 7 und Elektronen 8. In den Übergangsbereichen der npn-Struktur ergeben sich Zonen 9 und 10, die an Ladungsträgern verarmt sind. Legt man über den n-Gebieten 3 und 4 eine Spannung an, so befindet sich abhängig von der Polung einer der Übergänge 9 bzw. 10 in Sperrichtung und der jeweils andere in Durchlaßrichtung. Es kommt zur Lichtemission, wenn durch den in Sperrichtung befindlichen Übergang ein Durchbruchstrom fließt.
Die 2 illustriert die Herstellung eines lichtemittierenden Bauelementes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Ausgangsmaterial, das in 2A dargestellt ist, ist kommerziell erhältliches, p-dotiertes Silizium, das als makroskopische, einkristalline Scheibe 11 (Wafer) vorliegt.
Der erste Verfahrensschritt (2B) besteht darin, daß eine oberflächennahe Schicht 12 von etwa 50 bis 500 Nanometern Dicke vom Substrat elektrisch separiert wird. Dies erfolgt entweder durch eine Isolatorschicht oder – wie hier gezeigt – durch einen pn-Übergang. Es wird also eine Dotierung der oberflächennahen Siliziumschicht durch Implantation mit einem n-Typ-Dotierstoff, z. B. mit 10¹⁷ Atomen Arsen pro cm³, durchgeführt.
Im nächsten Schritt (2C) wird ein lateral begrenzter Bereich (Mesa) mit einer Größe von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern erzeugt. Dies geschieht dadurch, daß auf die n-dotierte Schicht 12 photolithographisch eine Maskierung 13 aufgebracht wird. Das nicht von der Maske bedeckte n-Typ-Silizium wird durch Plasmaätzen entfernt.
In 2D wurde die Maskierungsschicht 13 entfernt und eine neue Maske 14 aufgebracht, die die Endbereiche der zuvor erzeugten Mesa freiläßt. Durch diese Fenster 15 erfolgt eine oberflächennahe Hochdosis-Implantation von Arsen, z. B. mit 5 × 10²⁰ Atomen pro cm³. Danach läßt man ein geeignetes Metall (z. B. Kobalt) zur Silizidbildung eindiffundieren. Auf diese Weise entsteht ein zur Kontaktierung geeigneter Metall-Halbleiterübergang, über den das lichtemittierende Bauteil später mit Strom versorgt werden kann.
Die 2E zeigt das Bauelement nach Entfernen der Maskierungsschicht 14. Zu sehen ist ein n-dotierter Bereich 16, der an seinen Enden Kontaktbereiche 17 und 18 aufweist.
In 2F wird nun erfindungsgemäß mittels eines fokussierten Ionenstrahls 19 eine p-dotierte, linienartige Struktur 20 erzeugt, die so tief in die präparierte oberflächennahe Siliziumschicht hineinreicht, daß die beiden benachbarten n-leitenden Bereiche 21 und 22 vollständig voneinander separiert sind. Die Implantation erfolgt beispielsweise mit 10¹⁹ Boratomen pro cm³. Dabei wird der Ionenstrahl 19 auf etwa 0,01 Mikrometer bis 10 Mikrometer fokussiert. Die linienartige Struktur entsteht entweder durch Ablenkung des Ionenstrahls oder durch ionenoptische Abbildung einer entsprechenden Maske. Bei Anlegen einer Spannung an den Kontaktstellen 17 und 18 kommt es zu einer ebenfalls linienartigen Lichtemission entlang des pn-Übergangs 20, 21 oder 20, 22.

Claims

Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Strukturen in Silizium, wobei ein räumlich begrenzter Bereich eines vordotierten Siliziumsubstrats gegendotiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendotierung derart erfolgt, daß mittels fokussierter Ionenimplantation linienartige Strukturen erzeugt werden, durch welche der räumlich begrenzte Bereich in vollständig voneinander separierte Bereiche geteilt wird, welche zum Betrieb mit Kontaktierungen versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Gegendotierung die Ladungsträgerdichte des vordotierten Siliziumsubstrats überkompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenstrahlbündel in wenigstens einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung auf 0,01 Mikrometer bis 10,0 Mikrometer fokussiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierte Ionenimplantation in einem lateral begrenzten Bereich (Mesa) auf der Halbleiteroberfläche erfolgt, der auf dem vordotierten Substrat durch einen Maskierungsschritt mit anschließendem naß- oder trockenchemischen Ätzen präpariert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kontaktierungen in der Peripherie des lateral begrenzten Bereichs Metall-Halbleiterübergänge erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat mit 10¹⁶ bis 10¹⁹, vorzugsweise mit 5 × 10¹⁷ Dotierstoffatomen pro cm³ vordotiert ist.
Verfahren nach einem den Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendotierung mit 10¹⁸ bis 10²¹, vorzugsweise mit 5 × 10¹⁹ Dotierstoffatomen pro cm³ erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der fokussierten Ionenimplantation eine (Loch-)Maske mittels einer Ionenoptik auf die Halbleiteroberfläche abgebildet wird.