DE69329635T3

DE69329635T3 - Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69329635T3
Application number: DE69329635T
Authority: DE
Inventors: Hideya Ohta-ku Kumomi; Takao Ohta-ku Yonehara; Nobuhiko Ohta-ku Sato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-08-25
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2013-08-25
Also published as: EP0584777A1; EP0584777B2; EP0584777B1; US5970361A; DE69329635D1; JP3352118B2; DE69329635T2; JPH0677102A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung wie etwa ein elektronisches Element, ein optisches Element und integrierte Schaltungen daraus, welche eine Lichtemission durchführen.
Stand der Technik
Poröse Werkstoffe haben in jüngster Zeit als funktionelle Werkstoffe zur Bildung des aktiven Bereichs eines Elementes die Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Der poröse Aufbau eines Halbleiterkristalls beispielsweise der IV. Hauptgruppe wurde in der Vergangenheit hauptsächlich für strukturelle Elemente verwendet, welche nicht mit den elektronischen und optischen Eigenschaften des Werkstoffs in Beziehung standen: Die Verwendung etwa zur Ausbildung einer SOI-Struktur (Silicon-On-Insulator) unter Ausnutzung der hochschnellen Oxidation (vgl. beispielsweise T. Unagami und M. Seki: Journal of the Electrochemical Society, 125, 1339 (1978)).
In jüngster Zeit wurde der poröse Werkstoff als Material für den aktiven Bereich eines Gassensors verwendet, indem von der durch die Porosität bedingten großen Oberfläche Gebrauch gemacht wurde (vgl. beispielsweise A. Motohashi et al.: Oyo Butsuri Gakkai Gakujutsu Koenkai (Shuki) Yokoshu (Vordruck des Herbsttreffens der Society of Applied Physics), 29z-ZB-9 (1986)); und es wurde ein Lichtemissionsphänomen entdeckt, welches durch eine für das Einfangen von Ladungsträgerquanten hinreichend feine Struktur verursacht wird (vgl. L. T. Canham, Applied Physics Letters, 56, 1046 (1990)). Seitdem finden intensive Untersuchungen über die funktionellen Anwendungen von porösen Werkstoffen für lichtemittierende Elemente und andere Anwendungen statt. Die funktionelle Anwendung des porösen Werkstoffs wird möglicherweise eine attraktive neue Technik, falls einige praktische Probleme gelöst werden, weil der poröse Aufbau vollständig durch Behandlung des Basiswerkstoffs ausgebildet werden kann.
Das schlimmste Problem für die Realisation der funktionellen Anwendung des porösen Werkstoffs ist die mangelnde Stabilität der Werkstoffstruktur.
Wie der Name schon sagt, weist der poröse Werkstoff viele Lücken in dem Raum auf, in dem der Werkstoff eigentlich gefüllt ein sollte. Daher ist die strukturelle Festigkeit im Vergleich zum Basiswerkstoff unvermeidlicherweise gering. Zudem hängt der Absolutwert der Festigkeit natürlicherweise von der Größe, der Form, der Dichte und so fort der verbleibenden Struktur ab. Ein Werkstoff mit einem feineren porösen Aufbau ist allgemein brüchiger als einer mit einer gröberen Struktur. Demzufolge ist ein grober poröser Werkstoff so lange vorteilhaft, wie mit der groben Struktur gewünschte Funktionen durchgeführt werden. Bei Anwendungsgebieten, in denen jedoch eine feinere Struktur erforderlich ist, wird die strukturelle Instabilität zu einem ernsten Problem.
Unter erneuter Bezugnahme auf das vorstehend angeführte Beispiel eines Halbleiterkristalls der IV. Hauptgruppe ist für den Erhalt einer größeren Oberfläche für eine höhere Empfindlichkeit eines Gassensors eine feinere Struktur erwünscht; und eine sichtbare Lichtemission ist nicht ohne eine superfeine Struktur von weniger als einigen Nanometern erzielbar. Bei der letzteren Anwendung ist für den Erhalt einer kürzeren Wellenlänge des emittierten Lichts eine erheblich feinere Struktur erforderlich.
In der Praxis ist jedoch ein derartiger superfeiner poröser Werkstoff äußerst brüchig und kollabiert unmittelbar bei Berührung. Deswegen ist eine Umsetzung des instabilen Werkstoffs mit definierter Elementgröße in die Praxis äußerst schwierig.
Ein weiteres Problem bei der funktionellen Anwendung eines porösen Werkstoffs ist die Schwierigkeit der Signalübertragung zwischen dem porösen aktiven Bereich und der Außenwelt.
Dabei muss das aktive Element ein Signal oder Energie an den oder von dem porösen Bereich senden oder empfangen. Der poröse Aufbau oder die Zusammensetzung des potentiellen porösen Werkstoffs ist jedoch oftmals nicht für eine Übertragungsaktivität geeignet. Beispielsweise das vorstehend angeführte lichtemittierende Element beinhaltet das Problem, dass die für die Injektion der Ladungsträger in den porösen aktiven Bereich ausgebildete Elektrode eine unzureichende strukturelle Festigkeit aufweist und zudem wegen eines äußerst großen Kontaktwiderstandes keine hinreichende Injektionseffizienz liefert.
Im allgemeinen existieren ungelöste Probleme nicht nur bei der Übertragung von Signalen und Energie, sondern auch bei der gleichzeitigen Ausübung einer Vielzahl von Funktionen.
Die Druckschrift "Journal of Crystal Growth", Bd. 73, 1985, Seiten 622–636 offenbart die Ausbildung von porösem Silizium durch die Anodisierung eines Siliziumsubstrates. In Abhängigkeit von den Anodisierungsbedingungen wie etwa dem Anodisierungsstrom und der Dotierstoffkonzentration des Substrates wird die Struktur des porösen Siliziums modifiziert.
Die Druckschrift T. Yasumatsu et al: „Ultrathin silicon filns grown epitaxially on porous silicon", Applied Surface Science 48/49 (1991), Seiten 414 bis 418, North Holland, offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Substrats mit einer epitaktisch darauf aufgewachsenen Siliziumschicht. Zur Herstellung des porösen Substrats wird ein Siliziumwafer beispielsweise unter Verwendung einer Dualratenanodisierung anodisiert, bei der verschiedene Stromdichten verwendet werden. Dabei werden verschiedene Porengrößen in Abhängigkeit von der Stromdichte erhalten. Die Anodisierung wird zunächst bei einer geringeren Stromdichte und danach bei einer höheren Stromdichte durchgeführt, was zu kleiner Poren an der Oberfläche führt, auf der die Siliziumschicht schließlich aufgewachsen wird.
ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die strukturelle Festigkeit einer Halbleitervorrichtung mit feinen porösen Bereichen zu verbessern und zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtemissionselementes mit feinen porösen Bereichen anzugeben, das bezüglich der Fähigkeit der feinen porösen Bereiche zur Signal-Energie-Übertragung verbessert ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtemissionselementes angegeben, das eine Vielzahl von Funktionen ausübt, welche nicht durch eine Vorrichtung mit lediglich einer Art von porösen Bereichen erzielt werden können, und es wird ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung angegeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines Lichtemissionselementes mit einer Vielzahl verschiedener poröser Bereiche, das erfindungsgemäß hergestellt ist.
Die 2A und 2B zeigen Schnittansichten, wobei 2A ein Ausführungsbeispiel für den Elementaufbau eines erfindungsgemäßen Lichtemissionselementes zeigt.
Die 3A bis 3F zeigen Schnittansichten, wobei die 3A, 3C und 3E ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtemissionselementes zeigen, das mit der Erfindung kombiniert werden kann.
Die 4A bis 4F zeigen Schnittansichten, wobei die 4A, 4C und 4E ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des Lichtemissionselementes zeigen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Das Lichtemissionselement mit einem porösen Element als aktiver Bereich, das erfindungsgemäß hergestellt wird, weist eine Vielzahl von porösen Bereichen mit verschiedenen Strukturen auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel verändert sich die Struktur diskontinuierlich zwischen der Vielzahl poröser Bereiche mit verschiedenen Strukturen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel verändert sich die Struktur kontinuierlich zwischen der Vielzahl poröser Bereiche mit verschiedenen Strukturen.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein poröser Bereich mit einer feinen Struktur durch einen porösen Bereich mit einer groben Struktur gestützt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Lichtemissionselementes umfasst eine poröse Ausbildung eines nicht porösen Substrates durch die Veränderung der Arbeitsbedingungen der porösen Strukturausbildung.
Das erfindungsgemäß hergestellte Lichtemissionselement weist eine Vielzahl von porösen Bereichen mit verschiedenen Strukturen auf. Einige aktive Bereiche können eine feine poröse Struktur aufweisen und eine Funktion der Hauptbestimmung ausüben, während andere Bereiche eine grobe Struktur aufweisen können, die eine hinreichende Festigkeit zur strukturellen Stützung des vorstehend angeführten feinen porösen Bereiches aufweist. Dadurch dient das Lichtemissionselement als praktisch nutzbarer poröser Werkstoff, ohne die beabsichtigte Funktion zu beeinträchtigen.
Andere Bereiche als die feinen porösen Hauptbereiche können poröse Bereiche sein, die eine Struktur mit von den feinen porösen Hauptbereichen verschiedenen Funktionen und Eigenschaften aufweisen. Dadurch wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, welche poröse aktive Elemente mit Mehrfachfunktionen aufweist, ohne die Hauptaufgabe zu beeinträchtigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für das Lichtemissionselement wird ein nicht poröser Werkstoff durch die Veränderung der Arbeitsbedingungen porös ausgebildet. Dadurch ist eine Halbleitervorrichtung praktisch herstellbar, welche eine Vielzahl von porösen Bereichen mit verschiedenen Strukturen aufweist.
Das erfindungsgemäß hergestellte Lichtemissionselement und das Ausführungsbeispiel des Verfahrens zu seiner Herstellung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
[Struktur der Halbleitervorrichtung]
Das Bezugszeichen "a" aus 1 zeigt die porösen Bereiche mit den verschiedenen Strukturen eines erfindungsgemäß hergestellten Lichtemissionselementes an. Bei dem Bezugszeichen "a" in 1 umfasst das erfindungsgemäß hergestellte Lichtemissionselement zumindest zwei poröse Bereiche 1, 2, 3, usw. mit verschiedenen Strukturen.
Falls der Bereich 2 der poröse Bereich mit einer feinen Struktur ist, welche die vorgesehene Funktion der Vorrichtung durchführt, weist der Bereich 1 eine Struktur auf, die eine hinreichende strukturelle Festigkeit verleiht. Dadurch stützt der Bereich 1 den Bereich 2 zur Unterstützung der unzureichenden strukturellen Festigkeit des Bereiches 2, und damit das Element handhabbar stabil wird. Falls der Bereich 2 der poröse Bereich mit einer feinen Struktur ist, welche die vorgesehene Funktion der Vorrichtung durchführt, und der Bereich 1 ein poröser Bereich mit einer von dem Bereich 2 verschiedenen Funktion oder Charakteristik ist, dann umfasst die Vorrichtung beide Funktionen oder Eigenschaften der Bereiche 1 und 2, ohne die Hauptfunktion des Bereiches 2 zu beeinträchtigen.
Die Bezugszeichen "b" und "c" aus 1 zeigen den Unterschied zwischen den Bereichen 1 und 2 hinsichtlich der räumlichen Veränderung der Parameter der Struktur. Diese Veränderung kann abrupt und diskontinuierlich gemäß Bezugszeichen "b" oder auch graduell und allmählich bzw. kontinuierlich gemäß Bezugszeichen "c" sein. In ersterem Fall kann die Charakteristik an der Grenzfläche zwischen den Bereichen als Funktion des Elementes verwendet werden. In letzterem Fall können durch die Ungleichheit zwischen den Bereichen verursachte Nachteile reduziert werden.
Der Bereich 3 und den Bereich 3 beinhaltende nachfolgende Bereiche können poröse Bereiche sein, welche eine von Bereich 1 oder 2 verschiedene Struktur oder eine dem Bereich 1 oder 2 gleiche Struktur aufweisen. Andernfalls kann der Bereich 3 und die nachfolgenden Bereiche nicht von poröser Struktur sein, und sie können ein Bildungsbereich mit hoher struktureller Festigkeit oder mit einer ausgezeichneten Signal/Energieübertragungsfähigkeit zur Umgebung sein.
Die 2A und 2B zeigen Querschnittansichten einer Halbleitervorrichtung zur Darstellung des vorstehend angeführten Konzepts des Elementaufbaus im einzelnen. 2A zeigt eine Querschnittansicht eines Beispiels, bei dem die porösen Bereiche mit verschiedenen Strukturen auf einem Substrat in zu der Substratoberfläche parallelen Schichten ausgebildet sind. 2B zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels, das nicht in den Erfindungsbereich fällt, bei dem verschiedene poröse Bereiche teilweise auf dem Substrat angeordnet sind.
Bei den 2A und 2B sind die porösen Bereiche auf einem nicht porösen Substrat 0 ausgebildet und aus porösen Bereichen 1 und 2 mit voneinander verschiedener Struktur aufgebaut.
Falls der poröse Bereich 1 der aktive Bereich mit einer brüchigen Struktur hinsichtlich der strukturellen Festigkeit ist und der poröse Bereich 2 eine starke Struktur aufweist, dann kann die strukturelle Stabilität des gesamten Elementes durch eines der Verfahren gemäß 2A bzw. 2B erzielt werden.
Selbst wenn eine unmittelbare Übertragung von Signal oder Energie an den porösen Bereich 2 schwierig ist, kann die Übertragung durch den porösen Bereich 2 bis zu dem porösen Bereich 1 erfolgen, falls der poröse Bereich 2 über eine befriedigende Übertragungsfähigkeit verfügt.
Die 2A und 2B stellen den Fall dar, wenn zwei Arten von porösen Bereichen auftreten. Natürlich können weitere verschiedene poröse Bereiche koexistieren.
[Herstellungsverfahren]
Die Ausbildung einer Vielzahl von porösen Bereichen gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung ist hinsichtlich des Elementaufbaus in 2A gezeigt.
Im allgemeinen hängt bei der Ausbildung eines nicht porösen Werkstoffs zu einem Porösen durch eine Verarbeitung wie etwa einem Ätzvorgang die räumliche Struktur des ausgebildeten porösen Werkstoffs in großem Ausmaß von den Verarbeitungsbedingungen ab. Beispielsweise bei der Ausbildung von porösem Silizium durch Anodisierung von kristallinem Silizium variiert die verbleibende Struktur des porösen Siliziums von einigen μm bis einigen nm, und die Netzwerkstruktur des porösen Materials variiert in hohem Ausmaß in Abhängigkeit von der Art und der Dotierstoffkonzentration in dem kristallinen Silizium, der Zusammensetzung und Konzentration der Anodisierungslösung, der elektrischen Stromdichte bei der Anodisierung und so fort.
Herstellungsbeispiel 1
(fällt nicht in den Erfindungsbereich, kann aber mit der Erfindung kombiniert werden)
Ein Bereich 4 mit verschiedener Struktur oder Zusammensetzung wird vorbereitend auf einem nicht porösen Substratwerkstoff 0 ausgebildet, wie es in den 3A und 3B gezeigt ist. Dies wird durch eine lokale Ionenimplantation oder ein ähnliches Verfahren zur lokalen Abwandlung des Substrates durchgeführt.
Anschließend wird das Substrat einer Verarbeitung 5 von der Oberfläche des Substrates 0 unterzogen, damit das Substrat porös wird (3C und 3D), dabei beinhaltet die Porositätsverarbeitung die vorstehend angeführte Anodisierung. Die mit verschiedener Struktur oder Zusammensetzung versehenen Bereiche verwandeln sich selbst unter denselben Porositätsverarbeitungsbedingungen in poröse Bereiche 1 und 2 mit voneinander verschiedener Struktur oder Zusammensetzung (3E und 3F). Auf diese Weise wird ein Element mit einer Vielzahl von porösen Bereichen hergestellt.
Herstellungsbeispiel 2
Eine Vielzahl unterschiedlicher Arten von porösen Bereichen kann durch Ausbildung der Bereiche unter Veränderung der Verarbeitungsbedingungen für die Porositätsstrukturausbildung ausgebildet werden.
Ein Verfahren zur Realisierung der Elementstrukturen aus den 2A und 2B ist in den 4A und 4F dargestellt. Es wird ein nicht poröser Werkstoff 0 mit einer einheitlichen Zusammensetzung verwendet (4A und 4B). Der nicht poröse Werkstoff wird durch eine Verarbeitung unter bestimmten Bedingungen A zur Ausbildung eines porösen Bereiches 2 porös gemacht (4C und 4D). Zur Ausbildung des Aufbaus gemäß den 4B, 4D und 4F, die nicht in den Erfindungsbereich fallen, muss eine Schutzmaßnahme ergriffen werden, damit kein anderer Bereich als der poröse Bereich 2 porös gemacht wird. Im einzelnen ist die Strukturierung einer Schutzschicht oder eine ähnliche Maßnahme hilfreich. Anschließend wird der Werkstoff einer weiteren Porositätsstrukturausbildungsverarbeitung 7 unter Bedingungen B unterzogen, die von den Bedingungen A verschieden sind (4E und 4F). Dadurch wird bei dem Elementaufbau (4E) ein weiterer poröser Bereich 1 zusätzlich innerhalb des porösen Bereichs 2 ausgebildet, wobei der poröse Bereich 2 unverändert bleibt.
Die Veränderung der Verarbeitungsbedingungen führt zu einer Veränderung zumindest in der Struktur oder in einigen Fällen in der Zusammensetzung des ausgebildeten porösen Materials, wodurch den porösen Bereichen 1 und 2 verschiedene Strukturen und Zusammensetzungen verliehen werden können.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung sind vorstehend unter Bezugnahme auf die 3A bis 3F und 4A bis 4F beschrieben, bei denen die Zusammensetzung des Anfangswerkstoffs für das poröse Material oder die Verarbeitungsbedingungen jeweils verändert werden. Beide Verfahren können natürlich kombiniert verwendet werden.
Die vorstehende Beschreibung liegt hinsichtlich der Herstellung von Elementen mit zwei Arten von porösen Bereichen vor. Es ist natürlich ersichtlich, dass mehr als zwei Arten von Schichten der Elementstruktur in einem ähnlichen Verfahren ausgebildet werden können.
Zudem kann die Veränderung von Struktur oder Zusammensetzung zwischen den verschiedenen porösen Bereichen zu diskontinuierlich und abrupt oder allmählich bzw. kontinuierlich und graduell vollständig ausgewählt werden, indem die räumliche Veränderung der vorbereitend ausgebildeten verschiedenen Strukturen oder Zusammensetzungen gesteuert wird, oder indem die zeitliche und räumliche Veränderung der Verarbeitungsbedingungen gesteuert werden.
Der Aufbau des Elementes der Halbleitervorrichtung und deren erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren sind nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiel 3 näher beschrieben.
Beispiel 1 (nicht beansprucht)
Ein lichtemittierendes Element, bei welchem ein poröses Silizium mit einem Elementaufbau gemäß 2A zur Anwendung kommt, wurde durch das in den 3A bis 3F gezeigte Verfahren hergestellt.
Ein monokristalliner Siliziumwafer der Ebenenorientierung [100], der mit Bor dotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 0,2 Ω·cm aufweist, wurde als Substrat und nicht poröser Anfangswerkstoff verwendet. Dieser Wafer wurde durch eine thermische Oxidation zur Ausbildung einer SiO₂-Schicht von etwa 20 nm Dicke oxidiert. Sodann wurden mit 25 keV beschleunigte Phosphorionen in die Vorderseite des Wafers mit einer Dosis von 7·10¹³ cm^–2 durch ein Ionenimplantationsverfahren implantiert. In die Rückseite des Wafers wurden mit 40 keV beschleunigte Borionen mit einer Dosis von 4·10¹⁴ cm^–2 implantiert. Die implantierten Ionen wurden durch rasche thermische Ausheilung für eine Minute in einer Stickstoffatmosphäre bei 1050°C aktiviert. Danach wurde die SiO₂-Schicht unter Verwendung von wässrig verdünnter Flusssäurelösung entfernt. Der Wafer wurde derart zwischen einem Paar paralleler Platinelektrodenplättchen in eine wässrige 20 Gew.-prozentige Flusssäure-in-Äthanol-Lösung getaucht, dass der nicht zu den Flächen gehörende Abschnitt isoliert wurde. Die der Vorderseite des Wafers zugewandte Elektrode wurde als Anode verwendet, und der Wafer wurde für 2 Minuten durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen die Platinelektroden anodisiert, indem die Stromdichte an der Waferfläche konstant auf 10 mA·cm^–2 gesteuert wurde.
Die Oberfläche des resultierenden anodisierten Siliziumwafers blieb ohne einen Riss oder anderen Defekt in einem spiegelpolierten Zustand erhalten, aber die Oberfläche wurde nach einer Verfärbung aufgrund der Porositätsausbildung untersucht. Die Porositätsausbildung wurde durch die Untersuchung eines Querschnitts einer separat hergestellten Probe mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop bestätigt. Die Anodisierung schritt bis zu einer Tiefe von etwa 3 μm von der Oberfläche des Wafers unter Ausbildung einer porösen Schicht fort. Durch eine noch genauere Untersuchung ergab sich, dass die äußerste dünne Schicht von etwa 0,1 μm Dicke eine grobe Struktur von eigen hundert Nanometern oder mehr aufwies, während der größte Teil des Bereiches zwischen der vorstehend angeführten dünnen Schicht und der Grenzfläche zu dem nicht porösen Abschnitt des Siliziumsubstrats einen superfeinen Abschnitt von nur einigen Nanometern enthielt. Die dünne grobstrukturierte Schicht in Oberflächennähe scheint der Oberflächenschicht zu entsprechen, welche durch die vor der Anodisierung erfolgten Phosphorionenimplantation und Ausheilungsaktivierung n-dotiert wurde. Andererseits wies ein ohne Ionenimplantation an der Oberfläche anodisierter Wafer eine homogene poröse Schicht einer superfeinen Struktur auf, welche brüchig war, so dass die poröse Schicht schon bald nach der Anodisierung riss oder durch leichte Berührung kollabierte.
Nach der Bestätigung einer hinreichenden Stabilität der porösen Schicht des Wafers, der einer Phosphorionenimplantation und Anodisierung unterzogen wurde, wurde eine ITO-Schicht von 150 nm Dicke auf der Oberfläche des Wafers ausgebildet. Die ITO-Schicht wurde in mehrere Inseln von 2 mm im Quadrat strukturiert. Jede der ITO-Schichtinseln wurde durch eine gewöhnliche Metallisierungstechnik der IC-Verarbeitung mit einer herausführenden Elektrode versehen. Über die gesamte Rückfläche des Wafers wurde eine Aluminiumschicht von 400 nm Dicke als untere Elektrode ausgebildet.
Bei dem gemäß vorstehendem hergestellten Element ließ man einen Gleichstrom zwischen den Elektroden auf beiden Waferseiten fließen. Das Element zeigte eine Gleichrichtungscharakteristik bei elektrischem Stromfluss unter Verwendung der rückseitigen Elektrode als Anode, und emittierte sichtbares oranges Licht bei einer Schwellenspannung von etwa 5 V. Die Lichtemission scheint durch die von der Strominjektion in die superfeine poröse Siliziumschicht durch die Übergangsgrenzfläche zwischen der groben n-dotierten porösen Schicht und der unmittelbar darunter liegenden p-dotierten porösen Schicht verursachte Elektrolumineszenz begründet zu sein.
Bei diesem Beispiel verhindert von den zwei porösen Schichten mit unterschiedlicher Struktur/Zusammensetzung die dünne grobe n-dotierte poröse Schicht auf der Vorderseite des Wafers mit ihrer strukturellen Festigkeit einen Zusammenbruch der unmittelbar darunter liegenden superfeinen porösen Schicht, und wirkt beim Anlegen einer Spannung an das Element gleichzeitig als hocheffiziente Strominjektionsschicht zur Strominjektion in die superfeine poröse Schicht. Somit spielt die Elementstruktur mit einer Vielzahl von porösen Bereichen gleichzeitig zwei Rollen, die Aufrechterhaltung von sowohl der Funktion als auch der strukturellen Festigkeit sowie die Ausübung einer Vielzahl von Funktionen.
Beispiel 2 (nicht beansprucht)
Ein Gassensorelement, bei welchem ein poröses Silizium mit einem Aufbau gemäß 2B zur Anwendung kommt, wurde durch das in den 4B, 4D und 4F gezeigte Verfahren hergestellt.
Ein monokristalliner Siliziumwafer der Ebenenorientierung [110], der mit Bor dotiert ist, einen spezifischen Widerstand von 10 Ω·cm aufweist und beidseitig poliert wurde, wurde als Substrat und nicht poröser Anfangswerkstoff verwendet. Dieser Wafer wurde durch eine thermische Oxidation zur Ausbildung einer SiO₂-Schicht von etwa 30 nm Dicke oxidiert. Auf der Rückseite des Wafers wurde ein Photoresist aufgebracht, und der aufgebrachte Photoresist wurde durch einen konventionellen Lithografievorgang zur Belassung einer Resiststruktur von 5 μm Breite auf quadratischen 10 μm-Gitterlinien strukturiert. In die Rückseite des Wafers wurden mit 50 keV beschleunigte Borionen mit einer Dosis von 5·10¹⁴ cm^–2 implantiert. Der Resist wurde abgeschält und der Wafer wurde für 30 min einer Ausheilung in einer Stickstoffatmosphäre bei 950°C zur Aktivierung unterzogen. Danach wurde die SiO₂-Schicht unter Verwendung einer wässrigen verdünnten Flusssäurelösung entfernt.
Der Wafer wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 anodisiert, mit den Ausnahmen einer 25%igen Flusssäurekonzentration, einer Stromdichte von 5 mA·cm^–2 und einer Anodisierungszeit von 10 min.
Bei dem wie bei dem vorliegenden Beispiel einer lokalen Ioneninjektion unterzogenen Wafer scheint die dreidimensionale Struktur zumindest aufrechterhalten worden zu sein, obwohl sich eine signifikante Farbveränderung der Oberfläche zeigte und die Oberfläche sich nicht in einem Spiegel-polierten Zustand befindet.
Der Querschnitt des Wafers wurde durch hochauflösende Elektronenmikroskopie untersucht. Es ergab sich eine durchschnittliche Dicke der porösen Schicht von etwa 2,5 μm, die Grenzfläche zwischen der porösen Schicht und dem Substratsilizium war nicht flach und Vorsprünge und Hohlräume wiederholten sich sanft mit einem Zyklus von etwa 10 μm, und die verbliebene Struktur der porösen Schicht veränderte sich allmählich von einer groben Struktur in eine superfeine Struktur synchron zu den Vorsprüngen und Hohlräumen. Die Ursache der periodischen Struktur wird in der durch die lokale Borionenimplantation in die Rückseite des Wafers verursachte zweidimensionalen Verteilung des spezifischen Widerstandes und der entsprechenden räumlichen Modulation des elektrischen Stromes in der Ebene der Anodisierung vermutet. Die strukturelle Festigkeit der gesamten porösen Schicht scheint durch die grobe Struktur erzielt worden zu sein, welche die zwischen gelagerten superfeinen porösen Bereiche stützt.
Zum Vergleich wurde ein Wafer hergestellt, dem in die Rückseite homogen Ionen implantiert wurden, ohne eine Resiststrukturierung zu verwenden. Diese Wafer kollabierte sofort nach einem Wasch- und Trockenvorgang spontan an der porösen Oberfläche und die elektronenmikroskopische Untersuchung war nicht durchführbar.
Schließlich wurde nach einer Bestätigung der hinreichenden Stabilität der porösen Schicht der Waferoberfläche eine Aluminiumelektrode durch eine Maskenabscheidung aus der Gasphase mit einer Dicke von 300 nm auf der Vorderseite des Wafers abgeschieden, und eine Aluminiumschicht wurde mit einer Dicke von 400 nm auf der gesamten Rückseite durch einen Sputtervorgang ausgebildet.
Die Abhängigkeit der elektrischen Charakteristik von der Atmosphäre um das Element wurde mit dem zwischen den Elektroden auf beiden Seiten des gemäß vorliegendem Beispiel hergestellten Wafers ausgebildeten Element erforscht. Die elektrische Kapazität des Elementes wurde durch eine Veränderung der Gasmenge von Wasser oder Alkohol in der Luft gemessen. In beiden Fällen stieg die elektrische Kapazität des Elementes graduell mit der Gasmenge mit einer Sättigungstendenz, welche die Funktion des Elementes als Gassensor zeigt.
Beispiel 3
Ein lichtemittierendes Element, bei welchem ein poröses Silizium mit einem Elementaufbau gemäß 2A zur Anwendung kommt, wurde durch das in den 4A, 4C und 4E gezeigte Verfahren hergestellt.
Ein monokristalliner Siliziumwafer der Ebenenorientierung [111], der mit Bor dotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 1 Ω·cm aufweist, wurde als Substrat und nicht poröser Anfangswerkstoff verwendet. Auf der gesamten Rückseite des Wafers wurde eine Aluminiumschicht von 400 nm Dicke ausgebildet und in einer Wasserstoffatmosphäre bei 400°C für 30 min ausgeheilt. Dann wurde lediglich die Oberfläche des Wafers in eine wässrige Flusssäure/Äthanollösung getaucht, der Wafer wurde unter Verwendung der Aluminiumschicht der Rückseite als Kathode und einer gegenüberliegenden Platinelektrode als Anode anodisiert. Die Flusssäurekonzentration der Ätzlösung betrug 35% und die Stromdichte und die Anodisierungszeit wurden sukzessive in sieben Schritten gemäß nachstehender Tabelle variiert.
Tabelle 1
Die Oberfläche der resultierenden anodisierten Siliziumoberfläche blieb ohne die Ausbildung eines Risses oder anderen Defekts in einem Spiegel-polierten Zustand erhalten, aber die Oberfläche zeigte aufgrund der Porositätsausbildung eine Farbveränderung. Der Querschnitt der Probe wurde untersucht. Es ergab sich, dass die äußerste Oberflächenschicht von etwa 10 μm Gesamtdicke eine grobe Struktur und der darunter liegende Abschnitt eine superfeine poröse Struktur aufwies. Gemäß genaueren Untersuchungen war die superfeine poröse Schicht aus sechs Schichten zusammengesetzt und die jeweiligen Schichten wiesen eine leicht voneinander verschiedene Struktur auf, obwohl die Unterschiede nicht so signifikant waren wie der Unterschied zwischen der äußersten Schicht und der inneren Schicht. Natürlich werden die Unterschiede in der Struktur der Schichten durch die Veränderung der elektrischen Stromdichte während jeder Porositätsschichtausbildung verursacht.
Nach der Bestätigung der hinreichenden Stabilität der porösen Schicht der Waferoberfläche wurde eine dünne Goldschicht von 20 nm Dicke auf der Waferoberfläche durch eine Maskenabscheidung aus der Gasphase abgeschieden.
Bei dem gemäß Vorstehendem hergestellten Element ließ man einen Gleichstrom zwischen den Elektroden auf der Vorder- und Rückseite des Wafers fließen. Das Element zeigte eine Gleichrichtungscharakteristik bei elektrischem Stromfluss unter Verwendung der rückseitigen Elektrode als Anode, und emittierte leicht warmgefärbtes weißes sichtbares Licht bei einer Schwellenspannung von etwa 10 V. Diese Lichtemission scheint durch die durch Strominjektion durch die Goldgrenzfläche als Schottkyübergang in die superfeine poröse Siliziumschicht verursachte Elektrolumineszenz begründet zu sein.
Das Spektrum des durch das Element emittierten Lichtes zeigte, dass das Licht eine relativ flache Emissionsstärke oberhalb des Bereiches von 500 nm bis 800 nm oder mehr aufwies. Falls die superfeine poröse Siliziumschicht unter festen Bedingungen ausgebildet wird, verteilen sich die Lichtemissionsspektren breit und weisen Spitzenwerte auf, welche einer feineren porösen Struktur entsprechend zu einer Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen neigen. Daher scheint das durch das lichtemittierende Element des vorliegenden Beispiels emittierte weiße Licht aufgrund einer geeigneten Überlagerung der Emissionsspektren einer Vielzahl von porösen Schichten mit unterschiedlichen Strukturgrößen vorzuliegen.
Wie vorstehend beschrieben koexistieren eine Vielzahl von porösen Schichten des Elementes für die Ausübung einer Vielzahl von Funktionen ohne die Funktionen der jeweiligen Schichten zu beeinträchtigen, wodurch die Aufgabe der Erfindung gelöst wird. Zudem wird sie durch den gleichzeitig vorhandenen Umstand gelöst, dass die poröse Schicht der groben Struktur in der äußersten Schicht die Schicht des darunter liegenden Abschnitts mit der brüchigen superfeinen Struktur mechanisch stützt, damit eine strukturelle Stabilität des Elementes erzielt wird.
Beispiel 4
Ein lichtemittierendes Element wurde durch die Verwendung von porösem Silizium und Silizium-Germanium hergestellt. Es wurde ein mit Bor dotierter monokristalliner Siliziumwafer mit einer Ebenenorientierung von [100] und einem spezifischen Widerstand von 10 Ω·cm verwendet. In die Rückseite des Wafers wurden mit 40 keV beschleunigte Borionen mit einer Dosis von 4·10¹⁹ cm^–2 implantiert, und er wurde für 10 min einem Ausheilvorgang in einer Stickstoffatmosphäre bei 1000°C zur Aktivierung unterzogen.
Auf der Vorderseite des Wafers wurde eine Mehrfachschicht mit einem Quantentopfaufbau aus Si/SiGe durch einen Niederdruck-CVD-Vorgang wie folgt ausgebildet. Zunächst wurde eine Si_0,95Ge_0,05-Pufferschicht von 300 nm Dicke auf dem Wafer ausgebildet. Sodann wurde die Ausbildung einer Si_0,8Ge_0,2-Schicht von 5 nm Dicke und die nachfolgende Ausbildung einer Si-Schicht von 20 nm Dicke zwanzig Mal wiederholt. Schließlich wurde eine mit Bor dotierte Siliziumschicht von 150 nm Dicke darauf ausgebildet.
Auf der gesamten Rückseite wurde eine Aluminiumschicht von 400 nm Dicke ausgebildet und in einer Wasserstoffatmosphäre bei 400°C für 30 min ausgeheilt.
Anschließend wurde eine Anodisierung auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 3 durchgeführt, außer dass die Konzentration der Flusssäure in der Ätzlösung 45% betrug, die elektrische Stromdichte 20 mA·cm^–2 war und die Anodisierungszeit bei 2 min lag.
Die Oberfläche der resultierenden anodisierten Siliziumwaferoberfläche blieb ohne die Ausbildung eines Risses oder anderen Defekts in einem Spiegel-polierten Zustand erhalten, aber bei der Oberfläche wurde eine Farbveränderung aufgrund der Porositätsausbildung beobachtet. Der Querschnitt einer separat hergestellten Probe wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop untersucht, und es wurden entdeckt, dass die poröse Schicht eine Gesamtdicke von etwa 1,5 μm aufwies, und dass der Abschnitt der porösen Schicht von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 150 nm mit einer groben Struktur versehen war. Diese grobe Struktur scheint aus der hochkonzentrierten bordotierten Siliziumschicht durch poröse Strukturausbildung ausgebildet worden zu sein. Der Mehrfachschichtbereich aus Si/SiGe-Quantentöpfen unmittelbar unter dem groben Abschnitt ist gleichermaßen von einer superfeinen Struktur, und die durch den Zusammensetzungsunterschied verursachte Strukturverschiedenheit wurde wegen der extremen Dünne der jeweiligen Schichten nicht erfasst. Der superfeine Strukturabschnitt scheint durch die grobe Strukturschicht auf der Oberfläche ohne spontane Kollabierung gestützt zu werden.
Sodann wurde eine Aluminiumelektrode in Gestalt eines Kamms auf der Vorderseite des Wafers ausgebildet.
Bei dem gemäß Vorstehendem hergestellten Element ließ man einen Gleichstrom zwischen den Elektroden auf der Vorder- und Rückseite des Wafers fließen, wodurch sichtbares Licht bei Raumtemperatur bei der Stromrichtung emittiert wurde, wenn die Elektrode auf der Vorderseite als Anode verwendet wurde. Das Spektrum des emittierten Lichts wies einen ausgeprägten Spitzenwert bei etwa 650 nm auf und das emittierte Licht war hoch monochromatisch. Dies könnte in der nachtsehend beschriebene Tatsache begründet liegen. Die superfeine poröse Struktur wurde vor der porösen Strukturausbildung dem zweidimensionalen Quantentopfaufbau der ursprünglichen Mehrfachschicht verliehen, wodurch ein dreidimensionaler Quantentopfaufbau mit einer relativ homogenen Einschließungsgröße vorhanden war. Daher verschob sich bei einer nicht porösen Mehrfachschicht die Wellenlänge des Spitzenwertes des emittierten Lichts, die auf der Seite längerer Wellenlängen als das eher hoch monochromatische Licht lag, zu der Seite kürzerer Wellenlängen, während bei der porösen Schicht aus Si oder Si/Ge, die nicht von dem Mehrfachschichtaufbau ist, das breite Spektrum des bei Raumtemperatur emittierten sichtbaren Lichts scharf wurde.
Auf diese Weise koexistieren eine Vielzahl der porösen Schichten des Elementes für die Ausübung einer Vielzahl von Funktionen ohne die Funktionen der jeweiligen Schichten zu beeinträchtigen, wodurch die Aufgabe der Erfindung gelöst wird. Sie wird zudem gleichzeitig gelöst, indem die poröse Schicht der groben Struktur in der äußersten Schicht die Schicht in dem darunter liegenden Abschnitt mit einer brüchigen superfeinen Struktur mechanisch stützt, damit die strukturelle Stabilität des Elementes erzielt wird.
Beispiel 5 (nicht beansprucht)
Ein lichtemittierendes Element wurde durch Verwendung von porösem Silizium und Galliumaluminiumarsenid hergestellt.
Ein mit Bor dotiertes monokristallines Siliziumsubstrat der Ebenenorientierung [100] mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω·cm wurde vorbereitet. In die Rückseite des Substrats wurden mit 50 keV beschleunigte Borionen mit einer Dosis von 5·10¹⁴ cm^–2 implantiert und durch einen thermischen Ausheilvorgang für 30 min in einer Stickstoffatmosphäre bei 950°C aktiviert. Auf der Vorderseite des Wafers wurde eine Galliumaluminiumarsenidschicht von 1 μm Dicke durch einen MBE-Vorgang ausgebildet, und darauf wurde zudem eine mit einer hohen Arsenkonzentration dotierte Siliziumschicht zu einer Dicke von 200 nm durch einen Biassputtervorgang aufgewachsen, damit ein stützendes Substrat und ein nicht poröser Anfangswerkstoff erhalten wird.
Dann wurde eine Anodisierung auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 durchgeführt, außer dass die Konzentration der Flusssäure in der Ätzlösung bei 25% lag, die Stromdichte 10 mA·cm^–2 betrug und die Anodisierungszeit 10 min war.
Die Oberfläche der resultierenden anodisierten Siliziumwaferoberfläche blieb ohne die Ausbildung eines Risses oder anderen Defekts in einem Spiegel-polierten Zustand erhalten, aber bei der Oberfläche wurde eine Farbveränderung aufgrund der Porositätsausbildung beobachtet. Der Querschnitt der Probe wurde durch Elektronenmikroskopie untersucht und es stellte sich heraus, dass ein Mehrfachschichtaufbau ausgebildet wurde, bei dem die äußerste Siliziumschicht eine grobe Struktur aufwies, die unmittelbar darunter liegende Galliumaluminiumarsenidschicht eine superfeine Struktur zeigte und der zu dem Siliziumsubstrat anodisierte Bereich eine superfeine Struktur aufwies. Zumindest die äußerste Schicht der groben Struktur verlieh der superfeinen porösen Schicht mit Sicherheit eine zusätzliche strukturelle Festigkeit zu deren Stabilisierung. Tatsächlich wird das Aluminium in der Galliumaluminiumarsenidschicht durch Flusssäure beschädigt und die Anodisierung des Galliumarsenids ergibt lediglich ein brüchiges poröses Material. Daher konnte keine Probe für einen nachfolgenden Vorgang wie etwa eine Elektrodenausbildung verwendet werden, die ohne eine vorherige Ausbildung einer äußersten Siliziumschicht anodisiert wurde.
Schließlich wurde auf jeder Seite des Wafers eine Elektrode auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 ausgebildet.
Man ließ einen Gleichstrom zwischen den Elektroden des Elementes fließen und untersuchte die Kantenfläche des Schichtaufbaus. Dadurch wurde eine Lichtemission der Galliumaluminiumarsenidschicht mit der superfeinen porösen Struktur entdeckt. Die Intensität des emittierten Lichts lag bei etwa dem zehnfachen des nicht porösen Galliumaluminiumarsenids, und die Wellenlänge des Spitzenwertes verschob sich um etwa 100 nm zu der hochenergetischen Seite hin. Diese Ergebnisse scheinen von einer Art Mahrfachquantentopfaufbau (MQW) herzurühren, der durch die poröse Strukturausbildung einer superfeinen Struktur aus Galliumaluminiumarsenid ausgebildet wurde.
Wie es vorstehend beschrieben ist, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtemissionselementes angegeben, bei dem poröses funktionales Material mit praktisch hinreichender Festigkeit verwendet wird, ohne die beabsichtigte Funktion zu beeinträchtigen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lichtemissionselementes mit einem porösen Abschnitt, mit den Schritten Ausbilden einer Vielzahl von porösen Bereichen (1, 2) mit derart voneinander verschiedenen Strukturen auf einem nicht porösen Substrat (0), dass ein zweiter poröser Bereich (2) mit einer groben Struktur auf einem brüchigen ersten porösen Bereich (1) mit einer feinen Struktur bereitgestellt ist und als aktiver Bereich wirkt, wobei der erste poröse Bereich (1) zwischen dem zweiten porösen Bereich (2) und dem nicht porösen Substrat (0) zwischengelagert ist, und wobei der Ausbildungsschritt durch die Veränderung der elektrischen Stromdichte der Anodisierung durchgeführt wird; und Ausbilden einer Elektrode auf der Oberfläche des zweiten porösen Bereichs bzw. auf der Rückoberfläche des stützenden Substrats.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die poröse Struktur oder Zusammensetzung abrupt verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die poröse Struktur oder Zusammensetzung allmählich verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anodisierung in einer Flusssäure enthaltenden Lösung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat einen monokristallinen Halbleiter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Substrat monokristallines Silizium aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit dem weiteren Schritt der Ausbildung einer metallischen Schicht auf der gesamten Rückfläche des Substrates vor der Anodisierung, wobei eine Anode aus einem anderen Metall gegenüberliegend angeordnet wird und Strom durch die Anode und die metallische Schicht als Kathode zur Durchführung der Anodisierung fließt.