DE1539606C - Elektrolumineszenter Galliumphosphidkristall und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrolumineszenten Galliumphosphidkristall,' der als Dotierung neben Sauerstoff ein weiteres Element aus der Reihe S, Se, Te als Donator und Zn oder Cd als Akzeptor enthält, und ein Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs an einem Galliumphosphidkristall.

Es ist bekannt (Physical Review Letters, Bd. 13, Nr. 22 vom 30.11.1964, S. A 8), kristallines Galliumphosphid mit Zink und Tellur zu dotieren, um Photolumineszenz zu erzeugen. Weiterhin ist bekannt (Proceedings of the IEEE, Bd. 52, Nr. 7, Juli 1964, S..850 bis 851), mit Hilfe von Galliumarsenidkristallen oder einer Legierung aus Galliumarsenid und Galliumphosphid Elektrolumineszenz zu erzielen.

Aus den genannten Veröffentlichungen geht jedoch nicht hervor, ob und welche Beziehungen zwischen Photolumineszenz und Elektrolumineszenz bestehen. ·

Es ist weiterhin bekannt (Solid State Electronics, Bd. 5, Nr. 5, S. 313 bis 314), Galliumphosphidkristalie neben der Dotierung mit Akzeptoren aus der Erdalkalireihe und der Dotierung mit Donatoren aus der Reihe der sechswertigen Nichtmetalle S, Se, Te mit Sauerstoff zu dotieren. Auch eine ausschließliche Dotierung von Galfiumphosphidkristallen mit Sauerstoff wurde bereits vorgeschlagen (Philips Technische Rundschau, Bd. 25, Nr. 10/11 vom 24. 12. 1964, S. 386 bis 392). Auf diese Weise ist es zwar möglich, pn-Übergänge in Galliumphosphid herzustellen, doch war die gemessene äußere Quanten-Ausbeute für praktische Anwendungen zu gering; soweit die gemessenen Ergebnisse reproduzierbar waren, wurden Wirkungsgrade in der Größenordnung von 0,01 <7o erzielt. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Galliumphosphiddioden ist nach einem weiteren Vorschlag (deutsche Auslegeschrift 1 100 173) möglich, wenn als Akzeptoren die Elemente Zink oder Kadmium und als Donatoren die Elemente Schwefel oder Tellur verwendet werden. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist ferner bekannt (deutsche Patentschrift 1 052563), das Leuchten eines Halbleiterkristalls nicht nur auf den pn-übergang selbst zu beschränken. In den berichteten Fällen, in denen bessere Wirkungsgrade erhalten worden sind, war es indessen schwierig, die Ergebnisse zu reproduzieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues und verbessertes elektrolumineszentes Bauteil sowie Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dotierung für beide Leitfähigkeitstypen im ganzen Kristall verteilt ist, wobei die Konzentration des Akzeptors diejenige des Donators überwiegt und für eine Beeinflussung der Leitfähigkeit des Kristalls ausreichend bemessen ist und die Sauerstoffkonzentration als die kleinste gegenüber Akzeptor- und Donatorkonzentration ausreicht, um strahlende Rekombinationsprozesse zu unterstützen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Akzeptor in einer Konzentration von 0,04 bis 7,0 Molprozent vor und der Donator in einer Konzentration von 0,003 bis 0,2 Molprozent.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß der Kristali auf seiner Oberfläche einen eine Oberflächensperrschicht bildenden eigenisolierenden Film aufweist, daß die eine Elektrode des Elektrodenpaars mit dem Kristall einen ohmschen Kontakt bildet und daß die andere Elektrode an den Kristall unter Temperaturen und Drücken befestigt ist, die es ihr erlauben, auf der Oberflächensperrschicht aufzuliegen.

Zur Herstellung eines Galliumphosphidkristails nach der Erfindung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß solche Mengen des Akzeptors aus einer Zone des Kristalls ausdiffundiert werden, daß der Sauerstoff und der Donator örtlich überwiegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ausdiffusion von Zink als Akzeptor durch so langes und so hohes Erhitzen bewerkstelligt, daß eine Wanderung des Zinks zur Oberfläche bei vergleichsweiser Unbeweglichkeit des Sauerstoffs und des Donators ermöglicht ist.

In vorteilhafter Weise kann die Ausdiffusion von Zink als Akzeptor durch Gettern des Zinks in eine flüssige Metall-Halbleiter-Phase bewerkstelligt wer-

. den. Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch die geeignete Dotierung von Gajliumphosphidkristallen mit Tellur, Sauerstoff und Zink bzw. Kadmium der Wirkungsgrad der Elektrolumineszenz auf Grund einer Injektion von Ladungsträgern wesentlich erhöht werden kann. Darüber hinaus ist auch eine Dotierung mit Schwefel oder Selen an Stelle von Tellur unter Umständen vorteilhaft. Insbesondere ist durch die Dotierung mit Tellur oder verwandten Donatoren die Elektrolumineszenz innerhalb eines größeren, mit Zink und Sauerstoff angereicherten Kristallbereichs ermöglicht.

Die Erfindung wird mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen an Hand der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 ein elektrolumineszentes Halbleiterbauteil aus einem Galliumphosphidkristall mit einem pn-übergang,

Fig. 2 ein elektrolumineszentes Halbleiterbauteil aus einem Galliumphosphidkristall, bei dem durch eine Oberflächensperrschicht eine Ladungsträgerinjektion erfolgt.

Das in Fig. 1 dargestellte Halbleiterbauteil mit einem pn-übergang weist eine Kristallstruktur mit einer p-leitenden Zone 1 und einer η-leitenden Zone 2 sowie an seiner Oberfläche eine Sperrschicht 7 auf.

An den beiden Stirnseiten des Kristalls sind Elektroden 3 und 4 angebracht, die die Sperrschicht 7 durchsetzen. Die Elektrode 3 bildet dabei mit der η-leitenden Zone einen ebenen Flächenkontakt, wäh-

. rend die. Kontaktfläche zwischen der Elektrode 4 und der p-leitenden Zone 1 .uneben ist. Zwischen die Elektroden 3 und 4 ist eine Gleichspannungsquelle 5 über einen Schalter 6 anlegbar, wobei die Gleichspannungsquelle 5 so gepolt ist,, daß von der Elektrode 3 negative Ladungsträger in die n-leitende Zone 2 injiziert werden.

Bei einer Ausführungsform des Halbleiterbauteils nach Fig. 1, hatte der Kristall eine Dicke von 0,152 mm, eine Breite von 0,762 mm und eine Länge von 6,35 mm bei etwas unregelmäßigem Umriß. Die Abmessung 0,152 mm entsprach dem Abstand zwischen den Elektroden 3 und 4. Als Elektrode 3 wurde eine Goldschicht von 10 A Dicke gewählt, die bei 600° C aufgedampft wurde. Die Elektrode 4 bestand aus einer Gold-Beryllium-Schicht, die in die p-leitende Zone 1 bei 600° C einlegiert wurde, um einen niederohmigen Kontakt zu schaffen. Es zeigte sich, daß das Halbleiterbauteil die Charakteristik einer Diode mit pn-Schicht zeigte, bei der Gleich-

von dem Sauerstoff befriedigt wurde, der aus dem Quarzrohrbehälter herausdiffundierte, oder von dem in Spuren in den geschmolzenen Materialien vorhandenen Sauerstoff gedeckt wurde.

Bei den Beispielen 19 und 20 wurde Kadmium an Stelle von Zink der Schmelze zugesetzt.

Wie oben schon erwähnt ist, können Schwefel und Selen als Ersatz oder Ergänzung von Tellur verwendet werden.

Aus dem nach Beispiel 1 gezüchteten Kristall wurde sowohl ein Halbleiterbauteil mit einem pn-übergang als auch ein Halbleiterbauteil mit einer Oberflächensperrschicht hergestellt. In der Durchlaßrichtung wurde bei beiden Halbleiterbauteilen eine Quantenausbeute von etwa 0,3 °/o gemessen. Die aus den Schmelzen nach den Beispielen 2 bis 20 gezüchteten Kristalle wurden für Halbleiterbauteile mit einer Oberflächensperrschicht verwendet. Zusätzlich wurden die nach den Beispielen 15 und 16 gezüchteten Kristalle für Halbleiterbauelemente mit einem pn-Übergang verwendet.

Die nach den Beispielen 2 bis 8 hergestellten Halbleiterbauelemente wiesen gemessene Quantenausbeuten zwischen 0,1 und 0,4 °/o auf.

Bei den nach den Beispielen 16 bis 18 hergestellten Halbleiterbauteilen wurden die äußeren Wirkungsgrade nicht gemessen; sie lagen aber schätzungsweise ebenso zwischen 0,01 und 0,1%.

Die nach den Beispielen 19 und 20 hergestellten Halbleiterbauteile wiesen eine gemessene Quantenausbeute von etwa 0,15% auf.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszenter Galliumphosphidkristall, der als Dotierung neben Sauerstoff ein weiteres Element aus der Reihe S, Se, Te als Donator und Zn oder Cd als Akzeptor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung für beide Leitfähigkeitstypen im ganzen Kristall verteilt ist, wobei die Konzentration des Akzeptors diejenige des Donators überwiegt und für eine Beeinflussung der Leitfähigkeit des Kristalls ausreichend bemessen ist und die Sauerstoffkonzentration als die kleinste gegenüber Akzeptor- und Donatorkonzentration ausreicht, um strahlende Rekombinationsprozesse zu unterstützen.

2. Elektrolumineszenter Galliumphosphidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Akzeptor in einer Konzentration von 0,04 bis 7,0 Molprozent vorliegt und der Donator in einer Konzentration von 0,003 bis 0,2 Molprozent.

3. Elektrolumineszenter Galliumphosphidkristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall auf seiner Oberfläche einen eine Oberflächensperrschicht (7) bildenden eigenisolierenden Film aufweist, daß die eine Elektrode (4 bzw. 14) des Elektrodenpaars mit dem Kristall einen ohmschen Kontakt bildet und daß die andere Elektrode (3 bzw. 13) an den Kristall unter Temperaturen und Drücken befestigt ist, die es ihr erlauben, auf der Oberflächensperrschicht aufzuliegen.

4. Verfahren zum Herstellen eines pn-Ubergangs an einem Galliumphosphidkristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß solche Mengen des Akzeptors aus einer Zone des Kristalls ausdiffundiert werden, daß der Sauerstoff und der Donator örtlich überwiegen.

5. Verfahren zum Herstellen eines pn-Ubergangs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdiffusion von Zink als Akzeptor bewerkstelligt wird durch so langes und so hohes Erhitzen, daß eine Wanderung des Zinks zur Oberfläche bei vergleichsweiser Unbeweglichkeit des Sauerstoffs und des Donators ermöglicht ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdiffusion von Zink als Akzeptor bewerkstelligt wird durch Gettern des Zinks in eine flüssige Metall-Halbleiter-Phase.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 585/152