DD205284A1

DD205284A1 - Epitaxieschichtanordnung fuer lichtemittierende halbleiterbauelemente und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DD205284A1
Application number: DD23923382A
Authority: DD
Inventors: Klaus Jacobs; Werner Seifert; Volker Gottschalch; Frank Bugge; Bernd Kloth; Lutz Lehmann; Eberhard Rudolph; Guenter Strehmel
Original assignee: Werk Fernsehelektronik Veb
Priority date: 1982-04-23
Filing date: 1982-04-23
Publication date: 1983-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Epitaxieschichtstruktur fuer Lumineszenzdioden und -bauelemente, die Licht vom gelben bis infraroten Spektralbereich emittieren.Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Effizienz dieser Bauelemente zu erhoehen. Es wird erstens die Perfektion der Schicht, in der sich der p-n-Uebergang befindet, verbessert, so dass der Anteil nichtstrahlender Rekombinationsprozesse vermindert wird u. zweitens die Absorption der emittierten Strahlung im Bauelement verringert, so dass der externe Quantenwirkungsgrad vergroessert wird. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass in der stickstoffdotierten aktiven Schicht, aber in einem Abstand zum p-n-Uebergang, der groesser als die mittlere Diffusionslaenge der Minoritaetsladungstraeger ist, es zu einer abrupten Aenderung der Zusammensetzung des GaAs tief 1 tief - tief xP tief x-Mischkristalls kommt, die im Bereich von 0,02 ungleich delta x ungleich 0,3 der angestrebten Gesamtaenderung liegt,und dass diese abrupte Aenderung durch eine entsprechende Variation des AsH tief 3/PH tief 3 -Verhaeltnisses in der Gasphase zustandekommt.

Description

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Titel der Erfindung

Epitaxieschichtanoidnung für lichtemittierende Halbleiterbauelemente und Verfahren zur Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Epitaxieachichtanordnung auf der Basis von GaAs. _J? auf GaP-Substrat füj> optoelektro· nische Halbleiterbauelemente und ein Verfahren für deren Herateilung.

Derartige Halbleiterbauelemente v/erden als diskrete Leuchtdioden für Symbolanzeigen und in anderen elektronischen Baugruppen angewandt.

Diskrete Leuchtdioden dienen zur Anzeige und Kontrolle von Betriebszuständen. Symbolanzeigebauelernente v/erden insbesondere zur digitalen Meßwertanzeige und in elektronischen Rechnern benutzt. Künftig werden diese optoelektronischen Bauelemente besonders in Verbindung mit der Glasfaseroptik ein noch breiteres Anwendungsgebiet erschließen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß zur Herstellung von lichtemittierenden Bauelementen die A B -Verbindungshalbleiter besonders gut geeignet sind und es gegenwärtig auch die einzigen Materialien sind, die kommerziell bei der Herstellung von Lichtemitterbauelementen Anwendung finden..

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Technologisch am besten beherrscht und am weitesten verbreitet ist hierbei das System GaAs₁ „P_v, mit dem es möglieh ist, Lichtemitterbauelemente vom infraroten bis zum grünen Spektralbereich herzustellen. In den US-Patent-Schriften 4 001 056 und Re 29 845 sowie in der BRD-Offenlegungsschrift 2 927 454 werden ausführlich Strukturen beschrieben, wie sie heute im allgemeinen Verwendung finden. Üblicherweise wird hierbei auf einem GaP-Substrat eine dünne Schicht gleicher Leitfähigkeit und gleicher Zusammensetzung wie das Substrat abgeschieden, darauf eine Schicht gleicher Leitfähigkeit aber mit sich verändernder Zusammensetzung, wobei die Zusammensetzung soweit variiert wird, daß der für die gewünschte Emissionswellenlänge notwendige Bandabstand erreicht wird« Darauf wird eine Schicht gleicher Leitfähigkeit und mit der gewählten, jetzt konstanten, Zusammensetzung abgeschieden, der eine Schicht gleicher Leitfähigkeit und gleicher Zusammensetzung folgt, die aber zusätzlich mit Stickstoff dotiert ist, und auf der eine letzte Schicht gleicher Zusammensetzung aber mit anderer Leitfähigkeit abgeschieden wird. Diese Schicht anderer Leitfähigkeit kann auch durch Diffusion oder Implantation von geeigneten Dotanden in die Schicht hergestellt werden.

.Es ist weiterhin bekannt, daß die strahlende Rekombination bei GaAs₁ P -Lichtemitterbauelementen mit χ?·0,5 sowohl im η- als auch im p-Gebiet erfolgt, so daß das stickstoffdotierte Gebiet eine ausreichende Dicke haben muß, die größer als die doppelte mittlere Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger ist, andererseits die Dicke der gesamten Schicht konstanter Zusammensetzung aber so gering wie möglich zu halten ist, um die Selbstabsorption zu verringern und damit die Effizienz zu verbessern. Des weiteren führt die Stickstoffdotierung dadurch, daß das Stickstoffatom einen Platz im Phosphoruntergitter besetzt und einen wesentlich geringeren

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Tetraederradiua (70 pm zu 110 pill· b^ira Phosphor) hat unc| damit daa stickatoffdotierte Geb|e|J_f0ine kleinere Gitter konatante beaitzt, zu Gitterfehl^npasaungen in der Grösaenordnung von 3 - 4x 10""·' %♦ Diese Gitterfehlanpaaaungen können im Rriatall Leeratellenkomplexe, Cluster von Fremdatomen und Vöraetzungen bilden. Ebenfalls bekannt iat, daß die Effizienz von Epitaxieschichten mit dem Abstand vom Übergang Substrat/Epitaxieschicht bis zu Dicken von 50 ·· 60 /um zunimmt, was auf die Abnahme von abscheidungabe*- dingten Störungen an der Grenzschicht Substrat/Epitaxieachicht zurückgeführt wird. Üblicherweise ist daher die Gesamtschichtdicke 'der Epitaxieschicht wesentlich größer als eigentlich für optimale Rekombinationsbedingungen erforderlich.

Von Nuese (Crystal Growth: A Tutorial Approach, Worth-Holland Publishing Company, 1979) wurde gezeigt, daß bei einer stufenweisen Vergrößerung der Gitterkonstanten, wie sie z, B, bei einer stufenförmigen Verringerung des x-Wertea bei der Abscheidung von GaAs₁ _.P„ auf GaP durch die größere Gitterkonstante des GaAs gegenüber dem GaP auftreten würde, es zu einem Abknicken und anschließenden seitlichem Herauswachsen von Gitterstörungen kommt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Effizienzerhöhung und Degradationsverringerung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen auf der Basis von GaAs.. Ρ_χ / GaP mit χ > 0.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Epitaxie-Schichtanordnung auf GaP-Substrat für die Herstellung lichtemittierender Halbleiterbauelemente mit erhöhter

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Quantenausbeute und verbessertem Langzeitverhalten, deren Emissionsspektren im infraroten, roten, orangenen^ gelben und gelbgrünen Spektralbereich liegen, herzustellen.

Die bekannte Epitaxieschichtanordnung beinhaltet die Nachteile einer großen Absorption der generierten Lichtquanten, bedingt durch die relativ dicke Schicht gleicher Zusammensetzung, und der Verringerung der Effizienz aufgrund der durch die Stickstoffdotierung hervorgerufenen Gitterfehlanpassung und ihres Beitrages zur Erhöhung der nichtstrahlenden Rekombination.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelbst, daß, wie auch in den bekannten technischen Lösungen,, eine Anpassungsschicht GaAs V'„P_ graduierter Zusammensetzung abgeschieden wird, wobei aber der Zielwert des Arsen/Phosphor-Verhältnisses, d. h. also der Zusammensetzung der B-Komponente ^ um einen definierten Betrag unter der endgültigen, angestrebten Zusammensetzung liegt. Es folgt eine Schicht konstanter Zusammensetzung, deren Zusammensetzung dem Endwertder graduierten Schicht entspricht. Anschliessend wird die stickstoffdotierte Schicht abgeschieden. Innerhalb dieser Schicht, aber in einem Abstand zum p-n-Übergang, der größer als die mittlere Diffusionslänge der Minöritätsladungsträger ist, wird das Arsen/Phoaphorverhältnis abrupt auf das gewünschte, für die angestrebte Elektrolumineszenzwellenlänge notwendige Verhältnis gebracht, und damit die endgültig angestrebte Zusammensetzung erreicht. -.-'^ ' '. ...

Ein Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist die Verringerung der Selbstabsorption der generierten Lichtquanten im Material, da die Schicht gleicher Zusammensetzung, die stark lichtabsorbierend wirkt, eine geringere Dicke aufweist, wodurch der externe Quantenwirkungsgrad erhöht wird. "

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Ein weitere-r Vorteil ist zu erreichen, durch die abrupte Veränderung der KriBtallzusaminenaetzung und ein damit verbundenes seitliches Auswachsen von Kristallstörungen, die zum Teil an der Qrenzgchioh.t Epitaxieschicht/Substrat entstehen und zum φ@$.1 durch die Stickstoff dotierung hervorgerufen werden·, so daß die Kriatallperfektion am pnübergang verbessert wird μηα der· Anteil der nichtstrahlenden Rekombination sicft verringert« Dieae abrupte Änderung der Migohky^BtallaVlpammpnoetBWng SQ}4tß im Bereich 0,02 ^- δ (1-x) £· 0,3 liegen. . '

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nun anhand von durch Abbildungen erläu terten Ausfuhrungsbeispielen beschrieben.

Die Epitaxieschichten werden in einem Gasphasenepitaxieprozeß unter Verwendung der Ausgangsstoffe Ga

o und der notwendigen Dotanden für Art und Konzentration der Ladungsträger hergestellt. Eine AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Schichtstruktur ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Hierbei wird auf einem GaP-Substrat 1 eine GaP-Schicht 2 geringer Dicke, ca. 5 /um, abgeschieden, an die sich eine Schicht 3 GaAs₁ P mit sich veränderndem χ anschließt« Die Dicke dieser Schicht wird im wesentlichen beeinflußt durch die angestrebte Endzusammensetzung x_? und ist um so größer, je größer die Diffcrenz 1-x im GaAs₁ P -System ist. Im Ausführungabeispiel beträgt Xp = 0,69 und die Dicke der variablen Schicht entsprechend 50 /um. Da eine abrupte Änderung der Zusammensetzung um χ = 0,06 im Ausführungabeispiel angestrebt wird, hat die variable Schicht am Ende eine Zusamrnensetzung von X₁ =0,75. Auf diese Schicht variabler Zusammensetzung folgt eine Schicht 4 konstanter Zusammensetzung mit diesem x-, , die 27 /um dick ist. In der 5-15 /um dicken Schicht 5>·die ebenfalls die Zusammensetzung· X₁

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hat, erfolgt neben der Dotierung für die notv/endiga kadungsträgerkonzentration, die in den Schichten 2-6 gleich ist, zusätzlich noch eine Dotierung mit Stickstoff, wodurch die strahlende'Rekombinationswahrscheinlichkeit erhöht wird. Dieser zusätzliche Stb'rstelleneinbau, um ungefähr 2 Größenordnungen höher als die Leitfähigkeitsdo-

/ tierung, führt zu Gitterfehlanpassungen und damit su ,JCristallstoi-ungen. Die Portpflanzung dieser und der von der Grenzschicht Substrat/Epitaxieschicht herrührenden Kristallstörungen, in (100) und (110) Richtung in die ebenfalls stickstoffdotiejrite Schicht 6, wird durch die abrupte Änderung der Zusammensetzung um den Wert χ = 0,06 unterbunden. Diese Schicht 6 hat nun die für die angestrebte Emissionswellenlänge notwendige Zusammensetzung Xp und eine Dicke von 7-15 /um. Üblicherweise sind die Schichten 2-6 und das Substrat 1 η-dotiert, so daß auf der Schicht 6 eine Schicht 7 mit p-Leitfähigkeit durch Implantation und/oder Diffusion eines entsprechenden Akzeptors, z. B. Zink, erzeugt wird. Diese p-leitende Schicht 7 kann aber auch epitaktisch abgeschieden werden.

Im allgemeinen erfolgt die Variation der Zusammensetzung des Systems ^Ga^^B-]^^_x ^{in der} Schicht 3 linear. Sie kann aber auch, wie in Abb. 3 dargestellt, beliebig nichtlinear erfolgen.

Claims

239233 7 Erfindungsanspruch

1. Epitaxieschichtanordnung fur lichtemittierende Halbleiterbauelemente und Verfahren zur Herstellung auf der Basis von GaAs- -J?^, hergestellt auf einem GaP-Substrat, wobei eine GaP-Schicht, eine graduierte GaAs₁ „P -Schicht, eine GaAs₁ _P -Schicht konstanter Zusammensetzung und eine stickstoffdotierte GaAs₁ P -Schicht abgeschieden werden, gekennzeichnet dadurch, daß sich in der stickstoffdotierten Schicht die Kristallzusammensetzung abrupt um einen Betrag von 0,02 £:^(1-x) ^. 0,3 ändert, wobei der Abstand der abrupten Veränderung der Zusammensetzung zum p-n-Übergang größer als die mittlere Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger ist.

2. Epitaxieschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die abrupte Zusaramensetzungsänderung durch eine abrupte Veränderung der AsH^- und/oder PH^-Konzentrationen in der Gasphase erreicht wird.

3· Epitaxieschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schicht der nichtabrupten Zusammensetzungaänderung vor der stickstoffdotierten Schicht abgeschieden wird, eine lineare oder nichtlineare Zusammensetzungsänderung hat und im Extremfall eine Fortsetzung der zuerst abgeschiedenen GaP-Schicht darstellen kann.

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4. Epitaxieschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach der abrupten Veränderung die B-Komponente des ternären Mischkristalls 85 - 98 % Phosphor enthält und die Eniisaionswellenlänge des Bauelementes im gelben Spektralbereich liegt.

5. Epitaxieschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach der abrupten Veränderung die B-Komponente des ternären Mischkristalls 74 - 84 % Phosphor enthält und die Emissionswellenlänge des Bauelements im orangenen Spektralbereich liegt.

6. Epitaxieschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach der abrupten Veränderung die B-Komponente des ternären Mischkristalls 34 - 73 % Phosphor enthält urid die Emissionswellenlänge des Bauelements im roten Spektralbereich liegt,

•7· Epitaxieschichtanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach der abrupten Veränderung die B-Komponente des ternären Mischkristalls 7 - 33 % Phosphor enthält und die Emiesionswellenlänge des Bauelements im infraroten Spektralbereich liegt.

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