DE19537544A1 - Lumineszenzdiode mit verbesserter Lichtausbeute - Google Patents

Lumineszenzdiode mit verbesserter Lichtausbeute

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Description

Die Erfindung betrifft eine Lumineszenzdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Grünleuchtende Lumineszenzdioden werden aus (111)-orientiertem Galliumphosphid hergestellt. Da Galliumphosphid ein indirekter Halbleiter ist, ist der Wirkungsgrad geringer als in Mischkristallsystemen, bei denen bei entsprechender Zusammensetzung auch direkte Bandübergänge möglich sind. Der externe Quantenwirkungsgrad, der von der Materialeigenschaft Interner Quantenwirkungsgrad und von den beim Austreten der Strahlung aus dem Innern der Diode auftreten den Verlusten bestimmt wird, beträgt bei GaP-Dioden nicht mehr als 0,3%.
Eine Ursache für den schlechten Wirkungsgrad der Dioden ist der Strahlungsanteil, der wegen Totalreflexion an der Halbleiteroberfläche den Diodenkörper nicht verlassen kann. Das ist bedingt durch den hohen optischen Brechungsindex des Halbleitermaterials. Er liegt bei ca. 3,4 für Galliumphosphid. Daraus ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion von 17,7° beim Übergang der Strahlung zu Luft. Auf direktem Weg wird nur der Anteil der Strahlung ausgekoppelt, der unter einem kleineren Winkel zur Oberflächen normalen auf die Grenzfläche fällt. Der übrige Anteil wird in den Diodenkörper zurückreflektiert. Ein großer Teil der zurückreflektierten Strahlung geht durch Absorption im Halbleiterkörper und an den Metallkontakten verloren. Daher läßt sich der Wirkungsgrad erheblich steigern, wenn für eine bessere Auskopplung der Strahlung gesorgt wird.
Eine Verbesserung der Strahlungsauskopplung läßt sich grundsätzlich durch verschiedene Maßnahmen erreichen. In der Offenlegungsschrift DE 42 13 007 A1 wird ein Verfahren beschrieben, um durch das Aufbringen einer reflexionsminderenden λ/4 - dicken Vergütung den Grenzwinkel der Totalreflexion zu vergrößern.
Aus der EP 404 565 ist eine strahlungsemittierende Diode aus dem III-V- Verbindungshalbleitermaterial GaAlAs bekannt, bei der zur Verbesserung des externen Quantenwirkungsgrades die gesamte Oberfläche des Halbleiterchips aufgerauht ist. Das Aufrauhen oder Mattieren erfolgt nach dem Vereinzeln der Dioden. Durch das Mattieren wird die Totalreflexion der erzeugten Strahlung an der Grenzfläche zwischen dem Diodenchip und dem umgebenden Material größtenteils vermieden, der Lichtweg im Halbleitermaterial verkürzt und dadurch die Wahrscheinlichkeit der Reabsorption vermindert. Gleichzeitig wird die effektive Oberfläche der Diode vergrößert, wodurch mehr Strahlung das Innere der Dioden verlassen kann. Nachteilig bei einer derart mattierten Oberfläche ist jedoch, daß aufgrund der angeätzten Kontaktschichtstrukturen das Diodenchip bei der Montage nur sehr schlecht zu bonden ist. Es müssen ätzresistente Materialen für die Kontaktschichtstrukturen verwendet werden. Weiterhin führt das Anätzen der Oberfläche im Bereich des strahlungsemittierenden Übergangs zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Dioden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Lumineszenzdiode der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad durch die Verbesserung der Auskopplung der in der Diode erzeugten Strahlung zu erhöhen, dabei aber die geschilderten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird bei einer Lumineszenzdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die dort angegebenen, kennzeichnenden Merkmale gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Die Lumineszenzdiode besteht aus einem Halbleitersubstrat (1) mit einer auf Halbleitersubstrat (1) angeordneten, für die Lichtemission geeigneten, epitaktischen Schichtenfolge (2, 3), auf deren Oberfläche (4) wenigstens teilweise eine Kontaktschichtstruktur (5, 6, 7) angeordnet ist. Die Oberfläche (4) der epitaktischen Schichtenfolge (2, 3) ist zur Erhöhung der Lichtausbeute vollständig mattiert. Die Kontaktschichtstruktur (5, 6, 7) ist auf der mattierten Oberfläche (4) angeordnet.
Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Vorderseitenkontakt auf der bereits mattierten Oberfläche der Lumineszenzdiode angeordnet ist. Der Vorderseitenkontakt kann ohne Nachteile für die Funktion der Diode auf der mattierten Oberfläche der Halbleiterscheibe hergestellt werden. Damit ist die Verwendung von wenig ätzresistenten Kontaktmetallen wie Aluminium für die Kontaktschichtstrukturen möglich.
Das Halbleitersubstrat der Lumineszenzdiode besteht aus dotiertem Galliumphosphid und ist in (111) Kristallrichtung orientiert.
Die epitaktische Schichtenfolge (2, 3) besteht aus einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten, n-leitenden Schicht aus GaP (2) und einer auf der n-leitenden Schicht (2) angeordneten, p-leitenden Schicht aus GaP (3). Die Lumineszenzdiode strahlt vorzugsweise grünes Licht ab.
Die Rauhtiefe der mattierten Oberfläche (4) liegt unter 1 µm. Dadurch lassen sich die auf der mattierten Oberfläche angeordneten Kontaktschichten problemlos zum Anschluß an Gehäuseteile bonden.
Kurze Beschreibung der Figuren:
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lumineszenzdiode im Querschnitt;
Fig. 2a zeigt die Lumineszenzdiode der Fig. 1 in einem ersten Stadium ihrer Herstellung;
Fig. 2b zeigt die Lumineszenzdiode der Fig. 1 in einem zweiten Stadium ihrer Herstellung;
Fig. 2c zeigt die Lumineszenzdiode der Fig. 1 in einem dritten Stadium ihrer Herstellung;
Fig. 2d zeigt die Lumineszenzdiode der Fig. 1 in einem vierten Stadium ihrer Herstellung;
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Abtrags von der Ätzzeit und der Temperatur für die erfindungsgemäße Ätzlösung;
Fig. 4 zeigt die Durchlaßspannung und die Lichtstärke eines gelbgrün leuchtenden stickstoffdotierten GaP-Chips für Dioden mit mattierter Oberfläche im Vergleich mit herkömmlichen Dioden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Die in Fig. 1 dargestellte Lumineszenzdiode besteht aus einem Halbleitersubstrat 1 aus (111)-orientiertem Galliumphosphid (GaP). Auf das n-leitende GaP-Substrat 1, das beispielsweise mit Tellur oder Schwefel dotiert ist, ist als erste Epitaxieschicht 2 eine ebenfalls n-leitende GaP- Schicht epitaktisch aufgebracht. Die erste Epitaxieschicht 2 ist wie das Substrat mit Tellur oder Schwefel dotiert. Die Konzentrationen der Dotierungsstoffe liegen im Substratmaterial vorteilhafterweise bei ca. 2-6·10¹⁷ cm-3 und in der ersten Epitaxieschicht 2 vorteilhafterweise bei ca. 1·10¹⁶ cm-3. Zum Herstellen der Epitaxieschichten kommen sowohl Gaspasen- (VPE) als auch Flüssigphasen-Epitaxieverfahren (LPE) in Betracht. Zur Zeit wird jedoch fast ausschließlich die Flüssigphasenepitaxie (LPE) eingesetzt. Auf die erste Epitaxieschicht 2 ist eine p-leitende, vorzugsweise mit Zink dotierte zweite Epitaxieschicht 3 aus GaP aufgebracht, die in diesem Ausführungsbeispiel die p-leitende Seite der Lumineszenzdiode bildet. Die Konzentration des Dotierungsstoffs liegt in der zweiten Epitaxieschicht 3 vorteilhafterweise bei ca. 2·10¹⁸ cm-3.
Einen noch höheren Wirkungsgrad erreichen Dioden mit einer zwischen dem Substrat 1 und der ersten Epitaxieschicht 2 angeordneten n-leitenden Pufferschicht 2a. Die Pufferschicht 2a ist im Ausführungsbeispiel vorzugsweise mit Schwefel dotiert, wobei die Konzentration des Dotierungsstoffs im Bereich von ca. 5·10¹⁶ cm-3 liegt.
Für gelbgrün leuchtende Lumineszenzdioden sind die Epitaxieschichten 2 und 3 in der Umgebung des pn-Übergangs zusätzlich mit Stickstoff dotiert, um damit isoelektronische Zentren zu erzeugen und so die Übergangswahrscheinlichkeit für die strahlende Rekombination zu erhöhen und gleichzeitig eine Verschiebung der Emissionswellenlänge zu erzielen. Die Konzentration des Stickstoffs sollte bei ca. 1·10¹⁹ cm-3 liegen.
Die gesamte Oberfläche 4 der p-leitenden Epitaxieschicht 3 ist mattiert, um die Lichtauskopplung zu verbessern. Die Rauhtiefe der mattierten Oberfläche darf den Oberwert von 1 µm nicht übersteigen, damit die Dioden bondbar sind und bei der Montage nicht beschädigt werden.
Auf der mattierten Oberfläche befindet sich eine Kontaktschichtanordnung 5, 6, 7. Sie bildet mit dem darunterliegenden Halbleiter einen ohmschen Kontakt. Die Kontaktschichtanordnung 5, 6, 7 besteht aus mehreren Kontaktschichten. Die erste Kontaktschicht 5 besteht im Ausführungsbeispiel aus Gold-Zink oder Gold-Beryllium. Auf ihr ist eine zweite Kontaktschicht 6 angeordnet. Diese dient als Diffusionsbarriere und besteht aus Titan-Wolfram-Nitrid. Auf der Diffusionsbarriere ist eine dritte Kontaktschicht 7 aus Aluminium angeordnet. Die Aluminiumschicht 7 verstärkt die erste Kontaktschicht 5 und sorgt für eine gute Bondbarkeit der Diode bei der späteren Montage.
Anstelle der Kombination aus der zweiten Kontaktschicht 6 aus Titan- Wolfram-Nitrid und dritten Kontaktschicht 7 aus Aluminium kann auch nur eine einzige Kontaktschicht bestehend aus Gold auf der ersten Kontaktschicht 5 angeordnet sein.
Die dritte Kontaktschicht 7 kann anstatt aus Aluminium auch aus einer AlSi- Legierung bestehen. AlSi-Legierungen sind korrosionsbeständiger als reines Aluminium.
Die Metallisierung auf der n-leitenden Halbleiteroberfläche der Rückseite der Scheibe besteht vorzugsweise aus einer Gold-Germanium Schicht 8. Zweckmäßigerweise, wenn auch nicht zwingend, ist die Rückseite der Diode dabei nur partiell metallisiert.
Die Fig. 2a bis 2d zeigen einen Querschnitt durch die Lumineszenzdiode nach wesentlichen Teilschritten des Verfahrens ihrer Herstellung. Zunächst werden auf einer Substratscheibe 1 aus (111)-orientiertem Galliumphosphid die erste und die zweite epitaktische GaP-Schicht 2, 3 erzeugt. Zum Herstellen der Epitaxieschichten kommen sowohl Gasphasen- als auch Flüssigphasen-Epitaxieverfahren in Betracht. Zur Zeit wird jedoch fast ausschließlich die Flüssigphasenepitaxie eingesetzt. Die beiden epitakischen Schichten enthalten/bilden den strahlungserzeugenden pn-Übergang. In Fig. 2a ist die Subtratscheibe 1 mit den beiden epitaktischen Schichten 2, 3 nach diesem Stadium der Herstellung dargestellt. Die Epitaxieschichten werden während des Aufwachsens aus der Schmelze dotiert.
In dem darauffolgenden Prozeßabschnitt wird die Oberfläche bereits vor dem Abscheiden der Kontaktschichten mattiert. Daher ist es möglich, auch wenig ätzresistente Metalle wie z. B. Aluminium für die Kontaktschichten zu verwenden.
Der Mattierungsprozeß ist so gestaltet, daß er ohne besondere Vorkehrungen bei relativ niedriger Temperatur in normaler Laborumgebung durchgeführt werden kann. Als Ätzmittel wird ein Gemisch bestehend aus je gleichen Volumenanteilen H₃PO₄, HCl und CH₃COOH verwendet. Es entsteht eine fein mattierte Oberfläche 4 mit einer Rauhtiefe, die unter 1 µm liegt. In Fig. 2b ist die Halbleiterscheibe nach diesem Prozeßschritt dargestellt.
Die Halbleiterscheibe wird nun auf der mattierten Oberfläche 4 der p- leitenden Scheibenseite in vorgegebenen Teilbereichen mit einer ersten Kontaktschicht 5 aus Gold-Zink versehen. Da bei der späteren Montage der Diode die Kontaktschicht mit Hilfe eines Bondverfahrens durch einen oder mehrere dünne Bonddrähte aus Gold oder Aluminium mit einem Anschlußstift des Gehäuses verbunden wird und eine Beschädigung der Kontaktschicht und des Halbleiterkristalls während des Drahtbondens vermieden werden muß, wird die erste Kontaktschicht 5 durch eine oder mehrere weitere Kontaktschichten 6, 7 verstärkt. Im Allgemeinen wird dabei als Verstärkungsschicht wegen der guten Montierbarkeit Aluminium vor Gold der Vorzug gegeben. Zwischen der ersten Kontaktschicht 5 aus Gold- Zink und der als Verstärkung dienenden dritten Kontaktschicht 7 aus Aluminium ist als Diffusionsbarriere eine zweite Kontaktschicht 6 vorzugsweise aus Titan-Wolfram-Nitrid vorgesehen, die das Ineinanderlegieren der Gold-Zink Schicht (erste Kontaktschicht 5) und der Aluminiumverstärkung (dritte Kontaktschicht 7) während des Temperns der Kontaktschichtanordnung verhindert. Die Anordnung nach diesem Prozeßschritt ist in Fig. 2c dargestellt. Statt des Aluminiums kann auch eine AlSi-Legierung als Material der dritten Kontaktschicht 7 verwendet werden. AlSi-Legierungen sind korrosionsbeständiger als reines Aluminium.
Im nächsten und letzten Schritt des Scheibenprozesses wird die n-leitende Scheibenrückseite mit einer Metallisierung (8) versehen. Diese Metallisierung kann ganzflächig erfolgen, wird aber vorzugsweise partiell durchgeführt und besteht beispielsweise aus Gold-Germanium. Nach dem Abscheiden und Strukturieren der Kontaktschichten der Vorder- und der Rückseite werden die Kontakte in einem Temperaturprozeß getempert, um die ohmschen Eigenschaften zu erzielen. Die Anordnung nach diesem Prozeßschritt ist in Fig. 2d dargestellt.
Anschließend werden die Dioden durch Zerteilen der Halbleiterscheibe vereinzelt und gemäß ihrer Bestimmung montiert.
Im Diagramm der Fig. 3 ist die Abhängigkeit des Materialabtrags von der Ätzzeit und der Temperatur für die Ätzlösung aus einem Gemisch aus Phosphorsäure, Salzsäure und Essigsäure und für eine (111) B-GaP Oberfläche. Die Volumenanteile der Säuren entsprechen 1 : 1:1. In einer Reihe von Versuchen wurde festgestellt, daß mit Mischungen aus Phosphorsäure und Salzsäure bereits bei Temperaturen, die geringfügig über der Raumtemperatur liegen, bei (111) B-GaP ähnliche starke Oberflächenauftauflungen erreicht werden können wie mit der annähernd kochenden konzentrierten Salz- oder Flußsäure. Wegen der hohen Viskosität der Phosphorsäure und der niedrigen Prozeßtemperatur entstehen dabei jedoch keine störenden Chlor- oder Flußsäuredämpfe. Bei der Betrachtung unter starker Vergrößerung zeigt sich, daß sowohl die mit Salz- oder Flußsäure als auch die mit dem Phosphorsäure, Salzsäure-Gemisch behandelten Oberflächen dicht mit regelmäßigen, lückenlos aneinander anschließenden Pyramiden überzogen sind, die alle in einer scharfen Spitze enden. Durch den Zusatz von Essigsäure zu dem Phosphorsäure, Salzsäure- Gemisch läßt sich die Ausbildung dieser spitzwinkligen Pyramiden verhindern und es entsteht statt dessen die gewünschte fein mattierte Oberfläche mit einer Rauhtiefe, die unter 1 µm liegt. Wie das Diagramm der Fig. 3 zeigt, ist der Abtrag der Ätzlösung gering. Selbst bei einer Temperatur von 50°C und einer Ätzzeit von 30 min beträgt der mittlere Abtrag nur etwa 500 nm. Die geringe Auflösungsgeschwindigkeit ist ein Indiz für das Vorliegen von Inhibitionserscheinungen beim Ätzangriff. Da die Ätztiefe außerdem proportional zur Quadratwurzel aus der Ätzzeit ist, kann geschlossen werden, daß mindestens ein Teilschritt der Ätzreaktion diffusionskontrolliert ist. Vermutlich begrenzt die Abdiffusion der Reaktionsprodukte die Ätzrate.
Durch das Mattieren der Vorderseite der Halbleiter-Substratscheibe läßt sich der externe Quantenwirkungsgrad um etwa 25% steigern. Dies zeigt das in Fig. 4 dargestellte Diagramm. Hier sind die Durchlaßspannungs- und die Lichtstärkedaten eines herkömmlichen GaP:N Lumineszenzdiodenchips für den grünen Spektralbereich denen eines Chips mit mattierter Vorderseite gegenübergestellt. Die Lichtstärke bei einem Durchlaßstrom von 20 mA konnte um 26% von 895 auf 1129 (willkürliche Einheiten) gesteigert werden. Gleichzeitig sank die Durchlaßspannung von 2,23 V auf 2,19 V. Tests haben weiterhin ergeben, daß die Lebensdauer der Dioden mit mattierter Vorderseite gegenüber herkömmlichen Dioden nicht beeinträchtigt ist.
Durch das oben beschriebene Verfahren zum Mattieren der Vorderseite von Lumineszenzdioden ist es möglich, die Lichtausbeute der Dioden um etwa 25% zu erhöhen. Da die Mattierungsätzung vor der Vorderseitenkontaktierung durchgeführt wird, ist dieses Verfahren auch dann anwendbar, wenn Aluminium als Kontaktwerkstoff verwendet werden soll. Da das Mattieren weiterhin auf die Vorderseite der Dioden beschränkt bleibt und der elektrisch aktive pn-Übergang auf den Seitenflächen an die Oberfläche tritt, wird die Lebensdauer der Dioden durch das Verfahren nicht beeinträchtigt.

Claims (8)

1. Lumineszenzdiode bestehend aus einem Halbleitersubstrat (1) mit einer auf Halbleitersubstrat (1) angeordneten, für die Lichtemission geeigneten, epitaktischen Schichtenfolge (2, 3), auf deren Oberfläche (4) wenigstens teilweise eine Kontaktschichtstruktur (5, 6, 7) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Oberfläche (4) der epitaktischen Schichtenfolge (2, 3) zur Erhöhung der Lichtausbeute vollständig mattiert ist und
  • - daß die Kontaktschichtstruktur (5, 6, 7) auf der mattierten Oberfläche (4) angeordnet ist.
2. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat aus dotiertem Galliumphosphid besteht.
3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dotierte Galliumphosphid des Halbleitersubstrats in (111) Kristallrichtung orientiert ist.
4. Lumineszenzdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schichtenfolge (2, 3) aus einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten, n-leitenden Schicht aus GaP (2) und einer auf der n-leitenden Schicht (2) angeordneten, p-leitenden Schicht aus GaP (3) besteht.
5. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhtiefe der mattierten Oberfläche (4) unter 1 µm liegt.
6. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der mattierten Oberfläche (4) angeordnete Kontaktschichtstruktur (5, 6 , 7) in der angegebenen Reihenfolge aus einer ersten Kontaktschicht (5) aus Gold-Zink, einer zweiten Kontaktschicht (6) aus Titan-Wolfram-Nitrid und einer dritten Kontaktschicht (7) aus Aluminium besteht.
7. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der mattierten Oberfläche (4) angeordnete Kontaktschichtstruktur (5, 6 , 7) in der angegebenen Reihenfolge aus einer ersten Kontaktschicht (5) aus Gold-Zink, einer zweiten Kontaktschicht (6) aus Titan-Wolfram-Nitrid und einer dritten Kontaktschicht (7) aus Aluminium- Silizium besteht.
8. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die der mattierten Oberfläche (4) gegenüberliegende Oberfläche mit einer weiteren Kontaktschicht (8) aus einer Gold Germanium Legierung versehen ist.
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