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DE4322830A1 - Diode structure made of diamond - Google Patents

Diode structure made of diamond

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Publication number
DE4322830A1
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DE
Germany
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diamond substrate
centers
diamond
region
area
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE4322830A
Other languages
German (de)
Inventor
Bernd Burchard
Andrey Denisenko
Wolfgang Prof Dr Fahrner
Aleksandr Melnikov
Valeri Varicenko
Alexander Zaitsev
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to DE4322830A priority Critical patent/DE4322830A1/en
Publication of DE4322830A1 publication Critical patent/DE4322830A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The invention comprises a method for producing a semiconductor diode which operates as a light-emitting diode or as a laser diode. A diamond substrate - optionally a crystal or a crystalline or polycrystalline film - contains defects which are responsible for active luminescing colour centres (for example H3 centres, A band centres, 484 nm and 886 nm nickel-induced centres, 738 nm silicon-induced centres). Two regions are made on this diamond substrate: the first is an optically transparent semiconducting (p<+> or n<+> type) region which is produced by ion implantation with electrically active impurities, with subsequent annealing and etching, or by deposition of a diamond film in which electrically active doping is introduced during the growth. The other region is a collector which was produced by ion implantation and/or metallisation while maintaining a separation from the seimconducting region which must be larger than the free path of the charge carriers in the diamond substrate. When a voltage is applied between the semiconducting region and the collector region, the structure produced by this method emits green and/or blue and/or red and/or near-infrared light. For the purpose of laser emission, the semiconducting region is produced on a flat working surface which was previously prepared on the diamond substrate by polishing. Two mutually opposite parallel ... are additionally ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode in einem Diamantsubstrat.The invention relates to a process for the preparation a semiconductor diode in a diamond substrate.

Lichtemittierende Dioden (LEDs) und Laserdioden (LDs) finden Anwendung in der Optoelektronik, Kommunikations- Systemen, flachen Bildschirmen und in der Lasertechnik. Jedoch sind die meisten kommerziell erhältlichen LEDs und LDs mit erforderlicher Lichtintensität so ausgebildet, daß sie im nahen Infrarot emittieren. Es ist wünschenswert, speziell für Nachrichtentechnik kurze Wellenlängen zu gebrauchen. Blaue, grüne und rote Farben sind auch von besonderem Interesse für flache RGB-Bild­ schirme. Es ist auch nützlich, daß lichtemittierende Dioden von verschiedener Farbe auf demselben Substrat hergestellt werden können. Light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) find application in optoelectronics, communication Systems, flat screens and in laser technology. However, most of the commercially available LEDs are and LDs of required light intensity are designed that they emit in the near infrared. It is desirable, especially for communications short Wavelengths to use. Blue, green and red colors are also of particular interest for flat RGB image screens. It is also useful that light emitting Diodes of different colors on the same substrate can be produced.  

Gemäß der Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Struktur auf Diamantbasis folgende Schritte ein: (1) Auswahl eines intrinsichen Diamantsubstrates, das die ge­ wünschten Farbzentren enthält, z. B. das H3 und 575 nm Stickstoff­ induzierte Zentrum, das Versetzungen (Dislokationen) zugeordnete A-Band, die 484 nm und 886 nm Nickel-induzierten Zentren oder die 738 nm Silizium-induzierten Zentren; (ii) Schaffung einer flachen Arbeitsfläche auf dem Diamantsubstrat durch mechanische und/oder chemische Politur; (iii) Schaffung eines halbleitenden Gebietes auf der Arbeitsfläche durch Ionenimplantation mit einer vor­ bestimmten Dosis einer elektrisch aktiven Verunreinigung, Nachim­ plantations-Temperung bei hoher Temperatur und anschließendem Ät­ zen der graphitisierten Schicht oder durch Abscheidung eines halb­ leitenden Diamantfilmes; (iv) Schaffung eines Kollektorgebietes auf dem Diamantsubstrat in einem Abstand größer als die freie Weg­ länge der Ladungsträger von dem halbleitenden Gebiet durch Ionen­ implantation und/oder durch Metallisierung; (v) Schaffung zweier entgegengesetzter seitlicher Oberflächen auf dem Diamantsubstrat; und (vi) Anbringung entsprechender elektrischer Kontakte auf das halbleitende und Kollektorgebiet.According to the invention, a method for producing a The following steps are used for the diamond-based light-emitting structure a: (1) selecting an intrinsic diamond substrate containing the ge wished to contain color centers, e.g. For example, the H3 and 575 nm nitrogen induced center associated with dislocations A band containing 484 nm and 886 nm nickel-induced centers or the 738 nm silicon-induced centers; (ii) creating a shallow Working surface on the diamond substrate by mechanical and / or chemical polish; (iii) creating a semiconducting area on the work surface by ion implantation with a pre certain dose of an electrically active impurity, Nachim Plantations annealing at high temperature and subsequent Et zenit the graphitized layer or by deposition of a half conductive diamond film; (iv) creation of a collector area on the diamond substrate at a distance greater than the free path Length of the charge carriers from the semiconducting region by ions implantation and / or by metallization; (v) creating two opposite side surfaces on the diamond substrate; and (vi) attaching corresponding electrical contacts to the semiconducting and collector area.

Der Diamant kann natürlicher Diamantkristall sein, der A-Band und/ oder H3 Lumineszenz-Zentren enthält, oder ein synthetischer Dia­ mantkristall oder ein Diamantfilm, die beide das A-Band und/oder das H3 und/oder das 484 nm Nickel-induzierte und/oder das 738 nm Silizium-induzierte Lumineszenz-Zentrum aufweisen.The diamond can be natural diamond crystal, the a-band and / or or H3 contains luminescent centers, or a synthetic slide mantkristall or a diamond film, both the A-band and / or the H3 and / or the 484 nm nickel-induced and / or the 738 nm Having silicon-induced luminescence center.

Die flache Arbeitsoberfläche wird mit der Absicht gemacht, die Streuung des Lichtes auf dem Weg längs der Struktur zu reduzieren. Eine feine mechanische oder chemische Politur kann für die Her­ stellung der Arbeitsfläche benutzt werden.The flat work surface is made with the intention of To reduce scattering of light along the way along the structure. A fine mechanical or chemical polish can be used for the Her working surface.

Die Ionen für die Implantation des halbleitenden Gebietes sind ty­ pisch Bor oder Lithium Ionen. Jedes beliebige geeignete Ion kann für die Implantation des Kollektorgebietes eingesetzt werden. The ions for the implantation of the semiconducting region are ty Boron or lithium ions. Any suitable ion can be used for the implantation of the collector area.  

Die beiden Implantationen können nacheinander mit Ionen verschie­ dener Energien eingesetzt werden, um eine gewünschte Verteilung der Dotieratome und der Strahlenschäden über die implantierte Zone zu erreichen.The two implants can successively with ions verschie energies are used to achieve a desired distribution the dopant atoms and the radiation damage over the implanted zone to reach.

Die Temperung nach Implantation ist erforderlich, um die implan­ tierte Verunreinigung elektrisch zu aktivieren und somit das halb­ leitende Gebiet zu schaffen. Die Tempertemperatur ist typisch im Bereich von 600°C bis zur Graphitisierungstemperatur (bei ca. 1700°C im Vakuum).The annealing after implantation is required to complete the implant electrically activated pollution and thus the half create conductive territory. The annealing temperature is typical in the Range from 600 ° C to the graphitization temperature (at approx. 1700 ° C in vacuo).

Die Ätzung des implantierten und getemperten Gebietes ist erfor­ derlich, um die oberste graphitisierte Schicht zu entfernen und damit die halbleitende Schicht optisch transparent zu machen. Die­ se ist notwendig für den Fall der Lichtemission durch die Arbeits­ fläche. Die Ätzung kann durch Behandlung mit Säure erfolgen.The etching of the implanted and annealed area is required to remove the topmost graphitized layer and thus making the semiconductive layer optically transparent. the This is necessary in the case of light emission by the worker surface. The etching can be done by treatment with acid.

Das Kollektorgebiet in der Nachbarschaft des halbleitenden Gebie­ tes ist notwendig, um eine Spannung an das letztgenannte zum Zweck der Injektion anlegen zu können. Das Kollektorgebiet kann mit ei­ ner beliebigen Methode für elektrische Kontakte zu Diamant herge­ stellt werden, z. B. kann das Ionenimplantation gefolgt von Metal­ lisierung oder Metallisierung allein sein. Der Abstand zwischen dem halbleitenden Gebiet und dem Kollektorgebiet sollte einige we­ nige freie Weglängen der Ladungsträger im Diamantsubstrat sein.The collector area in the neighborhood of the semiconducting Gebie It is necessary to apply a voltage to the latter for the purpose to create the injection. The collector area can with egg Any method for electrical contacts to diamond Herge be placed, for. For example, ion implantation may be followed by metal isolation or metallization alone. The distance between the semiconducting area and the collector area should some we be nige free path lengths of the charge carriers in the diamond substrate.

Die Schaffung der zwei einander entgegengesetzten seitlichen Ober­ flächen auf dem Diamantsubstrat ist erforderlich, um einen opti­ schen Resonator herzustellen und somit laser-stimulierte Emission zu erhalten. Typischerweise werden diese Oberflächen flach und pa­ rallel, beide senkrecht zur Arbeitsoberfläche, hergestellt. Zur Erhöhung der Resonatorgüte wird eine der Oberflächen als total re­ flektierender Spiegel (mit einer dicken Metallschicht) herge­ stellt. Die andere Oberfläche ist als halbdurchlässiger Spiegel ausgebildet.The creation of the two opposite lateral upper surfaces on the diamond substrate is required to opti make resonator and thus laser-stimulated emission to obtain. Typically, these surfaces become flat and pa rallel, both perpendicular to the work surface. to Increasing the resonator quality is one of the surfaces as totally re inflecting mirror (with a thick metal layer) provides. The other surface is as a semi-transparent mirror educated.

Des weiteren umfaßt gemäß der Erfindung die licht-emittierende Di­ ode zwei geeignete elektrische Kontakte, die auf das halbleitende und Kollektorgebiet aufgebracht werden.Furthermore, according to the invention, the light-emitting di ode two suitable electrical contacts on the semiconducting and collector area are applied.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Abb. 1 ist eine schematische Darstellung der möglichen licht-emit­ tierenden Strukturen gemäß der Erfindung: Fig. 1 is a schematic representation of the possible light emitting structures according to the invention:

  • a: transparentes halbleitendes Gebiet (1) wird mit Ionenimplanta­ tion auf den Arbeitsflächen (11) eines Vollkristall-Diamantsub­ strates hergestellt.a: transparent semiconducting region ( 1 ) is prepared by ion implantation tion on the working surfaces ( 11 ) of a full-diamond Diamantantsub strates.
  • b: transparentes halbleitendes Gebiet (1) wird abgeschieden mit CVD auf der Arbeitsfläche (11) eines Diamantsubstrats (2), welches seinerseits ebenfalls mit CVD abgeschieden wird, aber jetzt auf einer Metallunterlage. Der totalreflektierende Spiegel wird auf der Oberfläche (8) abgeschieden. Der halbdurchlässige Spiegel wird auf der Oberfläche (9) abgeschieden. Die Laseremission parallel zur Arbeitsfläche wird durch den Pfeil (10) gezeigt.b: transparent semiconducting region ( 1 ) is deposited with CVD on the working surface ( 11 ) of a diamond substrate ( 2 ), which in turn is also deposited by CVD, but now on a metal backing. The total reflecting mirror is deposited on the surface ( 8 ). The semi-transparent mirror is deposited on the surface ( 9 ). The laser emission parallel to the work surface is shown by the arrow ( 10 ).
  • c: transparentes halbleitendes Gebiet (1) wird durch CVD auf die Arbeitsfläche (11) eines Vollkristall-Diamantsubstrats (2) abge­ schieden.c: transparent semiconducting region ( 1 ) is deposited by CVD on the working surface ( 11 ) of a full-crystal diamond substrate ( 2 ) abge.

Abb. 2 ist ein Schaubild, das darstellt: Fig. 2 is a diagram illustrating:

  • a: schematischer Querschnitt der als LED betriebenen Diode mit Lichtemission durch die Arbeitsfläche.a: schematic cross section of the LED operated diode with Light emission through the work surface.
  • b: Abfall des elektrischen Potentials in Abwesenheit von Stoßioni­ sation (1) und im Fall von Stoßionisation (2).b: Waste of the electric potential in the absence of impact ionization ( 1 ) and in the case of impact ionization ( 2 ).
  • c: Änderung der Ladungsträgerenergie über das Diamantsubstrat in die Tiefe. 3EG zeigt die Mindestenergie an, die erforderlich ist, um die Lichtemission im Diamantsubstrat zu starten.c: Change of the carrier energy over the diamond substrate in the depth. 3E G indicates the minimum energy required to start the light emission in the diamond substrate.
  • d: vorgeschlagene Verteilung der Lichtemissionsintensität über das Diamantsubstrat in die Tiefe.d: proposed distribution of light emission intensity over the Diamond substrate in the depth.

Abb. 3: Kathodolumineszenzspektrum
a) eines der untersuchten Diamantsubstrate. Es zeigt ein vor­ herrschendes A-Band unter Messung bei Temperatur von flüssigem Stickstoff. Lichtemissionsspektrum (b) bei Raumtemperatur der lichtemittierenden Diode, die gemäß der Erfindung auf diesem Dia­ mantsubstrat hergestellt wurde. Fig. 3: Cathodoluminescence spectrum
a) one of the investigated diamond substrates. It shows a prevailing A-band under measurement at temperature of liquid nitrogen. Light emission spectrum (b) at room temperature of the light-emitting diode, which was prepared according to the invention on this Dia man substrates.

Abb. 4: Kathodolumineszenzspektrum (a) eines der untersuchten Dia­ mantsubstrate, das ein vorherrschendes H3-Zentrum zeigt, gemessen bei flüssigem Stickstoff. Lichtemissionsspektrum bei Raumtempera­ tur (b) der Dioden, die gemäß der Erfindung auf diesem Diamantsub­ strat hergestellt wurden. Fig. 4: Cathodoluminescence spectrum (a) of one of the investigated diamond substrates, which shows a predominant H3 center, measured with liquid nitrogen. Light emission spectrum at room tempera ture (b) of the diodes, which were prepared in accordance with the invention Strat on this Diamantsub.

Abb. 5 ist ein Schaubild, das die Intensität des emittierten Lich­ tes als Funktion des Diodenstromes zeigt. Fig. 5 is a graph showing the intensity of the emitted light as a function of the diode current.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGDESCRIPTION OF THE EMBODIMENT

Die Erfindung beruht auf der Anregung von lumineszierenden Zentren in Diamant durch heiße Ladungsträger. In dieser Hinsicht gibt es eine Analogie zur Kathodolumineszenz bei niedriger Energie. Die Mindestenergie der Elektronen, die für die Anregung der Kathodolu­ mineszenz in einem Halbleiterkristall erforderlich ist, liegt bei etwa 3 Eg. Eg ist die Bandlücke des Halbleiters. Für Diamant gilt 3 Eg = 16.5 eV. Bei Anlegen einer Spannung V an die Struktur, wie in Abb. 1 gezeigt, werden Ladungsträger von dem Halbleitergebiet (1) in das Diamantsubstrat (2) injiziert und ein Strom (6) fließt über das Diamantsubstrat zum Kollektorgebiet (3). Die energierei­ chen Ladungsträger regen Kathodolumineszenz (7) der im Diamantsub­ strat befindlichen Farbzentren an. Der Abstand zwischen dem halb­ leitenden transparenten Gebiet und dem Kollektorgebiet wird mit d bezeichnet. Die elektrische Potentialverteilung stellt sich längs der Struktur ein wie in Abb. 2b gezeigt. Der Potentialverlauf ist am steilsten in der Nachbarschaft der Halbleiteroberfläche in ei­ nem Abstand L, der vergleichbar ist mit der mittleren freien Weg­ länge der injizierten Ladungsträger. Bei größerem Abstand erfolgt eine beträchtliche Stoßionisation des Gitters unter Vergrößerung der Konzentration geladener Ladungsträger und folglicher Ernie­ drigung sowohl der freien Weglänge der Ladungsträger als auch des elektrischen Spannungsabfalls.The invention is based on the excitation of luminescent centers in diamond by hot charge carriers. In this regard, there is an analogy to low energy cathodoluminescence. The minimum energy of the electrons, which is required for the excitation of Kathodolu mineszenz in a semiconductor crystal, is about 3 Eg. Eg is the band gap of the semiconductor. For diamond is 3 Eg = 16.5 eV. When a voltage V is applied to the structure, as shown in Fig. 1, carriers are injected from the semiconductor region ( 1 ) into the diamond substrate ( 2 ), and a current ( 6 ) flows through the diamond substrate to the collector region ( 3 ). The energierei Chen charge carriers cathodoluminescence ( 7 ) of the diamantsub strat located color centers. The distance between the semi-conductive transparent region and the collector region is denoted by d. The electric potential distribution adjusts along the structure as shown in Fig. 2b. The potential profile is steepest in the vicinity of the semiconductor surface at a distance L which is comparable to the mean free path length of the injected charge carriers. With a greater distance, a considerable impact ionization of the lattice takes place with an increase in the concentration of charged charge carriers and thus Ernie drigung both the free path of the charge carriers and the electrical voltage drop.

Es wird erwartet, daß die maximale kinetische Energie der inji­ zierten Ladungsträger in einem Abstand L erreicht wird (s. Abb. 2 Diese Energie entspricht etwa der Spannung V, die an der Struktur angelegt wird (typisch etwa 100 V). Elektronen dieser En­ ergie regen gut die Kathodolumineszenz von Farbzentren an, die im Diamantgitter enthalten sind. Offenbar wird die maximale Intensi­ tät der Lumineszenz im Gebiet der höchsten kinetischen Energie der injizierten Ladungsträger erzeugt (Abb. 2d).It is expected that the maximum kinetic energy of the injected charge carriers will be reached at a distance L. (see Fig. 2) This energy corresponds approximately to the voltage V applied to the structure (typically about 100 V) stimulate well the cathodoluminescence of color centers that are contained in the diamond lattice, which apparently produces the maximum intensity of luminescence in the highest kinetic energy of the injected charge carriers ( Figure 2d).

Wenn das benutzte Farbzentrum eine hohe Strahlungsausbeute besitzt - z. B. die H3-Zentren, dann kann die Diodenstruktur eine stimu­ lierte Lichtemission zwischen entgegengesetzten seitlichen Ober­ flächen aufweisen. In diesem Fall kann eine bei Raumtemperatur und im Sichtbaren emittierende Laserdiode gebaut werden. Wenn die Ver­ luste der Lichtemission auf 4% pro Weglänge durch die Struktur mittels geeigneter Spiegel reduziert werden, dann wird die Schwel­ lenstromdichte zur Anregung einer kontinuierlichen Laserwellen­ strahlung im Diamantsubstrat von etwa 2 mm Länge mit der optischen Dichte der H3-Zentren von 1 cm-1 bei 100 µA bei einer Spannung von 100 V erwartet. Solche elektrischen und optischen Parameter können ziemlich leicht eingestellt werden in den vorgeschlagenen Struk­ turen. Berücksichtigt man die spektralen Bereiche der H3-Zentren- Emission (Abb. 4b) - können große Chancen in der Herstellung ei­ nes von 500 bis 600 nm durchstimmbaren Laser eingeräumt werden.If the used color center has a high radiation yield - z. As the H3 centers, then the diode structure may have a stimulated light emission between opposite lateral upper surfaces. In this case, a room-temperature and visible-emitting laser diode can be built. When the losses of light emission are reduced to 4% per path length through the structure by means of suitable mirrors, the threshold current density for exciting a continuous laser wave radiation in the diamond substrate of about 2 mm in length with the optical density of the H3 centers of 1 cm . 1 at 100 μA at a voltage of 100V expected. Such electrical and optical parameters can be adjusted quite easily in the proposed structures. Taking into account the spectral regions of the H3 center emission ( Figure 4b), great opportunities can be gained in the production of tunable lasers from 500 to 600 nm.

Drei mögliche Konfigurationen der Struktur gemäß der Erfindung sind in Abb. 1 gezeigt. Alle Strukturen enthalten ein Diamantsub­ strat (2), das mit Farbzentren aktiviert ist, eine Arbeitsfläche (11), ein Halbleitergebiet (1) mit einem elektrischen Kontakt (4) darauf, ein Kollektorgebiet (3) mit einem elektrischen Kontakt (5) darauf. Im Fall der Laserdiode werden zwei polierte entgegenge­ setzte seitliche Oberflächen (8, 9) auf dem Diamantsubstrat herge­ stellt. Eine dieser Oberflächen kann mit einem total reflektieren­ den Spiegel (8) bedeckt werden, die andere durch einen halbdurch­ lässigen Spiegel (9).Three possible configurations of the structure according to the invention are shown in FIG . All structures include a diamond substrate ( 2 ) activated with color centers, a work surface ( 11 ), a semiconductor region ( 1 ) having an electrical contact ( 4 ) thereon, a collector region ( 3 ) having an electrical contact ( 5 ) thereon. In the case of the laser diode, two polished opposing surfaces ( 8 , 9 ) are placed on the diamond substrate. One of these surfaces can be covered with a totally reflecting mirror ( 8 ), the other through a semi-permeable mirror ( 9 ).

Für den Fall, daß ein Volum-Einzelkristall (natürlich oder synthe­ tisch) als Diamantsubstrat benutzt wird, wird das transparente Halbleitergebiet auf einer polierten Arbeitsoberfläche des Sub­ strats gebildet mittels Ionenimplantation einer elektrisch akti­ ven Verunreinigung, anschließendem Tempern und Entfernung der obersten, graphitisierten Schicht (Abb. 1 a) oder durch Abschei­ dung eines halbleitenden Diamantfilms (Abb. 1c). Das halbleitende Gebiet ist durch das Kollektorgebiet umringt, das gute elektrische Leitfähigkeit aufweist und daher z. B. durch Ionenimplantation mit elektrisch aktiver Verunreinigung geschaffen wird mit anschließ­ sender Temperung und Metallisierung oder durch Hochdosisimplan­ tation einer beliebig geeigneten Sorte und anschließender Metallisierung oder allein durch Metallisierung. Die Erzeugungs­ schritte des halbleitenden Gebietes und des Kollektorgebietes wer­ den gemeinhin durch Photolithographie ausgeführt, um den Abstand d zwischen diesen Gebieten typisch im Bereich 2 bis 20 µm einzustel­ len (die Größe der freien Weglänge der Ladungsträger in Diamant­ kristallen wird im Eignungsfall für die Herstellung der vorge­ schlagenen lichtemittierenden Struktur mit ungefähr 1 µm angenom­ men.In the case where a bulk single crystal (natural or synthetic) is used as a diamond substrate, the transparent semiconductor region is formed on a polished working surface of the substrate by ion implantation of an electrically active impurity, followed by annealing and removal of the topmost graphitized layer (FIG. Fig. 1 a) or by depositing a semiconductive diamond film ( Fig. 1c). The semiconducting region is surrounded by the collector region, which has good electrical conductivity and therefore z. B. by ion implantation with electrically active contamination is created with subsequent sender annealing and metallization or by high-dose implantation tion of any suitable variety and subsequent metallization or solely by metallization. The generating steps of the semiconducting region and the collector region are commonly carried out by photolithography in order to set the distance d between these regions typically in the range of 2 to 20 μm (the size of the free path of the charge carriers in diamond crystals is used in the case of the manufacture of the assumed light-emitting structure with about 1 micron angenom men.

Die lichtemittierende Struktur gemäß der Erfindung kann auch her­ gestellt werden, indem ausschließlich eine Diamantfilm-Abscheidung gebraucht wird (Abb. 1b). Als Diamantsubstrat (2) - dotiert mit einer optisch aktiven Verunreinigung, z. B. mit N, Ni oder Si - dient ein Diamantfilm, der auf einem Metall oder einer hochdo­ tierten Siliziumplatte (3) abgeschieden wird. Letztere dient als Kollektorgebiet. Die Dicke dieses Filmes sollte die freie Weglänge der Ladungsträger überschreiten und möge sich zwischen 1 und 20 µm bewegen. Auf der Oberfläche dieses ersten Filmes wird ein weiterer Film (1) abgeschieden, der jetzt halbleitend dotiert ist mit einer elektrisch aktiven Verunreinigung. Dieser halbleitende Film sollte weder zu dick noch zu hoch dotiert sein, so daß er transparent bleibt für das Licht, das aus optischen Zentren des ersten Films emittiert wird. Wenn Bor als elektrisch aktive Verunreinigung ge­ braucht wird, kann der Halbleiterfilm eine Dicke von 1 µm bei ei­ ner Rorkonzentration über 10¹⁹/cm³ haben. Ein elektrischer Kon­ takt (4) wird gebildet auf der Oberseite der Halbleiterschicht. Dies kann eine optisch transparente elektrokonduktive durchgängige Schicht aus Indium-Zinn-Oxid sein oder ein Metall-Gitter. The light-emitting structure according to the invention can also be made by using only a diamond film deposition ( Fig. 1b). As a diamond substrate ( 2 ) - doped with an optically active impurity, for. B. with N, Ni or Si - is a diamond film, which is deposited on a metal or hochdo-oriented silicon plate ( 3 ). The latter serves as a collector area. The thickness of this film should exceed the free path of the charge carriers and may be between 1 and 20 μm. On the surface of this first film is deposited another film ( 1 ) which is now semiconductively doped with an electrically active impurity. This semiconducting film should be neither too thick nor too heavily doped so that it remains transparent to the light emitted from optical centers of the first film. When boron is needed as the electrically active impurity, the semiconductor film may have a thickness of 1 μm with an R 2 O concentration above 10¹⁹ / cm³. An electrical contact ( 4 ) is formed on top of the semiconductor layer. This may be an optically transparent electroconductive continuous layer of indium tin oxide or a metal lattice.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEmbodiment

Natürliche Diamantkristalle wurden ausgesucht, um die lichtemit­ tierenden Strukturen herzustellen. Die Auswahl wurde mittels eines Meßplatzes für Kathodolumineszenz und für Mikrowellen-Photoleit­ fähigkeit durchgeführt. Eine der ausgewählten Proben zeigt blaue Kathodolumineszenz aufgrund des A-Bandes (Abb. 3a). Die zweite zeigte grüne Kathodolumineszenz aufgrund des vorherrschenden H3- Zentrums (Abb. 4a). Eine Seite jeder Probe wurde mechanisch po­ liert und gereinigt. Auf diesen Arbeitsflächen wurden mehrere Strukturen hergestellt, von denen jede aus zwei Flächen bestand mit den Dimensionen 150 µm×50 µm und mit gegenseitigem Abstand von 10 µm. Sie wurden mittels Borionenimplantation und Photoli­ thographie hergestellt. Die Ionenimplantation wurde bei Raumtem­ peratur durchgeführt. Dosen und Energien sind in Tabelle 1 aufge­ listet.Natural diamond crystals were selected to make the light-emitting structures. The selection was carried out by means of a measuring station for cathodoluminescence and for microwave photoconductivity. One of the selected samples shows blue cathodoluminescence due to the A band ( Figure 3a). The second showed green cathodoluminescence due to the predominant H3 center ( Figure 4a). One side of each sample was mechanically polished and cleaned. Several structures were fabricated on these work surfaces, each of which consisted of two surfaces of dimensions 150 μm x 50 μm and spaced 10 μm apart. They were prepared by boron ion implantation and photolithography. The ion implantation was carried out at room temperature. Cans and energies are listed in Table 1.

Energie (keV)Energy (keV) Bor-Dosis * 10-15 (cm-2)Boron dose * 10 -15 (cm -2 ) 2525 4,64.6 3636 1,961.96 5252 2,362.36 7171 2,622.62 9393 2,752.75 118118 3,073.07 150150 4,64.6

Nach Implantation wurden die Proben in einem Graphit-Tiegel in Va­ kuum von etwa 10-4 Pa eine Stunde lang getempert bei einer Tempe­ ratur von 1450°C. Nach Tempern wurden die Proben in einer CrO₃ + H₂SO₄ Lösung 15 Minuten lang gekocht und in Reinstwasser gespült, um die oberste schwarze graphitisierte Schicht der ionenimplan­ tierten Flächen vollständig zu entfernen. Eine der ionenimplan­ tierten Flächen jeder Struktur wurde mit Aluminium bedeckt. Diese metallisierte Fläche wurde als Kollektor benutzt. Die andere transparente Fläche wurde benutzt, um die Lichtemission herauszu­ führen. Zwei elektrische Kontakte wurden durch Aufsetzen von Wolf­ ram-Spitzen auf die Aluminium-bedeckte und die Aluminium-freie transparenten halbleitenden Flächen erzielt. Nach Anlegen einer positiven Spannung auf die transparenten Flächen zeigten die Strukturen ein helles Leuchten. Die Lichtemission wurde durch Spannungen von 60 bis 320 V angeregt. Die auf der ersten Probe ge­ fertigten Strukturen emittierten vorherrschend blaues Licht des A- Bandes (Abb. 3b). Die auf der zweiten Probe gefertigten Struktu­ ren emittierten vorherrschend grünes Licht des H3-Zentrums (Abb. 4 b). Die Intensität der Lichtemission erwies sich als proportional zum Strom über der Struktur (Abb. 5). Die Effizienz der Lichtemis­ sion wurde für das grüne Band des H3-Zentrums gemessen und wurde mit ca. 0,1 Cd/A bei Raumtemperatur bestimmt. Die Emissionsspek­ tren und -intensität änderten sich nicht merklich, wenn die licht­ emittierenden Strukturen auf 300°C aufgeheizt wurden.After implantation, the samples were annealed in a graphite crucible in vacuum of about 10 -4 Pa for one hour at a temperature of 1450 ° C. After annealing, the samples were cooked in a CrO₃ + H₂SO₄ solution for 15 minutes and rinsed in ultrapure water to completely remove the top black graphitized layer of the ion-implanted surfaces. One of the ion-implanted surfaces of each structure was covered with aluminum. This metallized area was used as a collector. The other transparent surface was used to bring out the light emission. Two electrical contacts were achieved by placing wolf ram tips on the aluminum-covered and aluminum-free transparent semiconductive surfaces. After applying a positive voltage to the transparent areas, the structures showed a bright glow. The light emission was excited by voltages of 60 to 320 volts. The structures prepared on the first sample emitted predominantly blue light from the A band ( Figure 3b). The structures fabricated on the second sample emitted predominantly green light from the H3 center ( Figure 4 b). The intensity of the light emission proved to be proportional to the current over the structure ( Fig. 5). The efficiency of light emission was measured for the green band of the H3 center and was determined to be about 0.1 Cd / A at room temperature. The emission spectra and intensity did not change appreciably when the light emitting structures were heated to 300 ° C.

Claims (26)

1. Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es die Schritte der Auswahl eines Diamant­ substrates einschließt, das mit Farbzentren dotiert ist; Bildung einer Arbeitsfläche auf dem Diamantsubstrat; Bildung eines halb­ leitenden Gebietes auf der Arbeitsfläche; Bildung eines Kollektor­ gebietes auf dem Diamantsubstrat in einem Abstand vom halblei­ tenden Gebiet; Bildung zweier einander entgegengesetzter seitli­ cher Oberflächen auf dem Diamantgebiet; Aufbringung entsprechender elektrischer Kontakte auf das halbleitende und das Kollektor­ gebiet. A method of manufacturing a semiconductor diode, characterized by including the steps of selecting a diamond substrate doped with color centers; Forming a work surface on the diamond substrate; Formation of a semi-conductive area on the work surface; Forming a collector region on the diamond substrate at a distance from the semi-conductive region; Formation of two opposite lateral surfaces in the diamond region; Apply appropriate electrical contacts on the semiconducting and the collector area. 2. Ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Begriff des Diamantsubstrats ein natürlicher Diamant einge­ schlossen ist, der die lumineszierenden A-Band Zentren und/oder
die Stickstoff-induzierten lumineszierenden N3-Zentren und/oder
die Stickstoff-induzierten lumineszierenden H4-Zentren und/oder
die Stickstoff-induzierten lumineszierenden H3-Zentren und/oder
die Stickstoff-induzierten lumineszierenden 575 nm-Zentren ent­ hält.2. A method according to claim 1, characterized in that in the notion of the diamond substrate, a natural diamond is closed, the luminescent A-band centers and / or
the nitrogen-induced luminescent N3 centers and / or
the nitrogen-induced luminescent H4 centers and / or
the nitrogen-induced luminescent H3 centers and / or
holds the nitrogen-induced luminescent 575 nm centers ent. 3. Ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Begriff des Diamantsubstrats ein synthetischer Diamantkri­ stall eingeschlossen ist, der unter hohen Temperaturen und hohen Drücken gewachsen ist und der die lumineszierenden A-Band Zentren und/oder die Stickstoff-induzierten lumineszierenden H3-Zentren und/oder die Nickel-induzierten lumineszierenden 484 nm und 886 nm Zentren und/oder die Stickstoff-induzierten lumineszierenden 575 nm Zentren enthält.3. A method according to claim 1, characterized in that in the notion of the diamond substrate, a synthetic diamond crystal barn enclosed under high temperatures and high Pressing has grown and the the luminescent A-band centers and / or the nitrogen-induced luminescent H3 centers and / or the nickel-induced luminescent 484 nm and 886 nm Centers and / or the nitrogen-induced luminescent 575 contains nm centers. 4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Begriff des Diamantsubstrats eine kristalline oder polykri­ stalline Diamantschicht eingeschlossen ist, die auf einem geeig­ neten Träger durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) gewonnen wurde und die lumineszierenden A-Band Zentren und/oder die Nickel-induzierten lumineszierenden 484 nm Zentren und/oder die Stickstoff-induzierten lumineszierenden 575 nm-Zentren und/ oder die Silizium-induzierten lumineszierenden 738 Zentren ent­ hält.4. A method according to claim 1, characterized in that in the term diamond substrate a crystalline or polycri stalline diamond layer is included on a suitable Neten carriers by chemical vapor deposition (CVD) and the luminescent A-band centers and / or the nickel-induced luminescent 484 nm centers and / or the nitrogen-induced luminescent 575 nm centers and / or the silicon-induced luminescent 738 centers ent holds. 5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche durch flaches mechanisches oder chemisches Polieren einer Seite des Diamantsubstrates hergestellt wird.5. A method according to claim 1, characterized in that the Working surface by flat mechanical or chemical polishing one side of the diamond substrate is produced. 6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Gebiet auf der Arbeitsfläche so hergestellt wird, daß es optisch transparent ist.6. A method according to claim 1, characterized in that the semiconducting area on the work surface is made so that it is optically transparent. 7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Gebiet nacheinander durch Ionenimplantation einer elektrisch aktiven Verunreinigung, Hochtemperatur-Temperung und Entfernung der graphitisierten obersten Schicht hergestellt wird.7. A method according to claim 6, characterized in that the semiconducting region successively by ion implantation of a  electrically active pollution, high temperature annealing and Removal of the graphitized top layer is made. 8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation mit Bar bei einer Dosis höher als 5*10¹⁵/cm² durchgeführt wird.8. A method according to claim 7, characterized in that the ion implantation with bar at a dose higher than 5 * 10¹⁵ / cm² is performed. 9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatur-Temperung bei einer Temperatur über 600°C ausge­ führt wird.9. A method according to claim 7, characterized in that the High temperature annealing at a temperature above 600 ° C out leads. 10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hachtemperatur-Temperung bei etwa 1450°C ausgeführt wird.10. A method according to claim 9, characterized in that the Hauertemperatur-annealing is carried out at about 1450 ° C. 11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die graphitisierte Schicht durch Kochen in einer CrO₃+H₂SO₄-Lösung entfernt wird.11. A method according to claim 7, characterized in that the graphitized layer by boiling in a CrO₃ + H₂SO₄ solution Will get removed. 12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Gebiet auf dem Diamantsubstrat durch Abscheidung ei­ nes Diamantfilms gebildet wird, der mit elektrisch aktiven Verun­ reinigungen datiert ist.12. A method according to claim 1, characterized in that the semiconducting area on the diamond substrate by depositing egg A diamond film formed with electrically active Verun cleaning is dated. 13. Ein Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamantfilm mit Bar einer Konzentration im Bereich von 10¹⁷ bis 10²¹/cm³ datiert ist.13. A method according to claim 12, characterized in that the diamond film with bar has a concentration in the range of 10¹⁷ to 10²¹ / cm³ is dated. 14. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kallektorgebiet in einem Abstand vom halbleitenden Gebiet gebildet wird, der die freie Weglänge der Ladungsträger im Diamantsubstrat übertrifft.14. A method according to claim 1, characterized in that the Kallektorgebiet formed at a distance from the semiconducting area which is the free path of the charge carriers in the diamond substrate surpasses. 15. Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem halbleitenden und dem Kollektorgebiet einen Wert zwischen 1 bis 20 µm aufweist.15. A method according to claim 14, characterized in that the distance between the semiconducting and the collector area has a value between 1 to 20 microns. 16. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektargebiet durch Ionenimplantation mit akti­ ven Verunreinigung gebildet wird mit anschließender Hochtempe­ ratur-Temperung und folgender Metallisierung.16. A method according to claim 1, characterized in that the Collector area by ion implantation with akti  ven contamination is formed with subsequent high temp tempering and subsequent metallization. 17. Ein Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation mit Bor-Ionen bei einer Dosis höher als 10¹⁵/cm² durchgeführt wird und Temperung bei einer Temperatur über 600°C ausgeführt wird.17. A method according to claim 16, characterized in that ion implantation with boron ions at a dose higher than 10¹⁵ / cm² is carried out and annealing at a temperature above 600 ° C is performed. 18. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorgebiet durch Ionenimplantation mit einer Masse größer als 12 a. m. u. bei einer Dose größer als 10¹⁵/cm² durchgeführt wird mit anschließender Metallisierung.18. A method according to claim 1, characterized in that the Collector area by ion implantation with a mass greater than 12 a. m. u. is carried out at a dose greater than 10¹⁵ / cm² with subsequent metallization. 19. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorgebiet durch Metallisierung gebildet wird.19. A method according to claim 1, characterized in that the Collector area is formed by metallization. 20. Eine Halbleiterdiode, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ir­ gendeines der Verfahren der Ansprüche 1 bis 19 hergestellt wird.20. A semiconductor diode, characterized by being ir Gendeines the method of claims 1 to 19 is produced. 21. Eine Halbleiter-lichtemittierende Diode, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie ein mit Farbzentren dotiertes Diamantsubstrat enthält, das darin ein halbleitendes transparentes Gebiet aufweist und ein Kollektorgebiet, die beide voneinander um mehr als die freie Weglänge von Ladungsträgern im Diamantsubstrat getrennt sind, weiter einen ersten elektrischen Kontakt, der auf das halb­ leitende transparente Gebiet aufgebracht wird, und einen zweiten elektrischen Kontakt, der auf das Kollektorgebiet aufgebracht wird.21. A semiconductor light-emitting diode, characterized gekenn records that it is a diamond substrate doped with color centers contains therein a semiconducting transparent area and a collector area, both from each other by more than the free path of charge carriers in the diamond substrate separated are, continue a first electrical contact on the half conductive transparent area is applied, and a second electrical contact applied to the collector region becomes. 22. Ein Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander entgegengesetzte Oberflächen hergestellt werden durch flache mechanische oder chemische Poli­ tur.A method according to any one of claims 1 to 19, characterized characterized in that two opposite surfaces are made by flat mechanical or chemical poli door. 23. Ein Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine der einander entgegengesetzten seitlichen Oberflächen hergestellt wird, um totale innere Reflexion zu errei­ chen, und daß die andere hergestellt wird, um als teildurch­ lässiger Spiegel zu arbeiten. A method according to any one of claims 1 to 19, characterized characterized in that one of the opposite lateral Surfaces is made to achieve total internal reflection and that the other is made to pass through casual mirror work.   24. Ein Verfahren gemäß Anspruch 22 oder Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden einander entgegengesetzten seitlichen Oberflächen parallel sind und beide senkrecht zur Arbeitsfläche stehen.24. A method according to claim 22 or claim 23, characterized ge indicates that the two opposite side Surfaces are parallel and both perpendicular to the work surface stand. 25. Eine Halbleiterdiode, dadurch gekennzeichnet, daß sie gemäß ir­ gendeinem Verfahren der Ansprüche 22 bis 24 gebildet wird.25. A semiconductor diode, characterized in that it according to ir according to a method of claims 22 to 24 is formed. 26. Eine Laserdiode, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein mit Farb­ zentren dotiertes Diamantsubstrat enthält, eine Arbeitsfläche auf dem Diamantsubstrat, ein Halbleitergebiet auf der Arbeitsfläche, ein Kollektorgebiet auf dem Diamantsubstrat im Abstand vom Halb­ leitergebiet größer als die freie Weglänge der Ladungsträger im Diamantsubstrat, zwei einander entgegengesetzte Oberflächen, ein erster elektrischer Kontakt, der an das Halbleitergebiet angelegt wird, und ein zweiter elektrischer Kontakt, der an das Kollektor­ gebiet angelegt wird.26. A laser diode, characterized in that it is a color centered diamond substrate contains a work surface the diamond substrate, a semiconductor area on the work surface, a collector area on the diamond substrate at a distance of half conductor area greater than the free path of the charge carriers in the Diamond substrate, two opposing surfaces, a first electrical contact, which is applied to the semiconductor region is, and a second electrical contact, to the collector area is created.
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