Herstellungsverfahren für leuchtende Strukturen auf Siliziumsubstrat Manufacturing process for luminous structures on silicon substrate
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Strukturen in Silizium.The invention relates to a method for producing light-emitting structures in silicon.
LEDs und andere technisch verwendbare, lichtemittierende Halbleiterbauelemente bestehen in der Regel aus Verbindungshalbleitern wie z. B. GaAs, GaP oder GaAsP. Das hängt damit zusammen, daß die Elektrolumineszenz-Eigen- schaffen durch die elektronischen Bandstrukturen dieser sogenannten Ill/V-Materialien begünstigt werden.LEDs and other technically usable, light-emitting semiconductor components usually consist of compound semiconductors such as, for. B. GaAs, GaP or GaAsP. This is due to the fact that the electroluminescence properties are favored by the electronic band structures of these so-called Ill / V materials.
Mit den üblichen Großintegrationstechnologien ergibt sich das Problem, daß das mit Abstand am weitesten verbreitete Material in der Chip-Herstellung Silizium ist. Da Silizium und die genannten Verbindungshalbleiter unterschiedliche Kristallstrukturen haben, gestaltet sich die Integration von lichtemittierenden Bauelementen in mikroelektronische Systeme auf Siliziumsubstraten aufwendig und schwierig. Insbesondere kommen aus dem genannten Grund konventionelle epitaktische Verfahren nicht in Frage.With the usual large-scale integration technologies, the problem arises that the most widespread material in chip manufacture is silicon. Since silicon and the compound semiconductors mentioned have different crystal structures, the integration of light-emitting components in microelectronic systems on silicon substrates is complex and difficult. In particular, conventional epitaxial methods are out of the question for the reason mentioned.
Seit 1955 ist bekannt, daß Elektrolumineszenz in Silizium an in Sperrichtung betriebenen pn-Übergängen auftritt. Es kommt zu einem sogenannten Durch- bruchstrom, der von einer Leuchterscheinung begleitet ist, wenn die an den pn- Übergang in Sperrichtung angelegte elektrische Spannung einen bestimmten Wert überschreitet (siehe z.B. R. Newman, Physical Review, Band 100, 1955, Seiten 700 - 703). Hieraus ergibt sich unmittelbar die Möglichkeit, leuchtende Bauelemente auf Siliziumsubstrat zu integrieren. Zur Herstellung des pn-Über-
Maskierung und anschließenden Dotierung mittels Diffusion oder Ionenimplantation erforderlich. Das Verfahren ist daher aufwendig und unökonomisch.It has been known since 1955 that electroluminescence occurs in silicon at reverse pn junctions. A so-called breakdown current occurs, which is accompanied by a lighting phenomenon when the electrical voltage applied to the pn junction in the reverse direction exceeds a certain value (see, for example, R. Newman, Physical Review, Volume 100, 1955, pages 700- 703). This immediately gives rise to the possibility of integrating luminous components on a silicon substrate. To produce the pn over Masking and subsequent doping by means of diffusion or ion implantation required. The process is therefore complex and uneconomical.
Des weiteren ist bekannt, daß an speziell behandelten, porösen Oberflächen eines Siliziumsubstrats Elektrolumineszenz auftritt (siehe P. M. Fauchet, Journal of Luminescence, Band 80, 1999, Seiten 53 - 64). Die Herstellung der porösen Oberfläche ist sehr aufwendig, und die nötigen Schritte sind schwer zu kontrollieren. Aufgrund der Porosität ist die Oberfläche des Materials besonders groß und damit äußert reaktiv und empfindlich. Ein erfolgreicher Einsatz dieser Technologie zur Herstellung von lichtemittierenden Bauelementen ist bisher noch nicht abzusehen.Furthermore, it is known that electroluminescence occurs on specially treated, porous surfaces of a silicon substrate (see P.M. Fauchet, Journal of Luminescence, Volume 80, 1999, pages 53-64). The production of the porous surface is very complex and the steps involved are difficult to control. Due to the porosity, the surface of the material is particularly large and therefore extremely reactive and sensitive. A successful use of this technology for the production of light-emitting components is not yet in sight.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von lichtemittierenden Bauelementen auf Siliziumsubstrat bereitzustellen, das ohne zusätzliche Maskierungsschritte auskommt. Gewünscht wird dabei, daß die leuchtenden Strukturen langzeitstabil und unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen (At- mosphäre, Temperatur) sind.The object of the invention is to provide a method for producing light-emitting components on silicon substrate, which does not require additional masking steps. It is desired that the luminous structures are long-term stable and insensitive to environmental influences (atmosphere, temperature).
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß räumlich begrenzte Bereiche eines vordotierten Siliziumsubstrats durch fokussierte Ionenimplantation gegendotiert werden.This object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that spatially limited areas of a predoped silicon substrate are counter-doped by focused ion implantation.
Durch die Verwendung der fokussierten Ionenimplantation wird eine präzise strukturierte Dotierung der Halbleiteroberfläche möglich. Dabei kann auf aufwendige Maskierungsschritte vollständig verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Gegendotierung läßt sich ohne Probleme in eine bestehende Silizium- Technologie zur Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen einbeziehen. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß sich auf diese Weise optoelektronische Schaltungen mit integrierten Leuchtelementen realisieren lassen. Denkbare Anwendungen ergeben sich bei Displays, Lichtleiterverstärkern und anderen mikrooptischen Bauelementen.The use of focused ion implantation enables a precisely structured doping of the semiconductor surface. There is no need for complex masking steps. The counter-doping according to the invention can be incorporated into existing silicon technology for producing microelectronic circuits without problems. It is particularly advantageous that optoelectronic circuits with integrated lighting elements can be implemented in this way. Conceivable applications arise in displays, light guide amplifiers and other micro-optical components.
Zweckmäßigerweise wählt man bei der fokussierten Ionenimplantation dieIt is advisable to choose the one for focused ion implantation
Dotierungsdosis derart, daß die Ladungsträgerdichte des vordotierten Silizium- Substrats überkompensiert wird. Auf vordotiertem n-Typ-Silizium ergeben sich
lateral begrenzte p-Typ-Bereiche. Durch die Überkompensation werden laterale npn-Übergänge erzeugt. In gleicher weise lassen sich alternativ pnp-Übergänge durch Erzeugung von strukturierten n-Typ-Gebieten auf p-Typ-Silizium herstellen. Bei Anlegen einer ausreichend hohen Spannung wird der jeweils in Sper- richtung betriebene pn- bzw. np-Übergang zum Leuchten gebracht.Doping dose such that the charge carrier density of the predoped silicon substrate is overcompensated. On pre-doped n-type silicon result laterally limited p-type areas. Lateral npn junctions are generated by the overcompensation. In the same way, alternatively, pnp junctions can be produced by creating structured n-type regions on p-type silicon. When a sufficiently high voltage is applied, the pn or np transition operated in the blocking direction is lit.
Experimente haben gezeigt, daß erfindungsgemäß hergestellte lichtemittierende Strukturen auf Siliziumsubstrat ein breites, weiß erscheinendes Emissionsspektrum aufweisen. Dabei ist die Lichtemission auf einen eng begrenzten Bereich des pn-Übergangsgebietes von weniger als ein Mikrometer Breite beschränkt.Experiments have shown that light-emitting structures produced in accordance with the invention on a silicon substrate have a broad, white-appearing emission spectrum. The light emission is limited to a narrowly limited area of the pn junction area of less than a micrometer width.
Zur Herstellung eines nutzbaren lichtemittierenden Bauteils ist es zweckmäßig, die fokussierte Ionenimplantation in einem lateral begrenzten Bereich auf der Halbleiteroberfläche durchzuführen. Dieser läßt sich beispielsweise durch einen Maskierungsschritt mit anschließendem naß- oder trockenchemischen Ätzen präparieren. Das Ergebnis ist eine vordotierte Siliziuminsel, die von der Umge- bung, die weitere optische oder elektronische Bauteile aufnehmen kann, elektrisch isoliert ist.To produce a usable light-emitting component, it is expedient to carry out the focused ion implantation in a laterally delimited region on the semiconductor surface. This can be prepared, for example, by a masking step followed by wet or dry chemical etching. The result is a pre-doped silicon island that is electrically isolated from the environment, which can accommodate additional optical or electronic components.
Zur Kontaktierung der lichtemittierenden Struktur werden zweckmäßigerweise in der Peripherie des lateral begrenzten Bereiches Metall-Halbleiterübergänge angebracht. Die beiden Kontaktstellen müssen durch den gemäß der Erfindung gegendotierten Bereich voneinander getrennt sein. Wurde durch die fokussierte Ionenimplantation beispielsweise eine p-dotierte Struktur erzeugt, so findet die Kontaktierung im n-dotierten Gebiet statt. Beim Anlegen einer Spannung befindet sich einer der pn-Übergänge in Durchlaß- und der andere in Sperrrichtung. Dieser wird von einem Durchbruchstrom durchflössen, wobei es zur Lichtemis- sion kommt.To contact the light-emitting structure, metal-semiconductor junctions are expediently provided in the periphery of the laterally delimited region. The two contact points must be separated from one another by the area doped according to the invention. If, for example, a p-doped structure was generated by the focused ion implantation, the contacting takes place in the n-doped region. When a voltage is applied, one of the pn junctions is in the forward direction and the other in the reverse direction. A breakthrough current flows through this, resulting in light emission.
Experimente haben gezeigt, daß sich die lichtemittierenden Strukturen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft herstellen lassen, wenn die Vordotierung des Siliziumsubstrats 1016 - 1019, vorzugsweise 5 χ 1017 Dotierstoffatome pro ccm beträgt.
Die Gegendotierung sollte dann mit 1018 - 1021 , vorzugsweise mit 5 x 1019 Dotierstoffatomen pro ccm erfolgen. Nach Möglichkeit sollte die Dosis bei der Gegendotierung etwa zwei Größenordnungen größer sein als im vordotierten Substrat.Experiments have shown that is possible to produce the light emitting structures according to the inventive method is advantageous when the pre-doping of the silicon substrate 10 16 - 10 19, preferably 5 χ 10 17 dopant atoms per cc is. The counter-doping should then 10 18 - 10 21 carried out, preferably with 5 x 10 19 dopant atoms per cc. If possible, the dose for counter-doping should be about two orders of magnitude larger than in the predoped substrate.
Die Strukturierung des lichtemittierenden Bauteils erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß bei der fokussierten Ionenimplantation eine vorgegebene (Loch-)Maske, die sich im lonenstrahl befindet, mittels einer lonenoptik auf die Halbleiteroberfläche abgebildet wird. Durch das Abbiidungsverfahren lassen sich die durch die Maske vorgegebenen Strukturen stark verkleinert abbilden. Es ist ionenoptisch ohne weiteres möglich, das lonenstrahlbündel in wenigsten einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung auf 0,01 Mikrometer - 10,0 Mikrometer zu fokussieren. Vorteilhafterweise ergeben sich so auch für die erfindungsgemäß hergestellten leuchtenden Strukturen Dimensionen, die mit den Strukturen der modernen Großintegrationstechnologien kompatibel sind.The structuring of the light-emitting component expediently takes place in that, in the case of focused ion implantation, a predetermined (hole) mask, which is located in the ion beam, is imaged on the semiconductor surface by means of ion optics. The imaging process allows the structures specified by the mask to be reproduced in a greatly reduced form. It is ion-optically easily possible to focus the ion beam in at least one direction perpendicular to the beam direction to 0.01 microns - 10.0 microns. This advantageously results in dimensions for the luminous structures produced according to the invention which are compatible with the structures of modern large-scale integration technologies.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:An embodiment of the manufacturing method according to the invention is explained below with reference to the drawings. Show it:
Figur 1 : einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten leuchtenden Bauelements;1 shows a schematic cross section of a luminous component produced according to the invention;
Figur 2: Halbleiteroberfläche in verschiedenenFigure 2: Semiconductor surface in different
Stadien bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer lichtemittierenden Struktur.Stages in the production of a light-emitting structure according to the invention.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen n-dotierten Siliziumkristall 1 , in dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine p-dotierte Zone 2 erzeugt wurde. Der npn-Übergang setzt sich zusammen aus einem n-Gebiet 3, einem p-Gebiet 2 und einem n-Gebiet 4. Die Abbildung zeigt ortsfeste Donatoren 5 und Akzeptoren 6, sowie bewegliche Ladungsträger in Form von Löchern 7 und Elektronen 8. In den Übergangsbereichen der npn-Struktur ergeben sich Zonen 9 und 10, die an Ladungsträgern verarmt sind. Legt man über den n-Gebieten 3 und 4
eine Spannung an, so befindet sich abhängig von der Polung einer der Übergänge 9 bzw. 10 in Sperrichtung und der jeweils andere in Durchlaßrichtung. Es kommt zur Lichtemission, wenn durch den in Sperrichtung befindlichen Übergang ein Durchbruchstrom fließt.FIG. 1 shows a cross section through an n-doped silicon crystal 1, in which a p-doped zone 2 was produced by the method according to the invention. The npn junction is composed of an n-region 3, a p-region 2 and an n-region 4. The figure shows stationary donors 5 and acceptors 6, as well as mobile charge carriers in the form of holes 7 and electrons 8. In the Transition areas of the npn structure result in zones 9 and 10, which are depleted of charge carriers. If you lay over the n-areas 3 and 4 a voltage is present, depending on the polarity, one of the transitions 9 and 10 is in the blocking direction and the other in the forward direction. Light is emitted when a breakdown current flows through the reverse junction.
Die Figur 2 illustriert die Herstellung eines lichtemittierenden Bauelementes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Ausgangsmaterial, das in Figur 2A dargestellt ist, ist kommerziell erhältliches, p-dotiertes Silizium, das als makroskopische, einkristalline Scheibe 11 (Wafer) vorliegt.FIG. 2 illustrates the production of a light-emitting component using the method according to the invention. The starting material, which is shown in FIG. 2A, is commercially available, p-doped silicon, which is present as a macroscopic, single-crystalline disk 11 (wafer).
Der erste Verfahrensschritt (Figur 2B) besteht darin, daß eine oberflächennahe Schicht 12 von etwa 50 bis 500 Nanometern Dicke vom Substrat elektrisch separiert wird. Dies erfolgt entweder durch eine Isolatorschicht oder - wie hier gezeigt - durch einen pn-Übergang. Es wird also eine Dotierung der oberflächennahen Siliziumschicht durch Implantation mit einem n-Typ-Dotierstoff, z. B. mit 1017 Atomen Arsen pro ccm, durchgeführt.The first process step (FIG. 2B) consists in electrically separating a layer 12 close to the surface of approximately 50 to 500 nanometers in thickness from the substrate. This is done either by an insulator layer or - as shown here - by a pn junction. So there is a doping of the near-surface silicon layer by implantation with an n-type dopant, e.g. B. with 10 17 atoms of arsenic per ccm.
Im nächsten Schritt (Figur 2C) wird ein lateral begrenzter Bereich (Mesa) mit einer Größe von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern erzeugt. Dies geschieht dadurch, daß auf die n-dotierte Schicht 12 photolithografisch eine Maskierung 13 aufgebracht wird. Das nicht von der Maske bedeckte n-Typ-Silizium wird durch Plasmaätzen entfernt.In the next step (FIG. 2C), a laterally delimited area (mesa) with a size of a few micrometers to a few millimeters is generated. This is done in that a mask 13 is applied photolithographically to the n-doped layer 12. The n-type silicon not covered by the mask is removed by plasma etching.
In Figur 2D wurde die Maskierungsschicht 13 entfernt und eine neue Maske 14 aufgebracht, die die Endbereiche der zuvor erzeugten Mesa freiläßt. Durch diese Fenster 15 erfolgt eine oberflächennahe Hochdosis-Implantation von Arsen, z. B. mit 5 x 1020 Atomen pro ccm. Danach läßt man ein geeignetes Metall (z. B. Kobalt) zur Silizidbildung eindiffundieren. Auf diese Weise entsteht ein zur Kontaktierung geeigneter Metall-Halbleiterübergang, über den das lichtemittierende Bauteil später mit Strom versorgt werden kann.In FIG. 2D, the masking layer 13 was removed and a new mask 14 was applied, which leaves the end regions of the previously generated mesa free. A high-dose implantation of arsenic, e.g. B. with 5 x 10 20 atoms per ccm. Then a suitable metal (e.g. cobalt) is allowed to diffuse in to form the silicide. In this way, a metal-semiconductor junction suitable for contacting is created, via which the light-emitting component can later be supplied with current.
Die Figur 2E zeigt das Bauelement nach Entfernen der Maskierungsschicht 14. Zu sehen ist ein n-dotierter Bereich 16, der an seinen Enden Kontaktbereiche 17 und 18 aufweist.
In Figur 2F wird nun erfindungsgemäß mittels eines fokussierten lonenstrahls 19 eine p-dotierte, linienartige Struktur 20 erzeugt, die so tief in die präparierte oberflächennahe Siliziumschicht hineinreicht, daß die beiden benachbarten n- leitenden Bereiche 21 und 22 vollständig voneinander separiert sind. Die Im- plantation erfolgt beispielsweise mit 1019 Boratomen pro ccm. Dabei wird der lonenstrahl 19 auf etwa 0,01 Mikrometer bis 10 Mikrometer fokussiert. Die linienartige Struktur entsteht entweder durch Ablenkung des lonenstrahls oder durch ionenoptische Abbildung einer entsprechenden Maske. Bei Anlegen einer Spannung an den Kontaktstellen 17 und 18 kommt es zu einer ebenfalls linien- artigen Lichtemission entlang des pn-Übergangs 20, 21 oder 20, 22.
FIG. 2E shows the component after the masking layer 14 has been removed. An n-doped region 16 can be seen, which has contact regions 17 and 18 at its ends. In FIG. 2F, a p-doped, line-like structure 20 is now generated according to the invention by means of a focused ion beam 19, which extends so deep into the prepared near-surface silicon layer that the two adjacent n-conducting regions 21 and 22 are completely separated from one another. The implantation is carried out, for example, with 10 19 boron atoms per ccm. The ion beam 19 is focused on about 0.01 microns to 10 microns. The line-like structure is created either by deflecting the ion beam or by ion-optical imaging of a corresponding mask. When a voltage is applied to the contact points 17 and 18, line-like light emission also occurs along the pn junction 20, 21 or 20, 22.