WO2002043160A1 - Light emitting semiconductor components and method for production thereof - Google Patents

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WO2002043160A1
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Robert Averbeck
Henning Riechert
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Definitions

  • the invention relates to semiconductor components and methods for producing a semiconductor component.
  • Such a semiconductor component and such a method for its production are known from [1].
  • indium arsenide quantum dots InAs quantum dots
  • silicon matrix InAs quantum dots
  • optical semiconductor device which has a layer structure with Si layers, SIC layers and SiGeC layers arranged one on top of the other. According to [3], the optical semiconductor device has a material with an indirect band gap as the material for the optically active layer.
  • [4] describes a laser diode which, as an optically active layer, has a quantum well layer made of a material with an indirect band gap.
  • [5] also describes a method for producing an optoelectronic device which has steps of a low-temperature deposition process and a corresponding temperature treatment of the device.
  • HgCdTe laser is described in [7], which is formed using an MBE method.
  • the invention is therefore based on the problem of specifying a semiconductor component based on a material system with silicon and / or silicon germanium and / or silicon germanium carbon, in which light is generated with an efficiency which is improved compared to the semiconductor component known from [1].
  • the problem is solved by the semiconductor component and by the method for producing a semiconductor component with the features according to the independent patent claims.
  • a semiconductor component has a substrate, for example made of silicon, preferably n-doped silicon or p-doped silicon.
  • the substrate may also contain Si ⁇ _ _yGe x x Cy with 0 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ . 1
  • the substrate has a silicon-germanium-carbon alloy
  • the stresses that is to say the mechanical stresses within the entire semiconductor component
  • the stresses can be specified, that is to say adjusted, by means of this material, in which an alloy selected in accordance with the desired stress to be set with the corresponding Shares of germanium and carbon are used within the silicon alloy.
  • a first layer with Si ⁇ _ x _yGe x Cy with 0 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1 is applied to the substrate.
  • a light-active layer made of a material with a direct band gap, for example a III-V semiconductor material or a II-IV semiconductor material is applied to the first layer.
  • a second layer with Si ⁇ _ s _ Ge s Ct with 0 ⁇ s ⁇ 1 and 0 ⁇ t ⁇ 1 and s + t ⁇ 1 is applied to the light-active layer.
  • the photoactive layer may according to an embodiment of the invention from a material with a direct energy band gap of the general matrix-inaGai aASfoSbi- b 0 ⁇ a ⁇ 1 and contain 0 ⁇ b ⁇ . 1
  • the light-active layer can in particular be indium arsenide (InAs).
  • InAs indium arsenide
  • Light generation that is, for generating light rays is a very thin layer, the thickness of which is in a range of one a so-called quantum well layer up to approximately 5 nm thick is provided.
  • this layer can also be grown in the form of self-grown indium gallium arsenide
  • the first time it is possible for the first time to enclose electrical charge carriers, that is to say electrons and holes, in a silicon-based material system, that is to say a semiconductor component, in a central region, the light-active layer, which is made of III-V semiconductor material or II-VI Semiconductor material exists.
  • the material with a direct band gap can contain a II-IV semi-material, for example Hg ⁇ 3Cd ⁇ _ciTe e Se ⁇ _ e with 0 ⁇ d ⁇ 1 and 0 ⁇ e ⁇ 1.
  • the first layer and / or the second layer or the layer applied to the substrate, into which light-active material with a direct band gap is introduced Si ⁇ _ x _ y Ge x Cy with 0 ⁇ x ⁇ Contains 0.5 and 0 ⁇ y ⁇ 0.1.
  • a cover layer for protecting the semiconductor component can be applied on the second layer or on the layer applied to the substrate.
  • the invention can clearly be seen in the fact that the use of a silicon-germanium-carbon alloy as a layer, into which light-active material is introduced, or between two such layers, a layer with light-active material is introduced is to set both the energy band gap and the band edge jumps to the light-active material in the energy band independently of one another, as a result of which the overall efficiency, that is to say the efficiency of the semiconductor component with regard to the generation of light beams, is considerably increased.
  • the band edge jumps between the light-active material for example indium arsenide and the layer of the alloy of silicon-germanium-carbon that surrounds the light-active material, can be dimensioned such that both electrons and holes are localized in the light-active material and thereby the probability of recombination and the resulting generation of light rays is significantly increased.
  • the semiconductor component is particularly suitable as a semiconductor laser or as a light-emitting diode.
  • the thickness of the semiconductor device should according to one
  • Embodiment of the invention may be less than a critical thickness at which dislocations are formed within the semiconductor device.
  • compositions and the tensions of the materials are preferably to be set such that the band gap is narrowed in each case and the band edges are cracked in such a way that the electrical charge carriers, that is to say the electrons and the holes, into or out of the active layer made of III-V semiconductors II-VI semiconductors migrate and are localized there.
  • a first layer with Si ⁇ _ x _yGe x Cy with 0 x x 1 1 and 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1 is applied to a substrate.
  • a light-active layer made of a material with direct energetic band gap applied and a second layer with Si ⁇ -_ s _tGe s Ct with 0 ⁇ s ⁇ 1 and 0 ⁇ t ⁇ 1 and s + t ⁇ 1 is applied to the light-active layer.
  • a layer with Si ⁇ -- x _yGe x Cy with 0 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1 is applied to a substrate.
  • light-active material with a direct band gap is introduced into this layer.
  • a method of molecular beam epitaxy (molecular beam epitaxy method, MBE method) can be carried out to apply the layers.
  • a deposition process from the gas phase can be used to apply the layers, in particular to apply the first and / or the second layer.
  • Figures la to Id the structure of a semiconductor laser (or a light emitting diode) according to a first embodiment of the invention ( Figure la) and cross sections of layer structures during the manufacturing process of the semiconductor device
  • Figures 2a to 2d a semiconductor device according to a second embodiment of the invention ( Figure 2a) and cross sections of layer structures during the
  • Fig.la shows a semiconductor laser (or a light emitting diode) 100 according to a first embodiment of the invention.
  • n-doped silicon substrate 101 of basically any thickness in accordance with this exemplary embodiment having a thickness of 1000 ⁇ m, there is a first layer 102 made of silicon-germanium-carbon of the alloy Si ⁇ _ _yGe x Cy with 0 ⁇ x ⁇ 0.5 and 0 ⁇ y ⁇ 0.1 applied by means of a suitable CVD method.
  • the first layer 102 has a thickness of approximately 100 nm to 2 ⁇ m (cf. FIG. 1b).
  • a layer of light-active material is a layer of
  • Indium renside 103 applied in a thickness of 0 to 20 nm, it being noted that the dimensioning of the individual layer thicknesses is not critical.
  • An MBE method is used to apply the light-active layer 103 (cf. FIG. 1c).
  • a second layer 104 made of a silicon-germanium-carbon alloy is deposited on the light-active layer 103 in the same way as the first layer 102 by means of a suitable CVD method.
  • the second layer 104 contains the same material as the second layer 102.
  • the second layer 104 is made of the same material as the first layer 102.
  • the thickness of the second layer 104 is likewise 100 nm to 2 ⁇ .
  • a cover layer 105 made of p-doped silicon is applied to the second layer 104.
  • the cover layer which is used in particular for the electrical contact of the semiconductor component, has a fundamentally uncritical thickness according to this exemplary embodiment of 100 nm to 2 ⁇ m.
  • the total layer thickness starting from the lower surface of the first layer 102 to the upper surface of the cover layer 105, should not be greater than a critical layer thickness, that is to say as a layer thickness, during the dislocations within the individual layers be formed.
  • FIGS. 2a to 2D show a semiconductor laser according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • an n-doped silicon layer is likewise provided as substrate 201 with a thickness of 500 ⁇ m in accordance with this exemplary embodiment.
  • the layer 202 has a thickness of 100 nm to 2 ⁇ m.
  • any alloy of indium-gallium-arsenide-antimonide that is, InaGai-aAs ⁇ Sb ⁇ with 0 ⁇ a ⁇ 1 and 0 ⁇ b ⁇ 1 in the form of quatendots 203 in the Layer 202 introduced and localized there, which is symbolized in FIG. 2c by arrows 205.
  • FIG. 2D shows the state in which the quantum dots 203 made of the light-active material are introduced into the layer 202 and are therefore localized.
  • a silicon cover layer 204 with a thickness of 10 ⁇ is grown on the layer 202 by means of an MBE method.

Abstract

A germanium- and/or carbon-containing silicon-alloy is applied to a substrate made, in particular, from silicon, in or on which a light-active material, for example, III-V semiconductor material, in particular, indium arsenide, is applied.

Description

Beschreibungdescription
LICHTEMITTIERENDE HABLEITERBAUELEMENTE UND VERFAHREN ZUR DEREN HERSTELLUNGLIGHT-EMITTING SENSOR COMPONENTS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente und Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements.The invention relates to semiconductor components and methods for producing a semiconductor component.
Ein solches Halbleiterbauelement und ein solches Verfahren zur dessen Herstellung sind aus [1] bekannt.Such a semiconductor component and such a method for its production are known from [1].
Bei dem aus [1] bekannten Halbleiterbauelement sind Indium- Arsenid-Quantendots (InAs-Quantendots) in einer Siliziummatrix eingebettet .In the semiconductor component known from [1], indium arsenide quantum dots (InAs quantum dots) are embedded in a silicon matrix.
Bei einem solchen Halbleiterbauelement hat sich herausgestellt, dass aufgrund der durch die in dem Indium- Arsenid als Halbleitermaterial sich ausbildenden Quantendots grundsätzlich Photonen, das heißt Lichtstrahlen erzeugt werden.In the case of such a semiconductor component, it has been found that, owing to the quantum dots formed in the indium arsenide as the semiconductor material, photons, that is to say light rays, are generated in principle.
Es hat sich jedoch bei der aus [1] bekannten Struktur, das heißt bei diesem Halbleiterbauelement herausgestellt, dass dieses Halbleiterbauelement zur Lichterzeugung mit einem ausreichenden Wirkungsgrad nicht geeignet ist. Als Ursache dafür ist in [1] angegeben, dass die optischen Übergänge der Elektronen bzw. deren Rekombination mit Löchern sowohl im Impulsraum, als auch im Ortsraum indirekt sind.However, with the structure known from [1], that is to say with this semiconductor component, it has been found that this semiconductor component is not suitable for generating light with sufficient efficiency. The reason for this is stated in [1] that the optical transitions of the electrons or their recombination with holes are indirect both in the impulse space and in the space.
Somit gibt es bisher keine HeteroStrukturen in einemSo there are no hetero structures in one
Materialsystem mit Silizium und/oder Silizium-Germanium, die die Erzeugung von Lichtstrahlen mit einem ausreichend großen Wirkungsgrad erlauben, der auch nur annähernd dem Wirkungsgrad von Halbleiterbauelementen in Materialien mit direkter energetischer Bandlücke, beispielsweise II-VI-Halbleiter oder III-V-Halbleiter entspricht. Aus [2] ist es ferner bekannt, eine Legierung von Indium- Gallium-Arsenid-Antimonid in Form von Quantendots in eine Siliziumschicht einzubringen und diese dort zu lokalisieren.Material system with silicon and / or silicon germanium, which allow the generation of light beams with a sufficiently high degree of efficiency that even approximately corresponds to the efficiency of semiconductor components in materials with a direct energy band gap, for example II-VI semiconductors or III-V semiconductors , From [2] it is also known to introduce an alloy of indium-gallium-arsenide-antimonide in the form of quantum dots into a silicon layer and to locate it there.
Eine optische Halbleiter-Vorrichtung ist [3] beschrieben, welche eine Schichtenstruktur aufweist mit aufeinander angeordneten Si-Schichten, SIC-Schichten und SiGeC-Schichten. Gemäß [3] weist die optische Halbleiter-Vorrichtung als Material für die optisch aktive Schicht ein Material mit einer indirekten Bandlücke auf.An optical semiconductor device is described [3], which has a layer structure with Si layers, SIC layers and SiGeC layers arranged one on top of the other. According to [3], the optical semiconductor device has a material with an indirect band gap as the material for the optically active layer.
In [4] ist eine Laserdiode beschrieben, welche als optisch aktive Schicht eine Quantum-Well-Schicht aus einem Material mit einer indirekten Bandlücke aufweist.[4] describes a laser diode which, as an optically active layer, has a quantum well layer made of a material with an indirect band gap.
Ferner ist in [5] ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung beschrieben, welches Schritte eines Niedrig-Temperatur Abscheidevorgangs sowie eine entsprechende Temperaturbehandlung der Vorrichtung aufweist.[5] also describes a method for producing an optoelectronic device which has steps of a low-temperature deposition process and a corresponding temperature treatment of the device.
Eine Übersicht über metallorganisches CVD bei GalnAsSb- Legierungen ist in [6] zu finden.An overview of organometallic CVD in GalnAsSb alloys can be found in [6].
Weiterhin ist in [7] ein HgCdTe-Laser beschrieben, der unter Verwendung eines MBE-Verfahrens gebildet wird.Furthermore, an HgCdTe laser is described in [7], which is formed using an MBE method.
Grundlagen über mechanische Spannungen in Quantendrähten, Quantenpunkten sowie in Silizium-Substraten sind in [8] gegeben.Fundamentals about mechanical stresses in quantum wires, quantum dots and in silicon substrates are given in [8].
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Halbleiterbauelement basierend auf einem Materialsystem mit Silizium und/oder Silizium-Germanium und/oder Silizium- Germanium-Kohlenstoff anzugeben, bei dem Licht mit einem gegenüber dem aus [1] bekannten Halbleiterbauelement verbesserten Wirkungsgrad erzeugt wird. Das Problem wird durch das Halbleiterbauelement sowie durch das Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit dem Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst .The invention is therefore based on the problem of specifying a semiconductor component based on a material system with silicon and / or silicon germanium and / or silicon germanium carbon, in which light is generated with an efficiency which is improved compared to the semiconductor component known from [1]. The problem is solved by the semiconductor component and by the method for producing a semiconductor component with the features according to the independent patent claims.
Ein Halbleiterbauelement weist ein Substrat, beispielsweise aus Silizium, vorzugsweise n-dotiertem Silizium oder p- dotiertem Silizium auf.A semiconductor component has a substrate, for example made of silicon, preferably n-doped silicon or p-doped silicon.
Alternativ kann das Substrat auch Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 enthalten.Alternatively, the substrate may also contain Siι_ _yGe x x Cy with 0 <x <1 and 0 <y <1 and x + y <. 1
Weist das Substrat eine Silizium-Germanium-Kohlenstoff- Legierung auf, so können mittels dieses Materials die Verspannungen, das heißt die mechanischen Spannungen innerhalb des gesamten Halbleiterbauelements vorgeben, das heißt eingestellt werden, in dem eine entsprechend der gewünschten einzustellenden Verspannung gewählte Legierung mit den entsprechenden Anteilen an Germanium und Kohlenstoff innerhalb der Silizium-Legierung verwendet wird.If the substrate has a silicon-germanium-carbon alloy, then the stresses, that is to say the mechanical stresses within the entire semiconductor component, can be specified, that is to say adjusted, by means of this material, in which an alloy selected in accordance with the desired stress to be set with the corresponding Shares of germanium and carbon are used within the silicon alloy.
Auf dem Substrat ist eine erste Schicht mit Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 aufgebracht . Auf der ersten Schicht wiederum ist eine lichtaktive Schicht aus einem Material mit direkter Bandlücke, beispielsweise ein III-V- Halbleitermaterial oder ein II-IV-Halbleitermaterial aufgebracht. Auf der lichtaktiven Schicht ist ferner eine zweite Schicht mit Siι_s_ GesCt mit 0 < s < 1 und 0 < t < 1 und s + t < 1 aufgebracht.A first layer with Siι_ x _yGe x Cy with 0 <x <1 and 0 <y <1 and x + y <1 is applied to the substrate. In turn, a light-active layer made of a material with a direct band gap, for example a III-V semiconductor material or a II-IV semiconductor material, is applied to the first layer. Furthermore, a second layer with Siι_ s _ Ge s Ct with 0 <s <1 and 0 <t <1 and s + t <1 is applied to the light-active layer.
Die lichtaktive Schicht kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aus einem Material mit direkter energetischer Bandlücke der allgemeinen Matrix inaGai-aASfoSbi-b mit 0 ≤ a ≤ 1 und 0 < b < 1 enthalten. Die lichtaktive Schicht kann insbesondere Indium-Arsenid (InAs) sein. Die lichtaktive Schicht, das heißt das eigentlich aktive Material zurThe photoactive layer may according to an embodiment of the invention from a material with a direct energy band gap of the general matrix-inaGai aASfoSbi- b 0 ≤ a ≤ 1 and contain 0 <b <. 1 The light-active layer can in particular be indium arsenide (InAs). The light-active layer, that is, the actually active material for
Lichterzeugung, das heißt zum Erzeugen von Lichtstrahlen ist eine sehr dünne Schicht, deren Dicke in einem Bereich einer einatomaren bis ungefähr 5 nm dicken sogenannten Quanten-Well- Schicht vorgesehen ist.Light generation, that is, for generating light rays is a very thin layer, the thickness of which is in a range of one a so-called quantum well layer up to approximately 5 nm thick is provided.
Alternativ kann diese Schicht auch in Form von selbstorganisiert gewachsenen Indium-Gallium-Arsenid-Alternatively, this layer can also be grown in the form of self-grown indium gallium arsenide
Antimonid-Quantendots vorliegen, die in die erste Schicht, die gemäß dieser Ausgestaltung gleich ist der zweiten Schicht, das heißt das gilt x = s und y = t als Quantendots in das vorzugsweise Germanium und/oder Kohlenstoff enthaltende Silizium-Material eingebracht sein.Antimonide quantum dots are present, which are introduced into the first layer, which according to this embodiment is the same as the second layer, that is to say x = s and y = t as quantum dots in the silicon material which preferably contains germanium and / or carbon.
Auf diese Weise ist es erstmals möglich, elektrische Ladungsträger, das heißt Elektronen und Löcher in einem auf Silizium basierenden Materialsystem, das heißt Halbleiterbauelement, in einem zentralen Bereich, der lichtaktiven Schicht, einzuschließen, die aus III-V- Halbleitermaterial oder II-VI-Halbleitermaterial besteht.In this way, it is possible for the first time to enclose electrical charge carriers, that is to say electrons and holes, in a silicon-based material system, that is to say a semiconductor component, in a central region, the light-active layer, which is made of III-V semiconductor material or II-VI Semiconductor material exists.
Alternativ kann das Material mit direkter Bandlücke ein II-IV- Halbmaterial enthalten, beispielsweise Hg<3Cdι_ciTeeSeι_e mit 0 < d < 1 und 0 < e < 1.Alternatively, the material with a direct band gap can contain a II-IV semi-material, for example Hg < 3Cdι_ciTe e Seι_ e with 0 <d <1 and 0 <e <1.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht oder die auf dem Substrat aufgebrachte Schicht, in die lichtaktives Material mit direkter Bandlücke eingebracht ist, Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 0,5 und 0 < y < 0,1 enthält.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the first layer and / or the second layer or the layer applied to the substrate, into which light-active material with a direct band gap is introduced, Siι_ x _ y Ge x Cy with 0 <x < Contains 0.5 and 0 <y <0.1.
Auf der zweiten Schicht bzw. auf der auf dem Substrat aufgebrachten Schicht kann eine Deckschicht zum Schutz des Halbleiterbauelements aufgebracht sein.A cover layer for protecting the semiconductor component can be applied on the second layer or on the layer applied to the substrate.
Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass durch den Einsatz von einer Silizium-Germanium-Kohlenstoff- Legierung als Schicht, in die lichtaktives Material eingebracht ist oder zwischen zwei solcher Schichten eine Schicht mit lichtaktiven Material eingebracht ist, es möglich ist, sowohl die energetische Bandlücke als auch die Bandkantensprünge zu dem lichtaktiven Material im Energieband unabhängig voneinander einzustellen, wodurch die Gesamteffizienz, das heißt der Wirkungsgrad des Halbleiterbauelements hinsichtlich der Erzeugung von Lichtstrahlen erheblich erhöht wird.The invention can clearly be seen in the fact that the use of a silicon-germanium-carbon alloy as a layer, into which light-active material is introduced, or between two such layers, a layer with light-active material is introduced is to set both the energy band gap and the band edge jumps to the light-active material in the energy band independently of one another, as a result of which the overall efficiency, that is to say the efficiency of the semiconductor component with regard to the generation of light beams, is considerably increased.
Die Bandkantensprünge können zwischen dem lichtaktiven Material, beispielsweise Indium-Arsenid und der das lichtaktive Material umgebenden Schicht aus der Legierung aus Silizium-Germanium-Kohlenstoff so dimensioniert werden, dass sowohl Elektronen als auch Löcher in dem lichtaktiven Material lokalisiert werden und dadurch die Wahrscheinlichkeit der Rekombination und der daraus resultierenden Erzeugung von Lichtstrahlen erheblich erhöht wird.The band edge jumps between the light-active material, for example indium arsenide and the layer of the alloy of silicon-germanium-carbon that surrounds the light-active material, can be dimensioned such that both electrons and holes are localized in the light-active material and thereby the probability of recombination and the resulting generation of light rays is significantly increased.
Aus diesem Grund eignet sich das Halbleiterbauelement insbesondere als Halbleiterlaser oder als Leuchtdiode.For this reason, the semiconductor component is particularly suitable as a semiconductor laser or as a light-emitting diode.
Die Dicke des Halbleiterbauelements sollte gemäß einerThe thickness of the semiconductor device should according to one
Ausgestaltung der Erfindung geringer sein als eine kritische Dicke, bei der Versetzungen innerhalb des Halbleiterbauelements gebildet werden.Embodiment of the invention may be less than a critical thickness at which dislocations are formed within the semiconductor device.
Vorzugsweise sind die Zusammensetzungen und die Verspannungen der Materialien so einzustellen, dass jeweils die Bandlücke verkleinert wird und der Sprung der Bandkanten so erfolgt, dass die elektrischen Ladungsträger, das heißt die Elektronen und die Löcher in die aktive Schicht aus III-V-Halbleitern oder aus II-VI-Halbleitern wandern und dort lokalisiert werden.The compositions and the tensions of the materials are preferably to be set such that the band gap is narrowed in each case and the band edges are cracked in such a way that the electrical charge carriers, that is to say the electrons and the holes, into or out of the active layer made of III-V semiconductors II-VI semiconductors migrate and are localized there.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements wird auf einem Substrat eine erste Schicht mit Siι_x_yGexCy mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird auf der ersten Schicht eine lichtaktive Schicht aus einem Material mit direkter energetischer Bandlücke aufgebracht und auf der lichtaktiven Schicht wird eine zweite Schicht mit Siι-_s_tGesCt mit 0 < s < 1 und 0 < t < 1 und s + t < 1 aufgebracht.In a method for producing a semiconductor component, a first layer with Siι_ x _yGe x Cy with 0 x x 1 1 and 0 <y <1 and x + y <1 is applied to a substrate. In a further step, a light-active layer made of a material with direct energetic band gap applied and a second layer with Siι-_ s _tGe s Ct with 0 <s <1 and 0 <t <1 and s + t <1 is applied to the light-active layer.
In einem alternativen Verfahren wird auf einem Substrat eine Schicht mit Siι--x_yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 aufgebracht. In diese Schicht wird in einem darauffolgenden Schritt lichtaktives Material mit direkter Bandlücke eingebracht .In an alternative method, a layer with Siι-- x _yGe x Cy with 0 <x <1 and 0 <y <1 and x + y <1 is applied to a substrate. In a subsequent step, light-active material with a direct band gap is introduced into this layer.
Zum Aufbringen der Schichten kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zumindest teilweise ein Verfahren der Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy-Verfahren, MBE-Verfahren) durchgeführt werden.According to an embodiment of the invention, a method of molecular beam epitaxy (molecular beam epitaxy method, MBE method) can be carried out to apply the layers.
Alternativ oder ergänzend kann zum Aufbringen der Schichten insbesondere zum Aufbringen der ersten und/oder der zweiten Schicht ein Abscheideverfahren aus der Gasphase (CVD- Verfahren) eingesetzt werden.As an alternative or in addition, a deposition process from the gas phase (CVD process) can be used to apply the layers, in particular to apply the first and / or the second layer.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im weiteren näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the figures and is explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Figuren la bis Id den Aufbau eines Halbleiterlasers (bzw. einer Leuchtdiode) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Figur la) und Querschnitte von Schichtstrukturen während des Herstellungsverfahrens des HalbleiterbauelementesFigures la to Id the structure of a semiconductor laser (or a light emitting diode) according to a first embodiment of the invention (Figure la) and cross sections of layer structures during the manufacturing process of the semiconductor device
(Figuren lb bis ld) ;(Figures lb to ld);
Figuren 2a bis 2d ein Halbleiterbauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Figur 2a) und Querschnitte von SchichtStrukturen während desFigures 2a to 2d a semiconductor device according to a second embodiment of the invention (Figure 2a) and cross sections of layer structures during the
Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelementes (Figuren 2b bis 2d) . Fig.la zeigt einen Halbleiterlaser (oder eine Leuchtdiode) 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.Manufacturing method of the semiconductor device (Figures 2b to 2d). Fig.la shows a semiconductor laser (or a light emitting diode) 100 according to a first embodiment of the invention.
Auf einem n-dotierten Siliziumsubstrat 101 einer grundsätzlich beliebigen Dicke, gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Dicke 1000 μ-m ist eine erste Schicht 102 aus Silizium-Germanium- Kohlenstoff der Legierung Siι_ _yGexCy mit 0 < x < 0,5 und 0 < y < 0 , 1 mittels eines geeigneten CVD-Verf hrens aufgebracht .On an n-doped silicon substrate 101 of basically any thickness, in accordance with this exemplary embodiment having a thickness of 1000 μm, there is a first layer 102 made of silicon-germanium-carbon of the alloy Siι_ _yGe x Cy with 0 <x <0.5 and 0 <y <0.1 applied by means of a suitable CVD method.
Die erste Schicht 102 weist eine Dicke von ungefähr 100 nm bis 2 μm auf (vgl. Fig.lb).The first layer 102 has a thickness of approximately 100 nm to 2 μm (cf. FIG. 1b).
Auf der ersten Schicht 102 ist eine Schicht aus lichtaktiven Material gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Schicht ausOn the first layer 102, a layer of light-active material according to this exemplary embodiment is a layer of
Indium- rsenid 103 aufgebracht in einer Dicke von 0 bis 20 nm, wobei anzumerken ist, dass die einzelnen Schichtdicken in ihrer Dimensionierung unkritisch sind.Indium renside 103 applied in a thickness of 0 to 20 nm, it being noted that the dimensioning of the individual layer thicknesses is not critical.
Zum Aufbringen der lichtaktiven Schicht 103 wird ein MBE- Verfahren eingesetzt (vgl. Fig.lc) .An MBE method is used to apply the light-active layer 103 (cf. FIG. 1c).
Wie in Fig.ld dargestellt ist, wird auf der lichtaktiven Schicht 103 eine in gleicher Weise wie die erste Schicht 102 zweite Schicht 104 aus einer Silizium-Germanium-Kohlenstoff- Legierung mittels eines geeigneten CVD-Verfahrens abgeschiede .As shown in FIG. 1d, a second layer 104 made of a silicon-germanium-carbon alloy is deposited on the light-active layer 103 in the same way as the first layer 102 by means of a suitable CVD method.
Die zweite Schicht 104 enthält das gleiche Material wie die zweite Schicht 102.The second layer 104 contains the same material as the second layer 102.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die zweite Schicht 104 mit dem gleichen Material hergestellt ist wie die erste Schicht 102.In other words, the second layer 104 is made of the same material as the first layer 102.
Die Dicke der zweiten Schicht 104 beträgt gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel ebenfalls 100 nm bis 2 μ . Wie in Fig.la dargestellt ist, ist auf der zweiten Schicht 104 eine Deckschicht 105 aus p-dotiertem Silizium aufgebracht. Die Deckschicht, die insbesondere zum elektrischen Kontakt des Halbleiterbauelementes dient, weist eine grundsätzlich unkritische Dicke gemäß diesem Ausführungsbeispiel von 100 nm bis 2 μm auf.According to this first exemplary embodiment, the thickness of the second layer 104 is likewise 100 nm to 2 μ. As shown in Fig.la, a cover layer 105 made of p-doped silicon is applied to the second layer 104. The cover layer, which is used in particular for the electrical contact of the semiconductor component, has a fundamentally uncritical thickness according to this exemplary embodiment of 100 nm to 2 μm.
Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die gesamte Schichtendicke, beginnend von der unteren Oberfläche der ersten Schicht 102 bis zur oberen Oberfläche der Deckschicht 105 nicht größer sein sollte als eine kritische Schichtdicke, das heißt als eine Schichtdicke, bei der Versetzungen innerhalb der einzelnen Schichten ausgebildet werden.In this connection, it should be noted that the total layer thickness, starting from the lower surface of the first layer 102 to the upper surface of the cover layer 105, should not be greater than a critical layer thickness, that is to say as a layer thickness, during the dislocations within the individual layers be formed.
Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Halbleiterbauelementes 100 vermieden.Damage to the semiconductor component 100 is avoided in this way.
In den Fig.2a bis Fig.2d ist ein Halbleiterlaser gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.2a to 2D show a semiconductor laser according to a second exemplary embodiment of the invention.
Wie in den Fig.2a und Fig.2b dargestellt ist, ist ebenfalls gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine n-dotierte Siliziumschicht als Substrat 201 der Dicke von gemäß diesem Ausführungsbeispiel 500 μm vorgesehen.As shown in FIGS. 2a and 2b, an n-doped silicon layer is likewise provided as substrate 201 with a thickness of 500 μm in accordance with this exemplary embodiment.
Auf dem Substrat 201 ist eine Schicht aus einer Legierung aus Silizium-Germanium-Kohlenstoff, gemäß diesemOn the substrate 201 is a layer of an alloy of silicon germanium carbon, according to this
Ausführungsbeispiel Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 0,5 und 0 < y ≤ 0,1 aufgebracht mittels eines geeigneten CVD-Verfahrens . Die Schicht 202 weist eine Dicke von 100 nm bis 2 μm auf.Embodiment Siι_ x _yGe x Cy with 0 <x <0.5 and 0 <y ≤ 0.1 applied by means of a suitable CVD method. The layer 202 has a thickness of 100 nm to 2 μm.
Wie in Fig. c dargestellt ist, wird mittels eines aus [2] bekannten Verfahren lichtaktives Material, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine beliebige Legierung aus Indium- Gallium-Arsenid-Antimonid, das heißt InaGai-aAs^Sb^ mit 0 < a < 1 und 0 < b < 1 in Form von Quatendots 203 in die Schicht 202 eingebracht und dort lokalisiert, was in Fig.2c mittels Pfeilen 205 symbolisiert ist.As shown in FIG. C, by means of a method known from [2], light-active material, according to the second exemplary embodiment, any alloy of indium-gallium-arsenide-antimonide, that is, InaGai-aAs ^ Sb ^ with 0 <a <1 and 0 <b <1 in the form of quatendots 203 in the Layer 202 introduced and localized there, which is symbolized in FIG. 2c by arrows 205.
Fig.2d zeigt den Zustand, in dem die Quantendots 203 aus dem lichtaktiven Material in die Schicht 202 eingebracht und damit lokalisiert sind.FIG. 2D shows the state in which the quantum dots 203 made of the light-active material are introduced into the layer 202 and are therefore localized.
Auf der Schicht 202 ist mittels eines MBE-Verfahrens eine Silizium-Deckschicht 204 mit einer Dicke von 10 μ aufgewachsen. A silicon cover layer 204 with a thickness of 10 μ is grown on the layer 202 by means of an MBE method.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:The following publications are cited in this document:
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100 Halbleiterlaser100 semiconductor lasers
101 Substrat101 substrate
102 Erste Schicht102 First shift
103 Lichtaktive Schicht103 Light-active layer
104 Zweite Schicht104 Second shift
105 Deckschicht105 top layer
200 Halbleiterlaser200 semiconductor lasers
201 Substrat201 substrate
202 Silizium-Germanium-Kohlenstoff 203 Lichtaktives Material 204 Deckschicht 205 Pfeil 202 silicon-germanium-carbon 203 light-active material 204 top layer 205 arrow

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleiterbauelement mit1. Semiconductor device with
• einem Substrat , • einer auf dem Substrat aufgebrachten ersten Schicht mit Siι_x--yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 y < 1 und x + y < 1, ® einer auf der ersten Schicht aufgebrachten lichtaktiven• a substrate, • a first layer applied to the substrate with Siι_ x --yGe x Cy with 0 <x <1 and 0 y <1 and x + y <1, ® a light-active applied on the first layer
Schicht aus einem Material mit direkter Bandlücke, und β einer auf der lichtaktiven Schicht aufgebrachten zweiten Schicht mit Siι_s--tGesCt mit 0 < s < 1 und 0 < t < 1 und s + t < 1.Layer of a material with a direct band gap, and β of a second layer applied to the light-active layer with Siι_ s --tGe s C t with 0 <s <1 and 0 <t <1 and s + t <1.
2. Halbleiterbauelement mit ® einem Substrat, ® mindestens einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht mit Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 y < 1 und x + y < 1,2. Semiconductor component with ® a substrate, ® at least one layer applied to the substrate with Siι_ x _yGe x C y with 0 <x <1 and 0 y <1 and x + y <1,
• in die Schicht eingebrachtem lichtaktiven Material mit direkter Bandlücke.• Light-active material with a direct band gap introduced into the layer.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem das lichtaktive Material als Quantendots in die Schicht eingebracht ist.3. The semiconductor component as claimed in claim 2, in which the light-active material is introduced into the layer as quantum dots.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substrat Si oder Siι_ _yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 enthält.4. Semiconductor component according to one of claims 1 to 3, in which the substrate contains Si or Siι_ _yGe x Cy with 0 <x <1 and 0 <y <1 and x + y <1.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material mit direkter Bandlücke ein III-V-5. Semiconductor component according to one of claims 1 to 4, wherein the material with a direct band gap is a III-V
Halbleitermaterial ist.Is semiconductor material.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem das Material mit direkter Bandlücke InaGaι--aAΞ]DSbι--]D mit 0 < a < 1 und 0 < b < 1 ist. 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the material with a direct band gap In a Gaι-- a AΞ] D Sbι--] D with 0 <a <1 and 0 <b <1.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material mit direkter Bandlücke ein II-VI- Halbleitermaterial ist.7. A semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the material with a direct band gap is a II-VI semiconductor material.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem das Material mit direkter Bandlücke Hg^ (CdeTeι_e) _< mit 0 < d < 1 und 0 < e < 1 ist.8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the material with a direct band gap Hg ^ (Cd e Teι_ e ) _ < with 0 <d <1 and 0 <e <1.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die erste Schicht und die zweite Schicht das gleiche Material enthalten.9. The semiconductor component according to one of claims 1 to 8, wherein the first layer and the second layer contain the same material.
10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die erste Schicht und/oder die zweite Schicht oder die auf dem Substrat aufgebrachte Schicht Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 0 , 5 und 0 < y < 0,1 enthält .10. Semiconductor component according to one of claims 1 to 9, in which the first layer and / or the second layer or the layer applied to the substrate Siι_ x _yGe x Cy with 0 <x <0, 5 and 0 <y <0.1 contains.
11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer auf der zweiten Schicht oder der auf dem Substrat aufgebrachten Schicht aufgebrachten Deckschicht.11. Semiconductor component according to one of claims 1 to 10, with a cover layer applied to the second layer or to the layer applied to the substrate.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Deckschicht Si oder Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 enthält .12. The semiconductor component according to claim 11, wherein the cover layer Si or Siι_ x _yGe x Cy with 0 <x <1 and 0 <y <1 and x + y <1 contains.
13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Dicke des Halbleiterbauelements geringer ist als eine kritische Dicke, bei der Versetzungen innerhalb des Halbleiterbauelements ausgebildet werden.13. The semiconductor component according to one of claims 1 to 12, wherein the thickness of the semiconductor component is less than a critical thickness at which dislocations are formed within the semiconductor component.
14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Halbleiterbauelement ein Halbleiterlaser oder eine Leuchtdiode ist.14. The semiconductor component according to one of claims 1 to 13, in which the semiconductor component is a semiconductor laser or a light-emitting diode.
15. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, • bei dem auf einem Substrat eine erste Schicht mit Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 aufgebracht wird,15. A method for producing a semiconductor component, In which a first layer with Siι_ x _yGe x Cy with 0 <x <1 and 0 <y <1 and x + y <1 is applied to a substrate,
• bei dem auf der ersten Schicht eine lichtaktive Schicht aus einem Material mit direkter Bandlücke aufgebracht wird, und• in which a light-active layer made of a material with a direct band gap is applied to the first layer, and
• bei dem auf der lichtaktiven Schicht eine zweite Schicht mit Siι_s_ GesCt mit 0 < s < 1 und 0 < t < 1 und s + t < 1 aufgebracht wird.• in which a second layer with Siι_ s _ Ge s Ct with 0 <s <1 and 0 <t <1 and s + t <1 is applied to the light-active layer.
16. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements,16. A method for producing a semiconductor component,
® bei dem auf einem Substrat eine Schicht mit Siι_x_yGexCy mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 und x + y < 1 aufgebracht wird, und • bei dem in die Schicht lichtaktives Material mit direkter Bandlücke eingebracht wird.® in which a layer with Siι_ x _yGe x Cy with 0 <x <1 and 0 <y <1 and x + y <1 is applied to a substrate, and • in which light-active material with a direct band gap is introduced into the layer.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem zum Aufbringen der Schichten zumindest teilweise ein Verfahren der Molekularstrahlepitaxie durchgeführt wird.17. The method according to claim 15 or 16, in which at least partially a method of molecular beam epitaxy is carried out for applying the layers.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem zum Aufbringen der Schichten zumindest teilweise ein Abscheideverfahren aus der Gasphase durchgeführt wird.18. The method according to any one of claims 15 to 17, in which a deposition process from the gas phase is carried out at least partially to apply the layers.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Abscheideverfahren aus der Gasphase eingesetzt wird zum Aufbringen der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht . 19. The method according to claim 18, wherein the deposition process from the gas phase is used to apply the first layer and / or the second layer.
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