DE4208560A1 - Anregung von elektromagnetischer strahlung durch anlegen von elektrischer spannung an materialien und materialaufbau fuer ihre durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Anregung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von sichtbarem Licht, durch Anlegen von elektrischer Spannung an Materialien auf der Basis von Halbleitern und die Angabe eines Materialaufbaus, an dem die elektromagnetische Strahlung durch Anlegen von elek­ trischer Spannung erzeugt werden kann.

Es ist bereits bekannt, daß Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid zur Emission von sicht­ barem Licht angeregt werden können. Diese Verbindungshalb­ leiter sind jedoch relativ teuer und schwer zu handhaben, so daß es wünschenswert wäre, das in weiten Bereichen eingesetzte Silizium zum Emittieren von Licht zu verwenden. Damit wäre es möglich, bei niedrigen Kosten Silizium auch in der Optoelektronik als Lichtemitter einzusetzen, wobei die Integration eines derartigen Lichtemitters in die Halbleiterelektronik ungeahnte vielseitige Anwendungs­ möglichkeiten bieten würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Materialaufbau zum Anregen von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im sichtbaren Bereich, durch Anlegen von elektrischer Spannung an leicht erhältliche und viel­ seitig einsetzbare Materialien zu schaffen, die in beste­ hende und kommerziell preiswert erhältliche Systeme zu geringen Kosten integrierbar sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Anregung von elektromagnetischer Strahlung durch Anlegen von elektrischer Spannung an Materialien, wie es im Anspruch 1 beschrieben ist, sowie durch einen Materialauf­ bau zur Durchführung dieses Verfahrens, wie er im Anspruch 7 beschrieben ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben, und vorteilhafte Ausführungs­ formen des erfindungsgemäßen Materialaufbaus sind in den Ansprüchen 8 bis 18 angegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, daß in einem Halbleiter ein pn-Übergang geschaffen wird, der an der Oberfläche des Materials freiliegt, und daß dieser pn- Übergang in Sperrichtung betrieben wird. Dabei werden Ladungsträger so stark beschleunigt, daß sie eine Anre­ gungsenergie aufbringen können, die eine lumineszenzfä­ hige Schicht zum Leuchten anregt. Zu bemerken ist, daß hier unter dem Ausdruck "lumineszenzfähig" gemeint ist, daß das als lumineszenzfähig bezeichnete Material bei Auftreffen von Ladungsträgern mit ausreichender Energie zum Emittieren von Licht angeregt werden kann.

Das im freiliegenden Oberflächenbereich des pn-Übergangs vorhandene lumineszenzfähige Material wird beim Anlegen von elektrischer Spannung an den pn-Übergang von Ladungs­ trägern getroffen, die dann das Leuchten anregen. Die Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, daß es möglich ist, mit dem erfindungsgemäßen Aufbau Halbleiter auf Siliziumbasis zum Emittieren von weißem Licht zu bringen. Die Anregung der lumineszenzfähigen Schicht ist jedoch nicht auf weißes Licht beschränkt, andere Spektralbereiche der elektromagnetischen Strahlung können angeregt werden, sofern die entsprechenden Energien bzw. die minimalen entsprechenden Energien von den im pn-Übergang bewegten Ladungsträgern mitgebracht werden und die lumineszenz­ fähige Schicht eine entsprechende spektrale Verteilung aufweist.

Der besondere Wert der Erfindung beruht darauf, daß sie auch auf Halbleiter auf Siliziumbasis anwendbar ist. Hierdurch ergeben sich nicht absehbare Möglichkeiten der Integration eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements in die allgemein angewendete und kommerziell wirtschaftliche Halbleitertechnik auf Siliziumbasis.

Gemäß der Erfindung wird ein p- und ein n-leitendes Mate­ rial so ausgebildet, daß ein pn-Übergang entsteht, bei dem Teile des Übergangs an der Oberfläche freiliegen. Der Oberflächenbereich des pn-Übergangs wird ganz oder teilweise mit einer lumineszenzfähigen Schicht abgedeckt, er kann jedoch auch ohne Abdeckung verwendet werden, wenn die Oberfläche im Bereich des pn-Übergangs selbst zur Lichtemission fähig ist. Zur Anregung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht im sichtbaren Bereich, wird der pn- Übergang vorzugsweise in Sperrichtung durch Anlegen von Spannung ent­ weder im Durchbruchbereich oder vor dem Durchbruchbereich betrieben, wobei der pn-Übergang eine genügend hohe Durch­ bruchspannung bzw. Diffusionsspannung aufweisen muß, damit eine genügend hohe Anregungsenergie der Ladungsträger zur Lichterzeugung erreicht wird.

Über die lumineszenzfähige Schicht bzw. den lumineszenzfä­ higen Bereich wird eine elektrisch leitfähige Schicht auf­ bracht. Diese leitfähige Schicht über der lumineszenzfähigen Schicht läßt entweder ein Fenster für den Austritt des Lichtes frei oder muß für Licht durchlässig sein. An die elektrisch leitfähige Schicht kann eine Steuerspannung angelegt werden, so daß diese elektrisch leitfähige Schicht als Steuerelektrode verwendbar ist.

Mit Hilfe dieser Steuerspannung kann über Influenzeinwirkung die Strom- Spannungs-Charakteristik beeinflußt werden. Im allgemeinen wird die Intensität der Lichtemission von der Stärke des fließenden Stromes abhängen. Mit Hilfe der Steuerspannung kann somit bei konstanter Betriebsspannung der fließende Strom und damit die Lichtstärke geregelt werden.

Anstelle einer Steuerspannung kann eine Ände­ rung der Stromspannungscharakteristik erzielt werden, indem nicht abgesättigte Ladungsträger in die oder in die Nähe der lumineszenzfähigen Schicht eingebracht werden.

Vorzugsweise wird sich eine Kombination aus den vorgenannten Maßnahmen als für die Praxis optimal erweisen. Mit anderen Worten, die Stromspannungscharakteristik und damit der Durchbruchsbereich wird durch Einbringen von nicht abge­ sättigten Ladungsträgern in die lumineszenzfähige Schicht eingestellt und im Betrieb wird mittels einer Steuerspan­ nung das Fließen des Stromes und somit die Lichtemission geregelt.

Das Grundmaterial auf beiden Seiten des pn-Übergangs ist ein Halbleiter, der im Bereich des pn-Übergangs auf der einen Seite mit n- oder überwiegend n-leitendem Material und auf der anderen Seite mit p- oder überwiegend p­ leitendem Material dotiert ist. Die Höhe der Dotierung ändert die Durchbruchfeldstärke. Bei einer schwachen Dotie­ rung entsteht ein Durchbruch vom Lawinen-Typ, während bei starker Dotierung ein Durchbruch vom Zener-Typ entsteht. Vorzugsweise ist auf einer Seite des pn-Übergangs eine extrem hohe Dotierung eingebracht. Eine einfache Form dieser hohen Dotierung ist eine Art Inselbildung im Halb­ leitermaterial.

Es ist weiterhin vorteilhaft, die lumineszenzfähige Schicht als Isolator auszubilden, weil dann eine leitfähige Schicht auf dieser lumineszenzfähigen Schicht ohneweiteres aufge­ bracht werden kann und die Ströme außerhalb des pn-Übergangs klein sind.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß die leitfähige Schicht über der lumineszenzfähigen Schicht für Licht durchlässig ist. In diesem Fall kann sie die lumineszenzfähige Schicht ganz abdecken; das Licht kann durch diese Schicht hindurch emittiert werden.

Ein bevorzugtes Halbleitermaterial zur Durchführung dieser Erfindung ist Silizium. Dadurch kann die Erfindung leicht in gängige elektronische, optische oder optoelektronische Halbleitertechnik integriert werden.

Aufbauend auf einem Siliziumhalbleiter, ist ein bevorzugtes Material der isolierenden Schicht Siliziumdioxid. Es ist durchsichtig und kann leicht auch auf dem Halbleiter durch Oxidation gebildet werden.

Ein bevorzugtes Material für eine lichtdurchlässige leit­ fähige Schicht ist ein Gemisch aus Indiumoxid und Zinn­ oxid, allgemein ITO genannt.

Bei den praktischen Versuchen hat sich Bor für die p- Dotierung von Silizium als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein weiteres Material für die p-Dotierung ist Aluminium.

Für die n-Dotierung ist Arsen ein bevorzugtes Material. Weiterhin können erfolgreich Phosphor und Antimon hierfür eingesetzt werden.

Für die Dotierung und die Aufbringung von Schichten werden in der Halbleitertechnik an sich bekannte Verfahren ver­ wendet. So kann die lumineszenzfähige Schicht durch Auf­ bringen des gewünschten lumineszenzfähigen Materials gebildet werden. Andererseits wird es bei bestimmten Materialien, z. B. wenn Silizium verwendet wird und Sili­ ziumdioxid aufgebracht werden soll, vorteilhaft sein, die lumineszenzfähige Schicht aus dem Material selbst zu bilden. Dies kann durch Oxidation der Halbleiteroberfläche mit Sauerstoff erfolgen.

Weitere anwendbare Verfahren zur Bildung der lumineszenz­ fähigen Schicht sind Abscheiden einer Schicht durch chemi­ sche Dampf-Ablagerung (CVD), durch Sputtern, Aufdampfen, chemisches Abscheiden oder durch Diffusion oder Implanta­ tion von Materialien in den Halbleiter.

Ob nun die Ausbildung der lumineszenzfähigen Schicht durch Beschichten oder durch Umwandeln der Oberfläche geschieht, so wird es im allgemeinen vorteilhaft sein, die Oberfläche ganz flächig zu verändern bzw. zu beschichten und die Bildung der Strukturen durch lokale Ätzung herauszubilden. Auf diese Weise können feine und feinste Strukturen er­ zeugt werden.

Im folgenden wird die Funktion und Arbeitsweise beschrieben.

Zur Anregung einer elektromagnetischen Strahlung wird eine positive Spannung an die n-dotierte Seite des pn-Übergangs gelegt. Der negative Pol liegt an der p-dotierten Seite. Unterhalb einer bestimmten Spannung wird nur ein geringer Strom fließen, der bei Erhöhung der Spannung von einem bestimmten Wert an einen überproportionalen Stromanstieg aufweist. Der Einsatzpunkt des überproportionalen Strom­ anstiegs ist von der Stärke der Dotierung des p- und n­ leitenden Materials abhängig und kann zwischen wenigen Volt und vielen hundert Volt liegen. Die Intensität der Strahlung kann durch die Größe des fließenden Stromes beeinflußt werden. Dabei kann die Größe des Stromes ge­ steuert werden, indem entweder die Höhe der Versorgungs­ spannung am pn-Übergang verändert wird, indem durch eine zusätzlich aufgebrachte gesteuerte Elektrode über der lumineszenzfähigen Schicht über dem pn-Übergang eine Steuerspannung variiert wird, indem durch fest eingebaute nichtabgesättigte Ladungsträger in der Nähe des pn-Übergangs elektrische Felder erzeugt werden oder indem Kombinationen dieser vorgenannten Maßnahmen angewendet werden.

Bei den bisher durchgeführten Versuchen an Siliziumhalb­ leitern, die mit Arsen n-dotiert und mit Bor p-dotiert waren und bei denen Siliziumoxidschichten über dem an der Oberfläche freiliegenden pn-Übergang aufgebracht waren, über denen sich ITO-Schichten als leitfähige Schichten mit der Funktion einer Steuerelektrode befanden, wurden bei anlegen einer Versorgungsspannung in der Größenordnung von 40 Volt einige Milliampere Stromdurchgang gemessen.

Das dabei emittierte weiße Licht war deutlich sichtbar und von einer derart hohen Intensität, daß die Lichtemission zu optoelektronischer Steuerung ausreichend ist. Eine Regelung der Lichtemission über die ITO-Schicht war mit Spannungen im Bereich von 20 Volt durchführbar.

Es wurde gefunden, daß die Versorgungsspannung von der Größenordnung 40 Volt durch die vorgenannten Maßnahmen wie Änderung der Dotierung und/oder Einbau nichtabgesättigter Ladungsträger in der Nähe des pn-Übergangs usw. verändert und insbesondere gesenkt werden konnte.

Es ist ersichtlich, daß ein Materialaufbau gemäß der Erfin­ dung auf einem Silizium-Wafer hergestellt werden kann. Hierdurch ist es möglich, von einem derartigen steuerbaren lichtemittierenden Element einen lichtempfindlichen Sensor anzusteuern, um Signale zu übertragen. Die in einer elek­ tronischen Schaltung auf dem Silizium-Wafer erzielbaren Schaltzeiten werden damit extrem kurz. Lichtleiter auf SiO₂-Basis als Verbindungselemente lassen sich dabei leicht in den Aufbau integrieren.

Zur Erläuterung der Erfindung werden nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele beschrieben.

Zur Erläuterung dienen die als Fig. 1 und 2 beigefügten schematischen Darstellungen von erfindungsgemäßen Anordnungen, die jeweils einen Schnitt durch den Materialaufbau zeigen.

Beispiel 1

Als Beispiel 1 wurde eine typische Ausführungsform eines Materialaufbaus gemäß der Erfindung mit lumineszenzfähiger Schicht und einer Steuerelektrode hergestellt (Fig. 1).

Als Ausgangsmaterial wurde eine polierte mit Bor dotierte Siliziumscheibe als Substrat verwendet. Sowohl durch Diffusion als auch durch Ionenimplantation wurden abge­ schlossene Inseln derart mit n-leitendem Material, was in der bevorzugten Ausführungsform Arsen war, oberflächen­ nah dotiert, so daß die ursprünglich p-leitende Eigenschaft des Siliziums in diesen Inseln in n-leitende Bereiche umgewandelt wurde. Auf dem Substrat wurde u. a. durch thermische Oxidation eine Siliziumdioxidschicht erzeugt. Diese SiO₂-Schicht konnte als lumineszenzfähige Schicht über dem pn-Übergang benutzt werden. Gleichzeitig wurde der pn-Übergang durch sie geschützt und zeigte ein gutes Reststromverhalten.

Die Dicke der genannten SiO₂-Schicht lag in der Größenord­ nung von 0,3 µm.

Über dem Siliziumdioxid wurde im Bereich des Randes des pn-Übergangs ein leitfähiges und lichtdurchlässiges Gemisch aus Indiumoxid und Zinnoxid (ITO) aufgebracht, das einen Ringbereich bildete. Diese ITO-Schicht bildete somit eine gegen das Substrat isolierte Elektrode, die als Steuer­ elektrode verwendet werden konnte.

Die ITO-Schicht wurde mit einer Spannungsquelle verbunden, deren anderer Pol mit dem Substrat oder mit der n-dotierten Insel verbunden war. Dadurch konnte die ITO-Schicht auf unterschiedliches und regelbares Potential gegenüber dem Siliziumsubstrat oder gegenüber der n-dotierten Insel gebracht werden. Wenn eine genügend hohe Versorgungs­ spannung in Sperrichtung am pn-Übergang anlag, konnte durch Influenzwirkung über die isolierte Elektrode mittels Spannungssteuerung der pn-Übergangsbereich zum Leuchten gebracht oder aber die Lichtemission abgeschaltet werden.

Die Polarität und die Höhe der Steuerspannung hing von der Konzentration der nichtabgesättigten Ladungsträger in der Grenzschicht von Silizium/SiO₂, von der Dicke des Oxids und der Dotierungskonzentration ab. Wenn die Ver­ sorgungsspannung am pn-Übergang unterhalb der Durchbruchs­ spannung lag, floß der lichterzeugende Strom erst dann, wenn die Steuerelektrode über Influenzwirkung die Abbruch­ spannung des pn-Übergangs weitgehend abgesenkt hatte. Da die influenzierte Ladung an der Grenzschicht Silizium/SiO₂ nicht sehr tief in das dotierte Silizium reichte, floß in diesem Fall ein im wesentlichen nur für die Lichtemission wirksamer Strom.

Die Betriebswerte des geschilderten Materialaufbaus waren eine Betriebsspannung in der Größenordnung von 35-40 Volt, Betriebsströme im Bereich von einigen mA zur Anregung von Lichtemission und Steuerpotentiale regelbar im Bereich von 0-20 Volt zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat bzw. der n-dotierten Insel, die als Fenster ausgebildet war.

Beispiel 2

Beispiel 2 war ein Beispiel für den Materialaufbau gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ohne zusätzlich aufge­ brachte oder erzeugte lumineszenzfähige Schicht und ohne Steuerelektrode (Fig. 2).

In As-dotiertem Silizium wurde Aluminium in höchster Konzen­ tration als Insel eindiffundiert. Aluminium als p-dotierender Stoff erzeugt in n-leitendem Material einen pn-Übergang. Durch Anlegen einer Spannung an den pn-Übergang in Sperrichtung emittierte der Übergang bei Durchbruch der Sperrspannung sichtbares weißes Licht.

Claims (18)

1. Anregung von elektromagnetischer Strahlung durch Anlegen von elektrischer Spannung an Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß ein p- und ein n-leitendes Material mit einem Über­ gang so ausgebildet wird, daß Teile dieses Übergangs an der Materialoberfläche freiliegen, eine Spannung zwischen dem p-leitenden Materialbereich und dem n-leitenden Materialbereich angelegt wird und der pn-Übergang in Sperrichtung betrieben wird, wobei der pn-Übergang eine genügend hohe Durchbruchspannung aufweist, damit eine genügend hohe Anregungsenergie der Ladungsträger zur Lichterzeugung erreicht werden kann.

2. Anregung von elektromagnetischer Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oberflächenbereich am pn-Übergang ganz oder teilweise mit einer lumines­ zenzfähigen Schicht abgedeckt wird.

3. Anregung von elektromagnetischer Strahlung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine elektrisch leitfähige Schicht direkt oder mit Hilfe einer isolierenden Zwischenschicht über die lumineszenzfähige Schicht gelegt wird.

4. Anregung von elektromagnetischer Strahlung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nichtabgesättigte Ladungsträger in die lumineszenzfähige Schicht eingebracht werden.

5. Anregung von elektromagnetischer Strahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang in Sperrichtung im Durchbruchbereich betrieben wird.

6. Anregung von elektromagnetischer Strahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang in Sperrichtung vor dem Durchbruchbereich be­ trieben wird, indem über eine zusätzlich aufge­ brachte Elektrode über der lumineszenzfähigen Schicht über dem pn-Übergang eine regelbare Steuerspannung angelegt wird.

7. Materialaufbau zur Anregung von elektromagnetischer Strahlung (Licht) durch Anlegen von elektrischer Spannung an das Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Material einen p-Leiter und einen n-Leiter mit einem Über­ gang aufweist, bei dem Teile dieses Übergangs an der Oberfläche freiliegen, wobei das Material auf beiden Seiten des pn-Übergangs ein Halbleiter ist, der im Bereich des pn-Übergangs auf der einen Seite mit n- oder überwiegend n-leitendem Material und auf der anderen Seite mit p- oder überwiegend p-leitendem Material dotiert ist,
daß der Oberflächenbereich des pn-Übergangs mit einer lumineszenzfähigen Schicht abgedeckt ist und elektrische Anschlüsse zum Anlegen von Spannung zwischen dem n-leitenden Bereich und dem p-leitenden Bereich vorgesehen sind.

8. Materialaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer elektrischer Anschluß zum Anlegen einer Steuerspannung im Bereich des pn-Übergangs in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht vorgesehen ist, die ganz oder teilweise die lumineszenzfähige Schicht abdeckend über dieser vorgesehen ist.

9. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine extrem hohe Dotierung auf einer Seite des pn-Übergangs vorliegt.

10. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszenzfähige Schicht ein Isolator ist.

11. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht über der lumineszenzfähigen Schicht für Licht durchlässig ist.

12. Materialaufbau nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist, die Isolier­ schicht Siliziumdioxid ist, die lichtdurchlässige leitfähige Schicht ein Gemisch aus Indiumoxid und Zinnoxid (ITO) ist.

13. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist und das Mate­ rial zur p-Dotierung Bor oder Aluminium und das Material zur n-Dotierung Phosphor, Arsen oder Antimon ist.

14. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszenzfähige Schicht durch Aufbringen eines lumineszenzfähigen Materials als solches gebildet worden ist.

15. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszenzfähige Schicht aus dem Halbleiter­ material selbst durch Oxidieren der Halbleiter­ materialoberflächen mit Sauerstoff gebildet worden ist.

16. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszenzfähige Schicht durch Abscheiden einer Schicht durch CVD (Chemical Vapor Deposition), Sputtern, Aufdampfen und/oder chemisches Abscheiden aufgebracht worden ist.

17. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszenzfähige Schicht durch Diffusion von Materialien in den Halbleiter erzeugt worden ist.

18. Materialaufbau nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszenzfähige Schicht durch Implantation von Material in den Halbleiter erzeugt worden ist.