DE19539364C2

DE19539364C2 - Epitaxialstruktur für eine lichtemittierende GaP-Diode

Info

Publication number: DE19539364C2
Application number: DE19539364A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yoshinaga
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2015-10-24
Also published as: JPH08255925A; US5895706A; DE19539364A1; TW306016B; JP3624451B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Epitaxialstruktur für eine lichte mittierende GaP-Diode.

Eine Epitaxialstruktur für eine lichtemittierende Diode wird normaler weise erhalten, indem eine Vielzahl von Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat epitaxial aufgewachsen werden, um u. a. eine aktive Schicht mit einem p-n-Übergang zu bilden. In einer grünes Licht emit tierenden Diode, die Galliumphosphid (GaP) verwendet, wird die aktive Schicht durch das Aufwachsen einer n-Typ und einer p-Typ GaP-Schicht auf ein n-Typ GaP-Einzelkristallsubstrat gebildet. Um eine hohe Elek trolumineszenzeffizienz zu erhalten, wird normalerweise Stickstoff ver wendet, der in eine n-Typ GaP-Schicht dotiert wird.

Licht emittierende GaP-Dioden weisen einen Emissionsmechanismus des indirekten Typus auf, der eine geringe Emissionseffizienz zur Folge hat und diese Licht emit tierenden Dioden auf den Einfluß der Kristallinität empfindlich macht.

Ein in weitem Maße verwendeter Index der Kristallinität ist die Ätzgru bendichte (EPD) der Kristalloberfläche. Dies ist ein Evaluierungsverfah ren, das die Grübchen verwendet, die genau bei Kristalldefektteilen durch ein spezifisches Ätzfluid gebildet werden. Mit Bezug auf GaP wird die EPD als ein Zählwert der Anzahl von Grübchen pro Quadratzenti meter Oberfläche erhalten, die durch ein Ätzverfahren gebildet werden, das als Richard & Crocker-Ätzung (RC-Ätzung) bekannt ist.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Substrat-EPD und der Emissi onseffizienz der LED, die auf dem Substrat gebildet ist. Aus Fig. 3 kann es gesehen werden, daß die Emissionseffizienz der LED dazu neigt, um so höher zu sein, je geringer die EPD des Substrats ist.

Obwohl es verschiedene Verfahren des Herstellens eines GaP- Einzelkristallsubstrates gibt, ist es im allgemeinen schwierig, die EPD des Substrats zu verringern. Statt dessen offenbart JP-B-HEI-2-18319 ein anderes Verfahren zur Verringerung des Effektes der EPD. Dabei wird in dem epitaxialen Wachstumssystem das GaP-Substrat mit der Schmelze zuerst kontaktiert, um eine n-Typ GaP-Schicht (nachfolgend die "n₀-Schicht" genannt) auf dem GaP- Substrat durch ein supergekühltes Wachstumsverfahren zu bilden. Das Substrat wird dann von der Schmelze getrennt und die Temperatur des epitaxialen Wachstumssystems wird wieder angehoben, das Substrat, auf welchem die n₀-Schicht aufgewachsen worden ist, wird mit einer frischen Schmelze kontaktiert und die Tempe ratur wird weiter angehoben, die Oberfläche der n₀-Schicht schmilzt wieder, worauf nachfolgend ein normales Verfahren verwendet wird, um einen p-n-Übergang herzustellen, indem eine andere n-Schicht gebildet wird (nachfolgend die "n₁-Schicht" genannt), eine n-Schicht, in welche Stickstoff dotiert wird (nachfolgend die "n₂-Schicht" genannt), und eine p-Schicht, in welcher Zink als ein Dotierungsmittel verwendet wird, und zwar in einer kontinuierlichen epitaxialen Wachstumsoperation. In die sem Verfahren trägt die n₀-Schicht, die in der ersten Hälfte des Prozes ses aufgewachsen wird, nicht direkt zur Lichtemission bei. Die Offenba rung der JP-B-HEI-2-18319 lehrt, daß ein Teil der n₀-Schicht zurück geschmolzen wird, um eine frische Schmelze in der zweiten Hälfte des Verfahrens zu bilden. Auch sind die n₀-Schichtschmelze und das Er wärmungsprogramm von dem Epitaxieverfahren, das in der letzteren Hälfte verwendet wird, um den p-n-Übergang zu bilden, getrennt, und als solche können die Schichtdicke und die anderen Wachstumsbedin gungen unabhängig eingestellt werden. Da die n₀-Schicht eine epita xiale Schicht ist, die zwischen das GaP-Substrat und die in der zweiten Hälfte des Verfahrens erzeugten Schichten angeordnet wird, wird diese n₀-Schicht im nachfolgenden als eine Puffer-Schicht bezeichnet.

Anders als in dem Fall der n₀-Schicht, hat die Änderung der Dicke der n₁-Schicht eine darauf bezogene Änderung der Dicke der n₂-Schicht und der p-Schicht zur Folge. Auch entspricht die Temperatur, bei wel cher das Wachstum der n₁-Schicht abgeschlossen ist, der Wachstums starttemperatur der n₂-Schicht, das heißt, der aktiven Schicht. Da die n₁-Schicht-Wachstumsbedingungen so direkt die n₂-Schicht- Wachstumsbedingungen beeinflussen, ist streng genommen die n₁- Schicht von der n₀-Schicht verschieden, welche eine Pufferschicht ist, und bildet einen Teil der aktiven Schicht. Gemäß der Offenbarung hat die Verwendung des bekannten Verfahrens eine Verbesserung von 0,4% oder mehr bezüglich der Emissionseffizienz der aktiven Schicht zur Folge.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen epitaxialen Aufbau für eine Licht emittierende GaP-Diode mit noch höherer Elektrolumineszenzeffizi enz mit einer verbesserten Pufferschicht und einer verringerten EPD auf der Oberfläche, auf welcher die aktive Schicht gebildet ist, zu schaffen.

Um das obige Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung eine Epitaxialstruktur für eine lichtemittierende GaP-Diode, bestehend aus einem n-Typ GaP-Einkristallsubstrat, mindestens zwei Pufferschichten, die nacheinander auf das Einkristallsubstrat aufgewachsen sind und einer lichtemitterenden Struktur, die eine n-Typ GaP-Schicht, die nicht mit Stickstoff dotiert ist, eine n-Typ GaP-Schicht, die mit Stickstoff do tiert ist und eine p-Typ GaP-Schicht umfaßt, die nacheinander auf der obersten Pufferschicht aufgewachsen sind, wobei die Differenz der La dungsträgerkonzentration an der Grenze zwischen Einkristallsubstrat und erster Pufferschicht sowie an der Grenze benachbarter Puffer schichten (0,5-2)10¹⁷ cm^-3 beträgt und wobei die Ladungsträgerkon zentration der Pufferschichten von dem Einkristallsubstrat in Richtung auf die lichtemittierende Struktur gehend auf mindestens die Ladungs trägerkonzentration des Einkristallsubstrats an der Grenze zwischen Einkristall und erster Pufferschicht ansteigt.

Somit wird eine erste Pufferschicht epita xial auf dem Einzelkristallsubstrat aufgewachsen, die Schmelze und das Substrat werden getrennt und die nächste Pufferschicht wird epitaxial auf der vorhergehenden Pufferschicht aufgewachsen. Dann wird die lichtemittierende Struktur auf der obersten Pufferschicht aufgewach sen. Es wurde nämlich festgestellt, daß eine derartige Epitaxialstruktur zu einer sequentiellen Abnahme in der Propagation bzw. Fortpflanzung von Substratkristalldefekten in der Grenzfläche zwi schen dem Substrat und der ersten Pufferschicht und zwischen der er sten Pufferschicht und einer folgenden Pufferschicht führt, was eine Bildung einer Pufferschichtoberfläche mit einer EPD zur Folge hat, die von einem Drittel bis zu einem Fünftel der EPD des Substrates verrin gert ist. Das Aufwachsen einer lichtemittierenden GaP-Struktur auf ei ner derartigen Oberfläche hat eine lichtemittierende GaP-Diode mit ei ner merklich verbesserten Emissionseffizienz zur Folge.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeich nungen erklärt; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein EPD-Profil des Substrates und der Pufferschichten des epitaxialen Aufbaus für eine Licht emittierende GaP-Diode gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Trägerkonzentrationsprofil des Substrates und der Pufferschichten des epitaxialen Aufbaus für eine Licht emittierende GaP-Diode gemäß der vorliegenden Er findung,

Fig. 3 die Beziehung zwischen der Substrat-EPD und der Emissionseffizienz des Licht emittierenden Aufbaus, der auf dem Substrat wachsen gelassen wird;

Fig. 4 ein Profil der EPD an einer Pufferschicht einer Licht emittierenden GaP-Diode,

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Emissionseffizienz und der Trägerkonzentration in der Pufferschicht einer Licht emittierenden GaP-Diode,

Fig. 6 die Beziehung zwischen der Menge des Si- Dotiermittels und dem Pufferschichtträgerkonzentra tionsprofil einer Licht emittierenden GaP-Diode und

Fig. 7 die Resultate eines Vergleichs zwischen der Elektrolumineszenzeffizienz des Licht emittierenden Aufbaus ge mäß dem Stand der Technik und gemäß der vorlie genden Erfindung.

Als Ausgangspunkt für die vorliegende Lehre wurde eine detaillierte Untersuchung hinsichtlich des Effektes einer Pufferschicht in einer Epitaxialstruktur für eine lichtemittierende GaP-Diode durchgeführt, welche durch das obenerwähnte Verfahren erzeugt wird, in welchem die EPD verringert ist. Es wurden nämlich die Änderungen der EPD einer Pufferschicht gemessen, deren Dicke graduell verringert ist. Die Resul tate sind durch Fig. 4 dargestellt, aus welcher ersichtlich ist, daß es eine scharfe Abnahme hinsichtlich der EPD an der Grenzfläche zwischen einer epitaxial gebildeten Pufferschicht und dem Substrat gab, während es nahezu keine Verringerung hinsichtlich der EPD innerhalb der Pufferschicht gab.

Dann wurde die Beziehung zwischen der Trägerkonzentration der Puf ferschicht und der Emissionseffizienz einer Licht emittierenden Diode, die mit der Pufferschicht versehen war, untersucht. Für den Zweck die ser Untersuchung wurde Si als das Pufferschichtdotiermittel verwendet und die Pufferschicht wurde durch das Flüssigphasenepitaxialwachs tumsverfahren aufgewachsen. Die Pufferschichtdicke betrug nähe rungsweise 100 µm. Das Standardflüssigphasenepitaxialwachstums verfahren wurde verwendet, um eine lichtemittierende Struktur auf ein Substrat aufgewachsen, das mit der Pufferschicht versehen war. Wie durch Fig. 5 gezeigt, betrug der Maximalwert der Emissionseffizienz 0,8 oder darüber bei einem Pufferschichtträgerkonzentrationsbereich von 0,5 × 10¹⁷ cm^-3 bis 6 × 10¹⁷ cm^-3.

Es ist interessant die Fig. 5 unter Berücksichtigung der Tatsache zu betrachten, daß es eine negative Korrelation zwischen der Substrat-EPD von Fig. 3 und der Emissionseffizienz der aktiven Schicht gibt, die auf diesem Substrat wachsen gelassen wird. Im allgemeinen ist es ver ständlich, daß ein Anstieg der Trägerkonzentration von einer Ver schlechterung der Kristallinität und einem Anstieg der EPD begleitet wird. Jedoch kann dies alleine nicht erklären, warum die EPD ansteigt, wenn die Trägerkonzentration niedriger als der optimale Wert ist. Um dies zu erforschen, wurden die Trägerkonzentrationsprofile in der Puffer schicht gemessen, wenn die Menge des Si-Dotiermittels, das in die Schmelze eingegeben wurde, während des Pufferschichtwachstumspro zesses geändert wird. Der Verteilungskoeffizient des Si in dem GaP nahm zu, wenn die Wachstumstemperatur abnahm, daß heißt, mit dem Fortschreiten des epitaxialen Wachstums. Als eine Folge wird das Fort schreiten des Wachstums von einer Pufferschichtträgerkonzentration begleitet, die in Richtung auf die Oberfläche ansteigt. Das Maß des An stiegs wird durch die Menge des hinzugefügten Si-Dotierungsmittels be einflußt, wobei sich eine größere Rate des Anstiegs (das heißt die steile ren Neigungen von Fig. 6) mit dem Abfall der Trägerkonzentration zu Beginn des Wachstums der Pufferschicht zeigt, wie in Fig. 6 veran schaulicht ist. In Fig. 6 bedeutet das Symbol AUSGEFÜLLTES DREI ECK in dem Fall von 1,5 mg zugefügtem Si pro 100 g Ga eine Träger konzentration von näherungsweise 0,4 × 10¹⁷ cm^-3 direkt nach dem Beginn des epitaxialen Wachstums, und eine Trägerkonzentration von näherungsweise 1 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Oberfläche einer Pufferschicht von ungefähr 100 µm. Das Symbol AUSGEFÜLLTER PUNKT deutet in dem Fall von 2,5 mg zugefügtem Si pro 100 g Ga eine Trägerkonzentration von näherungsweise 1,3 × 10¹⁷ cm^-3 an der Substratgrenzfläche an, während die Trägerkonzentration an der Ober fläche der Pufferschicht näherungsweise 1,5 × 10¹⁷ cm^-3 beträgt. Das Symbol HOHLES VIERECK deutet in dem Fall von 5 mg zugefügtem Si pro 100 g Ga eine Trägerkonzentration von um 20 × 10¹⁷ cm^-3 direkt nach dem Beginn des epitaxialen Wachstums an und keine Änderung bezüglich der Trägerkonzentration selbst mit dem Fortschreiten des epitaxialen Wachstumsverfahrens. Es wurde vermutet, daß die niedrige Emissionseffizienz (das heißt hohe EPD), bei einer Trägerkonzentration, die geringer als eine optimale Trägerkonzentration in der Pufferschicht ist, wie in Fig. 5, mit der steilen Neigung der Trägerkonzentration in der epitaxial gewachsenen Pufferschicht zusammenhängt.

Der Grund, warum die EPD ansteigt, wenn es eine große Änderung der Pufferschichtträgerkonzentration gibt, wird nun erklärt werden. Es ist in dem Gebiet der Metallurgie allgemein bekannt, daß die Härte von Kristallen abhängig von dem Typ und der Konzentration der Verunrei nigungen (entsprechend hier den Dotiermitteln), die in den Kristallen enthalten sind, variiert. Es ist bekannt, daß das Zufügen von Si zu GaP den GaP-Kristall härtet. Während eine graduelle Änderung der Si- Konzentration in epitaxial gewachsenen Schichten die Kristallinität nicht beeinflußt, verschlechtert eine große Änderung die Kristallinität und erhöht die Oberflächen-EPD. Dieses Phänomen ist aus den Resul taten der Forschung in geneigten Schichten in verspannten Gittersy stemen ("strained lattice systems") gut bekannt. Die diskontinuierliche Änderung bezüglich der Verunreinigungskonzentration bei Grenzflä chen zwischen epitaxialen Schichten verursacht jedoch eine diskonti nuierliche Änderung bezüglich der Härte des GaP-Kristalls und hat so den Effekt des Unterbrechens der Propagation von Kristalldefekten.

Aus den obigen Resultaten wurde es klar, daß die Ursache der Abnah me der EPD durch die Pufferschicht nicht das Wachstum der Puffer schicht ist, sondern die Differenz bezüglich der Trägerkonzentration an der Grenzfläche mit einer anderen epitaxial gewachsenen Schicht, die vorgesehen ist, um zu der Pufferschicht beizutragen, welche, indem sie die Propagation von Kristalldefekten aus dem Substrat (oder der Basi sepitaxialschicht) verhindert, die EPD verringert.

Im Hinblick darauf könnte man zu dem Schluß kommen, daß die EPD dadurch verringert werden könnte, indem eine höhere Trägerkonzen tration für die Pufferschicht verwendet wird, was das Trägerkonzentra tionsdifferential zu der n-Schicht, die darauf gebildet ist, erhöht. Jedoch ist, wie erwähnt, ein Anstieg bezüglich der Trägerkonzentration von ei ner Verschlechterung bezüglich der Pufferschichtkristallinität begleitet, was die Elektrolumineszenzeffizienz der lichtemittierenden Diode ver ringert. Im Kontrast dazu würde es auch möglich erscheinen, das Trä gerkonzentrationsdifferential an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Pufferschicht zu erhöhen, indem die Trägerkonzentration der Pufferschicht erniedrigt wird. Jedoch würde dies, wie mit Bezug auf Fig. 6 erklärt, die Größe der Trägerkonzentrationsänderung in der Puf ferschicht erhöhen, wodurch die EPD erhöht wird und die Elektrolumi neszenzeffizienz erniedrigt wird. Eine weitere Abnahme der Trägerkon zentration in der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Pufferschicht wird eine Zunahme des elektrischen Wider standswertes in dem Bereich verursachen, was zur Folge hat, daß die Vorwärtsspannung der Licht emittierenden Diode zu einem ungünstig hohen Niveau angehoben wird.

Die hier gelehrte Epitaxialstruktur für eine lichtemittierende GaP-Diode wurde basierend auf einer Betrachtung der oben erwähnten Untersu chungspunkte perfektioniert und umfaßt ein n-Typ GaP- Einzelkristallsubstrat, auf welchem n-Typ GaP-Schichten aufgewachsen wurden, die mindestens zwei Pufferschichten bilden, in welchen die er ste Pufferschicht eine geringere Ätzgrübchendichte als das Einzelkri stallsubstrat aufweist und die Ätzgrübchendichte der nachfolgenden Pufferschicht(en) und einer aktiven GaP-Struktur, die auf der Puffer schicht gebildet ist, sequentiell von Schicht zu Schicht abnimmt.

Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel werden die Probleme, die oben beschrieben sind, dadurch gelöst, daß eine erste Pufferschicht aufgewach sen wird, die durch eine n-Typ GaP-Schicht von näherungsweise 100 µm Dicke gebildet ist, die unter Verwendung einer Trägerkonzentration zu Beginn des Wachstums von (0,5 bis 3) × 10¹⁷ cm^-3 erhalten wurde, und es wurde dann auf der ersten Pufferschicht eine zweite Puffer schicht aufgewachsen, die durch eine n-Typ GaP-Schicht gebildet wur de, die näherungsweise 100 µm dick war unter Verwendung einer Trä gerkonzentration zu Beginn der Bildung von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3. Durch das anschließende Aufwachsen einer lichtemittierenden GaP- Struktur auf diesem epitaxialen Kristall konnte eine hohe Emissionsef fizienz realisiert werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Leh re kann, selbst bei Verwendung eines GaP-Einzelkristallsubstrats kom merzieller Qualität mit einer EPD von zum Beispiel 7,6 × 10⁴ cm^-2, durch die Anwendung von mindestens zwei Pufferschichten eine scharfe Abnahme bezüglich der EPD in der Umgebung der dem Einzelkristall substrat abgewandten Oberfläche erhalten werden. Eine lichtemittie rende GaP-Struktur mit einer hohen Emissionseffizienz kann dann rea lisiert werden, indem eine aktive GaP-Struktur auf ein diese Pufferschichten aufweisendes epitaxiales Substrat aufgewach sen wird.

Das GaP-Substrat, das für den Zweck dieser Erfindung verwendet wird, kann ein Einzelkristallsubstrat von Standardkristallqualität mit einer n- Typ Trägerkonzentration von (0,5 bis 10) × 10¹⁷ cm^-3 und einer EPD von (6 bis 10) × 10⁴ cm^-2 sein. Wie beschrieben, werden die n-Typ GaP-Pufferschichten auf dem GaP- Einzelkristallsubstrat aufgewachsen. Der epitaxialen Schicht, die die erste Pufferschicht bildet, wird eine anfängliche Trägerkonzentration von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3 verliehen. Als das Dotierungsmittel, das verwendet wird, um die Schicht als einen n-Typus wachsen zu lassen, ist Si am einfachsten zu verwenden. Mit Si als dem Dotierungsmittel steigt die Trägerkonzentration mit dem Fortschreiten des epitaxialen Wachstumsverfahren graduell an. Zum Beginn des Wachstumsverfah rens ist die EPD ungefähr die gleiche wie jene des Substrates, ungefähr (6 bis 10) × 10⁴ cm^-2. Jedoch nimmt, wenn das epitaxiale Wachstum fortschreitet, die EPD scharf ab, fällt auf ungefähr 5 × 10⁴ cm^-2 zu der Zeit, zu der die epitaxiale Schicht eine Dicke von 40 µm erreicht hat und bleibt dann mehr oder weniger dieselbe. Um diese geringe EPD si cherzustellen und unter Berücksichtigung des Rückschmelzens zu Be ginn der epitaxialen Bildung der zweiten Pufferschicht, muß die erste Pufferschicht nicht weniger als 50 µm dick sein und sollte vorzugsweise um 100 µm dick sein.

Eine zweite Pufferschicht wird dann auf der ersten Pufferschicht des GaP-Substrates aufgewachsen. Unter Verwendung von Si als dem Do tierungsmittel wird der Schmelze, die für die epitaxiale Bildung der zweiten Pufferschicht verwendet wird, eine anfängliche Trägerkonzen tration von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3 verliehen, dieselbe wie jene, die zum Bilden der ersten Pufferschicht verwendet wird. Trägerkonzentrationen werden eingestellt, um eine Differenz von (0,5 bis 2) × 10¹⁷ cm^-3 an der Grenzfläche der ersten und zweiten Pufferschichten zu erzeugen und somit sicherzustellen, daß die EPD-Fortpflanzung durch die Trägerkon zentrationsdiskontinuität unterbrochen ist, wie es oben beschrieben ist. Der Defektpropagationsverhinderungseffekt wird nicht ausgewiesen, wenn die Trägerkonzentrationsdifferenz 0,5 × 10¹⁷ cm^-3 oder kleiner ist, während es mit einer Differenz von 2 × 10¹⁷ cm^-3 oder mehr schwierig wird, die Trägerkonzentration der zweiten Pufferschicht innerhalb des richtigen Bereiches zu halten.

Wenn die zweite Pufferschicht so aufgewachsen wird wie es oben be schrieben ist, beträgt zu Beginn des Wachstumsverfahrens die EPD der zweiten Pufferschicht ungefähr 5 × 10⁴ cm^-2, ungefähr dieselbe wie je ne der ersten Pufferschicht, und nimmt mit dem Fortschreiten des epi taxialen Wachstums scharf ab. Die EPD fällt auf ungefähr 2 × 10⁴ cm^-2 zu der Zeit, zu der die epitaxiale Schicht eine Dicke von 40 µm erreicht hat, und bleibt danach mehr oder weniger die gleiche. Die zweite Puffer schicht muß nicht weniger als 40 µm dick sein und sollte vorzugsweise nicht weniger als 60 µm dick sein. Wenn die Verringerung bezüglich der EPD nicht hinreichend ist, wird eine dritte Pufferschicht auf der zweiten Pufferschicht gebildet.

Das Wiederholen dieser Operation ermöglicht das Wachstum von epita xialen Schichten mit einer graduell abnehmenden EPD. Jedoch ist es ökonomisch nachteilig, die Anzahl von Operationen in dem Versuch zu erhöhen, eine graduelle Abnahme des Maßes der EPD-Verringerung zu überwinden.

Das Aufwachsen einer Pufferschichtstruktur, die aus zumindest zwei Pufferschichten zusammengesetzt ist, macht es möglich, daß eine EPD von (6 bis 10) × 10⁴ cm^-2 bei dem GaP-Substrat auf 2 × 10⁴ cm^-2 bei der Oberfläche der Pufferschichtstruktur verringert wird, eine Verringe rung von einem Drittel zu einem Fünftel. Die Bildung eines aktiven Schichtaufbaus auf dieser Kristalloberfläche mit niedrigem EPD macht es möglich, eine LED mit hoher Elektrolumineszenzeffizienz zu erhalten.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Ein GaP-Substrats des n-Typus wurde verwendet. Um die erste Pufferschicht zu bilden, wurde Polykri stall-GaP in Ga-Metall bei 1000°C gesättigt und die Temperatur wurde auf 1030°C erhöht, um eine Schmelze zu bilden, zu welcher 25 mg Si pro 1000 g Ga-Metall hinzugefügt wurden. Die Schmelze wurde auf 1000°C gekühlt und auf das GaP-Substrat aufgebracht, um das epita xialen Wachstum zu starten. Das Wachstum fand in einer Wasser stoffatmosphäre bei einer Kühlrate von 2,5°C/min. statt. Als die Tempe ratur 700°C erreichte, wurde die Schmelze von dem Substrat getrennt, was das epitaxiale Wachstum der ersten Pufferschicht abschloß.

Wie in dem Fall der ersten Pufferschicht wurde das Wachstum der zweiten Pufferschicht mit der Vorbereitung einer Schmelze begonnen, welche auf 1030°C erwärmt, auf 1000°C gekühlt und auf das Substrat aufgebracht wurde, das mit der ersten Pufferschicht versehen war, um das epitaxiale Wachstum zu starten. Die Kühlungsrate und die Atmo sphäre waren die gleichen wie in dem Fall der ersten Wachstums schicht. Als die Temperatur 700°C erreichte, wurde die Schmelze von dem Substrat getrennt, was das epitaxiale Wachstum der zweiten Puf ferschicht abschloß.

Das oben beschriebene Verfahren wurde so verwendet, um ein epita xiales Substrat mit zwei Si-dotierten Pufferschichten auf einem n-Typ GaP-Substrats zu bilden. Das EPD-Profil des so erzeugten Epitaxial substrates ist wie in Fig. 1 gezeigt. Die EPD des Substrates lag in dem Bereich von 7,6 × 10⁴ cm^-2, jene der ersten Pufferschicht lag um 5,5 × 10⁴ cm^-2 und jene der zweiten Pufferschicht betrug um 2,3 × 10⁴ cm^-2. Fig. 2 ist das Trägerkonzentrationsprofil der Substrat- und Puffer schichten, wobei gezeigt ist, daß die Trägerkonzentration des GaP- Substrates in dem Bereich von 4,0 × 10¹⁷ cm^-3 lag. Die erste Puffer schicht, die auf dem Substrat aufgewachsen wurde, war näherungswei se 115 µm dick. Die Trägerkonzentration der ersten Pufferschicht be trug 3 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Grenzfläche mit dem Substrat und stieg graduell auf 4,5 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Oberfläche der ersten Pufferschicht an. Die Trägerkonzentration in der zweiten Pufferschicht betrug 3 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Grenzfläche zu der ersten Pufferschicht und stieg graduell zu 4,5 × 10¹⁷ cm^-3 in der Umgebung der Oberfläche der zweiten Pufferschicht an. In dem Substrat, das mit der Pufferschicht versehen war, wie oben beschrie ben, gibt es eine scharfe Abnahme bezüglich der EPD über die Grenzflä che mit dem Substrat und über die Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Pufferschichten. Es wurde festgestellt, daß an der Oberflä che der zweiten Pufferschicht die EPD auf etwa ein Drittel der EPD bei dem GaP-Substrat abgenommen hat.

Nun wird das Verfahren beschrieben mit dem die lichtemittierende Struktur auf der zweiten Pufferschicht aufgewachsen wird, die mit der ersten Pufferschicht auf dem Einzelkristallsubstrat gebildet ist. Polykri stall-GaP wurde zu Ga-Metall in einer Menge derart hinzugefügt, daß die einzusetzende Schmelze bei 800°C gesättigt ist, und die Temperatur wurde auf 1000°C erhöht, um eine Schmelze zu bilden. Unter Halten der Temperatur bei 1000°C wurde die Schmelze auf das Substrat auf gebracht, auf welcher die Pufferschichten aufgewachsen waren. Bei 1000°C befindet sich die Schmelze in einem ungesättigten Zustand, so daß dies ein Rückschmelzen der Pufferschicht auf dem Substrat verur sachte, wodurch die Schmelze mit Si aus der Pufferschicht versorgt wurde.

Das Wachstumssystem wurde dann mit 2,5°C/min abgekühlt, was das epitaxiale Wachstum einer n-Typ GaP-Schicht startete. Als die Tempe ratur 960°C erreichte, wurde dem Wachstumsystem Ammoniakgas hin zugefügt, was das Wachstum einer stickstoffdotierten aktiven Schicht erzeugte. Es ist bekannt, daß Stickstoff, der durch die Zersetzung des Ammoniakgases erzeugt wird, von der GaP-Epitaxialschicht aufgenom men wird.

Wenn die Temperatur 900°C erreicht, wird Zinkdampf, der durch Einführen von Zinkmetall in eine Dampfquelle (750°C) erzeugt wird, in das Wachstumssystem eingeführt. Dies fügt der Schmelze Zink zu, was das Wachstum einer p-Typ GaP-Schicht bei und unterhalb 900°C zur Folge hat. Wenn die Temperatur 700°C erreicht, wird die Schmelze von dem Substrat getrennt und somit das epitaxiale Wachstums verfahren beendet. Auf diese Weise wird eine zinkdotierte p-Typ GaP- Schicht auf einer n-Typ GaP-Schicht aufgewachsen, die Stickstoff ent hält.

Fig. 7 zeigt die Emissionseffizienz einer Licht emittierenden GaP- Diode, die so hergestellt ist, im Vergleich zu der Emissionseffizienz einer LED, die durch ein herkömmliches Verfahren ohne Pufferschichten her gestellt ist. Aus Fig. 7 kann es gesehen werden, daß die Verwendung einer Zwei-Schicht-Pufferstruktur die Elektrolumineszenzeffizienz um ungefähr 20% verbessert, im Vergleich zu einer herkömmlichen lichte mittierenden Diode. Durch die Verwendung mehrerer Pufferschichten ist es möglich, die EPD selbst dann zu verringern, wenn ein GaP- Substrat von nur herkömmlicher Kristallqualität verwendet wird. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere wirksam, wenn sie auf grünemittierende LEDs angewendet wird.

Claims

1. Epitaxialstruktur für eine lichtemittierende GaP-Diode, bestehend aus einem n-Typ GaP-Einkristallsubstrat, mindestens zwei Puf ferschichten, die nacheinander auf das Einkristallsubstrat aufge wachsen sind und einer lichtemitterenden Struktur, die eine n- Typ GaP-Schicht, die nicht mit Stickstoff dotiert ist, eine n-Typ GaP-Schicht, die mit Stickstoff dotiert ist und eine p-Typ GaP- Schicht umfaßt, die nacheinander auf der obersten Pufferschicht aufgewachsen sind, wobei die Differenz der Ladungsträgerkon zentration an der Grenze zwischen Einkristallsubstrat und erster Pufferschicht sowie an der Grenze benachbarter Pufferschichten (0,5-2)10¹⁷ cm^-3 beträgt und wobei die Ladungsträgerkonzentra tion der Pufferschichten von dem Einkristallsubstrat in Richtung auf die lichtemittierende Struktur gehend auf mindestens die La dungsträgerkonzentration des Einkristallsubstrats an der Grenze zwischen Einkristall und erster Pufferschicht ansteigt.

2. Epixialstruktur nach Anspruch 1, wobei die erste Pufferschicht eine Ätzgrubendichte von (2 bis 5) × 10⁴ cm^-2 aufweist und die zweite Pufferschicht eine Ätzgrubendichte von (1 bis 3) × 10⁴ cm^-2 aufweist.

3. Epitaxialstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Pufferschichten jede eine Trägerkonzentration von (0,5 bis 6) × 10¹⁷ cm^-3 aufweisen.

4. Epitaxialstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Pufferschicht jeweils eine Dicke von mindestens 40 µm aufweist.

5. Epitaxialstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Si ein Pufferschichtdotierungsmittel ist.