DE4126954C2 - Verwendung einer mikroporösen Siliziumstruktur als photolumineszente Struktur - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Verwendung einer mikroporösen Siliziumstruktur als photolumineszente Struktur.

Es ist bekannt, daß sich bevorzugt Struktu­ ren aus solchen Halbleitermaterialien für eine Lichtemission eignen, die einen direkten Bandübergang aufweisen. Unter einem Bandabstand eines Halbleitermateriales versteht man die Differenz zwischen den Ener­ gieniveaus des Valenzbandes und des Leitungsbandes. Bei Halbleitermaterialien mit direk­ tem Bandübergang liegt der höchste energetische Zustand in dem Valenzband direkt unterhalb des niedrigsten energeti­ schen Zustandes des Leitungsbandes. Dies bewirkt, daß bei einem direkten Übergang von Elektronen in das Valenzband de­ ren Rekombination mit Löchern (positiven Ladungsträgern) auftritt, wodurch es zur Erzeugung von Photonen kommt, deren Energie dem Bandabstand des Halbleitermaterials entspricht.

Typische Materialien mit einem derartigen direkten Bandüber­ gang sind GaAs-Verbindungshalbleiter, die aus diesem Grunde für die Erzeugung von lichtemittierenden Ele­ menten häufig verwendet werden.

Im Gegensatz zu GaAs ist Silizium ein Halbleitermaterial mit einem indirekten Bandübergang. Bei derartigen Materialien sind der höchste energetische Zustand in dem Valenzband ge­ genüber dem niedrigsten energetischen Zustand in dem Lei­ tungsband versetzt, so daß kein direktes Herabfallen von Elektronen in das Valenzband stattfinden kann. Um geeignete Energieniveaus zu erreichen, müssen bei derartigen Materia­ lien mit indirektem Bandübergang die Elektronen sowohl mit Löchern als auch mit Phononen kombinieren. Für diesen Prozeß ist die Wahrscheinlichkeit, da drei Teilchen beteiligt sind, äußerst gering.

In jüngerer Zeit wurde herausgefunden, daß Halbleiterstruk­ turen aus Silizium sich trotz der Tatsache, daß es sich bei Silizium um ein Halbleitermaterial mit indirektem Bandüber­ gang handelt, dann zur Photolumineszenz eignen, wenn das Si­ lizium in einem wäßrigen Flußsäurebad zur Erzeugung von mikroporösen Siliziumschichten anodisiert wird; vgl. L. T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57 (10), 3. September 1990, Seiten 1046 bis 1048. Innerhalb der mikroporösen Schichten mit Porenweiten von weniger als 2 nm findet eine Beschränkung der Elektronen­ bewegung auf eine Dimension statt, also auf eine Bewegungs­ richtung längs der zwischen den Poren definierten sogenann­ ten "Quantenleitern" oder "Quantendrähten". Diese Quanten­ leiter bewirken durch eine Einschränkung der Bewegungs­ möglichkeiten der Elektronen einen direkten Übergang der Elektronen zwischen dem Leitungs- und Valenzband. Mit anderen Worten wird durch eine örtliche Beschränkung der Bewegungsmöglichkeit der Elektronen die Bandstruktur gezielt beeinflußt. Wie jedoch Canham in der genannten Schrift ausführt (vergleiche Seite 1047, rechte Spalte, letzter Absatz), tritt die Lumineszenz bei Silizium nur im Falle von frisch anodisierten Siliziumsubstraten auf. Mit anderen Worten ist es also nicht gelungen, die Photolumineszenz bei derartigen Siliziumstrukturen stabil aufrecht zu erhalten.

Aus der Veröffentlichung "Silicon Lights Up", Scientific American, Juli 1991, Seiten 86 und 87 ist es gleichfalls zu entnehmen, daß poröse Siliziumstrukturen, die in einer wäß­ rigen Flußsäure aus einem Siliziumwafer erzeugt sind, durch Licht zu einer Photolumineszenz anregbar sind. Ferner wird darauf hingewiesen, daß es auch gelungen sei, die Lumines­ zenz bei Siliziumstrukturen elektrisch anzuregen, ohne daß jedoch die Art der Struktur oder das Herstellungsverfahren der Struktur offenbart werden.

In Appl. Phys. Lett. 58 (8), 25. Februar 1991, Seiten 856 bis 858 ist beschrieben, daß in porösen Siliziumschichten, die durch Anodisieren in einem Flußsäureelektrolyten erzeugt werden, zweidimensionale Quantenbündelungen oder Quantendrähte bzw. Quantenleiter entstehen, durch die sich eine Änderung des energetischen Bandabstandes der mikroporösen Siliziumstrukturen gegenüber einkristallinem Silizium ergibt.

Die Veröffentlichung H. Föll, Appl. Phys. A 53, 1991, Seiten 8 bis 19 befaßt sich zwar mit den Eigenschaften von Sili­ zium-Elektrolyt-Übergängen bei Siliziumproben, die in eine 1 bis 5%ige wäßrige Flußsäurelösung eingetaucht und mit Licht bestrahlt werden. Auch hier ist die Bildung poröser Siliziumschichten beschrieben. Diese Schrift befaßt sich jedoch nicht mit der Photolumineszenz oder der Elektrolumineszenz derartiger Siliziumstrukturen, sondern mit anderen Eigenschaften. Zu diesem Zweck wird ein univer­ selles elektrochemisches Siliziumanalysegerät gezeigt, bei dem zur Ermittlung der Diffusionslänge und der Oberflächen­ rekombinationsgeschwindigkeit auf einem Siliziumwafer die Vorderseite des Wafers mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die eine geringe Eindringtiefe hat, beleuchtet wird. Hierdurch werden Minoritätsträger nahe an der vorderen Oberfläche erzeugt. Der sich ergebende rückseitige Photo­ strom wird gemessen. Um lumineszente Eigenschaften von Silizium geht es also bei dieser Veröffentlichung nicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Struktur bereitzustellen, die eine zeitlich stabile Photolumineszenz zeigt.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Photo­ lumineszenz nicht nur bei frisch anodisierten Siliziumstrukturen auftritt, sondern dann zeitlich stabil bleibt, wenn der Siliziumwafer in ein Flußsäurebad, das zwischen mehr als 5 und 50 Gewichtsprozent Flußsäure ent­ hält, eingebracht wird, und sodann durch Anlegen einer ano­ dischen Spannung anodisiert wird, wenn der Siliziumwafer während zumindest eines Teiles der Zeit, in der der Sili­ ziumwafer eingetaucht in das Flußsäurebad anodisiert wird, auf seiner zu strukturierenden Seite beleuchtet wird.

Die photolumi­ neszenten Siliziumstrukturen zeigen auch bei Raumtemperatur eine über lange Zeiten stabile Photolumineszenz. Hierdurch ist es möglich, photolumineszente Siliziumstrukturen nicht nur, wie es bislang der Fall war, zum Zwecke kurzfristiger Experimente einzusetzen, sondern diese der industriellen An­ wendung zugänglich zu machen.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur die Erfindung nä­ her erläutert. Es zeigt:

Die Figur eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Herstellen von photolumineszenten Siliziumstruk­ turen.

Wie in der einzigen Figur gezeigt ist, umfaßt die Vorrich­ tung zum Herstellen von photolumineszenten Siliziumstruk­ turen, wel­ che in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ein Säurebecken 2, welches mit einem Säurebad 3 gefüllt ist. Das Säurebad 3 enthält zwei bis fünfzig Gewichtsprozent Flußsäure und besteht im übrigen aus Äthanol und Wasser. In das Säurebad 3 sind in sich gegenüberliegender, beabstande­ ter Anordnung eine Anode 4 und ein Kathode 5 eingetaucht. Zwischen die Anode 4 und die Kathode 5 ist eine Haltevor­ richtung 6 von oben in das Säurebecken 2 eingeschoben, wel­ che an ihre Peripherie mit den Wänden des Säurebeckens 2 ab­ dichtet. Die Haltevorrichtung hat eine mittige Ausnehmung 7, bei der ein Siliziumwafer 8 derart angeordnet ist, daß die Haltevorrichtung 6 den Siliziumwafer 8 an dessen Randberei­ chen dichtend umschließt. Ferner umfaßt die Herstellungsvor­ richtung eine Beleuchtungsvorrichtung 9, die vorzugsweise oberhalb des Säurebades 3 angeordnet ist, jedoch bei geeig­ neter Ausgestaltung auch in das Säurebad eingetaucht ange­ ordnet sein kann. Die Beleuchtungsvorrichtung 9 ist derart gegenüber dem Siliziumwafer 8 angeordnet, daß dieser auf seiner anodischen Seite der Beleuchtung ausgesetzt wird.

Bei Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung außerhalb des Säurebeckens 2 ist es bevorzugt, in diesem ein (nicht gezeigtes) Fenster für den Lichtdurchtritt vorzusehen. Auch kann bei Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung oberhalb des Säurebeckens 2 in dem Säurebad 3 ein Spiegel zur Umlenkung der Strahlen zu dem Wafer hin vorgesehen sein.

Der Anodisierungsbereich des Siliziumwafers kann durch eine säureresistente Maskierungsschicht lateral beschränkt werden, wobei die säureresistente Maskierungsschicht bevor­ zugt lichtundurchlässig ist.

Die Beleuchtungsvorrichtung 9 ist als Quecksilberlampe oder als Halogenlampe ausgeführt. Jedoch kommen auch andere, ver­ gleichsweise starke Lichtquellen in Betracht, wie Laser. In dem letztgenannten Fall ist eine Strukturierung des photo­ lumineszenten Bereiches möglich. Bevorzugt ist in diesem Fall ein Argon-Ionen-Laser mit einer Wellenlänge von 488 nm bei einer Flächenleistungsdichte von 5 W/cm².

Zum Herstellen der photoluminiszenten Siliziumstruktur wird ein handelsüblicher Siliziumwafer 8 in die Haltevorrichtung 6 eingelegt, woraufhin diese von oben in das Säurebecken 2 eingeschoben wird. Nunmehr werden die Anode 4 und die Katho­ de 5 mit einem Gleichstrom beaufschlagt, der derart gewählt ist, daß sich eine Stromdichte von 2 bis 500 mA/cm² des durch den Siliziumwafer 8 laufenden Stromes ergibt. Zumin­ dest während eines Teiles der Anodisierungszeitdauer wird die Beleuchtungsvorrichtung 9 eingeschaltet. Bei der verwen­ deten Quecksilberlampe wurden Beleuchtungszeiten zwischen 10 sek und 20 min als zweckmäßig ermittelt.

Eine besonders starke Photolumineszenz wurde bei Verwendung von n-dotierten Siliziumwafern 8 beobachtet, deren Dotierung derart gewählt ist, daß der spezifische Widerstand des Sili­ ziumwafers 8 zwischen 1 und 10 Ohm cm beträgt.

Claims (1)

1. Verwendung einer mikroporösen Siliziumstruktur als photolu­ mineszente Struktur, wobei die Siliziumstruktur durch fol­ gende Schritte hergestellt wird:

   • a) Einbringen eines Siliziumwafers in ein Flußsäurebad, das zwischen mehr als 5 und 50 Gewichtsprozent Flußsäure enthält,
   • b) Anlegen einer anodischen Spannung an den Siliziumwafer und
   • c) Beleuchten des Siliziumwafers auf der zu strukturierenden Seite zumindest während eines Teiles der Zeit, in der der Siliziumwafer den Schritten a) und b) ausgesetzt ist.