DE4345229C2 - Verfahren zum Herstellen von lumineszenten Elementstrukturen und Elementstrukturen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von lumineszenten Elementstrukturen und Elementstrukturen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lumineszenten Elementstrukturen mittels CVD-Ver­ fahren, wobei mikrokristalline Schichten aus Elemen­ ten der IV. HGr abgeschieden und diese in-situ passi­ viert werden.
Unter Lumineszenz versteht man die Emission von Licht im sichtbaren Bereich, im UV- und IR-Spektralbereich, u. a. von Festkörpern nach Energiezufuhr. Die Lumines­ zenz ist auf einen Übergang von einem Elektron aus einem energetisch höheren Zustand in einen unbesetz­ ten energetisch tieferen Zustand zurückzuführen. Da unbesetzte Elektronenzustände oft als positiv gelade­ ne "Löcher" behandelt werden, läßt sich die Lumines­ zenz auch als Rekombination eines Elektronenlochpaa­ res beschreiben, bei dem die freiwerdende Energie zumindest teilweise in Form eines Lichtquants (Pho­ tons) abgegeben wird.
Die Lumineszenzprozesse lassen sich nach der Art der Energiezufuhr in Photolumineszenz (optische Anregung) und Elektrolumineszenz (elektrische Anregung durch Anlegen einer Spannung) einleiten.
Dem Phänomen der Lumineszenz kommt bei den halblei­ tenden Materialien besonderes Interesse zu, da da­ durch verschiedene Anwendungen in der Mikroelektronik ermöglicht werden. Lange Zeit ist man davon ausgegan­ gen, daß sich nur Strukturen aus solchen Halbleiter­ materialien für eine Lichtemission eignen, die einen direkten Bandübergang aufweisen. Typische Materialien mit einem derartigen direkten Bandübergang sind bei­ spielsweise GaAs-Verbindungshalbleiter. Im Gegensatz dazu ist Silizium ein Halbleitermaterial mit einem indirekten Bandübergang. Es war deshalb zu erwarten, daß Silizium nicht für Elektrolumineszenz-Anwendungen zur Verfügung steht. In jüngster Zeit sind jedoch verschiedene Methoden und Verfahren bekanntgeworden, die es ermöglichen, eine elektrolumineszente Si-Struktur herzustellen.
Alle diese Arbeiten gehen dabei von Si-Wafern aus, die in einem Flußsäurebad anodisiert werden, um so mikroporöse Si-Strukturen zu realisieren.
In der DE-OS 41 26 955 wird ein derartiges Verfahren beschrieben. Die elektrolumineszente Si-Struktur wird dabei in der Art erzeugt, daß während des Anodisie­ rens des Si-Wafers im Säurebad der Si-Wafer auf der anodischen Seite zumindest teilweise über eine be­ stimmte Zeitspanne belichtet wird. Dadurch sollen Si-Strukturen erhalten werden, die nach weiteren Verfah­ rensschritten nach Anlegung eines elektrischen Feldes Elektrolumineszenz zeigen.
In der US 5,206,523 wird ebenfalls eine mikroporöse Si-Struktur offenbart, die ebenfalls durch eine Säu­ rebehandlung hergestellt wird. Dabei sollen durch ein Anodisieren in einem Flußsäureelektrolyten sogenann­ ten Quantendrähte entstehen, die eine Änderung des energetischen Bandabstandes der mikroporösen Si-Struktur gegenüber einem kristallinen Silizium zur Folge haben.
Alle Verfahren des Standes der Technik gehen demnach davon aus, daß nur dann eine Elektrolumineszenz er­ reicht wird, wenn Si-Wafer in einem wäßrigen Flußsäu­ rebad zur Erzeugung von mikroporösen Si-Schichten anodisiert werden.
Diese Verfahrensweise ist jedoch nicht nur umständ­ lich zu handhaben, sondern sie weist auch noch Nach­ teile in bezug auf die Strukturierung der Oberfläche und der Schichtdicke auf. Bei den Verfahren des Stan­ des der Technik ist es nämlich nicht möglich, belie­ big dicke Si-Schichten mit dem Säurebad zu behandeln. Der Säureprozeß erfordert genau festgelegte Parameter sowohl in bezug auf die Steuerung des Bades als auch auf den Si-Wafer. Dadurch ist es auch nicht möglich, die Lumineszenzwirkung durch besonders dicke Schich­ ten zu steigern. Die Effizienz der mit den Verfahren des Standes der Technik hergestellten Schichten in bezug auf die Elektrolumineszenzwirkung läßt deshalb sehr zu wünschen übrig.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neues Verfahren zur Verfügung zu stel­ len, mit dem es möglich ist, lumineszente Element­ strukturen herzustellen. Das Verfahren soll einfach und kostengünstig durchführbar sein.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Die Unteransprüche zei­ gen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird demnach vorgeschlagen, mikrokri­ stalline Schichten mittels geschlossener CVD (CC-CVD) auf einem Substrat abzuscheiden, diese in-situ zu Passivieren oder naßchemisch zu Ätzen, wodurch eine aktive Schicht (active layer, AL) entsteht, und die aktive Schicht anschließend zu kontaktieren. Bevor­ zugt findet die Variante des in-situ Passivierens mittels CC-CVD Anwendung.
Besonders vorteilhaft beim erfindungsgemäß vorge­ schlagenen Verfahren ist nun, daß durch die Erzeugung der mikrokristallinen Schichten mittels der CVD-Me­ thode die mikrokristallinen Schichten selbst in bezug auf ihren Kristallitanteil gesteuert werden können. Der Kristallitanteil bewegt sich in einem Bereich zwischen 20 bis 95%, wobei sich unter anderem auch räumlich begrenzte Kristallite (Element-Dots) her­ stellen lassen.
Wie vorstehend erwähnt, erfolgt die Abscheidung der mikrokristallinen Schichten mittels der CVD-Methode. Aus der Literatur sind hierbei zur Herstellung von mikrokristallinen Silizium-Schichten verschiedene Verfahren bekannt.
Die Herstellung der Schichten wird dabei unter Ver­ wendung von SiH₄ in Wasserstoff als Prozeßgas vorge­ nommen. SiH₄ wird dabei in stark verdünnter Form in Wasserstoff (weniger als 5 Vol.%) angewandt (T. Hama­ saki, H. Kurata, M. Hirose, U. Osaka, Appl. Phys. Lett. 37 (1980) 1084). Die Niedertemperaturbildung der kristallinen Phase kann dabei als Gleichgewicht verstanden werden zwischen der Silizium-Abscheidung und dem Abtragen der Bereiche mit ungeordneten Si-Si-Bindungen durch den atomaren Wasserstoff. Dieser Pro­ zeß wird als Wasserstoff-Ätzen bezeichnet (C.C. Tsai, G.B. Andersen, R. Thompson, B. Wacker, J. Non-Cryst. Sol. 114 (1989) 151). Ein Problem dieser konventio­ nellen PE-CVD ist, daß das Wachstum der geordneten mikrokristallinen Si-Schicht milde Plasmabedingungen erfordert, wohingegen die Produktion des nötigen ato­ maren Wasserstoffes für das Wasserstoff-Ätzen einen hohen Druck und eine hohe Leistung des Wasserstoff­ plasmas erfordert. Ein anderes Problem ist, daß die Abscheiderate mit 5 bis 10·10-10 m/min sehr gering ist.
Zur Lösung dieses Problems wurden in der Zwischenzeit mehrere zyklische Methoden zur Herstellung von µc-Si:H und verwandten Schichten wie µc-Si:Ge:H vorge­ schlagen, die alle eine Trennung in zwei Verfahrens­ schritte vorsehen. Danach wird in einem ersten Schritt z. B. eine amorphe SiH-Schicht abgeschieden unter den für die Si-Abscheidung günstigen Bedingun­ gen und dann in einem zweiten Schritt das Wasser­ stoff-Ätzen unter den für die Wasserstoff-Ätzung er­ forderlichen Bedingungen vorgenommen (A. Asno, T. Ichimura, H. Sakai, J. Appl. Phys. 65 (1989) 2439. A. Asano, Apll. Phys. Lett. 56 (1990) 533). Die Wasser­ stoffbehandlung wird dabei in der Weise durchgeführt, daß ein konstanter Wasserstofffluß in den CVD-Reaktor über das Substrat geleitet wird.
Die Herstellung derartiger mikrokristalliner Schich­ ten ist aber auch mittels eines sogenannten CC-CVD-Prozesses (closed chamber CVD-Prozeß) möglich. Diese Abscheidemethode entspricht im wesentlichen der vor­ stehend beschriebenen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Wasserstoffbehandlung in einem geschlossenen System durchgeführt wird, wobei dann deutlich höhere Abscheideraten erzielt werden.
Die auf diese Weise hergestellten mikrokristallinen Schichten zeichnen sich besonders dadurch aus, daß die mikrokristalline Schicht einen Kristallitanteil von 20 bis 95% aufweist, wobei sich unter anderem auch sogenannte Element-Dots, d. h. räumlich begrenzte Kristallite, herstellen lassen.
Erfindungsgemäß wird bei der Wasserstoffbehandlung so vorgegangen, daß nach der Abscheidung der amorphen Schicht mit an sich bekannten Prozeßgasen und unter üblichen Bedingungen der Prozeßgasstrom und der Was­ serstofffluß sowie die Verbindung des CVD-Reaktors zur Pumpe zumindest zeitweise unterbrochen werden. Die Wasserstoffbehandlung erfolgt mit der noch im Reaktor befindlichen Menge an Wasserstoff. Bevorzug­ terweise wird jedoch so vorgegangen, daß der Wasser­ stofffluß zeitlich verzögert abgeschaltet wird, so daß ein erhöhter Wasserstoffanteil im Reaktor vorhan­ den ist. Dadurch, daß der Wasserstoff im geschlosse­ nen System vorhanden ist, wird die Umwandlung der amorphen Schicht zur mikrokristallinen Schicht begün­ stigt. Die Zersetzung von SiH₄ in starker Wasser­ stoffverdünnung im Plasma ist ein reversibler Prozeß, der durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:
SiHn(plasma) ↔ Si(solid) + n * H(plasma)
Demnach werden durch die Wasserstoffatome die Silizi­ umatome aus der amorphen festen Siliziumphase wegge­ ätzt, und es bildet sich ein SiH-Plasma aus. Da der Angriff der Wasserstoffatome an bevorzugten Stellen auf der amorphen Siliziumschicht stattfindet, bilden sich auch entsprechende mikrokristalline Schichten an bevorzugten Stellen aus. Dadurch, daß in einem ge­ schlossenen System gearbeitet wird, ist sicherge­ stellt, daß die sich im Reaktor bildenden SiHx-Gas­ spezies nicht durch den fortdauernden Wasserstofffluß aus dem System entfernt werden, sondern daß ein quasi stationärer Zustand erreicht wird, so daß eine erhöh­ te Abscheiderate erzielt werden kann. Bevorzugterwei­ se wird deshalb vorgeschlagen, daß der Wasserstoff­ anteil erhöht wird, so daß eine Beschleunigung des Ätzens stattfindet und eine nochmals deutlich erhöhte Abscheiderate erzielt wird. Dies wird dadurch er­ reicht, daß im zweiten Schritt nicht gleichzeitig der Prozeßgasstrom und der Wasserstoffstrom sowie die Verbindung zur Vakuumpumpe unterbrochen werden, son­ dern daß der Wasserstoffstrom noch kurzzeitig länger in den Reaktor einfließen kann, maximal so lange, bis eine Druckerhöhung im Reaktor bis etwa 1 Atmosphäre stattfindet. Das Verfahren bietet den weiteren Vor­ teil, daß durch die Dauer der Wasserstoffbehandlung der Kristallitanteil individuell gesteuert werden kann. Der Kristallitanteil, der mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren erreicht werden kann, liegt maximal bei 95%. Durch die Wahl der Prozeßparameter läßt sich zudem die Kristallitgröße einstellen.
Der vorstehend beschriebene Prozeß wird als CC-CVD-Prozeß bezeichnet. Der zyklische CC-CVD-Prozeß be­ steht demnach aus einem wiederholbaren Zyklus, wobei jeder Zyklus aus zwei Schritten besteht, nämlich
  • a) der Abscheidung einer dünnen amorphen Silizium­ schicht und
  • b) einer Wasserstoffbehandlung in einem geschlosse­ nen CVD-Prozeß, wie vorstehend beschrieben.
Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß mehrere Zyklen in einem Prozeß hintereinander durchgeführt werden können. Je nach der gewünschten Schichtdicke können somit 2 bis 2000 Zyklen durchge­ führt werden, so daß eine entsprechende Schicht rea­ lisiert werden kann.
Das vorgestellte Verfahren ist grundsätzlich mit al­ len gängigen CVD-Verfahren ausführbar. Hierzu zählen ECR-CVD-, VHF-CVD- und Heißdraht-CVD-Prozesse. Es ist auch möglich, bei den einzelnen Schritten jedes Zy­ klus unterschiedliche CVD-Verfahren einzusetzen.
Bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit Silizium als Element und SiH₄ und Wasserstoff als Prozeßgas durchgeführt wird.
Erfindungswesentlich beim vorgeschlagenen Verfahren ist nun, daß nach Herstellung der mikrokristallinen Schicht, so wie vorstehend beschrieben, entweder im offenen oder im geschlossenen CVD-Prozeß in-situ eine Passivierung dieser mikrokristallinen Schicht er­ folgt. Die Passivierung kann mit oxidierenden und/ oder nitrierenden Gasen, wie z. B. plasma-aktiviertem N₂O oder Sauerstoff erfolgen. Die Passivierung wird, wie vorstehend bereits erläutert, in-situ, d. h. in der CVD-Anlage, direkt nach Abscheiden der Schicht vorgenommen. Dadurch wird nämlich eine besonders ein­ fache und kostengünstige Verfahrensweise zur Herstel­ lung der lumineszenten Elementstrukturen ermöglicht. Sowohl die Abscheidung wie auch die Passivierung wird demnach mit einer CVD-Anlage in einem Prozeßschritt möglich.
Wie eingangs bereits geschildert, wird erfindungsge­ mäß durch Abscheiden einer mikrokristallinen Schicht und anschließender Passivierung eine sogenannte acti­ vated layer (AL) gebildet. Erfindungsgemäß ist es nun besonders bevorzugt, daß diese AL nicht aus einer passivierten Schicht, sondern aus 2 bis 2000 über­ einander abgeschiedenen mikrokristallinen und passi­ vierten Schichten besteht. Erfindungsgemäß wird dem­ nach unter einer AL sowohl eine einzige mikrokristal­ line Schicht verstanden, die passiviert ist, wie auch 2 bis 2.000 übereinander abgeschiedene mikrokristal­ line und passivierte Schichten, die dann gemeinsam die AL bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet aber noch wei­ tere Vorteile. So ist es nicht nur möglich, mittels des CVD-Prozesses in der vorstehend beschriebenen Wei­ se eine AL, bestehend aus 2 bis 2000 einzelnen pas­ sivierten mikrokristallinen Schichten herzustellen, sondern es können auch derartige AL übereinander zu sogenannten Multischichten angeordnet werden, so daß sich eine Elektrolumineszenz mit einer sehr hohen Effizienz erzielen läßt.
Eine weitere Verbesserung läßt sich durch die Verwen­ dung von Isolatorschichten, z. B. aus a-SiC:H oder a-SiN:H, als initiierenden Kontakt erreichen. Die La­ dungsträger gelangen dabei durch Tunneln in die akti­ va Schicht (AL) und erreichen sie mit sehr hoher Energie. Dadurch wird eine erneute Steigerung der Effizienz erreicht. Eine weitere Verbesserung der Ausbeute wird durch die Wiederholung der aktiven Schichten (AL) und isolierenden Schichten (IL) er­ reicht.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin­ dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung ei­ nes Verfahrensbeispieles der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen CVD-Reaktor zur Durchfüh­ rung des CC-CVD-Prozesses,
Fig. 2 schematisch für zwei ausgewählte Bereiche während des Verfahrens die Bildung der mi­ krokristallinen Schicht,
Fig. 3 Raman-Spektren einer amorphen (A) und zwei­ er mikrokristalliner Schichten (B, C),
Fig. 4 die Leitfähigkeit der erfindungsgemäß her­ gestellten Schicht,
Fig. 5 die Abscheiderate,
Fig. 6 verschiedene Ausführungsformen von lumines­ zenten Si-Strukturen.
Fig. 1 zeigt im oberen Teil der Doppelgrafik schema­ tisch den Zustand der Reaktionskammer eines CVD-Reak­ tors für die beiden Verfahrensschritte. Das Beispiel betrifft die Abscheidung von Silizium mittels SiH₄ als Prozeßgas und Wasserstoff.
Der Reaktor 1 ist mit einem Zugang 2 für das Prozeß­ gas, hier SiH₄, und einem separaten Zugang 3 für den Wasserstoff versehen. Der Reaktor 1 ist dabei über den Ausgang 5 mit einer Pumpe (nicht abgebildet) ver­ bunden. Der erste Schritt, d. h. die Abscheidung einer amorphen SiH-Schicht, wird unter an und für sich üb­ lichen Bedingungen mit den bekannten Prozeßgasen SiH₄ und Wasserstoff durchgeführt. Der Ausgang 5 zur Pumpe ist offen, so daß die Abscheidung auf dem Substrat 6 im Gasfluß vorgenommen wird. Aus der Ordinate ist der Druck in mbar ersichtlich. Die Bedingungen zur Ab­ scheidung der a-Si:H-Schicht waren wie folgt:
  • - Gesamtgasfluß 22 Normal - cm³/min (5 sccm SiH₄ + 17 Normal - cm³/min H₂,
  • - Gasdruck 0,15 mbar,
  • - Leistung 0,2 W/cm²,
  • - Substrattemperatur 270°C.
Die Abscheiderate betrug unter diesen Bedingungen 2,5·10-10 m/s. Zur besseren Übersicht des Verfahrens­ ablaufes wurde für die Zeitspanne (Td) eine Zeitspan­ ne von 35 s gewählt. Es ist aber ausreichend, wenn Td ungefähr 5 s beträgt. Damit ist es möglich, 12,4·10-10m dicke a-Si:H-Schichten in jedem Zyklus zu er­ zeugen.
Erfindungswesentlich ist der zweite Schritt des Zy­ klus zur Erzeugung der mikrokristallinen Schichten. Dazu werden der Ausgang 5 zur Pumpe sowie die Zufüh­ rungen 2 und 3 für den Prozeßgasstrom und den Wasser­ stoff für eine bestimmte Zeitspanne TH geschlossen. Im Beispielsfall ist so vorgegangen worden, daß die Unterbrechung des Wasserstoffflusses (Schaltpunkt B) zeitlich nach der Unterbrechung des Prozeßgasstromes und der Schließung des Ausgangs zur Pumpe (Schalt­ punkt A) vorgenommen wurde. Dadurch wird erreicht, daß durch den nachströmenden Wasserstoff der Druck im Reaktor ansteigt, so daß die Wasserstoffbehandlung mit einem erhöhten Wasserstoffanteil durchgeführt wird, wodurch eine Beschleunigung des zweiten Verfah­ rensschrittes ermöglicht wird. Die Kurve C innerhalb des Zeitintervalles TH gibt dabei den Druckverlauf wieder, wie er bei der CC-Wasserstoffbehandlung vor­ liegt. D gibt dabei den Verlauf wieder, wie er bei abgeschaltetem Plasma oder beim offenen, d. h. bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Prozeß erfolgt. Wie sich dieser Unterschied auswirkt, ist aus dem unteren Teil der Doppelgrafik ersichtlich. E zeigt dabei den Verlauf für den erfindungsgemäßen CC-Pro­ zeß, und F den Verlauf bei dem aus dem Stand der Technik bekannten "offenen Verfahren". Dadurch wird deutlich (schraffierter Bereich), daß während des CC-Prozesses im Gegensatz zum offenen Prozeß noch SiH₄- Moleküle im Gasraum vorhanden sind. Bei einem konven­ tionellen zyklischen Prozeß liegt die SiH₄-Konzentra­ tion bei Beginn des zweiten Schrittes, d. h. bei der Wasserstoffbehandlung, bei Null (Kurve F). In diesem Fall findet demnach die Wasserstoffbehandlung in ei­ ner reinen Wasserstoffatmosphäre statt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Wasserstoffbehandlung im CC-CVD-Pro­ zeß in Anwesenheit von SiH₄-Molekülen. Dieser Umstand wirkt sich offensichtlich positiv auf die Abscheide­ rate aus.
Zur Verdeutlichung des Prozesses wurden verschiedene Proben während des ersten und zweiten Zyklus (a bis e) untersucht. Diese Ergebnisse wurden Proben, die in einem offenen Prozeß hergestellt wurden (f bis h), gegenübergestellt (Tabelle 1). Darin bedeuten TH die Zeitdauer der Wasserstoffbehandlung, Δd die Schicht­ dicke pro Zyklus, R die Abscheiderate, d die gesamte Filmdicke, δd die Dunkel- und δph die Photoleitfähig­ keit sowie Eact die Aktivierungsenergie. Damit wird deutlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Abscheideraten erzielt werden, die um den Faktor 5 höher sind, als sie mit den bisher üblichen Methoden realisierbar sind. Es werden zudem Leitfähigkeiten erreicht, die um mehrere 10er Potenzen besser als der Stand der Technik sind.
Fig. 2 zeigt schematisch die Bildung der mikrokri­ stallinen Schicht, ausgehend von der amorphen Schicht (a) zur mikrokristallinen Schicht (b). Durch den er­ sten Verfahrensschritt des Zyklus wird eine amorphe SiH-Schicht gebildet. Diese amorphe SiH-Schicht ent­ hält teilweise geordnete Bezirke (siehe Pfeil).
Bei der folgenden Wasserstoffbehandlung im geschlos­ senen System (b) bildet sich - ausgehend von den in (a) aufgezeigten teilweise geordneten Bereichen - die mikrokristalline Schicht aus, wobei dieser Vorgang so erklärt werden kann, daß er in zwei Stufen abläuft. Eine erste Stufe wird hierbei als "nucleation" und eine zweite Stufe als "recrystallization" bezeichnet. G und S symbolisieren dabei die Siliziumatome in der Gasphase (G) und die SiH-Spezies (S).
Fig. 3 zeigt im Vergleich die Raman-Spektren von zwei Proben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her­ gestellt wurden. Das Raman-Spektrum zeigt eine Kurve A der Probe C 409, die 15 sec, und eine Kurve B (Pro­ be C 407), die 90 sec mit H₂ behandelt wurde sowie eine Kurve C der Probe 0408. Daraus ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren in bezug auf die Bildung der Kristallität sehr flexibel ist. Auf der Ordinate ist dabei die Ramanintensität aufgetragen.
Fig. 4 zeigt die Erhöhung der Leitfähigkeit (in S/cm) mit dem Fortschreiten der Wasserstoffbehandlung (in s). Dies ist besonders vorteilhaft für mikrokristal­ line TFTs.
Fig. 5 macht deutlich, wie sich die Abscheiderate 10-10 m/min des erfindungsgemäßen Verfahrens (symboli­ siert durch gefüllte Dreiecke) gegenüber dem offenen Prozeß (gefüllte Vierecke) unterscheidet. Zur Voll­ ständigkeit ist in dieser Grafik die Wasserstoffver­ dünnung mit aufgenommen. Auf der Abzisse ist die Ak­ tivierungsenergie aufgetragen.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren hergestellten mikrokristallinen Schichten gegenüber dem Stand der Technik deutlich überlegen sind. Mit diesen Schichten erschließen sich Anwendungsmöglichkeiten sowohl für Lumineszenzanwen­ dungen als auch für Transistoren oder Solarzellen.
Fig. 6 zeigt die Anwendung der vorstehend beschriebe­ nen mikrokristallinen Schichten für Lumineszenzanwen­ dungen.
Fig. 6 (a) zeigt den Aufbau einer pn-Diode. Zur Her­ stellung dieser pn-Diode wird so vorgegangen, daß ein Substrat, bevorzugt Glas oder andere zumindest teil­ weise lichtdurchlässige Substrate mit einer Kontakt­ elektrodenschicht (TCO, transparent conducting oxid) versehen werden. Auf ein derartiges Substrat wird dann mittels des vorstehend beschriebenen CVD-Prozes­ ses eine AL-Schicht aufgebracht. Diese AL kann dabei aus 2 bis 2000 einzelnen mikrokristallinen Schichten bestehen.
Eine so hergestellte aktive Schicht wird, um Lumines­ zenzanwendungen zu realisieren, an der Oberfläche wieder mit einer Kontaktelektrodenschicht versehen. Im Beispielsfall (Fig. 6 (a)) ist die Kontaktelektro­ denschicht n-leitend mit einem Metallkontakt. Die auf dem Substrat aufgebrachte Kontaktelektrodenschicht besteht im Beispielsfall nach Fig. 6 (a) aus ITO (In­ dium-Zinnoxid). Bei Anlegung von Gleichspannung an eine derartige pn-Diode konnte Elektrolumineszenz beobachtet werden.
Eine Verbesserung der Effizienz der Elektrolumines­ zenz läßt sich dadurch erreichen (Fig. 6 (b)), daß Isolationsschichten aufgebracht werden. Fig. 6 (b) zeigt einen Beispielsfall für den Ablauf einer der­ artigen Elektrolumineszenzanwendung. Auf dem Glassub­ strat ist dabei wie in Fig. 6 (a) eine Indium-Zinn­ oxid-Kontaktelektrode (ITO) aufgebracht. Die aktive Schicht AL ist jedoch von zwei Isolationsschichten IL umgeben. Die Dicke einer derartigen Schicht liegt im Bereich von 20 bis 500 10-10m. Eine derartige Isola­ torschicht kann z. B. aus amorphem SiC:H oder amorphem SiN:H bestehen. Wird eine Wechselspannung angelegt, so gelangen die Ladungsträger durch Tunneln in die aktive Schicht und erreichen sie mit hoher Energie. Wichtige Parameter für diesen ac-Betrieb sind
a Spannung (bestimmt durch die Dicke und Zusammen­ setzung der Isolatorschicht) und
b Frequenz (bestimmt durch die Transporteigen­ schaften und die Zustandsdichte des aktiven Ma­ terials.
Die Elektrolumineszenz bei einem derartigen Aufbau zeigt eine deutlich bessere Effizienz als die pn-Dio­ de nach Fig. 6 (a).
Eine nochmalige Steigerung läßt sich durch sogenannte Multischichten (Fig. 6 (c) erreichen. Bei einem der­ artigen Aufbau wird durch die Wiederholung der akti­ ven und isolierenden Schicht eine nochmalige deutli­ che Steigerung der Ausbeute erreicht. Die Betriebs­ spannung erhöht sich entsprechend.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen von lumineszenten Ele­ mentstrukturen auf Substraten, gekennzeichnet durch die Kombina­ tion der aufeinanderfolgenden Verfahrens­ schritte:
  • a) Herstellung einer mikrokristallinen Schicht in einem geschlossenen CVD-Prozeß (CC-CVD-Prozeß);
  • b) Erzeugung einer aktiven Schicht (AL) unter CVD-Bedingungen durch Passivierung mit ei­ nem oxidierenden Gas und/oder nitrierenden Gas;
  • c) Kontaktierung der AL, so daß eine Spannung anlegbar ist.
2. Verfahren zum Herstellen von lumineszenten Ele­ mentstrukturen auf Substraten, gekennzeichnet durch die Kombination der aufein­ anderfolgenden Verfahrensschritte:
  • a) Herstellung einer mikrokristallinen Schicht in einem geschlossenen CVD-Prozeß (CC-CVD-Prozeß);
  • b) Erzeugung einer aktiven Schicht (AL) durch Ätzen in einem Säurebad unter an sich be­ kannten Bedingungen;
  • c) Kontaktierung der AL, so daß eine Spannung anlegbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geken­ nzeichnet, daß zwischen dem Substrat und der AL eine Isola­ tionsschicht (IL) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite der AL eine Isolations­ schicht (IL) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Multischicht in der Weise hergestellt wird, daß 2 bis 50 AL übereinander abgeschieden werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den AL-Schichten und/oder nach der letzten AL-Schicht eine Isolationsschicht (IL) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung mit p- oder n-leitenden Elektrodenschichten er­ halten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung mit Schichten aus Metall oder transparenten leitfähigen Oxiden, wobei mindestens eine Schicht n-leitend ist, erhalten wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die mikrokri­ stalline Schicht ein Element der Hauptgruppe IV des PSE eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die mikrokri­ stalline Schicht Silizium eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßgase SiH₄ und Wasserstoff in einem an sich bekannten Volu­ menverhältnis eingesetzt werden.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Passivierung als oxidierendes Gas z. B. aus N₂O oder O₂ gewonnener atomarer Sauerstoff eingesetzt wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 2000 Verfah­ renszyklen durchgeführt werden.
14. Lumineszente Elementstrukturen, hergestellt nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmigen Elemente Durchmesser von 1 bis 20 nm, insbeson­ dere 2 bis 6 nm, aufweisen.
15. Lumineszente Elementstrukturen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallitanteil 20 bis 95%, insbesondere 50 bis 70%, beträgt.
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