DE2716143A1 - Lichtemittierendes halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
2716U3
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München if 77 P 7 0 3 5 SRD
Lichtemittierendes Halbleiterbauelement.
Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement,
wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
In der modernen Halbleitertechnologie besteht sehr oft das Bedürfnis, die Ergebnisse elektrischer Messungen oder Operationen
optisch sichtbar zu machen, z.B. in Taschenrechnern, Armbanduhren sowie in Meßinstrumenten mit digitaler Anzeige.
Diejenigen Bauelemente, mit denen die elektrischen Operationen oder die Verarbeitung der Meßwerte durchgeführt werden,
sind heute nahezu ausschließlich Silizium-Halbleiterbauelemente. Da Silizium im sichtbaren Spektralgebiet keine
Lichtemission zeigt, werden für die optische Anzeige eigene Bauelemente bzw. Bauelementgruppen verwendet, die über Zuleitungen
galvanisch mit den Silizium-Halbleiterbauelementen verbunden sind. Zur optischen Anzeige werden nach dem
Stand der Technik meist lichtemittierende Dioden, z.B. GaP-Lumineszenzdioden,
oder auch Flüssigkristalle verwendet.
Die im Stand der Technik verwendeten optischen Anzeigeelemente haben den Nachteil, daß sie getrennt von den Silizium-Halbleiterbauelementen
bzw. den auf einem Silizium-Chip hergestellten integrierten Schaltungen aufgebaut werden nüssen,
so daß sie nicht zusammen mit diesen Silizium-Bauelementen integriert aufgebaut und im gleichen Verfahren her-
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gestellt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement
anzugeben, das auf einem Silizium-Halbleitersubstrat hergestellt werden kann und für das das Herstellungsverfahren
zusammen mit anderen, beim Aufbau integrierter Schaltungen auf Silizium notwendigen Prozeßschritten vereinbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein wie im Oberbegriff des Patentan-Spruches
1 angegebenes Halbleiterbauelement gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches
1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes
sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und ein Betriebsverfahren für dieses Bauelement sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung nutzt die aus "Journal Vacuum Science and Technology",
Bd.13, Nr.1, 1976, Seiten 410-413 bekannte Tatsache aus, daß dünne Filme aus Zn^SiO^ mit Ionen eines Leuchtphosphors,
beispielsweise mit Mn -Ionen, durch Ionenimplantation dotiert werden können, und daß derartige Schichten bei
einem Beschüß mit einem Elektronenstrahl zum Leuchten angeregt werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird
ein Siliziumsubstrat mit einer derartigen Schicht aus Zn2SiO-belegt,
und es wird in dem Siliziumsubstrat unter dieser mit einem Leuchtphosphor dotierten Schicht ein pn-übergang angeordnet.
Wird der pn-übergang in Flußrichtung betrieben und an die mit dem Leuchtphosphor dotierte Schicht ein entsprechendes
Potential angelegt, so gelangen Elektronen aus dem Siliziumsubstrat in diese mit dem Leuchtphosphor versehene
Schicht und rufen dort eine Lichtemission hervor. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Bauelements besteht darin, daß es auf
einem Siliziumsubstrat aufgebaut werden kann, und daß sein Herstellungsprozeß mit der herkömmlichen Si-Technologie kompatibel
ist.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, und es wird ein Herstellungsverfahren sowie
ein Betriebsverfahren für dieses erfindungsgemäße Bauelement beschrieben.
Fig.1 zeigen schematisch das Herstellungsverfahren für ein
5 erfindungsgemäßes lichtemittierendes Halbleiterbauelement,
Fig.6 zeigt schematisch das fertige lichtemittierende Halbleiterbauelement
,
Fig.7 zeigt schematisch, wie das erfindungsgemäße lichtemittierende
Halbleiterbauelement betrieben wird.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen lichtemittierenden Halbleiterbauelements wird auf ein Siliziumsubstrat, beispielsv/eise
einem η-leitenden Siliziumsubstrat, mit einem spezifischen Widerstand von z.B. 0,1 Ohm·cm zunächst eine Dickoxidschicht
2 durch thermische Oxidation mit einer Dicke von etv/a 1 /um abgeschieden. Mit Hilfe einer fotolithografischen Technik
wird in diese Dickoxidschicht 2 über dem vorgesehenen Bereich für das Gebiet 5 des zweiten Leitungstyps ein Fenster
eingeätzt, so daß das Substrat 1 an dieser Stelle freigelegt wird. Die so freigelegte Substrateberfläche wird sodann mit
einer Dünnoxidschicht 21 aus SiOp beispielsweise durch Erhitzen in Gegenwart von Sauerstoff überzogen. Die Dicke dieses
Dünnoxids beträgt etwa 200 nm. Im Anschluß daran wird auf diese Dünnoxidschicht 21 und gegebenenfalls auch auf die
Dickoxidschicht 2 eine weitere Schicht 3 aus ZnF2 mit einer
Dicke von etwa 150 nm abgeschieden. Das Abscheiden kann durch
Aufdampfen erfolgen. Nach dem Aufbringen dieser ZnFp-Schicht erfolgt eine Temperung des Substrates und der auf ihm befindlichen
Schichten bei etwa 10000C für mehrere Stunden. Dabei
läuft eine Reaktion des Typs 2ZnF2+2Si02">Zn2Si0^+SiF^ ab,
durch die die Dünnoxidschicht 21 sowie Teile der Dickoxidschicht 2 in eine Zn^SiO/-Schicht 4 umgewandelt werden. Durch diese
Umwandlung wird ein fehlerfreier Übergang zwischen dem Si-Sub-
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strat und der ZnpSiO^-Schicht erreicht. Nachdem die Zn^^
Schicht 4 hergestellt worden ist, erfolgt eine Implantation von Ionen des p-Leitungstyps, beispielsweise von B-Ionen zur
Erzeugung eines flachen Gebietes 5 des z-./eiten Leitungstyps.
Die Implantationsenergie und die Dosis wird dabei so bemessen, daß zwischen dem Substrat 1 und diesem Gebiet 5 verlaufende
pn-Grenzschicht 7 in einer Tiefe von etwa 100 ran unterhalb der Substratoberfläche verläuft. Nach dieser ersten Implantation
erfolgt eine zv/eite Implantation mit Ionen 9 eines Leuchtphosphors, beispielsweise mit Mn-Ionen. Die Reihenfolge
der Implantationen kann auch umgekehrt sein. Nach dieser zweiten Implantation erfolgt eine Temperung bei etwa 1100° für
etwa 15 min zum Ausheilen und Aktivieren der implantierten 3-
bzw. Mh-Dotierung. Mit Hilfe einer fotolithografischen Technik
wird sodann die Z^SiO^-Schicht 4 mit Ausnahme der für die
leuchtenden Zonen vorgesehenen Bereiche 41 fortgeätzt. Als Ätzmittel kann dabei z.B. Essigsäure verwendet werden. Nach
der Herausbildung der Bereiche 41 erfolgt eine Bedampfung mit Aluminium zur Herstellung der Elektroden. Aus dieser Aluminiumschicht
werden sodann ebenfalls mit Hilfe einer fotolithografischen Technik die einzelnen Kontaktelektroden 64 und 65
herausgeätzt. Weiterhin wird ein Substratanschluß 61 angebracht, beispielsweise auf der Rückseite des Substrates 1.
Zum Einlegieren der Aluminiumkontakte erfolgt eine Erhitzung des Bauelements auf etwa 4500C für 15 min in einer ^-Atmosphäre
.
In Fig.7 ist schematisch cbs Betriebsverfahren für ein erfindungsgemäßes
lichtemittierendes Halbleiterbauelement dargestellt. Zwischen dem Substratkontakt 61 und dem an der
Zn2SiO^-Schicht 41 befindlichen Elektrode 64 wird eine Spannungsquelle
10 geschaltet, so daß das Potential an der Elektrode 64 etwa 50 Volt gegenüber dem Substrat beträgt. Zwischen
der Elektrode 65 des Gebietes 5 und dem Substratanschluß
wird eine Spannungsquelle 11 gelegt, so daß zwischen dieser
Elektrode 65 und dem Substrat eine Potentialdifferenz von mehr als etv/a 0,7 Volt besteht. Durch die Größe der Spannungs-
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quelle 11 kann der in die Schicht 41 injizierte Strom gesteuert werden. Anstelle der Gleichspannungsquelle 11 kann zwischen
der Elektrode 65 und dem Substrat auch ein Pulsgenerator
12 geschaltet sein, so daß das Potential des Gebietes 5 pulsartig über dem Substrat erhöht wird. Beim Betrieb des Bauelements
in dieser Weise gelangen Elektronen aus dem Substrat über das Gebiet 5 in. die Schicht 41 , wo sie an den Ionen des
Leuchtphosphors zu einer Lichtemission von Lichtquanten 19 führen.
9 Patentansprüche
7 Figuren
7 Figuren
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Claims (9)
- 77 P 7 O 3 6 BRDΓΙ.!Lichtemittierend es Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps, mit einem im Halbleitersubstrat befindlichen, an die Halbleiteroberfläche angrenzenden Geoiet des zweiten Leitungstyps, wobei die zwischen dem Substrat und diesem Gebiet befindliche pn-Grenzschicht im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche verläuft, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (1) aus Silizium besteht und mit einem Substratanschluß (61) versehen ist, daß sich auf der Substratoberfläche (101) über dem Gebiet (5) des zweiten Leitungstyps eine Schicht (41) aus Zn2SiO^ befindet, wobei diese Schicht (41) mit einem Leuchtphosphor dotiert und mit einer Elektrode (64) versehen ist, und daß das Gebiet (5) des zweiten Leitungstyps mit einer Anschlußelektrode (65) versehen ist.
- 2. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (41) aus Zn2SiO. mit Mn-Ionen und mit einer Konzentration zwischen 5·10 6 und 5.1019 cm"5 dotiert ist.
- 3. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die pn-Grensschicht (7) in einer Entfernung von weniger als 1000 nn unter der Substratoberfläche (101) verläuft.
- 4. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitersubstrat (1) aus η-leitendem Silizium besteht.
- 5. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (1) eine spezifische Leitfähigkeit von etwa 0,1 0hm.cm besitzt.809842/02U
ORIGINAL INSPECTED27 I6U3 77 P 7 O 3 6 3RD - 6. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der ZrigSiO^-Schicht (41) etwa 150 mn beträgt.
- 7. Lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Gebiet (5) des zweiten Leitungstyps mit Bor-Ionen mit einer Konzentration zwischen 5·10 und 5·10 Ionen cm dotiert ist.
- 8. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennze i chn e t durch den folgenden Ablauf von Verfahrensschritten:a. Abscheiden einer Dickoxidschicht (2) aus SiOp mit einer Dicke von etwa 1 Aim auf ein η-leitendes Siliziumsubstrat,b. Ätzen eines Fensters in die Dickoxidschicht (2) über den für das Gebiet (5) des zweiten Leitungstyps vorgesehenen Bereiches mittels einer fotolithografischen Technik,c. Aufbringen einer Dünnoxidschicht (21) aus SiOp mit einer Dicke von etwa 200 mn im Bereich des Fensters auf die Substratoberfläche (101),d. Abscheiden einer Schicht (3) aus ZnFp mit einer Dicke von etwa 150 nm wenigstens im Bereich der Dünnoxidschicht (21),e. Temperung des Substrates und der auf ihm befindlichen Schichten bei einer Temperatur von etv/a 10000C, so daß die ZnF2-Schicht (3) und die Dünnoxidschicht (21) gemäß der Reaktion 2ZnF2+2Si02 Zn2SiO^H-SiF2 in eine Zn2^ Schicht (4) umgewandelt werden,f. Implantation von B-Ionen in das Substrat zur Erzeugung des Gebietes (5) vom zweiten Leitungstyp,g. Implantation von Leuchtphosphor-Ionen in die ZnSiO^- Schicht (4),h. Temperung bei etwa 1100° zur Ausheilung und Aktivierung der Implantationsdotierungen im Substrat und in der Schicht (4),809842/0212716U3 77 P 7 03 5 BRDi. Ätzung der Z^SiO^-Schicht (4) mittels fotolithografischer Technik zur Herausbildung der als Leuchtzonen vorgesehenen Bereiche (41),j. Aufdampfen einer Aluminiumschicht und Herausätzen der Kontaktelektroden (64 und 65) mittels einer fotolithografischen Technik,k. Einlegieren der Aluminium-Kontakte bei einer Temperatur von etwa 45O°C,1. Anbringen eir.es Substratanschlusses (61).
- 9. Verfahren zum Betrieb eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat auf Null-Potential gelegt wird, daß an die Elektrode (64) der Schicht (41) aus ZngSiO^ ein Potential von etwa 50 Volt gelegt wird, und daß an die Elektrode (65) des Gebietes (5) vom zweiten Leitungs- typ ein Gleichpotential oder ein gepulstes Potential von mehr als etwa 0,7 Volt gelegt wird.8098/. 2/021-4
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