WO2007138078A1 - Versetzungsbasierter lichtemitter mit mis-struktur - Google Patents

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WO2007138078A1
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light emitting
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Tzanimir Arguirov
Winfried Seifert
Manfred Reiche
Xuegong Yu
Oleg F. Vyvenko
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Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Institut Für Innovative Mikroelektronik
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Definitions

  • the invention relates to a light-emitting semiconductor component based on silicon and a method for producing such a light-emitting semiconductor component.
  • Infrared spectral ranges are predestined for optical signal processing.
  • the basic material of semiconductor technology is silicon.
  • known, efficient light emitting diodes and laser diodes in the infrared spectral range are not made of silicon, but in particular of Ill-V semiconductors such as gallium arsenide, indium arsenide or Indiumgalliumarsenid. These can only be integrated into silicon-based semiconductor technology in the form of expensive hybrid processes. Such procedures are not granted application opportunities.
  • Silicon has long not been considered to be a suitable base material for light emitters because, unlike, for example, gallium arsenide and many other semiconductor materials, silicon is a so-called indirect semiconductor.
  • indirect semiconductors the energy minimum of the conduction band states, corresponding to the minimum free electron energy, and the energy maximum of the valence band states, corresponding to the minimum free hole energy, as a function of the charge carrier pulse, are not at the same pulse value.
  • V. Kveder et al. achieve an increase in the efficiency of D1 luminescence at room temperature by suppressing non-radiative recombination processes caused by impurities located in the vicinity of the dislocations.
  • Kveder et al. described light-emitting diodes Disadvantage of Kveder et al. described light-emitting diodes is that their luminescence extends over a relatively wide spectral range and also has a pronounced shoulder at higher energies by 0.85 eV. This luminescence is referred to as D2 luminescence. However, it is uninteresting for optoelectronic applications. The by Kveder et. Moreover, all plastically deformed substrates used to make the light-emitting diodes have the disadvantage that the irregular dislocation arrangements contained therein - A -
  • the technical problem underlying the present invention is to further develop such a silicon-based light-emitting semiconductor component that the light emission is particularly intense.
  • a light-emitting semiconductor component having a substrate which has a first interface between a first and a second silicon layer whose ideal imaginary grating structures are relative to one another about a first axis perpendicular to the substrate surface rotated by a rotation angle and tilted about a second axis lying parallel to the substrate surface by a tilt angle such that an offset network is present in the region of the interface, wherein the rotation angle and the tilt angle are selected so that an electroluminescence spectrum of the semiconductor device is an absolute value. Lutes maximum emitted light intensity at either 1, 3 microns wavelength of light or 1, 55 microns optical wavelength.
  • the light-emitting semiconductor device further forms a metal-insulator-semiconductor structure in which the dislocation network is disposed near the insulator-semiconductor interface of the metal-insulator-semiconductor structure.
  • the light emission of the semiconductor device of the present invention is significantly increased over the conventional semiconductor device described.
  • the arrangement of the dislocation network near the insulator-semiconductor interface of the metal-insulator-semiconductor structure is to be understood such that the dislocation network lies in the vicinity of an accumulation zone of majority carriers near the insulator-semiconductor interface.
  • an accumulation zone is formed in the case of a metal insulator-semiconductor (hereinafter also MIS) structure as a result of band bending in the semiconductor material near the insulator-semiconductor interface when a suitable operating voltage is applied. It is based on an attractive potential structure for majority carriers. For example, in the n-type silicon, an electron-attractive potential structure is present at the insulator-semiconductor interface.
  • the invention is further based on the finding that by setting suitable pairs of rotation angle and tilt angle dislocation networks at the first boundary surface are formed, which cause a spectrally limited and intense luminescence, which is mainly caused by the emission or the D3 emission depending on the angle pair.
  • the D1 luminescence covers the spectral range by 1.55 microns and the D3 luminescence covers the spectral range by 1.3 microns. Due to the simultaneous suppression of competing radiative energy relaxation processes, the quantum efficiency of the light emission increases in the respectively optimized luminescence region, ie either in the region of D1 luminescence or in the region of D3 luminescence.
  • absolute maximum of the emitted light intensity refers to the spectral range between 0.7 and 1.2 eV in terms of the intensity comparison with other light emissions, ie it covers the range of the known D-luminescences and the light emissions with energies
  • An intensity comparison with light emissions lying between 0.7 and 1.2 eV outside this spectral range plays no part in the definition of the light-emitting semiconductor component of the present invention.
  • the dislocation network is located at a distance of 10 to 200 nanometers from the insulator-semiconductor interface. Higher light emission intensities can be achieved when the dislocation network is located at a distance of 20 to 100 nanometers from the insulator-semiconductor interface. The best results to date have been achieved in semiconductor devices where the dislocation network is located at a distance of 30 to 60 nanometers from the insulator-semiconductor interface.
  • the light-emitting semiconductor component preferably forms a metal-insulator-semiconductor diode (MIS diode). In this case, a titanium layer is preferably used as the metal layer of the metal-insulator-semiconductor structure. Other metallically conductive materials described in the prior art should also be suitable.
  • the thickness of the insulator layer is preferably 2 to 10 nanometers. In an alternative embodiment, the thickness of the insulator layer is 1 to 5 nanometers. The thickness should be selected to allow tunneling of minority carriers from the metal through the insulator into the semiconductor at normal operating voltages.
  • the selection of a suitable angle pair plays a major role in the realization of the semiconductor device of the present invention. Numerous pairs of angles have proven to be unsuitable for highlighting the D1 or D3 emission. Preferably, the angle pair is set such that either essentially only the D1 or essentially only the D3 emission in the spectral range between 0.7 and 1.1 eV can be observed in the electroluminescence of the semiconductor component. "Substantially” means: Minor contributions from other luminescences or radiating band-band recombination can often not be prevented, but do not diminish the usability of a particular pair of angles.
  • the angle of rotation between 1, 1 ° and 1, 5 ° and the tilt angle between 0.6 ° and 0.7 °.
  • the light-emitting semiconductor component of this exemplary embodiment it is possible to clearly emphasize the D1 emission with respect to the emissions D2 to D4 and with respect to the band-band emission line at 1.1 eV. To this Way, the spectral width of the electroluminescence of the semiconductor device is significantly reduced. In addition, due to the suppression of competing radiative energy relaxation processes, the quantum efficiency of light emission in the region of D1 luminescence increases.
  • the angle of rotation is 1, 3 °.
  • the tilt angle is 0.64 °.
  • the angle of rotation is 1, 3 ° and the tilt angle 0.64 °.
  • the first and second silicon layers are preferably formed by two silicon wafers with (IOO) surfaces.
  • the angle of rotation and the tilt angle can be manufactured and determined with an accuracy of at least 0.1 °.
  • the angle of rotation between 8.9 ° and 9.1 ° and the tilt angle between 0.1 ° and 0.3 °.
  • This embodiment also succeeds in producing a dislocation network at the first interface which causes intense luminescence, predominantly caused by the D1 emission.
  • the angle of rotation is preferably 9.0 °. More preferably, the tilt angle is 0.2 °. Particularly preferably, the angle of rotation is 9.0 ° and the tilt angle is 0.2 °.
  • the rotation angle is between see 8.1 and 8.3 ° and the tilt angle between 0.1 ° and 0.3 °.
  • the surfaces are preferably connected by means of a wafer bonding method.
  • dislocation networks can be made by means of plastic deformation, cf. the works of Kveder quoted at the beginning.
  • An alternative is the generation of misfit dislocations upon deposition of layers with different lattice constants, such as silicon germanium layers on a silicon substrate.
  • Dislocation networks can also be created by implantation of ions and subsequent annealing steps. This can result in perfect or imperfect dislocation loops or rod-like defects.
  • wafer bonding offers the advantage of precisely setting the turning and tilting angles, thus producing particularly regular and well reproducible dislocation networks.
  • the second axis defining the tilt of the first and second silicon layers to each other is parallel or approximately parallel to a ⁇ 110> direction of the wafers.
  • Preferred embodiments of the semiconductor light emitting device of the present invention are embodied as a light emitting diode or a laser diode. This includes, in particular, a suitable contacting of the p and n regions, which can be applied by conventional methods. As is known, the production of a laser diode requires the additional creation of a resonator, which succeeds, for example, by mirroring the substrate edges or alternatively the substrate surfaces.
  • a further aspect of the invention resides in the use of a silicon substrate which has a first interface between a first and a second silicon layer, whose ideal imaginary grating structures are rotated relative to one another about a first axis perpendicular to the substrate surface by an angle of rotation and about a second parallel to the second Substrate surface tilted by a tilt angle, such that in the region of the interface is an offset network, the angle of rotation and tilt angle are chosen so that an electroluminescence of the semiconductor device an absolute maximum of the emitted light intensity at either 1, 3 micrometers wavelength of light or 1, 55 micrometers optical wavelength, for producing a light-emitting semiconductor device according to the first aspect of the invention or one of the embodiments of such a semiconductor device described herein. Further details and embodiments of the present invention will be explained below with reference to the figures. Show it:
  • FIG. 1 shows a perspective view of two silicon wafers for explaining the geometric conditions in the wafer bonding method.
  • FIG. 2 shows, in four subfigures a) to d), essential process steps in the production of the substrate for an exemplary embodiment of a light emitter according to the invention.
  • FIG. 3 shows a transmission electron micrograph of a dislocation network in a light emitter according to the invention.
  • FIG. 4 shows photoluminescence spectra of a light emitter according to the invention at different temperatures.
  • Fig. 5 shows luminescence spectra of two further dislocation networks at alternative angle pairs.
  • FIG. 6 shows a schematic band diagram of an embodiment of an MIS light-emitting diode according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a schematic band diagram of an embodiment of an MIS light-emitting diode according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 8 shows electroluminescence spectra of an embodiment of an MIS light emitting diode according to the invention at different current levels.
  • FIG. 9 shows a current-voltage characteristic of the embodiment of FIG. 8.
  • FIG. 1 shows in a schematic three-dimensional view two wafers 100 and 102 which are used for the production of the substrate of a light emitter according to the invention.
  • wafer 100 is a (IOO) silicon wafer
  • hydrogen ions or helium ions are introduced into the implanted layer 104 extends over a depth of about 200 nm from the substrate surface.
  • the wafer 102 is also a (IOO) silicon wafer. Unlike the wafer 100, however, its two surfaces 106 and 108 are not parallel to each other, but are tilted by a small angle ⁇ KIPP to each other. In English, this tilting is referred to as "ti It.” The axis about which the surface 108 is tilted to the surface 106 is parallel to the ⁇ 110> direction and indicated by a dashed line 110.
  • a dashed line 1 18 shows a rotation axis perpendicular to the substrate surface 106.
  • the rotation angle ⁇ DREH 1, 3 ° and the tilt angle ⁇ KIPP is 0.64 °.
  • the angles refer to a scale between 0 and 360 °. However, it can be assumed that further combinations of rotation and tilt angle lead to a similarly narrow and intense light emission in the area of the D1 luminescence.
  • FIG. 2 shows essential process steps in the production of the substrate of a light emitter according to the invention.
  • first process step is hydrogen with a dose of 1 x 10 16 - cm "2 implanted in the wafer 100 1 x 10 17 to give rise to the near-surface layer 104 This is shown in Figure 2a).
  • the near-surface layer 104 is separated from the rest of the substrate 100 in a later method step, the result of which is shown in FIG. 2d) (so-called "smart-cut" method).
  • the prepared wafer 100 with the surface layer 104 is applied at the bottom to the wafer 102, whose surface 108 comes into contact with the layer 104. Due to atomic dimensions of clean and smooth surfaces, substrates 100 and 102 adhere to each other, with intermolecular forces such as van der Waals forces or hydrogen bonds causing adhesion. By a subsequent temperature treatment of the resulting substrate 200, the adhesion is enhanced. At the same time, the layer 105 is blown off the substrate 200 with the aid of a smart-cut process.
  • FIG. 2 d) shows as a result the thus prepared substrate 200, which is formed from the wafer 102 and the layer 104 of the wafer 100.
  • the interface between the layer 104 and the layer 102 is at a distance from the substrate surface which is greater than 200 nm.
  • the described smart-cut method can be applied.
  • alternative methods are known which allow separation of the substrate 100 from the layer 104.
  • the layer 104 can be formed with any thickness, whereby the interface with the substrate 102 gets a freely selectable depth. For example, it is conceivable that, depending on the doping profile, a greater distance of the barrier layer from the interface with the dislocation network has a positive influence on the excess charge carrier concentration and thus on the intensity or quantum efficiency of the light emission.
  • Figure 3 shows a transmission electron micrograph of a dislocation network at the interface between the layer 104 and the wafer 100 of the substrate 200.
  • Recognizable is a regular pattern of dark offset dislocation lines having a distance d of about 20 nm from each other.
  • the dislocation network shown in Figure 3 is formed using a rotation angle ⁇ DREH VO ⁇ 1, 3 ° and a tilt angle ⁇ KIPP of 0.64 °.
  • Figure 4 shows photoluminescence spectra of the substrate 200 when excited with light of energy above the band edge of silicon. Shown are three photoluminescence spectra in the spectral range between about 0.75 eV and 1.3 eV. A solid line spectrum was recorded at a substrate temperature of 80K. A spectrum indicated by a dashed line was taken at a substrate temperature of 140K. A spectrum shown by a dotted line was recorded at a temperature of 290K. Shown is the photoluminescence intensity in any linear units as a function of the energy of the emitted photons. It is clearly recognizable that the luminescence spectrum has only one clearly recognizable luminescence peak at all three temperatures which can be unambiguously identified as D1 luminescence on the basis of its energetic position.
  • the maximum of the D1 luminescence is at room temperature at an energy of just under 0.8 eV, ie exactly in the spectral range of particular interest for optoelectronic applications.
  • the luminescence spectrum shows an extremely low asymmetry of the line shape at room temperature, which suggests only minimal contributions of the D2 luminescence to the light emission. At lower temperatures, D2 luminescence is imperceptible.
  • band-band recombination does not appreciably contribute to the luminescence of the substrate.
  • Such a light-emitting diode can be incorporated directly into the silicon-based semiconductor technology.
  • the pn junction is Preferably arranged so that the dislocation network, in the presence of multiple interfaces, the dislocation networks, outside of a form in Flußpolung of the semiconductor device barrier layer or lie.
  • the maximum of the D1 luminescence is about 0.36 eV below the energy of the silicon band gap. This distance also remains constant with increasing temperature at which, as is known, the energy of the band gap decreases.
  • FIG. 5 shows luminescence spectra of two further dislocation networks with alternative angle pairs.
  • FIG. 5a shows a luminescence spectrum of a dislocation network which results from setting a rotation angle of 9 ° and a tilt angle of 0.2 °. The spectrum was recorded at a temperature of 80K. Even at this angle, the D1 luminescence dominates, although not as clearly as in the case of the example of FIG. 4.
  • FIG. 5b shows a luminescence spectrum of an offset network which results from setting a rotation angle of 8.2 ° and a tilt angle of 0.2 °.
  • D3 emission dominates the luminescence spectrum recorded at 80K.
  • Contributions of other luminescences such as D1 emission and band-band emission are comparatively small. With this angle combination, therefore, it is possible to produce a light-emitting semiconductor component which emits predominantly at 1.3 micrometers of optical wavelength.
  • FIG. 6 shows a schematic band diagram of an MIS light-emitting diode 600 according to an embodiment of the invention.
  • the diagram of FIG. 6 corresponds to a light-emitting semiconductor component in the form of an MIS diode with a semiconductor region S formed by an n-doped silicon substrate.
  • the insulator region I which is formed, for example, of a silicon dioxide layer a few nanometers thick, is followed by a metal layer M, which is made of titanium, for example.
  • the metal layer M and the substrate formed by the semiconductor region S have contact structures (not shown here) which serve to apply an electrical voltage to the component.
  • the graph of Fig. 6 has a Y axis on which the energy is plotted in arbitrary linear units.
  • the depiction is purely schematic in nature and does not accurately reflect actual amounts of energy or relationships between different energies.
  • the band diagram of the semiconductor region S is known to have a band gap of approximately 1.1 eV between the upper edge of the valence band with the energy E v and the lower edge of the conduction band with the energy E c . Due to its n-doping, the Fermi energy E F of the semiconductor material is closer to the conduction band than to the valence band.
  • this accumulation zone 604 corresponds to the region of curved band edge profiles in the semiconductor region S close to the interface 602.
  • the curve of the lower band edge bent toward lower energies represents an attractive potential for electrons.
  • the dislocation network D is arranged in this area and leads - possibly after a non-radiative energy relaxation of the holes to the valence band upper edge - to an effective capture of charge carriers and for the radiative recombination of electrons and holes with emission of photons of the respectively dominant luminescence of the dislocation network, ie either the D1 luminescence or the D3 luminescence.
  • FIG. 7 shows a schematic band diagram of an exemplary embodiment of an MIS light-emitting diode 700 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the diagram of FIG. 7 shows an alternative embodiment in which, in comparison with FIG. 6, p-doped silicon in the semiconductor region S is used instead of n-doped silicon. Otherwise, the structure of the semiconductor device and the arrangement of the dislocation network D according to the example explained with reference to FIG. 6.
  • an accumulation zone 704 is created for holes at the interface 702 between the insulator region and the semiconductor region S.
  • a tunnel current of electrons occurring during operation through the insulator region I also leads to this Case of a radiative recombination with emission of photons of D1 or D3 luminescence, depending on the selected pair of rotation and tilt angle.
  • FIG. 8 shows a diagram in which the electroluminescence intensity of an MIS light-emitting diode structure according to the example described in connection with FIG. 6 is plotted as a function of the wavelength at different current intensities.
  • the silicon substrate is configured for D1 luminescence.
  • Fig. 9 shows a current-voltage characteristic of the embodiment of Fig. 8.
  • the LED shows a typical diode characteristic which increases exponentially above about 0.5 Volts. The characteristic was recorded at a temperature of 300 Kelvin.

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Abstract

Licht emittierendes Halbleiterbauelement (600) mit einem Substrat (S, 200), das eine erste Grenzfläche zwischen einer ersten (100) und einer zweiten (102) Siliziumschicht aufweist, deren als ideal gedachte Gitterstrukturen relativ zueinander um eine senkrecht zur Substratoberfläche stehende erste Achse (118) um einen Drehwinkel verdreht und um eine zweite parallel zur Substratoberfläche (108) liegende Achse um einen Kippwinkel verkippt sind, derart, dass im Bereich der Grenzfläche ein Versetzungsnetzwerk (D) vorliegt, wobei der Drehwinkel und der Kippwinkel so gewählt sind, dass ein Elektrolumineszenzspektrum des Halbleiterbauelements (600) ein absolutes Maximum der emittierten Lichtintensität bei entweder 1,3 Mikrometern Lichtwellenlänge oder 1,55 Mikrometern Lichtwellenlänge aufweist.

Description

Berlin, 30. Mai 2007
Unser Zeichen: IB 131 1 -03WO LE/jwd
Durchwahl: 030/841 887 16
Anmelder/Inhaber: IHP GMBH Amtsaktenzeichen: Neuanmeldung
IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics / Institut für innovative Mikroelektronik
Im Technologiepark 25, D-15236 Frankfurt (Oder)
Versetzungsbasierter Lichtemitter mit MIS-Struktur
Die Erfindung betrifft ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement auf Siliziumbasis und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Licht emittierenden Halbleiterbauelements.
Die Entwicklung der Halbleitertechnologie weist in Richtung höherer Integrationsdichte integrierter Schaltungen und schnellerer Signalverarbeitung. Zukünftige integrierte Schaltungen werden voraussichtlich daher nicht mehr allein auf elektronischer Signalerzeugung und Signalverarbeitung beruhen, sondern zunehmend optische und optoelektronische Bauelemente integrieren, um eine weitere Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine Reduzierung der Verlustleistung zu erzielen. Weiterhin wird angestrebt, durch Multiplexing optischer Signale in Wellenleitern auf dem Chip die architektonische Komplexität zu verringern. Für die optische Signalverarbeitung sind infrarote Spektralbereiche prädestiniert. Basismaterial der Halbleitertechnologie ist Silizium. Bekannte, effiziente Leucht- und Laserdioden im infraroten Spektralbereich sind jedoch nicht aus Silizium, sondern insbesondere aus Ill-V-Halbleitern wie Galliumarsenid, Indiumarsenid oder Indiumgalliumarsenid hergestellt. Diese sind nur in Form aufwändiger Hyb- ridverfahren in die siliziumbasierte Halbleitertechnologie integrierbar. Solchen Verfahren werden keine Anwendungschancen eingeräumt.
Silizium ist lange Zeit nicht als geeignetes Basismaterial für Lichtemitter angesehen worden, weil Silizium im Gegensatz zu beispielsweise Galliumarsenid und vielen anderen Halbleitermaterialien ein so genannter indirekter Halbleiter ist. Bei indirekten Halbleitern liegen das Energieminimum der Leitungsbandzustände, entsprechend der minimalen Energie freier Elektronen, und das Energiemaximum der Valenzbandzustände, entsprechend der minimalen Energie freier Löcher, als Funktion des Ladungsträgerimpulses betrachtet nicht bei demselben Impulswert. Da ein Photon bekanntlich praktisch impulsfrei ist, muss die Impuls- erhaltung bei der strahlenden Rekombination von freien Elektron-Loch-Paaren im Silizium durch eine Wechselwirkung der Ladungsträger mit dem Kristallgitter gewährleistet werden, nämlich durch die Erzeugung von impulsbehafteten Gitterwellen in Form eines oder mehrerer Phononen. Die Vernichtung eines freien Elektron-Lochpaares unter Lichtemission erfordert im Silizium also die Erzeugung eines Phonons zusätzlich zum erwünschten Photon. Ein solcher Prozess hat eine geringere Wahrscheinlichkeit als die unmittelbare Erzeugung allein eines Photons, wie sie in so genannten direkten Halbleitern wie Galliumarsenid erfolgt, bei denen die Energieminima von Elektronen und Löchern auf denselben Impulswert fallen.
Trotzdem sind in jüngerer Zeit effiziente, auf Band-Band-Rekombination beruhende Lichtemitter auf Siliziumbasis entwickelt worden, vgl. beispielsweise die DE 10 2004 042 997 A1 der Anmelderin.
Für die optoelektronische Anwendung sind jedoch insbesondere Lichtemitter im spektralen Fenster um 1 ,5 μm (etwa 0,8 eV) oder im spektralen Fenster um 1 ,3 μm (etwa 0,94 eV) erforderlich. Diese Spektralgebiete sind unter Ausnutzung einer strahlenden Band-Band-Rekombination nur mit einer Silizium-Germanium- Legierung mit hohen Germaniumanteil erreichbar. Die für die erforderliche Lichtausbeute benötigte Defektarmut ist in solchen Legierungen jedoch nur schwer realisierbar.
Alternative Ansätze verfolgen daher eine „Züchtung" bekannter niederenergeti- scher Lichtemissionen des Silizium, die nach heutigem Wissensstand auf Kristalldefekte wie Versetzungen zurückzuführen sind. Da die an der Lichtemission beteiligten Energieniveaus an den Defekten lokalisiert sind, können die Energierelaxationsprozesse, die zur Lichtemission führen, ohne Phononenbeteiligung stattfinden.
Aus der Veröffentlichung von V. Kveder, M. Badylevitch et al., „Room- temperature Silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence", Applied Physics Letters, Volume 84, Number 12, Seiten 2106 - 2108 ist eine Leuchtdiode bekannt, die bei Raumtemperatur eine Elektrolumineszenz zeigt, die von der sogenannten D1-Linie dominiert wird. Die D1 -Lumineszenz im Silizium wird nach derzeit vorherrschender Meinung von strahlenden Energierelaxationsprozessen an Versetzungsstrukturen hervorgerufen, vgl. T. Sekiguchi, S. Ito, A. Kanai, „Cathodoluminescence study on the tilt and twist boundaries in bonded Silicon wafers", Materials Science and Engeneering B 91-92 (2002), Seiten 244 - 247.
V. Kveder et al. erzielen eine Erhöhung der Effizienz der D1 -Lumineszenz bei Raumtemperatur durch die Unterdrückung nicht strahlender Rekombinationsprozesse, die von Verunreinigungen hervorgerufen werden, welche in der Umgebung der Versetzungen lokalisiert sind.
Nachteil der von Kveder et al. beschriebenen Leuchtdioden ist, dass sich ihre Lumineszenz über einen relativ weiten Spektralbereich erstreckt und auch eine ausgeprägte Schulter bei höheren Energien um 0,85 eV hat. Diese Lumineszenz wird als D2-Lumineszenz bezeichnet. Sie ist jedoch für optoelektronische Anwendungen uninteressant. Die von Kveder et. al zur Herstellung der Leuchtdioden verwendeten plastisch deformierten Substrate haben darüber hinaus den Nachteil, dass die darin enthaltenen unregelmäßigen Versetzungsanordnungen - A -
nach derzeitigem Stand der Technik nicht ausreichend reproduzierbar hergestellt werden können.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2006/117389 A1 , die am Anmeldetag der vorliegenden Patentanmeldung noch unveröffentlicht war, und M. Kittler et al. „Silikon-based light emitters" in: phys. Stat. SoI. (a) 203, No. 4, (Feb. 2006), S. 802-809 ist es bekannt, ein Versetzungsnetzwerk in einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement vorzusehen, das an einer Grenzfläche zwischen einer ersten und einer zweiten Siliziumschicht angeordnet ist. Die als ideal gedachten Gitterstrukturen der beiden Siliziumschichten sind relativ zueinander um eine senkrecht zur Substratoberfläche stehende erste Achse um einen Drehwinkel verdreht und um eine zweite, parallel zur Substratoberfläche liegende Achse um einen Kippwinkel verkippt. Der Drehwinkel und der Kippwinkel sind so ausgewählt, dass ein Elektrolumineszenzspektrum des Halbleiterbauelements ein absolutes Maximum der emittierten Lichtintensität bei entweder 1 ,3 Mikrome- tern Lichtwellenlänge oder 1 ,55 Mikrometern Lichtwellenlänge aufweist. Bei diesem Lichtemitter werden die Lichtemissionen je nach Winkelpaar ganz überwiegend von der D1 -Emission oder von der D3-Emission des Siliziums hervorgerufen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, ein derartiges siliziumbasiertes Licht emittierendes Halbleiterbauelement so weiter zu bilden, dass die Lichtemission besonders intensiv ist.
Dieses technische Problem wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einem Substrat gelöst, das eine erste Grenzfläche zwischen einer ersten und einer zweiten Siliziumschicht auf- weist, deren als ideal gedachte Gitterstrukturen relativ zueinander um eine senkrecht zur Substratoberfläche stehende erste Achse um einen Drehwinkel verdreht und um eine zweite parallel zur Substratoberfläche liegende Achse um einen Kippwinkel verkippt sind, derart, dass im Bereich der Grenzfläche ein Versetzungsnetzwerk vorliegt, wobei der Drehwinkel und der Kippwinkel so gewählt sind, dass ein Elektrolumineszenzspektrum des Halbleiterbauelements ein abso- lutes Maximum der emittierten Lichtintensität bei entweder 1 ,3 Mikrometern Lichtwellenlänge oder 1 ,55 Mikrometern Lichtwellenlänge aufweist.
Das erfindungsgemäße Licht emittierende Halbleiterbauelement bildet weiterhin eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur, bei der das Versetzungsnetzwerk nahe der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche der Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur angeordnet ist.
Die Lichtemission des Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung ist gegenüber dem beschriebenen bekannten Halbleiterbauelement deutlich erhöht.
Die Anordnung des Versetzungsnetzwerks nahe der Isolator-Halbleiter- Grenzfläche der Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur ist im Sinne der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass das Versetzungsnetzwerk im Bereich einer Akkumulationszone von Majoritätsladungsträgern nahe der Isolator-Halbleiter- Grenzfläche liegt. Eine solche Akkumulationszone bildet sich bei einer Metall- lsolator-Halbleiter-(nachfolgend auch MIS)-Struktur infolge einer Bandverbiegung im Halbleitermaterial nahe der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche bei Anliegen einer geeigneten Betriebsspannung. Sie beruht auf einer anziehende Potentialstruktur für Majoritätsladungsträger. Beispielsweise ist im n-Typ Silizium an der Isolator- Halbleiter-Grenzfläche eine für Elektronen anziehende Potentialstruktur vorhanden.
Bei Anlegen einer geeigneten Spannung können Minoritätsladungsträger aus dem Metall durch den Isolator in den Halbleiter tunneln und rekombinieren dann mit hoher Wahrscheinlichkeit im Bereich der Akkumulationszone. Aufgrund der Anordnung des Versetzungsnetzwerks im Bereich oder in der Nähe der Akkumulationszone findet die Rekombination überwiegend über strahlende Rekombinati- onskanäle statt, die das Vernetzungsnetzwerk bereitstellt. Je nach gewählter Kombination von Dreh- und Kippwinkel wird dabei erfindungsgemäß entweder die D1 -Lumineszenz oder die D3-Lumineszenz stark hervorgehoben.
Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, dass durch Einstellung geeigneter Paare von Drehwinkel und Kippwinkel Versetzungsnetzwerke an der ersten Grenzfläche gebildet werden, die eine spektral begrenzte und intensive Lumineszenz hervorrufen, die je nach Winkelpaar ganz überwiegend von der Di- Emission oder von der D3-Emission hervorgerufen wird. Dabei deckt die D1 -Lumineszenz den spektralen Bereich um 1 ,55 Mikrometer ab und die D3-Lumi- neszenz den Spektralbereich um 1 ,3 Mikrometer. Aufgrund der gleichzeitig erzielten Unterdrückung konkurrierender strahlender Energierelaxationsprozesse erhöht sich die Quanteneffizienz der Lichtemission im jeweils optimierten Lumineszenzbereich, also entweder im Bereich der D1 -Lumineszenz oder im Bereich der D3-Lumineszenz.
Der Begriff „absolutes Maximum der emittierten Lichtintensität" bezieht sich, was den Intensitätsvergleich mit anderen Lichtemissionen angeht, auf den spektralen Bereich zwischen 0,7 und 1 ,2 eV, erfasst also den Bereich der an sich bekannten D-Lumineszenzen und der Lichtemissionen mit Energien nahe der Bandlückenenergie des Silizium von etwa 1 ,1 eV. Ein Intensitätsvergleich mit außerhalb dieses Spektralbereiches zwischen 0,7 und 1 ,2 eV liegenden Lichtemissionen spielt für die Definition des Licht emittierenden Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung keine Rolle.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Licht emittierenden Halbleiterbauelements erläutert. Soweit Ausführungsbeispiele nicht als alternativ gekennzeichnet sind, können sie miteinander kombiniert werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Versetzungsnetzwerk mit einem Abstand von 10 bis 200 Nanometern von der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche angeordnet. Höhere Lichtemissionsintensitäten können erzielt werden, wenn das Versetzungsnetzwerk mit einem Abstand von 20 bis 100 Nanometern von der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche angeordnet ist. Die bisher besten Ergebnisse wurden in Halbleiterbauelementen erzielt, bei dem das Versetzungsnetzwerk mit einem Abstand von 30 bis 60 Nanometern von der Isolator-Halbleiter- Grenzfläche angeordnet ist. Bevorzugt bildet das Licht emittierende Halbleiterbauelement eine Metall-Isolator- Halbleiter-Diode (MIS-Diode). Hierbei wird als Metallschicht der Metall-Isolator- Halbleiter-Struktur bevorzugt eine Titanschicht verwendet. Andere metallisch leitfähige Materialien, die im Stand der Technik beschrieben sind, sollten ebenso geeignet sein.
Als Isolator kann beispielsweise Siliziumdioxid verwendet werden. Auch hier können andere Materialien gleich oder sogar besser geeignet sein. Die Dicke der Isolatorschicht beträgt vorzugsweise 2 bis 10 Nanometer. In einem alternativen Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Isolatorschicht 1 bis 5 Nanometer. Die Dicke sollte so gewählt werden, dass ein Tunneln von Minoritätsladungsträgern aus dem Metall durch den Isolator in den Halbleiter bei normalen Betriebsspannungen möglich ist.
Die Auswahl eines geeigneten Winkelpaares spielt für die Realisierung des Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung eine große Rolle. Zahlreiche Win- kelpaare haben sich als nicht geeignet herausgestellt, die D1- oder die D3- Emission hervorzuheben. Vorzugsweise ist das Winkelpaar derart eingestellt, dass in der Elektrolumineszenz des Halbleiterbauelements entweder im wesentlichen nur die D1- oder im wesentlichen nur die D3-Emission im Spektralbereich zwischen 0,7 und 1 ,1 eV zu beobachten ist. „Im wesentlichen" bedeutet: Gering- fügige Beiträge anderer Lumineszenzen oder der strahlenden Band-Band- Rekombination können oft nicht verhindert werden, schmälern die Nutzbarkeit eines betreffenden Winkelpaars jedoch nicht.
Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Drehwinkel zwischen 1 ,1 ° und 1 ,5° und der Kippwinkel zwischen 0,6° und 0,7°. Auf diese Weise entsteht an der ersten Grenzfläche ein Versetzungsnetzwerk, das eine spektral begrenzte und intensive Lumineszenz hervorruft, die ganz überwiegend von der D1 -Emission hervorgerufen wird.
Mit dem Licht emittierenden Halbleiterbauelement dieses Ausführungsbeispiels gelingt es, die D1 -Emission gegenüber den Emissionen D2 bis D4 sowie gegen- über der Band-Band-Emissionslinie bei 1 ,1 eV deutlich hervorzuheben. Auf diese Weise wird die spektrale Breite der Elektrolumineszenz des Halbleiterbauelements deutlich reduziert. Darüber hinaus erhöht sich aufgrund der Unterdrückung konkurrierender strahlender Energierelaxationsprozesse die Quanteneffizienz der Lichtemission im Bereich der D1 -Lumineszenz.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Licht emittierenden Halbleiterbauelements erläutert.
Bevorzugt beträgt der Drehwinkel 1 ,3°.
Weiter bevorzugt beträgt der Kippwinkel 0,64°.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Drehwinkel 1 ,3° und der Kippwinkel 0,64°. Dabei sind die erste und zweite Siliziumschicht bevorzugt von zwei Siliziumscheiben mit (I OO)-Oberflächen gebildet. Nach heutiger Fertigungstechnik können der Drehwinkel und der Kippwinkel mit einer Genauigkeit von mindestens 0,1 ° hergestellt und bestimmt werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, anders als (I OO)-orientierte Siliziumscheiben zu verwenden, etwa (11 1 ) oder (01 umorientierte Siliziumscheiben. Jedoch liegen derzeit noch keine Erfahrungen damit vor.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel beträgt der Drehwinkel zwischen 8,9° und 9,1 ° und der Kippwinkel zwischen 0,1 ° und 0,3°. Mit diesem Ausführungsbeispiel gelingt ebenfalls die Herstellung eines Versetzungsnetzwerks an der ersten Grenzfläche, das eine intensive Lumineszenz hervorruft, die überwiegend von der D1 -Emission hervorgerufen wird. Bevorzugt beträgt der Drehwinkel 9,0°. Weiter bevorzugt beträgt der Kippwinkel 0,2°. Besonders bevorzugt beträgt der Drehwinkel 9,0° und der Kippwinkel 0,2°.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel beträgt der Drehwinkel zwi- sehen 8,1 ° und 8,3° und der Kippwinkel zwischen 0,1 ° und 0,3°. Mit diesem Ausführungsbeispiel gelingt es, ein Versetzungsnetzwerk an der ersten Grenzfläche herzustellen, mit dem eine spektral begrenzte und intensive Lumineszenz hervorgerufen werden kann, die ganz überwiegend von der D3-Emission herrührt.
Es ist zu erwarten, dass weitere Wertepaare von Drehwinkeln und Kippwinkeln existieren, die dazu führen, dass das Elektrolumineszenzspektrum des Licht emittierenden Halbleiterbauelements ein absolutes Maximum bei der D1- Emission oder bei der D3-Emission hat.
Für die Intensität der D1 -Lichtemission hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine geringfügige Dekoration des Versetzungsnetzwerks mit Sauerstoff vorliegt.
Die Oberflächen sind bevorzugt mit Hilfe eines Waferbonding-Verfahrens verbunden. Es existieren zwar zahlreiche etablierte Verfahren zur Herstellung von Versetzungen. Beispielsweise können Versetzungsnetzwerke mit Hilfe plastischer Deformation hergestellt werden, vgl. die eingangs zitierten Arbeiten von Kveder. Eine Alternative bietet die Erzeugung von Fehlanpassungsversetzungen (misfit dislocations) bei Abscheidung von Schichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten, wie zum Beispiel von Silizium-Germanium-Schichten auf einem Siliziumsubstrat. Versetzungsnetzwerke können auch durch Implantation von Ionen und anschließende Ausheilungsschritte erzeugt werden. Dabei können perfekte oder nicht perfekte Versetzungsschleifen (dislocation loops) entstehen oder stäbchenförmige Versetzungen (rod-like defects). Alle diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht mit der erforderlichen Präzision kontrollierbar und reproduzierbar sind. Das Waferbonding bietet gegenüber diesen Verfahren den Vorteil, die Dreh- und Kippwinkel präzise einzustellen und auf diese Weise besonders regelmäßige und gut reproduzierbare Versetzungsnetz- werke herzustellen.
Wie die Erfinder in umfangreichen Untersuchungen in Übereinstimmung mit der bekannten Fachliteratur feststellen konnten, haben schon relativ geringfügige Änderungen der Dreh- und Kippwinkel starke Auswirkungen auf die dadurch entstehenden Versetzungsstrukturen und auf die von ihnen hervorgerufenen Lichtemissionen im Bereich der Lumineszenzen D1 bis D4. Bevorzugt ist die zweite Achse, die die Verkippung der ersten und zweiten Siliziumschicht zu einander definiert, parallel oder annähernd parallel zu einer <1 10>-Richtung der Wafer.
Selbstverständlich können jedoch auch separate Dotierungsschritte zur Herstel- lung der p- und n-dotierten Gebiete des Halbleiterbauelements vorgesehen sein. Weitere Einzelheiten der Dotierung werden im Zusammenhang der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand von Figur 2 erläutert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Licht emittierenden Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung sind als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgebil- det. Dies schließt insbesondere eine geeignete Kontaktierung der p- und n- Bereiche ein, die nach geläufigen Methoden aufgebracht werden kann. Die Herstellung einer Laserdiode erfordert bekanntermaßen die zusätzliche Schaffung eines Resonators, was beispielsweise durch eine Verspiegelung der Substratkanten oder alternativ der Substratoberflächen gelingt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung eines Siliziumsubstrats, das eine erste Grenzfläche zwischen einer ersten und einer zweiten Siliziumschicht aufweist, deren als ideal gedachte Gitterstrukturen relativ zueinander um eine senkrecht zur Substratoberfläche stehende erste Achse um einen Drehwinkel verdreht und um eine zweite parallel zur Substratoberfläche liegende Achse um einen Kippwinkel verkippt sind, derart, dass im Bereich der Grenzfläche ein Versetzungsnetzwerk vorliegt, wobei der Drehwinkel und Kippwinkel so gewählt sind, dass ein Elektrolumineszenzspektrum des Halbleiterbauelements ein absolutes Maximum der emittierten Lichtintensität bei entweder 1 ,3 Mikrometern Lichtwellenlänge oder 1 ,55 Mikrometern Lichtwellenlänge aufweist, zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements nach dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele eines solchen Halbleiterbauelements. Weitere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung zweier Siliziumwafer zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse beim Waferbonding-Verfahren.
Figur 2 zeigt in vier Teilfiguren a) bis d) wesentliche Verfahrensschritte bei der Herstellung des Substrats für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtemitters.
Figur 3 zeigt eine transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines Versetzungsnetzwerks in einem erfindungsgemäßen Lichtemitter.
Figur 4 zeigt Photolumiszenzspektren eines erfindungsgemäßen Lichtemitters bei unterschiedlichen Temperaturen.
Fig. 5 zeigt Lumineszenspektren zweier weiterer Versetzungsnetzwerke bei alternativen Winkelpaaren.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Banddiagramm eines Ausführungsbeispiels einer MIS-Leuchtdiode nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Banddiagramm eines Ausführungsbeispiels einer MIS-Leuchtdiode nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 8 zeigt Elektrolumineszenzspektren eines Ausführungsbeispiels einer MIS- Leuchtdiode gemäß der Erfindung bei unterschiedlichen Stromstärken.
Fig. 9 zeigt eine Strom-Spannungskennlinie des Ausführungsbeispiels der Fig. 8.
Figur 1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht zwei Wafer 100 und 102, die für die Herstellung des Substrats eines erfindungsgemäßen Licht- emitters verwendet werden. Beim Wafer 100 handelt es sich um einen (IOO)-Siliziumwafer, in den durch einen Wasserstoffimplantationsschritt mit einer Dosis zwischen 1x1016 - 1x1017 cm"2 Wasserstoffionen oder Heliumionen eingebracht sind. Die implantierte Schicht 104 erstreckt sich über eine Tiefe von etwa 200 nm von der Substrat- Oberfläche aus.
Beim Wafer 102 handelt es sich ebenfalls um einen (IOO)-Siliziumwafer. Anders als beim Wafer 100 sind seine beiden Oberflächen 106 und 108 jedoch nicht parallel zueinander, sondern sind um einen kleinen Winkel ΘKIPP zueinander verkippt. Im Englischen wird diese Verkippung als „ti It" bezeichnet. Die Achse, um die die Fläche 108 zur Oberfläche 106 verkippt ist, liegt parallel zur <110>- Richtung und ist mit einer gestrichelten Linie 110 angedeutet. Der Winkel OKIPP zwischen einem Pfeil 1 12, der sich parallel zur Oberfläche 106 erstreckt und einem Pfeil 114, der sich parallel zur Oberfläche 108 erstreckt, ist zur Verdeutlichung eingezeichnet. Eine gepunktete Linie 1 16 deutet zum Vergleich den Ver- lauf der Unterkante des Wafers 102 in dem gedachten Falle an, in dem beide Oberflächen 106 und 108 parallel zueinander wären. Die Darstellung der Figur 1 ist stark übertrieben, um die geometrischen Verhältnisse deutlich darstellen zu können.
Weiterhin ist mit einer gestrichelten Linie 1 18 eine senkrecht zur Substratoberflä- che 106 stehende Drehachse eingezeichnet. Beim Waferbonden sind der Wafer 100 und der Wafer 102 um einen definierten Winkel ΘDREH um die Drehachse 1 18 gegeneinander verdreht. Diese Verdrehung wird im Englischen als „twist" bezeichnet. Zwei Pfeile 120 und 122 dienen zur Andeutung der unterschiedlichen Ausrichtungen der Wafer 100 und 102 beim Waferbonden, wobei der Pfeil 120 in <1 10>-Richtung zeigt, die an den Wafern 100 und 102 zusätzlich durch Einkerbungen 124 und 126 angezeigt ist.
Bei dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Drehwinkel ΘDREH 1 ,3° und der Kippwinkel ΘKIPP 0,64°. Die Winkelangaben beziehen sich auf eine Skala zwischen 0 und 360°. Es ist jedoch anzunehmen, dass weitere Kombinationen von Dreh- und Kippwinkel zu einer ähnlich schmalen und intensiven Lichtemission im Bereich der D1 -Lumineszenz führen. Figur 2 zeigt wesentliche Verfahrensschritte bei der Herstellung des Substrats eines erfindungsgemäßen Lichtemitters.
Bei der nachfolgenden Beschreibung wird auf die beiden Wafer 100 und 102 der Figur 1 Bezug genommen. Bei dem in Figur 2a) dargestellten ersten Verfahrens- schritt wird Wasserstoff mit einer Dosis von 1 x 1016 - 1 x 1017 cm"2 in den Wafer 100 implantiert, um die oberflächennahe Schicht 104 entstehen zu lassen. Dies ist in Figur 2a) durch Pfeile symbolisiert, die auf die Waferoberfläche gerichtet sind. Die oberflächennahe Schicht 104 wird in einem späteren Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in Figur 2d) dargestellt ist, vom Rest des Substrats 100 getrennt (so genanntes ,,Smart-Cut"-Verfahren).
Bei dem in Figur 2b) dargestellten Verfahrensschritt wird der präparierte Wafer 100 mit der Oberflächenschicht 104 zu unterst auf den Wafer 102 aufgebracht, dessen Oberfläche 108 mit der Schicht 104 in Berührung tritt. Aufgrund in atomaren Dimensionen reiner und glatter Oberflächen haften die Substrate 100 und 102 aneinander, wobei intermolekulare Kräfte wie van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbindungen die Haftung bewirken. Durch eine anschließende Temperaturbehandlung des so entstandenen Substrats 200 wird die Haftung verstärkt. Zugleich wird mit Hilfe eines Smart-Cut-Prozesses die Schicht 105 vom Substrat 200 abgesprengt. Figur 2d) zeigt als Ergebnis das so präparierte Substrat 200, welches aus dem Wafer 102 und der Schicht 104 des Wafers 100 gebildet ist.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel liegt die Grenzfläche zwischen der Schicht 104 und der Schicht 102 in einem Abstand von der Substratoberfläche, der größer ist als 200 nm. Auch bei dieser Variante kann das beschriebene Smart-Cut-Verfahren angewendet werden. Es sind jedoch auch alternative Ver- fahren bekannt, die eine Trennung des Substrats 100 von der Schicht 104 ermöglichen. Damit kann die Schicht 104 mit beliebiger Dicke ausgebildet werden, wodurch die Grenzfläche zum Substrat 102 eine frei wählbare Tiefe bekommt. Es ist beispielsweise denkbar, dass je nach Dotierungsprofil ein größerer Abstand der Sperrschicht von der Grenzfläche mit dem Versetzungsnetzwerk einen positi- ven Einfluss auf die Überschussladungsträgerkonzentration und damit auf die Intensität oder Quanteneffizienz der Lichtemission hat. Figur 3 zeigt eine transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines Versetzungsnetzwerks an der Grenzfläche zwischen der Schicht 104 und dem Wafer 100 des Substrats 200. Erkennbar ist ein regelmäßiges Muster von gegenüber dem Hintergrund dunkel abgesetzten Versetzungslinien, die einen Abstand d von ca. 20 nm voneinander haben. Das in Figur 3 dargestellte Versetzungsnetzwerk entsteht unter Verwendung eines Drehwinkels ΘDREH VOΠ 1 ,3° und eines Kippwinkels ΘKIPP von 0,64°.
Figur 4 zeigt Photolumineszenzspektren des Substrats 200 bei Anregung mit Licht einer Energie oberhalb der Bandkante von Silizium. Dargestellt sind drei Photolumineszenzspektren im Spektralbereich zwischen etwa 0,75 eV und 1 ,3 eV. Ein mit durchgezogener Linie dargestelltes Spektrum wurde bei einer Substrattemperatur von 80 K aufgenommen. Ein mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnetes Spektrum wurde bei einer Substrattemperatur von 140 K aufgenommen. Ein mit einer gepunkteten Linie dargestelltes Spektrum wurde bei einer Temperatur von 290 K aufgenommen. Dargestellt ist jeweils die Photolumineszenzintensität in beliebigen linearen Einheiten als Funktion der Energie der emittierten Photonen. Deutlich erkennbar ist, dass das Lumineszenzspektrum bei allen drei untersuchten Temperaturen nur einen einzigen deutlich erkennbaren Lumineszenzpeak aufweist, der anhand seiner energetischen Lage zweifelsfrei als D1 -Lumineszenz identifiziert werden kann. Das Maximum der D1- Lumineszenz liegt bei Raumtemperatur bei einer Energie von knapp unter 0,8 eV, also genau im für optoelektronische Anwendungen besonders interessanten Spektralbereich. Das Lumineszenzspektrum zeigt bei Raumtemperatur eine äußerst geringe Asymmetrie der Linienform, die auf nur minimale Beiträge der D2-Lumineszenz zur Lichtemission schließen lässt. Bei tieferen Temperaturen ist die D2-Lumineszenz nicht wahrnehmbar.
Auffallend ist auch, dass die Band-Band-Rekombination zur Lumineszenz des Substrats nicht merklich beiträgt. Durch herkömmliche Dotierungs- und Kontak- tierungsverfahren kann aus dem Substrat 200 eine effiziente Leuchtdiode herge- stellt werden, die eine vergleichsweise schmalbandige und intensive Lichtemission bei 1 ,5 μm zeigt. Eine solche Leuchtdiode lässt sich unmittelbar in die siliziumbasierte Halbleitertechnologie einbinden. Dabei wird der pn-Übergang vor- zugsweise so angeordnet, dass das Versetzungsnetzwerk, bei Vorhandensein mehrerer Grenzflächen die Versetzungsnetzwerke, außerhalb einer sich bei Flusspolung des Halbleiterbauelements ausbildenden Sperrschicht liegt bzw. liegen.
Erkennbar ist in der Darstellung der Figur 4 ebenfalls, dass die Intensität der D1- Lumineszenz mit der Temperatur abnimmt. Dieses Verhalten ist für zahlreiche Defektlumineszenzen in Halbleitern typisch und für den Betrieb einer Leuchtoder Laserdiode nicht hinderlich.
Das Maximum der D1 -Lumineszenz liegt um etwa 0,36 eV unterhalb der Energie der Bandlücke des Silizium. Dieser Abstand bleibt auch mit zunehmender Temperatur konstant, bei der bekanntlich die Energie der Bandlücke sinkt.
Figur 5 zeigt Lumineszenzspektren zweier weiterer Versetzungsnetzwerke bei alternativen Winkelpaaren. Figur 5a) zeigt ein Lumineszenzspektrum eines Versetzungsnetzwerks, das durch Einstellung eines Drehwinkels von 9° und eines Kippwinkels von 0,2° entsteht. Das Spektrum wurde bei einer Temperatur von 80 K aufgenommen. Auch bei diesem Winkel dominiert die D1 -Lumineszenz, wenn auch nicht so deutlich wie im Falle des Beispiels der Figur 4.
Figur 5b zeigt dagegen ein Lumineszenzspektrum eines Versetzungsnetzwerks, das durch Einstellung eines Drehwinkels von 8,2° und eines Kippwinkels von 0,2° entsteht. Hier dominiert die D3-Emission das bei 80 K aufgenommene Lumineszenzspektrum. Beiträge anderer Lumineszenzen wie etwa der D1 -Emission und der Band-Band-Emission sind vergleichsweise gering. Mit dieser Winkelkombination kann also ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement hergestellt werden, das überwiegend bei 1 ,3 Mikrometern Lichtwellenlänge emittiert.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Banddiagramm einer MIS-Leuchtdiode 600 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Diagramm der Fig. 6 entspricht einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement in Form einer MIS-Diode mit einem von einem n-dotierten Silizium-Substrat gebildeten Halbleiterbereich S. In diesem Siliziumsubstrat ist in einem Abstand von ca. 50 Nanometern zu einer Grenzfläche 602 zwischen dem Halbleiterbereich S und einem Isolatorbereich I ein Versetzungsnetzwerk D ausgebildet, wie oben ausführlich beschrieben.
An den Isolatorbereich I, der beispielsweise aus einer einige Nanometer dicken Siliziumdioxid-Schicht gebildet wird, schließt sich eine Metallschicht M an, die beispielsweise aus Titan gefertigt ist. Die Metallschicht M und das vom Halbleiterbereich S gebildete Substrat weisen Kontaktstrukturen auf (hier nicht dargestellt), die zum Anlegen einer elektrischen Spannung an das Bauelement dienen.
Das Diagramm der Fig. 6 hat eine Y-Achse, an der die Energie in beliebigen linearen Einheiten aufgetragen ist. Die Darstellung ist rein schematischer Natur und gibt tatsächliche Energiebeträge oder Verhältnisse zwischen unterschiedlichen Energien nicht exakt wirklichkeitsgetreu wieder.
Das Banddiagramm des Halbleiterbereichs S hat bekanntlich zwischen der Oberkante des Valenzbandes mit der Energie Ev und der Unterkante des Leitungsbandes mit der Energie Ec eine Bandlücke von ca. 1.1 eV. Die Fermi-Energie EF des Halbleitermaterials liegt aufgrund seiner n-Dotierung näher am Leitungsband als am Valenzband.
Bei angelegter positiver Spannung besteht an der Grenzfläche 602 zwischen den Halbleiterbereich S und dem Isolatorbereich I eine Akkumulationszone (auch als Anreicherungsschicht bezeichnet) für Majoritätsladungsträger, im vorliegenden Fall also Elektronen. Diese Akkumulationszone 604 entspricht im Banddiagramm der Fig. 6 dem Bereich gebogener Bandkantenverläufe im Halbleiterbereich S nahe der Grenzfläche 602. Der zu geringeren Energien hin gebogene Verlauf der Leitungsbandunterkante stellt ein attraktives Potential für Elektronen dar.
Bei Anlegen einer positiven Betriebsspannung können Löcher aus dem Metallbe- reich M durch die Isolatorschicht I hindurch tunneln und gelangen in den Halbleiterbereich S, wo sie in der Anreicherungsschicht 604 eine hohe Elektronendichte vorfinden. Gleichzeitig ist das Versetzungsnetzwerk D in diesem Bereich angeordnet und führt - ggf. nach einer nicht strahlenden Energierelaxation der Löcher zur Valenzbandoberkante - zu einem effektiven Einfang von Ladungsträgern und zur strahlenden Rekombination von Elektronen und Löchern unter Abgabe von Photonen der jeweils dominierenden Lumineszenz des Versetzungsnetzwerkes, also entweder der D1 -Lumineszenz oder der D3-Lumineszenz.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Banddiagramm eines Ausführungsbeispiels einer MIS-Leuchtdiode 700 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Diagramm der Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem im Vergleich im Fig. 6 anstelle von n-dotiertem Silizium p-dotiertes Silizium im Halbleiterbereich S verwendet wird. Ansonsten ist die Struktur des Halbeiterbauelements sowie die Anordnung des Versetzungsnetzwerks D entsprechend dem anhand von Fig. 6 erläuterten Beispiel.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entsteht bei Anlegen einer negativen Betriebsspannung zwischen Metallbereich M und Halbleiterbereich S eine Akkumulationszone 704 für Löcher an der Grenzfläche 702 zwischen dem Isolatorbereich und dem Halbleiterbereich S. Ein bei Betrieb auftretender Tunnelstrom von Elekt- ronen durch den Isolatorbereich I hindurch führt auch in diesem Fall zu einer strahlenden Rekombination unter Emission von Photonen der D1- oder D3- Lumineszenz, je nach gewähltem Paar von Dreh- und Kippwinkel.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm, in dem die Elektrolumineszenzintensität einer MIS- Leuchtdiodenstruktur entsprechend dem in Verbindung mit Fig. 6 beschriebenen Beispiel als Funktion der Wellenlänge bei unterschiedlichen Stromstärken aufgetragen ist. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das Siliziumsubstrat für eine D1 - Lumineszenz eingerichtet.
Deutlich erkennbar ist in Fig. 8, dass mit zunehmender Stromstärke ein spektral relativ scharfer Elektrolumineszenzpeak im Bereich von etwa 1500 Nanometern Lichtwellenlänge auftritt, exakt entsprechend der D1 -Lumineszenz. Andere Lumineszenzen werden nicht beobachtet. Die dargestellten Spektren wurden bei einer Stickstoffkühlung aufgenommen. Bei höheren Stromstärken (8 mA) ist vermutlich von einer etwas höheren Temperatur als 80 Kelvin auszugehen, weil sich die verwendete Probe aufgrund des relativ hohen Betriebsstroms aufheizen kann. Eine Erhöhung der Temperatur führt in der Regel zu einer Verringerung der Lumineszenzintensität, bei ansonsten gleichbleibenden Betriebsparametern. Daher ist die beobachtete Zunahme der Intensität mit der Stromstärke vermutlich geringer ausgefallen als dies bei konstant gehaltener Temperatur von 80 K der Fall gewesen wäre.
Fig. 9 zeigt eine Strom-Spannungskennlinie des Ausführungsbeispiels der Fig. 8. Die Leuchtdiode zeigt eine typische Diodenkennlinie, die oberhalb von etwa 0,5 VoIt exponentiell ansteigt. Die Kennlinie wurde bei einer Temperatur von 300 Kelvin aufgenommen.

Claims

Ansprüche
1. Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einem Substrat, das eine erste Grenzfläche zwischen einer ersten und einer zweiten Siliziumschicht aufweist, deren als ideal gedachte Gitterstrukturen relativ zueinander um eine senkrecht zur Substratoberfläche stehende erste Achse um einen
Drehwinkel verdreht und um eine zweite parallel zur Substratoberfläche liegende Achse um einen Kippwinkel verkippt sind, derart, dass im Bereich der Grenzfläche ein Versetzungsnetzwerk vorliegt, wobei der Drehwinkel und der Kippwinkel so gewählt sind, dass ein Elektrolumineszenzspektrum des Halbleiterbauelements ein absolutes Maximum der emittierten Lichtintensität bei entweder 1 ,3 Mikrometern Lichtwellenlänge oder 1 ,55 Mikrometern Lichtwellenlänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur bildet, bei der das Versetzungsnetzwerk nahe einer Isolator-Halbleiter-Grenzfläche der Metall- Isolator-Halbleiter-Struktur angeordnet ist.
2. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem das Versetzungsnetzwerk mit einem Abstand von 10 bis 200 Nanometern von der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche angeordnet ist.
3. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem das Versetzungsnetzwerk mit einem Abstand von 20 bis 100 Nanometern von der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche angeordnet ist.
4. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem das Versetzungsnetzwerk mit einem Abstand von 30 bis 60 Nanometern von der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche angeordnet ist.
5. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem die Metall-Isolator-Halbleiter-Diode eine Metallschicht aus Titan enthält.
6. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem die Metall-Isolator-Halbleiter-Diode eine Isolatorschicht aus Siliziumdioxid enthält.
7. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem die Dicke der Isolatorschicht zwischen 2 und 10 Nanometern beträgt.
8. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem der Drehwinkel zwischen 1 ,1 ° und 1 ,5° beträgt und der Kippwinkel zwischen 0,6° und 0,7° beträgt.
90. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem der Drehwinkel 1 ,3° beträgt.
10. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Kippwinkel 0,64° beträgt.
1 1. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem der Drehwinkel zwischen 8,9° und 9,1 ° beträgt und der Kippwinkel zwischen 0,1 ° und 0,3° beträgt.
12. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 1 , bei dem der Drehwinkel 9,0 ° beträgt.
13. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , 1 1 oder 12, bei dem der Kippwinkel 0,2° beträgt.
14. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , bei dem der Drehwinkel 8,2° beträgt.
15. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste und zweite Siliziumschicht von zwei Siliziumscheiben mit (100)-Oberflächen gebildet sind, die mit Hilfe eines Wafer- bonding-Verfahrens verbunden sind.
16. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite Achse parallel zu einer <110>-Richtung der Wafer liegt.
17. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, das als Leuchtdiode ausgebildet ist.
18. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, das als Laserdiode ausgebildet ist.
19. Verwendung eines Silizium-Substrats, das eine erste Grenzfläche zwischen einer ersten und einer zweiten Siliziumschicht aufweist, deren als ideal gedachte Gitterstrukturen relativ zueinander um eine senkrecht zur Substrat- Oberfläche stehende erste Achse um einen Drehwinkel verdreht und um eine zweite parallel zur Substratoberfläche liegende Achse um einen Kippwinkel verkippt sind, derart, dass im Bereich der Grenzfläche ein Versetzungsnetzwerk vorliegt, wobei der Drehwinkel und Kippwinkel so gewählt sind, dass ein Elektrolumineszenzspektrum des Halbleiterbauelements ein absolutes Maximum der emittierten Lichtintensität bei entweder 1 ,3 Mikrometern Lichtwellenlänge oder 1 ,55 Mikrometern Lichtwellenlänge aufweist, zur Herstellung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
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