DE1489517A1

DE1489517A1 - Lumineszenzdiode mit einem A?-Halbleiter-Einkristall und einem durch Legieren hergestellten ebenen pn-UEbergang

Info

Publication number: DE1489517A1
Application number: DE19651489517
Authority: DE
Inventors: Winstel Dr Dipl-Phys Guenter; Zschauer Dipl-Phys Karl-Heinz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-07-07
Filing date: 1965-07-07
Publication date: 1969-05-14
Also published as: AT273255B; SE307812B; NL6609463A; GB1143472A; US3518476A; CH468139A

Description

III V
Lumineszenzdiode mit einem A B -Halbleiter-Einkristall und einem durch Legieren hergestellten ebenen pn-übergang

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Die Erfindung betrifft eine Lumineszenzdiode mit einem AB Halbleiter-Einkristall und einem durch Legieren hergestellten pn-übergang.

Ill V
Lumineszenzdioden mit einem A B -Halbleiter-Einkristall sind bereits bekannt. Es ist auch bekannt, daß die physikalischen Mechanismen der Elektrolumineszenz durch Trägerinjektion über einen Halbleiter-pn-Übergang zur Erzeugung und Verstärkung stimulierter Strahlung führen und daß die Lumineszenzdiode eine Lichtquelle mit hoher Quantenausbeute darstellt, die bei genügend hoher Injektion und geeigneter geometrischer Ausbildung als

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Resonator f-ür das zu emittierende licht eine Laser-Funktion erwarten läßt. Der hierzu erforderliche Halbleiter-pn-Überr gang kann sowohl mit dem bekannten Diffusionsverfahren als auch mit dem bekannten Legierungsverfahren hergestellt werden. Die Lichtausbeute von Lumineszenzdioden, insbesondere aus GaAs, hängt stark von ungewollten Verunreinigungen im Kristall ab ο Um nicht bei der Präparation der pn-Übergänge hohe Temperaturen und lange Zeiten anwenden zu müssen, ist das Legierungsver*- fahren besonders ,geeignet. Dabei treten jedoch gerade bei niedrigen Legierungstemperaturen (350-50O⁰C) charakteristische kristallographisch ausgezeichnete Legierungsfronten auf, die wegen der verschiedenen Kristallqualität der zurückkristallisierten Schicht und/oder der Dotierungsverhältnisse dieser Schicht unterschiedliche Lichtausbeute liefern»

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lumineszenzdiode mit hoher Lichtausbeute so herzustellen, daß nach dem Legierungsprozeß und anschließendem Abätzen ungeeigneter Diodenteile mit falscher Kristallorientierung nur noch die optimale, ebene pn-Fläche beisteht» Damit diese ebene pn-Fläche von vornherein den Hauptanteil des legierten pn-übergangs bildet, muß die Einlegierung erfindungsgemäß von der mit 5- wertigen B -.Atomen besetzten (-1,-1,-1)-Oberfläche des Kristalls her möglichst großflächig mit einer Eindringtiefe erfolgen, die höchstens 1/10 der kleinsten linearen Abmessung der Fläche des pn-Übergangs beträgt.

Gemäß der Erfindung wird daher bei einer Lumineszenzdiode mit

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einem A B -Halbleiter-Einkristall und einem durch Legieren

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hergestellten ρη-Übergang zur Erzielung eines ebenen pn-Ubergangs das Legierungsmetall in eine mit 5-wertigen Atomen • besetzte (-1,-1,-1)-Oberfläche des Einkristalls einlegiertj wie Versuche gezeigt haben, entstehen dabei schräg zu dieser .Oberfläche liegende Rekristallisationsgrenzen, die nachteilig sind und daher gemäß der weiteren Erfindung nachträglich insbesondere durch Ä'tzen entfernt werden. Die AB -Verbindungen kristallisieren in der Zinkblendestruktur. Das wesentlich?Kennzeichen dieser Struktur ist, daß jedes Atom tetraedisch von vier nächsten Nachbarn der anderen Atomgruppe umgeben ist» Jedes Atom eines Elementes der V. Hauptgruppe des periodischen Systems ist also von vier Atomen eines Elementes der III.Hauptgruppe des periodischen Systems symmetrisch umgeben und umgekehrt. Wegen

des NichtVorhandenseins eines Symmetriezentrums bei A B Verbindungen bilden die (1,1,1)-Richtungen und (-'i ,-1 ,-1)-Richtungen polare Achsen. "Als (1,1,1)-Richtung sei die Richtung von einöm A -Atom (Element der ItI. Hauptgruppe des periodischen Systems) zu einem benachbarten B -Atom (Element der V. Hauptgruppe des periodischen Systems) definiert und als (-1,-1,-1) Richtung die Richtung von einem B -Atom zu einem benachbarten

A -Atom. Die entsprechenden (1,1,1)- bzw. (-1 ,-1 ,-1)-Flächen werden von den (1,1,1)- bzw. (-1,-1,-1)-Richtungen senkrecht durchsetzt. Die (1,1,1)-Kristalloberflachen bestehen aus Atomender III.. Hauptgruppe des periodischen Systems, während die (-1,-1,-1)-Kristalloberflächen aus Atomen der V. Hauptgruppe des ' periodischen Systems gebildet werden. Daraus resultiert der Unterschied in der Kristallisationsfähigkeit von (1,1,1)- und

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(-1,-1,-1)-Krietalloberf lachen einer A^iXJ- B^v -Verbindung. Die günstigere Kristalloberfläche ist die aus Atomen der V. Hauptgruppe des periodischen Systems gebildete (-1,-1,-1)-Kristalloberfläche, denn in dieser Flache sind nur 3 der 5 Valenzelektronen in die Bindung mit dem Kristall verflochten und die restlichen zwei stehen für die Anlagerung weiterer Kristallbausteine (GaAs-Moleküle) zur Verfugung. D.h., die ganze Kristall-

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oberfläche wirkt als Keiaa und wird dementsprechend gleichmäßiger beschichtet. Analog ist die Wirkung dieser freien Valenzen auf die in der Legierungaschmelze enthaltenen Dotierungsstoffe zu verstehen. Dieser Einfluß führt bekanntermaßen zu einer von der Kristallfläche abhängigen Dotierungskonzentrationο

Als günstiger leitfähigkeitstyp für den Halbleiter-Einkristall

erweist sich derjenige !Typ, bei dem die Majoritätsladungsträger die höhere Beweglichkeit haben als beim anderen. Leitfähigkeitstyp, weil dadurch der spezifische Widerstand des Halbleiterein- , kristalle kleiner ist als beim entgegengesetzten Typ gleicher Dotierungskonzentration. Im allgemeinen ist daher, wie insbesondere auch bei GaAs, der n-Ieitfähigkeitstyp für den HaIb-

j leiterkristall vorzuziehen. Der hohe Nutzeffekt der besonders interessierenden GaAs-Lumineszenzdiode rührt daher, daß bei der Rekombination die strahlenden Prozesse überwiegen, da in diesem Material Elektronen und Löcher eine gleichartige Impulsverteilung haben, so daß die übergänge von Leitfähigkeits- zum Valenzband "v. direkt ohne Impulsübertragung an das Kristallgitter erfolgen '

können. Ein ähnliches Verhalten zeigen'. z.B. auch die A¹¹¹B^-

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Verbindungen InSb und InAa. Jedoch sind auch Materialien mit indirekten Bandübergängen und solche mit Übergängen über Stö'rterme anwendbar, wenn nur die in Konkurrenz stehenden nicht- _: strahlenden Prozesse ausreichend klein gehalten v/erden»

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele hervor. Figur 1 zeigt einen Schnitt' durch eine lumineszenzdiode. Die lumineszenzdiode besteht aus einem A¹¹¹B -Halbleiter-Einkristall 4. Als günstig erweist sich dabei als AB -Halbleiter-Einkristall ein η-dotierter GaAs-Kristall. In diesen Einkristall ist die p-dotierte Zone 2 einlegiert, die Legierungspille 1 besteht aus einer Zinn-Zink-Legierungo Zur Erzielung eines ebenen pn-Übergangs wird das Legierungsmetall in die (-1,-1,-1)-Oberfläche 3 des Einkristalls einlegiert und die dabei entstandenen, schräg zu dieser Oberfläche liegenden Rekristallisationsgrenzen werden durch Ätzen entfernt. An der der Legierungspille 1 gegenüberliegenden Fläche befindet sich die Kontakteinlegierung 5. Die gesamte Halbleiteranordnung sitzt auf der Grundplatte 6. Die Grundplatte 6 besteht aus einer Metallegierung (z.B. Vacon oder Molybdän), die einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiter-Einkristall 4 hat. Diese Grundplatte ist im Zentrum mit einer öffnung für den Lichtaustritt der im Halbleitereinkristall entstehenden Strahlung versehen« .

ν Ein besonders hoher externer Wirkungsgrad wird bei einer

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Lumineszenzdiode dann erreicht, wenn für die Form des ndotierten Halbleiter-Einkristalls 4 eine Weierstreßgeometrie' · · gewählt wird, wie das in Figur 2 gezeigt iat. In der in Figur, Z dargestellten Anordnung sind gleiche Teile mit den gleichen Bezeichnungen wie in Figur 1 versehen. Der Halbleiter-Einkrietail-4 besitzt eine Weierstraßgeometrie. Br hat ungefähr die Form einer Halbkugel,en die sich noch ein zylindrischer Teil mit dem gleichen Radius, wie in die Halbkugel besitzt, anschließt. Mittels dieser Geometrie wird erreicht, daß die im Halbleiter-Einkristall entstandene Strahlung diesen Kristall nahezu parallel und senkrecht nach oben verläßt und nur geringe Streuverluste auftreten. Dieser halbkugelförmige GaAs-Kristall 4 sitzt über

eine Kontakteinlegierung 5 auf der Grundplatte 6. In den Halbin leiter-Einkristall 4 ist in analoger Weise, wie in der/Figur 1 dargestellten Lumineszenzdiode, die p-Zone 2 einlegiert. Die Legierungspille 1 besteht aus einer Zinn-Zink-Legierung. Zur Erzielung eines ebenen pn-Überganges wird das Legierungsmetall in dio (-1,-1,-1)-Oberfläche 5 des Einkristalls 4 einlegiert und die dabei entstandenen, schräg zu dieser Oberfläche liegenden Rekristallisationsgrenzen werden durch Ätzen entfernt» Über eine Kontakteinlegierung 5, die sich an der Peripherie der Kreisfläche des gewölbten Halbleiter-Einkristalls 4 befindet, sitzt die Halbleiteranordnung auf einer im Zentrum mit einer öffnung versehenen Grundplatte 6. Die Grundplatte 6 besteht aus , einer Metallegierung, die einen ähiiichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie der Halbleiter-Einkristall- 4. Die Grund- j platte 6 ist auf einem Hohlzylinder aus Isolationsmaterial 7

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ÄnÄWfiraoht und die gesamte Anordnung wird von einer Metalldeck-9 abgeschlossen. Von der Metalldeckplatte 9 verläuft eine Kontaktverbindung ö durch die öffnung der Grundplatte

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iitglerungspilie 1.

bereits beschrieben, muß die Einlegierung des pn-über- ?^^ erfinduhgagemäß von der mit V-wertigen Atomen besetzten (»ti-1»~1)-Oberfläche dea Halbleiter-Einkristalls möglichst

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ächig mit geringer Eindringtiefe erfolgen, damit diese

pene pr.-Fläche von vornherein den Hauptanteil des legierten'

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^jpir.-Ubergengs bildet. Hierzu empfiehlt es sich, das an sich bekannte legierunge-Verfahren zur Herstellung von elektrischen Ha^bleitergeräten unter Pulvereinbettung anzuwenden. Dieses ^erfahren ist in der Deutschen Patentschrift Nr. 1 015 152 und äer Deutschen Patentschrift Nr.'1 046 198 eingehend beechrieben. Mit diesem Verfahren wird nicht nur die angestrebte gleichmäßige Dicke der ■entstehenden legierungsschicht, sondern auch die Wahrung deren äußerer Form bzw. Flächengestalt gesichert.

Ψ Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

•1. Lumineszenzdiode rait einem A¹¹¹B^-Halbleiter-Einkristall und einem durch Legieren hergestellten pn-rtJbergang, dadurch .gekennzeichnet» daß zur Erzielung eines ebenen pn-übergangs das Legierungsmetall in eine (-1,-1,-1)-Oberfläche des Einkristalls einlegiert ist und die dabei entstandenen, schräg • zu dieser Oberfläche liegenden/ Rekristallisationsgrenzen insbesondere durch Ätzen entfernt sind.
2« Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Einkristall den Leitfähigkeitstyp, insbesondere η-Typ besitzt, bei dem die Majoritäts-Ladungsträger die höhere Beweglichkeit haben als beim anderen Leitfähigkeitstyp.
3» Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter-Einkristall eine A¹¹ ^-Verbindung dient, deren Elektronen und Löcher eine gleichartige Impulsverteilung besitzeno
Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter-Einkristall ein η-dotierter GaAs-Einkristall dient.
5. Luraineezenediode, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Einkristall etwa Weier-Btraßgeometrie besitzt.

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Neue Unterlagen «Art. j § ι al·», λ Mr. ι &>tz 3 <

* 4.
6. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Legierungsmetall aus einer Zinn-Zink-Legierung "besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines ebenen pn-Übergangs in Lumineszenzdioden nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte Legierungsverfahren zur Herstellung von elektrischen Halbleitergeräten unter Pulvereinbettung angewendet wird.

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