DD205284A1 - EPITAXI COIL ASSEMBLY FOR LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR COMPONENTS AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF - Google Patents
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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.The invention relates to an epitaxial layer structure for light-emitting diodes and components which emit light from the yellow to infrared spectral range. The aim of the invention is to increase the efficiency of these components. Firstly, the perfection of the layer in which the p-n junction is located is improved, so that the proportion of non-radiative recombination processes is reduced u. secondly, it reduces the absorption of the emitted radiation in the device so that the external quantum efficiency is increased. The essence of the invention is that in the nitrogen-doped active layer, but at a distance from the pn junction that is greater than the average diffusion length of the minority charge carriers, there is an abrupt change in the composition of the GaAs deep 1 deep - deep x P deep x Which comes in the range of 0.02 not equal to delta x not equal to 0.3 of the desired total change, and that this abrupt change is due to a corresponding variation of the AsH deep 3 / PH deep 3 ratio in the gas phase.
Description
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Titel der ErfindungTitle of the invention
Epitaxieschichtanoidnung für lichtemittierende Halbleiterbauelemente und Verfahren zur HerstellungEpitaxial layer annealing for semiconductor light emitting devices and methods of manufacture
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft eine Epitaxieachichtanordnung auf der Basis von GaAs. _J? auf GaP-Substrat füj> optoelektro· nische Halbleiterbauelemente und ein Verfahren für deren Herateilung.The invention relates to an epitaxial eye assembly based on GaAs. _J? on GaP substrate for> optoelectronic semiconductor components and a method for their formation.
Derartige Halbleiterbauelemente v/erden als diskrete Leuchtdioden für Symbolanzeigen und in anderen elektronischen Baugruppen angewandt.Such semiconductor devices are used as discrete LEDs for symbol displays and in other electronic assemblies.
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.Discrete LEDs are used to display and control operating states. Symbol display modules are used in particular for digital measured value display and in electronic computers. In the future, these optoelectronic components, especially in connection with glass fiber optics, will open up an even broader field of application.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
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..It is known that the A B compound semiconductors are particularly well suited for the production of light emitting devices and that at present they are also the only materials commercially used in the manufacture of light emitting devices.
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Technologisch am besten beherrscht und am weitesten verbreitet ist hierbei das System GaAs1 „Pv, 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.Technologically, the best known and most widely used system is GaAs 1 "P v , which makes it possible to produce light emitting devices from the infrared to the green spectral range. U.S. Patent Nos. 4,001,056 and Re 29,845, as well as West German Offenlegungsschrift 2,927,454, describe in detail structures which are in general use today. Usually, a thin layer of the same conductivity and the same composition as the substrate is deposited on a GaP substrate, followed by a layer of the same conductivity but with a changing composition, whereby the composition is varied so that the band gap necessary for the desired emission wavelength is achieved. Then a layer of the same conductivity and with the selected, now constant, composition is deposited, which follows a layer of the same conductivity and the same composition, but which is additionally doped with nitrogen, and on which a final layer of the same composition but with a different conductivity is deposited. This layer of other conductivity can also be made by diffusion or implantation of suitable dopants into the layer.
.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 geringerenIt is further known that radiative recombination occurs in GaAs 1 P light emitting devices with χ · 0.5 in both the η and p regions, so that the nitrogen doped region must have sufficient thickness greater than that On the other hand, the thickness of the entire layer of constant composition should be kept as small as possible in order to reduce the self-absorption and thus improve the efficiency. Furthermore, the nitrogen doping results from the fact that the nitrogen atom occupies a place in the phosphor sublattice and a much smaller one
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Tetraederradiua (70 pm zu 110 pill· b^ira Phosphor) hat unc| damit daa stickatoffdotierte Geb|e|Jf0ine 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.Tetrahedron radii (70 pm to 110 pill · b ^ ira phosphorus) have unc | so daa stickatoffdotierte building | e | J f 0ine smaller lattice konatante beaitzt to lattice mismatch ^ npasaungen in Grösaenordnung of 3 - 4x 10 "'·'% ♦ This can Gitterfehlanpaaaungen in Rriatall Leeratellenkomplexe, form clusters of foreign atoms and Vöraetzungen. It is also known that the efficiency of epitaxial layers increases with the distance from the substrate / epitaxial layer junction to thicknesses of 50 × 60 / μm, which is attributed to the decrease in deposition-induced perturbations at the substrate / epitaxial layer interface. Usually, therefore, the total layer thickness of the epitaxial layer is much larger than actually required for optimal recombination conditions.
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.Nuese (Crystal Growth: A Tutorial Approach, Worth-Holland Publishing Company, 1979) has shown that with a stepwise increase of the lattice constants, such as z, B, with a stepwise decrease in the x value in the deposition of GaAs 1 _ .P "on GaP would occur due to the larger lattice constant of the GaAs compared to the GaP, resulting in a kinking and subsequent lateral outgrowth of lattice defects.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Das Ziel der Erfindung besteht in der Effizienzerhöhung und Degradationsverringerung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen auf der Basis von GaAs.. Ρχ / GaP mit χ > 0.The aim of the invention is to increase the efficiency and degradation of light-emitting semiconductor devices based on GaAs... Ρ χ / GaP with χ> 0.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Epitaxie-Schichtanordnung auf GaP-Substrat für die Herstellung lichtemittierender Halbleiterbauelemente mit erhöhterThe invention is based on the object, an epitaxial layer arrangement on GaP substrate for the production of light-emitting semiconductor devices with increased
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Quantenausbeute und verbessertem Langzeitverhalten, deren Emissionsspektren im infraroten, roten, orangenen^ gelben und gelbgrünen Spektralbereich liegen, herzustellen.Quantum yield and improved long-term behavior, the emission spectra are in the infrared, red, orange ^ yellow and yellow-green spectral range produce.
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.The known epitaxial layer arrangement involves the disadvantages of a large absorption of the generated light quanta due to the relatively thick layer of the same composition and the reduction of the efficiency due to the nitrogen doping induced lattice mismatch and its contribution to the enhancement of non-radiative recombination.
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. -.-'^ ' '. ... According to the invention, the object is achieved by the fact that, as in the known technical solutions, "an adaptation layer GaAs V '" P_ graduated composition is deposited, but the target value of the arsenic / phosphorus ratio, ie the composition of the B component ^ by a defined amount below the final target composition. This is followed by a layer of constant composition whose composition corresponds to the final value of the graduated layer. Subsequently, the nitrogen-doped layer is deposited. Within this layer, but at a distance from the pn junction that is greater than the mean diffusion length of the minority carriers, the arsenic / phosphorous ratio is abruptly brought to the desired ratio necessary for the desired electroluminescence wavelength, thereby achieving the final desired composition. -.- '^ ''. ...
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. "An advantage of this solution according to the invention is the reduction of the self-absorption of the generated light quanta in the material, since the layer of the same composition, which has a strong light-absorbing effect, has a smaller thickness, whereby the external quantum efficiency is increased. "
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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@$.1 durch die Stickstoff dotierung hervorgerufen werden·, so daß die Kriatallperfektion am pnübergang verbessert wird μηα der· Anteil der nichtstrahlenden Rekombination sicft verringert« Dieae abrupte Änderung der Migohky^BtallaVlpammpnoetBWng SQ}4tß im Bereich 0,02 ^- δ (1-x) £· 0,3 liegen. . 'A further advantage is to be achieved by the abrupt change in crystal composition and the associated lateral outgrowth of crystal defects, which arise in part at the boundary layer epitaxial layer / substrate and are caused by φ@$.1 by the nitrogen doping. so as to improve the refractory perfection at the junction, the proportion of nonradiative recombination may be reduced. The abrupt change in the Migohky radiation potential PQtss may be in the range 0.02 ^ - δ (1-x) £ x 0.3. , '
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung wird nun anhand von durch Abbildungen erläu terten Ausfuhrungsbeispielen beschrieben.The invention will now be described by way of illustrations erläu tured exemplary embodiments.
Die Epitaxieschichten werden in einem Gasphasenepitaxieprozeß unter Verwendung der Ausgangsstoffe GaThe epitaxial layers are grown in a gas phase epitaxy process using the starting materials 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 o and the necessary dopants for the type and concentration of the charge carriers produced. An embodiment of the layer structure according to the invention is shown in FIGS. 1 and 2. In this case, a GaP layer 2 of small thickness, about 5 μm, is deposited on a GaP substrate 1, followed by a layer 3 of GaAs 1 P with a changing thickness. The thickness of this layer is essentially influenced by the desired one Final composition x ? and the larger the diffraction 1-x in the GaAs 1 P system, the larger it is. In the embodiment, Xp = 0.69 and the thickness of the variable layer is 50 / μm, respectively. Since an abrupt change of the composition by χ = 0.06 is desired in the embodiment, the variable layer has a composition of X 1 = 0.75 at the end. This layer of variable composition is followed by a layer 4 of constant composition with this x, which is 27 / um thick. In the 5-15 / um thick layer 5>, which also has the composition X 1
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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-has, in addition to the doping for the notv / endiga kadungsträgerkonzentration, which is the same in the layers 2-6, additionally doped with nitrogen, whereby the radiant 'recombination probability is increased. This additional stub installation is about 2 orders of magnitude higher than the conductivity
/ 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./ lation, leads to lattice mismatches and thus su, JCristallstoi-tions. The port planting of these and of the boundary layer substrate / epitaxial layer originating crystal disturbances, in (100) and (110) direction in the likewise nitrogen-doped layer 6, is prevented by the abrupt change of the composition by the value χ = 0.06. This layer 6 now has the necessary for the desired emission wavelength composition Xp and a thickness of 7-15 / um. Usually, the layers 2-6 and the substrate 1 are η-doped, so that on the layer 6, a layer 7 with p-conductivity by implantation and / or diffusion of a corresponding acceptor, for. As zinc is generated. However, this p-type layer 7 can also be deposited epitaxially.
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.In general, the variation of the composition of the system Ga ^ B -] ^^ x in the layer 3 is linear. However, as shown in Fig. 3, it can also be made arbitrarily nonlinear.
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