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Die Erfindung betrifft eine Zener-Diode, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Zener-Diode.
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Für Licht-emittierende Funktionen (LEDs) werden in der Regel nicht-Silizium-basierte Materialien verwendet, wie z.B. organische (OLED) und anorganische III-V Halbleiter (AlAs, InAs, GaAs oder AIN, InN, GaN).
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Silizium-basierte Emitter sind diesen Materialien unterlegen aufgrund des geringen Wirkungsgrades. Zudem werden Silizium-basierte Emitter in der Regel erst durch vergleichsweise aufwändige Methoden gewonnen, wie z.B. aus Nanoröhren oder poröses Silizium, da hierfür eine Bänder-Konditionierung erforderlich ist. Zudem sind diese Silizium-basierten Emitter in der Regel nicht kompatibel mit CMOS-Technologie.
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Im Allgemeinen gilt, dass Silizium als indirekter Halbleiter keine nennenswerte Elektrolumineszenz aufweist. Jedoch kann sowohl im Vorwärtsbetrieb, sowie im Avalanche-Durchbruch-Betrieb auch in Silizium Elektrolumineszenz beobachtet werden.
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Wie beispielsweise in Snyman et al. (Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, No. 4B (2007), pp.2474-2480) offenbart, weisen Silizium-LEDs, welche in CMOS-Technologie eingebettet sind, in einer Avalanche lichtemittierenden Mode hohe Emissionsintensitäten auf.
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Für im Avalanche-Durchbruch-Betrieb betriebenes Silizium liegt das Elektrolumineszenz-Spektrum im sichtbaren Bereich.
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Auch offenbart Dutta et al. („The Avalanche Mode Superjunction Light-emitting Diode“, IEEE (2017)) Avalanche-mode LEDs (AMLED) in Silizium als potentielle Lichtquellen in der CMOS-Technologie, deren Elektrolumineszenz-Spektrum hohe Intensitäten im Bereich von 400-870nm aufweisen. Dabei können die AMLEDs mit hohen Geschwindigkeiten im Bereich von ~20GHz moduliert werden.
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Die in Dutta et al. offenbarten AMLEDs weisen jedoch hohe Durchbruchspannungen auf. Typischerweise weisen pn-Dioden eine Durchbruchspannung von 10-20V und höher auf. Im Beispiel von Dutta et al. wurden die AMLEDs mit Durchbruchspannungen im Bereich von 16-50V betrieben. Neben den hohen benötigten Durchbruchspannungen weisen die in Dutta et al. offenbarten AMLEDs den Nachteil auf, dass die AMLEDs aufgrund ihres lateralen Aufbaus in der Regel einen sogenannten „walk-out-Effekt“ aufweisen, d.h., dass die für eine Elektrolumineszenz benötigte Durchbruchspannung mit der Dauer des Betriebs höhere Werte annimmt. Um also eine konstante Elektrolumineszenz zu erhalten, müsste die Durchbruchspannung permanent angepasst werden.
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Daher sind die von Dutta et al. offenbarten AMLEDs nicht für einen Dauerbetrieb in Sperrrichtung geeignet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach eine Lösung für eine verbesserte Silizium-LED bereitzustellen, welche für einen Dauerbetrieb geeignet sind, wobei die Lösung kostengünstig sein und keine großen technischen Änderungen eines standardmäßigen Herstellungsverfahrens eines Halbleiterbauteils bedeuten soll.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung, sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, sowie den Figuren zu entnehmen.
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Die vorgeschlagene Lösung sieht eine Zener-Diode vor, welche dazu eingerichtet ist Photonen zu emittieren.
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Zener-Dioden weisen den großen Vorteil auf, dass diese sehr schnelle Ein- und Ausschaltzeiten aufweisen und somit sehr schnell moduliert werden können.
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Zudem weisen Zener-Dioden eine vergleichsweise geringe Durchbruchspannung im Bereich von typischerweise 5-7V auf, während übliche p-n-Dioden eine Durchbruchspannung von ca. 10-20V aufweisen.
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Weiter weisen Zener-Dioden im Gegensatz zu üblichen p-n-Dioden keine laterale Driftstrecke, d.h. entlang einer Silizium-Grenzfläche auf. Der vertikale Aufbau einer Zener-Diode als Volumen Element verhindert einen „walk-out“-Effekt, sodass die Zener-Diode auch im Dauerbetrieb eine Elektrolumineszenz von konstanter Intensität aufweist.
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In einer Ausgestaltung weist eine Oberseite der Zener-Diode eine lichtdurchlässige oder zumindest teilweise lichtdurchlässige Schicht auf.
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Insbesondere ist die zumindest teilweise lichtdurchlässige Schicht ein Isolator.
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Insbesondere hat die zumindest teilweise lichtdurchlässige Schicht eine leitende Eigenschaft. Insbesondere kann die zumindest teilweise lichtdurchlässige Schicht zur Kontaktierung der Kathode genutzt werden, insbesondere ist die zumindest lichtdurchlässige Schicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO).
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Die lichtdurchlässige Schicht ermöglicht ein Austreten der in der Zener-Diode von angeregten Ladungsträgern emittierten Photonen. Insbesondere werden die Photonen durch eine Stoß-Ionisation generiert.
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In einer Ausgestaltung weist die Zener-Diode wenigstens einen Durchbruchbereich auf. Insbesondere ist der wenigstens eine Durchbruchbereich unterhalb der lichtdurchlässigen Schicht angeordnet. Insbesondere ist der wenigstens eine Durchbruchbereich geschlossen ausgebildet.
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Insbesondere kommt es in dem Durchbruchbereich der Zener-Diode zu einer Freisetzung von Photonen.
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Die Anordnung der lichtdurchlässigen Schicht oberhalb des wenigstens einen Durchbruchbereichs ermöglicht einen Austritt des in dem Durchbruchbereich emittierten Lichts.
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In einer Ausgestaltung weist die Zener-Diode wenigstens einen ersten p-n-Übergang auf.
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In einer Ausgestaltung umfasst der wenigstens eine erste p-n-Übergang wenigstens eine hochdotierte n-Schicht und mindestens einen p-Body, welcher an die wenigstens eine hochdotierte n-Schicht angrenzt.
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Durch die hochdotierte n-Schicht und den mindestens einen daran angrenzenden p-Body ergibt sich der wenigstens eine erste p-n-Übergang. Insbesondere kommt es an dem wenigstens einen ersten p-n-Übergang zu einer Emission von Photonen. Insbesondere werden diese Photonen durch Stoß-Ionisation generiert.
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In einer Ausgestaltung ist die wenigstens eine hochdotierte n-Schicht des wenigstens einen ersten p-n-Übergangs mindestens teilweise in den mindestens einen p-Body eingebettet.
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In einer Ausgestaltung weist die Zener-Diode eine Mehrzahl von p-Bodys auf, wobei die Mehrzahl der p-Bodys zumindest teilweise voneinander separiert sind. Insbesondere grenzt die Mehrzahl der p-Bodys an die wenigstens eine hochdotierte n-Schicht.
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Insbesondere ist die Mehrzahl von p-Bodys zumindest teilweise als Streifen ausgebildet. Insbesondere weist die Mehrzahl von p-Bodys eine beliebige vorbestimmte Form auf.
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Insbesondere ist die Mehrzahl von p-Bodys nebeneinander zumindest teilweise zueinander beabstandet angeordnet.
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Insbesondere ist die Mehrzahl der p-Bodys in einer p-Wanne der CMOS-Struktur eingebettet. Insbesondere sind die p-Bodys der Mehrzahl der p-Bodys zumindest teilweise zueinander beabstandet in der p-Wanne angeordnet.
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Durch eine gezielte Anordnung einer Mehrzahl von p-Bodys kann für die sich so ergebenen ersten p-n-Übergänge zwischen der Mehrzahl der p-Bodys und der wenigstens einen hochdotierten n-Schicht ein bestimmtes Design vorgegeben werden. Auf diese Weise ist es möglich bestimmte Bereiche in der Zener-Diode vorzubestimmen in denen Photonen emittiert werden und bestimmte Bereiche, in denen keine Photonen emittiert werden bzw. in denen eine Wahrscheinlichkeit für eine Photonen-Emission sehr gering ist. Ebenso kann durch eine gezielte Anordnung der Mehrzahl von p-Bodys Bereiche gebildet werden, in denen eine Elektrolumineszenz hoher Intensität ermöglicht wird, während in anderen Bereichen, sogenannte Graubereiche, zugleich eine Elektrolumineszenz geringerer Intensität vorliegt.
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Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, dass die Zener-Diode Licht in einem vorgegebenen Muster emittiert.
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In einer Ausgestaltung grenzt die wenigstens eine hochdotierte n-Schicht des wenigstens einen ersten p-n-Übergang an die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht.
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In einer Ausgestaltung bildet der wenigstens eine erste p-n-Übergang den wenigstens einen Durchbruchbereich.
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Insbesondere befindet sich der durch den wenigstens einen ersten p-n-Übergang gebildeten Durchbruchbereich unterhalb der wenigstens einen lichtdurchlässigen Schicht. Insbesondere können die in dem wenigstens einen ersten p-n-Übergang emittierten Photonen durch die wenigstens eine angrenzende lichtdurchlässige Schicht aus der Zener-Diode austreten.
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In einer Ausgestaltung umfasst die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht der Zener-Diode eine Silizid-Blocking-Schicht.
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Insbesondere wird die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht durch eine Verwendung einer Silizid-Blocking-Schicht provoziert.
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In einer Ausgestaltung umfasst die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht der Zener-Diode eine Silizium-Oxid-Schicht und/oder Silizium-Nitrid-Schicht.
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Insbesondere umfasst die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht der Zener-Diode eine Kombination aus einer Silizium-Oxid-Schicht und einer Silizium-Nitrid-Schicht.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Zener-Diode eine CMOS-Struktur. Insbesondere weist die CMOS-Struktur den wenigstens einen ersten p-n-Übergang auf.
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Insbesondere lässt sich die erfindungsgemäße Zener-Diode auf einem Substratmaterial realisieren, auf welchem auch andere Bauelemente integriert sind wie es z.B. dem Stand der Technik innerhalb der CMOS-Technologie entspricht.
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Die vorgeschlagene Lösung sieht weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Zener-Diode vor, welche dazu eingerichtet ist Photonen zu emittieren. Insbesondere umfasst die Zener-Diode eine CMOS-Struktur. Insbesondere wird an einer Oberseite der CMOS-Struktur wenigstens eine zumindest teilweise lichtdurchlässige Schicht angeordnet. Insbesondere umfasst die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht eine Silizid-Blocking-Schicht oder eine Silizium-Oxid-Schicht und/oder eine Silizium-Nitrid-Schicht.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht oberhalb mindestens eines Durchbruchbereichs der Zener-Diode angeordnet.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verfahren zur Anordnung der wenigstens einen lichtdurchlässigen Schicht der Zener-Diode folgende Schritte:
- - Belichtung der CMOS-Struktur unter Verwendung einer angepassten Fotomaske;
- - Freilegen belichteter Bereiche der CMOS-Struktur;
- - Auftragen von Metall, wobei das Metall an den freigelegten Bereichen der CMOS-Struktur durch einen Reaktionsprozess eine Silizid-Schicht bildet;
- - Entfernen von unverbrauchten Metall an nicht-freigelegten Bereichen der CMOS-Struktur, sodass in diesen Bereichen eine lichtdurchlässige Schicht gebildet wird.
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Insbesondere wird die wenigstens eine lichtdurchlässige Schicht durch eine Silizid-Blocking-Schicht gebildet.
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Insbesondere wird die Silizid-Blocking-Schicht der wenigstens einen lichtdurchlässigen Schicht zumindest teilweise wieder entfernt.
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Insbesondere wird eine Oxid-Schicht und/oder Nitrid-Schicht an den Bereichen aufgebracht bzw. aufgewachsen, an denen die Silizium-Blocking-Schicht entfernt wurde.
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Insbesondere unterscheidet sich das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode von dem Verfahren zur Herstellung einer standardmäßigen Zener-Diode lediglich durch die Verwendung einer angepassten Fotomaske zur Anordnung der wenigstens einen lichtdurchlässigen Schicht, durch die die in der Zener-Diode emittierten Photonen aus der Zener-Diode austreten können.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die angepasste Fotomaske derart angepasst, dass die lichtdurchlässige Schicht oberhalb des mindestens einen Durchbruchbereichs der Zener-Diode gebildet wird.
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Durch die Verwendung einer angepassten Fotomaske wird vorbestimmt an welchen Bereichen eine lichtdurchlässige Schicht gebildet wird. Insbesondere können so lichtdurchlässige Bereiche in einem vorgegebenen Muster angeordnet werden, Auf diese Weise lassen sich beispielsweise optische ID-Erkennungen und Logos gebildet werden, welche bei einer Elektrolumineszenz der erfindungsgemäßen Zener-Diode aufleuchten, jedoch für das menschliche Auge nicht zu sehen sind, wenn die Zener-Diode außer Betrieb ist.
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Die vorgeschlagene Lösung sieht weiter eine Verwendung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode vor, welche wenigstens einen ersten p-n-Übergang und wenigstens einen zweiten p-n-Übergang umfasst, wobei der wenigstens eine zweite p-n-Übergang zu dem wenigstens einen ersten p-n-Übergang benachbart angeordnet ist.
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Insbesondere entspricht der wenigstens eine erste p-n-Übergang dem wenigstens einen Durchbruchbereich der Zener-Diode.
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Insbesondere wird der wenigstens eine erste p-n-Übergang in einem Rückwärtsbetrieb/Durchbruch betrieben.
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Insbesondere wird zugleich der wenigstens eine zweite p-n-Übergang im Vorwärtsbetrieb betrieben. Insbesondere ist der wenigstens eine zweite p-n-Übergang unterhalb des wenigstens einen Durchbruchbereichs angeordnet.
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Durch die Kombination des Rückwärtsbetriebs des wenigstens einen ersten p-n-Übergangs und des Vorwärtsbetriebs des wenigstens einen zweiten p-n-Übergangs wird die Intensität der Elektrolumineszenz der Zener-Diode deutlich gesteigert.
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Vorteil der Erfindung ist, dass die lichtemittierende Zener-Diode keinen walk-out Effekt aufweist und somit im Dauerbetrieb in Sperrrichtung betrieben werden kann, wobei die Intensität der Elektrolumineszenz der lichtemittierenden Zener-Diode konstant bleibt.
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Zudem weist die lichtemittierende Zener-Diode eine sehr geringe Durchbruchspannung VBR auf, welche im Bereich von typischerweise zwischen 5 und 7V liegt. Dies ermöglicht eine einfache Handhabung und Steuerbarkeit der lichtemittierenden Zener-Diode im Betrieb.
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Zudem ist die Intensität der Elektrolumineszenz der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode im Vergleich zu anderen Silizium-Dioden sehr hoch. So konnte in ersten experimentellen Versuchen eine Umwandlung von 100 bis 100.000 Elektronen in ein Photon nachgewiesen werden. Ein weiterer Vorteil stellt die Anordnung des Durchbruchbereichs direkt an der Oberfläche der Zener-Diode dar. Dies hat den Effekt, dass bei einem Austritt emittierter Photonen aus der Zener-Diode eine Silizium-interne Absorption vernachlässigbar gering ist.
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Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode ist eine schnelle Ein- und Ausschaltbarkeit im Nanosekundenbereich, da der Rückwärtsbetrieb nicht durch einen Auf- oder Abbau einer Speicherladung belastet ist. Dies bedingt eine mannigfaltige Anwendung der lichtemittierenden Zener-Diode.
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Weiter weist die erfindungsgemäße lichtemittierende Zener-Diode eine gerichtete Emission von Photonen auf. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich die erfindungsgemäße Zener-Diode beispielsweise als Sender in einem Optokoppler.
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Die gerichtete Abstrahlung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode, sogar mit einer Präferenz senkrecht aus dem Substratmaterial heraus, kann durch die Wahl von einer kleinen Emitterfläche und einem kleinen Öffnungswinkel in der frei wählbaren Metallapertur des Gesamtaufbaus provoziert werden, insbesondere wenn weitere, d.h. auch höhere Metall-Lagen verwendet werden.
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Aufgrund der Kontrollierbarkeit des Rückwärtsstroms und damit der Emission von Photonen im Durchbruchbereich, eignet sich die erfindungsgemäße lichtemittierende Zener-Diode zudem beispielsweise zur Verwendung als Single-Photon-Emitterquelle oder als Basisbaustein zur pixel-individuellen Anregung von hochgradig lichtsensitiven Detektoren (z.B. SPADs) in einem virtuellen LiDAR Teststand, indem auch kurze Laufzeiten im Nanosekunden Bereich emuliert werden können. Durch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode, welche eine Mehrzahl von p-Bodys und/oder eine Kombination von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen an der Silizium-Oberfläche oberhalb des Durchbruchbereichs der Zener-Diode, lässt sich die erfindungsgemäße lichtemittierende Zener-Diode beispielsweise auch für eine optische Produktidentifikation, und/oder zur Gestaltung von Logos und/oder Schriftzügen zum Trademarkschutz anwenden. Insbesondere ist dieses optische Merkmal ausschließlich sichtbar, wenn die erfindungsgemäße Zener-Diode Licht emittiert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Funktionen der Erfindung sind in Zusammenhang mit den in den Figuren gezeigten Beispielen erklärt.
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Hierbei zeigt:
- 1 schematische Darstellung einer Zener-Diode gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode;
- 3 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode;
- 4 eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode;
- 5 eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode; und
- 6 eine fünfte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Zener-Diode 100 gemäß dem Stand der Technik.
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Die in 1 dargestellte Zener-Diode umfasst eine CMOS-Struktur 110.
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Zur Herstellung der in 1 dargestellten Zener-Diode 100 wird auf einen einkristallinen Silizium-Wafer mittels Fotolithographie eine Vielzahl von n- und p-dotierten Schichten aufgebracht, die zum Teil unterschiedlich starke Dotierungen aufweisen.
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Die in 1 dargestellte Zener-Diode 100 weist in einer ersten Ebene 110a der CMOS-Struktur 110 p-dotierte Schichten 112 und eine n-dotierte Schichte 111 auf.
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In der in 1 gezeigten schematischen Darstellung sind auf den p-dotierten Schichten 112 der ersten Ebene 110a der CMOS-Struktur 110 jeweils eine Hoch-Volt-p-Wanne (HPW) 113 in einer zweiten Ebene 110b der CMOS-Struktur 110 angeordnet.
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Auf den in der zweiten Ebene 110b angeordneten Hoch-Volt-p-Wannen (HPW) 113 ist jeweils eine weitere p-Wanne 115 angeordnet. An der Oberfläche dieser p-Wannen 115 ist in einer fünften Ebene 110e der CMOS-Struktur 110 jeweils eine hochdotierte p-Schicht (P+) 112 eingebettet.
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Auf der in der ersten Ebene 110a angeordneten n-dotierten Schicht 111 sind in diesem Beispiel am Randbereich der n-dotierten Schicht 111 Hoch-Volt-n-Wannen (HVNW/NEPI) 114 angeordnet, an deren Oberfläche in der fünften Ebene 110e jeweils hochdotierte n-Schichten (N+) 111 eingebettet sind. Weiter ist zwischen diesen Hoch-Volt-n-Wannen (HVNW/NEPI) 114 ist in der zweiten Ebene 110b der CMOS-Struktur 110 eine Hoch-Volt-p-Wanne 113 oder eine weitere Hoch-Volt-n-Wanne (NEPI) 114 angeordnet. Auf dieser Hoch-Volt-p-Wanne 113 bzw. Hoch-Volt-n-Wanne (NEPI) 114 ist eine p-Wanne 115 angeordnet.
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In diese p-Wanne 115 ist ein p-Body 116 eingebettet. In dem p-Body 116 ist wiederum an dessen Oberfläche in der fünften Ebene 110e eine hochdotierte n-Schicht (N+) 111 eingebettet. Zusätzlich weist die p-Wanne 115, in der der p-Body 116 eingebettet ist, an ihrer Oberseite in der fünften Ebene 110e benachbart zu dem p-Body 116 jeweils eine hochdotierte p-Schicht (P+) 112 auf.
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Die in der fünften Ebene 110e angeordneten hochdotierten n-Schichten (N+) 111 und hochdotierten p-Schichten (P+) 112 sind voneinander jeweils durch eine niedrige Grabenisolation (Shallow Trench Isolation, STI) 117 getrennt.
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Auf die in der fünften Ebene 110e der CMOS-Struktur 110 angeordneten hochdotierten p-Schichten (P+) 112 und hochdotierten n-Schichten (N+) 111 wird eine Silizid-Schicht (SL) 121 aufgebracht, auf der jeweils mindestens ein Metall-Kontakt 122 angeordnet wird. In dem in 1 dargestellten Beispiel sind auf der in dem p-Body 116 eingebetteten hochdotierten n-Schicht (N+) 111 eine Mehrzahl von Metall-Kontakten 122 angeordnet.
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Zwischen der in dem p-Body 116 eingebetteten hochdotierten n-Schicht (N+) 111 und den dazu benachbarten in der fünften Ebene 110e angeordneten hochdotierten p-Schichten (P+) 112 ist auf der Oberfläche der CMOS-Struktur 110 jeweils ein Poly-Silizium Transistor-Gate 123 angeordnet.
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Die Grenzfläche zwischen dem p-Body 116 und der darin eingebetteten hochdotierten n-Schicht (N+) 111 bildet einen ersten p-n-Übergang 119 der Zener-Diode 100.
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In einer Ausgestaltung, in der auf die in der ersten Ebene 110a der CMOS-Struktur 110 angeordneten n-Schicht 111 in der zweiten Ebene 110b eine Hoch-Volt-p-Wanne (HPW) 113 angeordnet ist, bildet die Grenzfläche zwischen dieser n-Schicht 111 und dieser Hoch-Volt-p-Wanne 113 einen zweiten p-n-Übergang 120 der Zener-Diode 100.
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In einer Ausgestaltung, in der auf die in der ersten Ebene 110a der CMOS-Struktur 110 angeordneten n-Schicht 111 in der zweiten Ebene 110b eine weitere Hoch-Volt-n-Wanne (NEPI) 114 angeordnet ist, wird der zweite p-n-Übergang 120 durch die Grenzfläche zwischen dieser Hoch-Volt-n-Wanne (NEPI) 114 und der darauf angeordneten p-Wanne 115 gebildet.
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2-6 zeigen verschiedene Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode 200.
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Die erfindungsgemäße lichtemittierende Zener-Diode 200 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Zener-Diode 100 gemäß dem Stand der Technik insofern, als dass die erfindungsgemäße lichtemittierende Zener-Diode 200 an der Oberfläche ihrer CMOS-Struktur 110 eine lichtdurchlässige Schicht 201aufweist, durch welche die emittierten Photonen 202 austreten können. Insbesondere entspricht die lichtdurchlässige Schicht einem Bereich, in dem eine Silizidierung aktiv verhindert wurde. Insbesondere ist die lichtdurchlässige Schicht eine Silizid-Blocking-Schicht (SBL). Insbesondere ist die lichtdurchlässige Schicht eine Silizium-Oxid-Schicht und/oder eine Silizium-Nitrid-Schicht.
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Die in der in 2 gezeigten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode 200 umfasst eine CMOS-Struktur 110, welche mit der CMOS-Struktur der in 1 dargestellten Zener-Diode 100 identisch ist.
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Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße lichtemittierende Zener-Diode 200 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Zener-Diode 100 insoweit, als dass die Oberfläche der hochdotierten n-Schicht (N+) 111, welche in dem p-Body 116 eingebettet ist, eine lichtdurchlässige Schicht 201 und eine für den Lichtaustritt geöffnete Metallapertur aufweist, welche durch die Anordnung der Metall-Kontakte 122 definiert ist.
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Zur Herstellung der lichtdurchlässigen Schicht 201 wird der Herstellungsprozess der in 1 dargestellten Zener-Diode 100 gemäß dem Stand der Technik marginal verändert, indem für den Lithographie-Prozess-Schritt zum Verhindern der Silizid-Schicht 121 eine leicht veränderte Fotomaske verwendet wird.
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An den Stellen, an denen die Metall-Kontakte 122 angeordnet werden sollen, wird das Silizium der CMOS-Struktur gemäß dem Stand der Technik mit metallischen Silizid versehen, um einen niedrigen ohmschen Kontakt zu bilden.
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Zur Herstellung der lichtdurchlässigen Schicht 201 wird eine entsprechende Fotomaske verwendet, die ein Freilegen des Siliziums der CMOS-Struktur 110 an der Oberfläche der hochdotierten n-Schicht (N+) 111, welche in dem p-Body 116 eingebettet ist, zumindest teilweise verhindert. Auf diese Weise kann das anschließend aufgebrachte Metall in diesem Bereich nicht mit dem Silizium der CMOS-Struktur 110 reagieren und wird in diesem Bereich anschließend wieder vollständig entfernt. Auf diese Weise bildet sich in diesen Bereichen keine metallische Silizid-Schicht. Dadurch ist der Lichtaustritt an dieser Stelle nicht verhindert, wie dies durch die geschlossene Silizid-Schicht gegeben wäre.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform erfolgt eine Anregung von Ladungsträgern, sodass es an dem ersten p-n-Übergang 119, welcher durch die Grenzfläche zwischen dem p-Body 116 und der darin eingebetteten hochdotierten n-Schicht (N+) 111 gebildet wird, zu einem Durchbruch kommt.
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Der p-Body 116 und die darin eingebettete hochdotierte n-Schicht (N+) 111 bilden somit einen Durchbruchbereich 118.
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Die einseitige Positionierung des an die hochdotierte n-Schicht (N+) 111 des Durchbruchbereichs 118 angrenzenden Metall-Kontakts 122 an einer Außengrenze der hochdotierte n-Schicht (N+) 111 bewirkt eine sich ergebene maximale zusammenhängende Fläche der lichtdurchlässigen Schicht 201, über die die emittierten Photonen 202 aus der Zener-Diode 200 austreten können.
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Diese einseitige Positionierung des an die hochdotierte n-Schicht (N+) 111 des Durchbruchbereichs 118 angrenzenden Metall-Kontakts 122 weist jedoch den Nachteil auf, dass die Anregung der Ladungsträger mit der Distanz zu der Kontaktfläche zwischen der hochdotierten n-Schicht (N+) 111 und dem angrenzenden Metall-Kontakt 122 abnimmt und damit auch die Intensität der Elektrolumineszenz 202. Dies hat eine inhomogene Lichtintensität des emittierten Lichts 202 über die Fläche der lichtdurchlässigen Schicht 201 zur Folge, wobei sich in der Nähe der Kontaktfläche zwischen der hochdotierten n-Schicht (N+) 111 und dem angrenzenden Metall-Kontakt 122 eine helle Kante ergibt und die Lichtintensität des emittierten Lichts 202 mit der Distanz zu der Kontaktfläche zwischen der hochdotierten n-Schicht (N+) 111 und dem angrenzenden Metall-Kontakt 122 stetig abnimmt.
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Diese Inhomogenität der Lichtintensität kann durch eine Änderung der Position des Metall-Kontakts 122, der an die in dem p-Body 116 eingebetteten hochdotierten n-Schicht (N+) 111 angrenzt, verhindert werden, wie in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode 200 unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich durch die Positionierung des Metall-Kontakts 122, der an die in dem p-Body 116 eingebetteten hochdotierten n-Schicht (N+) 111 des Durchbruchbereichs 118 angrenzt.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Metall-Kontakt 122 statt an einer Außengrenze der hochdotierten n-Schicht (N+) 111 des Durchbruchbereichs 118 mittig an der Oberseite dieser hochdotierten n-Schicht (N+) 111 positioniert.
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Durch die mittige Positionierung des an die hochdotierten n-Schicht (N+) 111 des Durchbruchbereichs 118 angrenzenden Metall-Kontakts 122 wird eine Distanz zwischen der Kontaktfläche dieses Metall-Kontakts 122 und der hochdotierten n-Schicht (N+) 111 zu den äußeren Abgrenzungen der hochdotierten n-Schicht (N+) 111 zu dem p-Body 116 minimiert, ohne dass die Anzahl der Metall-Kontakte 122 erhöht wird, sodass die Gesamtfläche freien Oberfläche der lichtdurchlässigen Schicht 201 gleichbleibt.
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Diese mittige Positionierung des Metall-Kontakts 122, der an die in dem p-Body 116 eingebetteten hochdotierten n-Schicht (N+) 111 angrenzt, führt zu einer nahezu homogenen Verteilung der Lichtintensität der Elektrolumineszenz 202 über die Fläche der lichtdurchlässigen Schicht 201.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode 200.
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Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel darin, dass die sich unterhalb der lichtdurchlässige Schicht 201 befindende hochdotierte n-Schicht (N+) 111 nicht vollständig, sondern nur teilweise in dem p-Body 116 eingebettet ist. Somit befindet sich direkt unterhalb des an der Außenseite dieser hochdotierten n-Schicht (N+) 111 angeordneten Metall-Kontakts 122 kein p-n-Übergang, sodass direkt unterhalb des Metall-Kontakts 122 kein Durchbruch erfolgt.
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Der effektive Durchbruchbereich 118 ist somit gegenüber dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verringert.
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Durch diese Veränderung des Durchbruchbereichs 118 wird eine inhomogene Verteilung der Lichtintensität des emittierten Lichts 202 wie in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verhindert und eine nahezu homogene Verteilung der Lichtintensität der Elektrolumineszenz 202 über die Fläche der lichtdurchlässigen Schicht 201 erzielt. Auf diese Weise wird ein Entstehen einer hellen Kante des emittierten Lichts, wie bei der in 2 dargestellten Ausführungsform, verhindert.
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Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel insofern, als dass die CMOS-Struktur 110 der lichtemittierenden Zener-Diode 200 nun eine Mehrzahl von p-Bodys 116 aufweist, welche an die unterhalb der lichtdurchlässige Schicht 201 angeordnete hochdotierte n-Schicht (N+) 111 angrenzen. Somit ergibt sich eine Mehrzahl von ersten p-n-Übergängen 119 und damit eine Mehrzahl von Durchbruchbereichen 118.
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Aufgrund dessen, dass sich direkt unterhalb des an der Außenseite dieser hochdotierten n-Schicht (N+) 111 angeordneten Metall-Kontakts 122 kein p-n-Übergang befindet, erfolgt direkt unterhalb des Metall-Kontakts 122 kein Durchbruch.
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Wie auch bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel müssen angeregte Ladungsträger eine entsprechend längere Strecke durch die hochdotierten n-Schicht (N+) 111 passieren, bis sie an eine Grenzfläche zu einer der p-Bodys 116 gelangen. Auf diese Weise ergibt sich hierbei, wie auch bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, eine homogene Verteilung der Lichtintensität des emittierten Lichts 202 über die Fläche der lichtdurchlässigen Schicht 201.
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Die gezielte Einbettung einer Mehrzahl von p-Bodys 116 in die CMOS-Struktur 110 führt zu einer partiellen Emission von Photonen 202 an den jeweiligen Durchbruchbereichen 118. Auf diese Weise werden gezielt Flächen a, b geschaffen, an denen mit einer höheren Intensität bzw. mit einer niedrigeren bis verschwindend geringer Intensität Photonen emittiert werden.
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So weist die Elektrolumineszenz 202 in den Bereichen a an den Durchbruchbereichen 118 eine hohe Intensität auf und in den Bereichen b, in denen die hochdotierte n-Schicht (N+) 111 keine Grenzfläche an einen der p-Bodys 116 aufweist, eine sehr niedrige bis kaum messbare Intensität auf.
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Insbesondere lässt sich durch eine gezielte Anordnung von p-Bodys Bereiche unterschiedlicher Lichtintensität generieren, sodass sich „helle Bereiche“ mit einer Elektrolumineszenz hoher Lichtintensität, „dunkle Bereiche“ mit einer Elektrolumineszenz verschwindend geringer Lichtintensität und „Graubereiche“ mit einer Elektrolumineszenz geringerer Lichtintensität unterschiedlicher vorbestimmter Intensitäten bilden.
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Eine derartige Konstruktion, wie in dem Ausführungsbeispiel der 5 dargestellt ermöglicht eine pixel-individuellen Anregung.
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Auf diese Weise kann beispielsweise eine optische Codierung realisiert werden, welche ausschließlich sichtbar ist, wenn die lichtemittierende Zener-Diode 200 im Betrieb ist, sodass diese Licht emittiert.
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So kann beispielsweise ein mikroskopisch kleines Bild oder Logo oder auch ein QR-Code durch eine gezielte Anordnung einer Mehrzahl von p-Bodys 116 dargestellt werden. Eine mögliche Anwendung stellt eine optische Produktidentifikation dar. Ebenso trägt eine Einbettung eines derartigen und schwer nachmachbaren und selbstleuchtenden Logos zu einem Trademarkschutz bei.
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Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zener-Diode 200 insoweit, dass auf der Oberfläche der hochdotierten n-Schicht (N+) 111 des Durchbruchbereichs 118 an vorbestimmten Bereichen Silizid 121 angeordnet ist, welches in einem vorbestimmten Muster in dem Bereich der lichtdurchlässigen Schicht 201 angeordnet ist.
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Dabei können die Silizid-Schichten 121 zumindest zum Teil miteinander verbunden oder auch vollständig voneinander separiert angeordnet sein.
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Die Zener-Diode 200 kann eine Mehrzahl von zumindest teilweise voneinander getrennten lichtdurchlässigen Schichten 201 aufweisen, oder auch eine zusammenhängende lichtdurchlässige Schicht, die ein Muster aus eingebetteten lichtundurchlässigen Silizid 121 aufweist.
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Durch die gezielte Anordnung des lichtundurchlässigen Silizids 121 wird eine Emission von Licht 202 in einem vorgegebenen Muster erzielt. Somit ergeben sich Bereiche hoher Lichtintensität a und Bereiche sehr niedriger Lichtintensität b. Ebenso können durch eine gezielte Anordnung des Silizids 121 Bereiche unterschiedlicher Abstufungen der Lichtintensität des emittierten Lichts 202, sogenannte Graubereiche, realisiert werden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise optische Codierungen, Produktidentifizierungen oder aber auch Logos und andere Designs wie beispielsweise Schriftzüge generieren, die nur dann sichtbar sind, wenn die Zener-Diode Licht emittiert.
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Zudem kann durch eine gezielte Anordnung von Silizid 121 im Bereich der lichtdurchlässigen Schicht 201 eine Homogenisierung der Lichtintensität des von der Zener-Diode 200 emittierten Lichts 202 erzielt werden. Insbesondere kann diese Homogenität durch eine Stromführung durch ein zumindest teilweise miteinander verbundenes, in den lichtdurchlässigen Bereich 201 eingebettetes Muster aus Silizid 121 über die Oberfläche der hochdotierten n-Schicht 111 des Durchbruchbereichs 118 erzielt werden, wobei das Muster aus Silizid 121 dergestalt ist, dass die Lichtintensität des durch die lichtdurchlässige Schicht 201 emittierten Lichts 202 nicht merklich beeinträchtigt wird.
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Insbesondere kann das Silizid 121 in ineinandergreifenden Kamm-Strukturen angeordnet sein.
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Insbesondere lässt sich die Lichtintensität des emittierten Lichts 202 der in den 2 bis 6 dargestellten der erfindungsgemäßen Zener-Diode 200 steigern, indem durch eine entsprechende elektrische Kontaktierung der erste p-n-Übergang 119 in einem Rückwärtsbetrieb betrieben wird und der zweite p-n-Übergang 120 in einem Vorwärtsbetrieb betrieben wird. Von dort injizierten Elektronen können dann zusätzliche Stoß-lonisationen im Durchbruchbereich 118 des ersten p-n Übergangs 119 provozieren und somit zusätzliche Photonen 202 freisetzen. Der zugrunde liegende Mechanismus ist ebenfalls aus dem bereits oben genannten Fachartikel von Snyman et al. bekannt. Innerhalb der erfindungsgemäßen Zener-Diode 200 sind die relevanten Dimensionen selbst gegenüber der lateralen Ausgestaltungsform von Snyman et al. deutlich verkürzt, was deren Effektivität bezüglich der relevanten Mechanismen verstärkt. So können bei gleicher Stromstärke bzw. - dichte am injizierenden p-n Übergang 120 deutlich mehr Elektronen den Hochfeldbereich des Durchbruchbereichs 118 erreichen. Da die beiden relevanten p-n Übergange 119, 120 in vertikaler Richtung, d.h. entlang der Tiefe bzw. des Volumens des Halbleiters, angeordnet sind, ist die erfindungsgemäße Zener-Diode 200 auch frei von überlagerten, meist störenden Oberflächeneffekten.
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Insbesondere sind die in den 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Zener-Diode miteinander kombinierbar.
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In der vorliegenden Schrift betrifft die erfindungsgemäße Zener-Diode insbesondere eine in eine Silizium-CMOS-Struktur eingebettete Zener-Diode. Ebenso lässt sich die erfindungsgemäße lichtemittierende Zener-Diode auch in anderen insbesondere indirekte Halbleitermaterialien realisieren, insbesondere in Silizium-Germanium (SiGe) oder Silizium-Karbid (SiC).
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Zener-Diode
- 110
- CMOS-Struktur
- 110a
- erste Ebene der CMOS-Struktur
- 110b
- zweite Ebene der CMOS-Struktur
- 110c
- dritte Ebene der CMOS-Struktur
- 110d
- vierte Ebene der CMOS-Struktur
- 110e
- fünfte Ebene der CMOS-Struktur
- 111
- n-dotierte Schicht
- 112
- p-dotierte Schicht
- 113
- Hoch-Volt-p-Wanne (HPW)
- 114
- Hoch-Volt-n-Wanne (HVNW / NEPI)
- 115
- p-Wanne (PW)
- 116
- p-Body(PB)
- 117
- niedrige Grabenisolation (Shallow Trench Isolation STI)
- 118
- Durchbruchbereich
- 119
- erster p-n-Übergang
- 120
- zweiter p-n-Übergang
- 121
- Silizid
- 122
- Metall-Kontakt
- 123
- Poly-Silizium / Transistor Gate Poly-Silizium
- 200
- lichtemittierende Zener-Diode
- 201
- lichtdurchlässige Schicht
- 202
- emittierte Photonen / Elektrolumineszenz / emittiertes Licht
- a
- Bereich hoher Lichtintensität
- b
- Bereich sehr niedriger Lichtintensität
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Snyman et al. (Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, No. 4B (2007), pp.2474-2480 [0005]