DE19615179B4 - Verfahren zur Herstellung lichtemittierender Halbleiterbauelemente mit verbesserter Stabilität - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (10), mit folgenden Schritten:
Bilden einer aktiven, lichtemittierenden Region (16);
Bilden zumindest einer p-Typ Region (14) auf der aktiven, lichtemittierenden Region, wobei die p-Typ Region (14) aus einem III–V Halbleitermaterial gebildet ist, das GaP nicht umfaßt; und
Bilden von Kontaktregionen (21, 23), die an dem Bauelement angebracht sind;
wobei der Schritt des Bildens der p-Typ Region (14) das Dotieren derselben mit Sauerstoff umfaßt, wobei die dotierte Region leitfähig bleibt.

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verfahren zum Verbessern der Betriebsstabilität von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen durch das vorsätzliche Einführen von Störstellen und auf Bauelemente, die unter Verwendung dieser Verfahren erzeugt werden.
  • Eine Verschlechterung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen schließt typischerweise eine Zunahme des Anteils der nicht-strahlenden Rekombination des Bauelements während des Betriebs des Bauelements ein. Die Gründe für diese Verschlechterung hängen von dem Typ des Bauelements, seiner Struktur, den Materialien und den Betriebsbedingungen ab.
  • Eine bekannte lichtemittierende Doppelheterostrukturdiode ("LED"; LED = light emitting diode) ist in 1 gezeigt. Die LED besteht aus einer optisch transparenten GaP-Fenster/Stromverteilungs/Kontakt-Schicht 12, einer oberen AlInP-Begrenzungs/Injektions-Schicht 14 mit großem Bandabstand, einer aktiven (AlxGa1–x)0,5In0,5P-Schicht 16 mit geringem Bandabstand, einer unteren AlInP-Begrenzungs/Injektions-Schicht 18 mit großem Bandabstand und einem leitfähigen Substrat 20, das aus GaAs oder GaP gebildet sein kann. Ein p-Typ-Kontakt 21 und ein n-Typ-Kontakt 23 vervollständigen die LED. Eine Lichtextraktion tritt sowohl durch die obere Oberfläche als auch die Seiten der LED auf. Die Schichten sind im allgemeinen derart dotiert, daß sich der p-n-Übergang in der Nähe oder in der aktiven Schicht befindet, wobei die Ohmschen Kontakte 21 und 23 an der p-Typ-Region und der n-Typ-Region des Bauelements hergestellt sind. Die Struktur kann durch eine beliebige einer Vielzahl von Verfahren aufgewachsen werden, einschließlich einer Metall organischen chemischen Dampfabscheidung ("MOCVD"; MOCVD = metal-organic chemical vapor depostion), einer Dampfphasenepitaxie ("VPE"; VPE = vapor phase epitaxy), einer Flüssigphasenepitaxie ("LPE"; LPE = liquid phase epitaxy), einer Molekularstrahlepitaxie ("MBE"; MBE = molecular beam epitaxy) und anderen.
  • 2 ist ein Energiebanddiagramm der LED, die in 1 gezeigt ist. Wenn dieselbe vorwärts vorgespannt ist, wird eine effiziente Injektion der Minoritätsträger in die aktive Schicht 16 durch eine sorgfältige Plazierung des p-n-Übergangs erreicht. Die Minoritätsträger sind durch die Begrenzungsschichten 14 und 18 mit hohem Bandabstand in der aktiven Schicht der LED begrenzt. Der Rekombinationsprozeß besteht sowohl aus strahlender Rekombination, die die gewünschte Lichtemission erzeugt, als auch aus nichtstrahlender Rekombination, die kein Licht erzeugt. Die nichtstrahlende Rekombination kann das Ergebnis von Kristallbaufehlern in der LED ebenso anderer Ursachen sein. Licht wird durch die verschiedenen transparenten Schichten und Oberflächen der LED von der LED extrahiert und wird durch verschiedene Reflektoren und Linsen (nicht gezeigt) in ein brauchbares Muster fokussiert.
  • Die LED, die in 1 dargestellt ist, ist nur ein Beispiel eines Minoritätsträgerbauelements. Eine Vielzahl anderer Minoritätsträgerbauelemente, einschließlich Bipolartransistoren, Photodetektoren und Solarzellen, arbeiten nach ähnlichen physikalischen Grundsätzen. Halbleiterlaser weisen häufig eine Doppelheterostruktur auf und erfahren in gleicher Weise die Konkurrenz zwischen strahlender und nichtstrahlender Rekombination. Das Verhalten und die Stabilität all dieser Bauelemente hängt von dem Beibehalten einer langen Trägerrekombinations-Lebenszeit während des gesamten Betriebslebens des Bauelements ab.
  • Die Ausgangsleistung für die LED von 1 ist direkt proportional zu dem inneren Quantenwirkungsgrad und kann wie folgt ausgedrückt werden: ηext ∝ηinnen ∝τ(1+ (τr/τnr)]–1 wobei ηinnen der innere Quantenwirkungsgrad ist, ηext der äußere Quantenwirkungsgrad ist, τr die Lebensdauer der strahlenden Rekombination ist, und τnr die Lebensdauer der nicht-strahlenden Rekombination ist. τnr ist umgekehrt auf die Anzahl der nicht-strahlenden Rekombinationszentren in der aktiven Region bezogen. Die Beziehung zwischen ηnext und der Konzentration der nicht-strahlenden Rekombinationszentren ist durch den Graph dargestellt, der in 3 gezeigt ist, welcher zeigt, daß der äußere Quantenwirkungsgrad ηext abnimmt, wenn die Konzentration der nicht-strahlenden Rekombinationszentren zunimmt. Eine Vielzahl von Kristalldefekten kann als nicht-strahlende Rekombinationszentren wirken, einschließlich Substitutions- oder Zwischengitter-Störstellen, beispielsweise Cr, Cu, Au, Fe, O, und sogar derartig flacher Dotiermittel wie Si, S, Se, natürlicher Punktdefekte, beispielsweise Selbst-Zwischengitterplätze und Leerstellen, Störstellen- oder Dotiermittel-bezogener Komplexe und Niederschläge, Oberflächen- und Grenzflächen-Zustände und Versetzungen in Kristallgittern und anderer verbreiteter Defekte. Diese Defekte können während des Aufwachsprozesses aufgrund des Einschlusses restlicher Unreinheiten oder einer epitaxialen Defektbildung entstehen.
  • Ein Minoritätsträgerbauelement kann sich während des Betriebs aus mehreren Gründen verschlechtern. Bei einer LED kann sich der Trägerinjektionswirkungsgrad oder der Lichtextraktionswirkungsgrad abhängig von der speziellen Bauelementstruktur und den Betriebsbedingungen ändern. Die häufigste Ursache eines verschlechterten Bauelementwirkungsgrades ist eine Zunahme des Anteils der nicht-strahlenden Rekombination, der durch die Bildung von Defekten in der aktiven Region während einer Belastung bewirkt wird. Dieser Prozeß hat die allmähliche Verschlechterung der Bauelementcha rakteristika mit der Zeit zur Folge, wie durch den Graph, der in 4 gezeigt ist, dargestellt ist. Der Graph zeigt, daß ηext, der äußere Quantenwirkungsgrad, abnimmt, wenn die Zeitdauer, während der das Bauelement unter Belastung ist, zunimmt.
  • Eine Vielzahl von physikalischen Prozessen trägt zu der Zunahme der nicht-strahlenden Rekombinationszentren in der aktiven Region während des LED-Betriebs bei. Rekombinationsverstärkte oder photoverstärkte Defektreaktionen in der aktiven Region oder an nahegelegenen Kanten oder Grenzflächen können zu der Zunahme beitragen. Weitere Prozesse schließen die Diffusion oder Ausbreitung von Störstellen, natürlichen Punktdefekten, Dotiermitteln und Verschiebungen (die auch als Dunkelliniendefekte bekannt sind) von anderen Regionen des Bauelements in die aktive Schicht ein. Diese Defekte und restlichen oder unbeabsichtigten Störstellen wurden stets als nachteilig für das Bauelementverhalten betrachtet, wobei große Anstrengungen bei dem Versuch, die Konzentration dieser Defekte und Störstellen zu minimieren, unternommen wurden.
  • Die US 5,153,889 A beschreibt ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit einer aktiven InGaAlP-Schicht, welche zwischen einer oberen und einer unteren Deckschicht eingeschlossen ist. Eine Sauerstoff-Dotierung der Deckschichten ist in dieser Schrift nicht beschrieben.
  • Die US 5,103,269 A betrifft ein Halbleiterbauelement, welches eine epitaxiale Schicht mit einem pn-Übergang aufweist. Eine Dotierung der diese aktive Schicht umgebenden Schichten mit Sauerstoff ist nicht beschrieben.
  • Die US 3,868,281 beschreibt ein Lumineszenzelement, welches einen Kristall aufweist, der in einem angelegten Zustand Licht emittiert. Bei dem Kristall handelt es sich um einen GaP-Kristall, welcher tiefliegende Donator-Störstellen aufweist, wobei der Donator Sauerstoff ist.
  • Die US 4,231,050 A beschreibt ein lichtemittierendes Bauelement, welches eine aktive Region aufweist, an die eine halbisolierende AlGaAs-Schicht angrenzt, diese jedoch nicht überdeckt.
  • Die DE 3614079 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls einer III/V-Verbindung für den Einsatz bei der Herstellung von Hochfrequenzbauelementen, wobei bei der Kristallzüchtung Oxid bei einer Sauerstoffkonzentration von 1×1017cm–3 bis 2×1021cm–3 zugegeben wird.
  • Die JP 07-094780 A beschreibt ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, welches eine aktive Schicht aufweist, die zwischen zwei p-Deckschichten angeordnet ist, wobei eine Sauerstoffkonzentration der p-Deckschichten nicht größer als 2×1017cm–3 sein soll.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements, welches eine verbesserte Stabilität aufweist, zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
  • Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Verbessern der Betriebsstabilität von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen durch das vorsätzliche Einführen von Störstellen, die an die aktive Region angrenzen, wobei die Störstellen als eine Barriere für den Verschlechterungsprozeß wirken, insbesondere für eine unerwünschte Defekt-Bildung und -Ausbreitung. Die Halbleiterbauelemente, die unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellt werden, sind ebenfalls in diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten. Bei einem speziellen Beispiel dieses ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels werden Störstellen durch das vorsätzliche Dotieren von optoelektronischen III-V-Halbleiterbauelementen mit Sauerstoff ("O") während eines epitaxialen Aufwachsschritts eingeführt. Normalerweise wird Sauerstoff als eine effiziente tiefliegende Einfangstelle (deep level trap) betrachtet, und ist in einem optoelektronischen Bauelement unerwünscht. Wie jedoch nachfolgend detaillierter beschrieben wird, verbessert die Verwendung von Sauerstoff auf die Art und Weise, die hierin beschrieben ist, die Zuverlässigkeit des Bauelements ohne einen Verlust des Wirkungsgrades des Bauelements.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Querschnittdarstellung eines bekannten lichtemittierenden Halbleiterbauelements;
  • 2 ein Energiebanddiagramm des lichtemittierenden Halbleiterbauelements, das in 1 gezeigt ist;
  • 3 einen Graph der Konzentration von nicht-strahlenden Rekombinationszentren gegenüber dem äußeren Quantenwirkungsgrad des Bauelements, das in 1 gezeigt ist;
  • 4 einen Graph der Belastungszeit gegenüber dem äußeren Quantenwirkungsgrad des Bauelements, das in 1 gezeigt ist;
  • 5 die Wirkung von Sauerstoff in der aktiven Schicht auf ηext;
  • 6 die Wirkung von Sauerstoff in der p-Typ-Begrenzungsschicht auf Δηext;
  • 7 einen Graph, der die Sauerstoffkonzentration in jeder der Schichten eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 8 einen Graph des äußeren Quantenwirkungsgrads ηext von Bauelementen, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, über der Belastungszeit.
  • Sichtbare LEDs mit hohem Wirkungsgrad können unter Verwendung eines (AlxGa1–x)0,5In0,5P-Materialsystem hergestellt sein. Derartige Bauelemente gleichen strukturell der LED, die in 1 gezeigt ist. Das Substrat ist typischerweise entweder GaAs oder GaP, die Begrenzungsschichten sind (AlxGa1–x)0,5In0,5P (0<X≤1), die aktive Schicht ist (AlyGa1–Y)0,5In0,5P (O≤Y≤X) und die Fensterschicht ist optisch transparent und besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise AlGaAs oder GaP. Die am häufigsten verwendete epitaxiale Aufwachstechnik für diese Materialien ist die MOCVD. Bei diesen Materialien findet der Einschluß von Sauerstoff ohne weiteres in den Legierungen statt, die Al enthalten, und führt zu unerwünschten tiefliegenden Defekten, die eine effiziente nicht-strahlende Rekombination bewirken, was ein geringes anfängliches ηext zur Folge hat. Mehrere Techniken werden verwendet, um den Sauerstoff-Einschluß in diesen Legierungen zu minimieren, einschließlich des Aufwachsens bei hohen Substrattemperaturen, der Verwendung einer Substratausrichtung, die den Wirkungsgrad des Sauerstoff-Einschlusses reduziert, und das Aufwachsen mit einem hohen Phosphor-Überdruck (hohes V/III-Verhältnis).
  • Die Menge des Sauerstoffs in der epitaxialen Struktur hat nicht nur auf den Wirkungsgrad der LED einen Haupteinfluß, sondern ferner auf die Zuverlässigkeit des Bauelements.
  • Experimente mit dem unabhängigen Variieren der Sauerstoffkonzentration in jeder der verschiedenen Schichten der Epitaxialstruktur unter Verwendung eines vorsätzlich gesteuerten Sauerstoff-Einschlusses, wobei die Sauerstoffpegel gering genug gehalten sind, derart, daß die Sauerstoffdotierten Schichten leitend bleiben, zeigten, daß der Wirkungsgrad des Bauelements von der Sauerstoffkonzentration in der aktiven Region abhängt. Jedoch hängt die Zuverlässigkeit des Bauelements von der Menge des Sauerstoffs in der p-Typ-Begrenzungsschicht ab. Diese Ergebnisse sind in den 5 und 6 gezeigt. Der Graph in 5 zeigt, daß ηext mit zunehmendem Sauerstoff in der aktiven Schicht abnimmt. 6 zeigt, daß, wenn der Sauerstoff in der p-Typ-Begrenzungsschicht zunimmt, die Verschlechterung der LED reduziert ist. Der Trend, daß ηext mit einem zunehmenden Sauerstoff-Gehalt in der aktiven Schicht abnimmt, wurde erwartet, da bekannt ist, daß Sauerstoff eine tiefe Einfangstelle bildet, die zu der nicht-strahlenden Rekombination in der aktiven (AlxGa1–X)0,5In0,5P-Region beiträgt. Jedoch wurde das Ergebnis der verbesserten Bauelementstabilität mit dem zunehmenden Sauerstoffgehalt in der oberen p-Typ-Begrenzungsschicht nicht erwartet. Diese Ergebnisse ermöglichen die gleichzeitige Optimierung des Wirkungsgrades und der Zuverlässigkeit des Bauelements durch das exakte Einstellen des Sauerstoffprofils der Epitaxialstruktur.
  • Da die exakte Beschaffenheit des LED-Verschlechterungsmechanismusses unbekannt ist, ist der exakte Grund, warum diese Sauerstoff-Dotierung die Stabilität des Bauelements verbessert, ebenfalls unbekannt. Der Sauerstoff kann die Ausbreitung anderer Störstellen, natürlicher Punktdefekte, Substitutions- oder Zwischengitter-Dotiermittel oder Verzerrungen blockieren oder verlangsamen, welche andernfalls frei wären, um sich von den Begrenzungsschichten, dem Substrat, den Metallkontakten, fehlangepaßten Grenzflächen, Kanten oder Epitaxialdefekten in die aktive Region auszubreiten, was eine Bauelementverschlechterung bewirkt.
  • Bei III-V-Halbleitermaterialien kann Sauerstoff eine tiefliegende Störstelle, eine reaktive Störstelle, die andere Störstellen gettern oder passivieren kann, oder eine flache Kompensationsstörstelle sein. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Bauelements, die hierin beschrieben ist, tritt aufgrund einer oder mehrerer dieser Eigenschaften auf. Ähnliche Ergebnisse könnten erreicht werden, indem andere typische unerwünschte Störstellen mit ähnlichen Eigenschaften gewählt werden. Andere tiefliegende Störstellen schließen die Übergangsmetalle, beispielsweise Cr, Fe, Co, Cu, Au, usw., ein. Weitere reaktive Störstellen, die Getter- oder Passivierungs-Eigenschaften aufweisen, schließen H, C, S, Cl und F ein. Die Wahl der flachen Kompensationsstörstellen hängt von dem Leitungstyp des Halbleitermaterials ab. In einer p-Typ-Region sind flache Kompensationsstörstellen flache Donatoren, während in einer n-Typ-Region flache Kompensationsstörstellen flache Akzeptoren sind. Bei p-Typ-III-V-Halbleitern sind flache Kompensationsstörstellen die Elemente in den Spalten IVA und VIA des Periodensystems, speziell die Donatoren O, S, Se, Te, C, Si, Ge und Sn.
  • Ein schematisches Diagramm des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist in 7 gezeigt. Einige oder alle der verfügbaren Verfahren, um die Sauerstoff-Konzentration in der Struktur zu minimieren, sind verwendet, was das Halten der aktiven Schicht 16 so frei von Sauerstoff wie möglich unterstreicht. In dem Fall der MOCVD schließen die Techniken zum Reduzieren des Sauerstoffs eine hohe Aufwachstemperatur, einen hohen P-Überdruck, eine ordnungsgemäße Substratorientierung [(100) fehlausgerichtet zu (111)A, beispielsweise], eine Quellenreinheit, eine Reaktorreinlichkeit, eine Leckunversehrtheit, usw. ein.
  • In dem Fall von (AlxGa1–X)0,5In0,5P-LEDs wird dann eine Sauerstoff-Dotierungsquelle verwendet, um steuerbar Sauerstoff in die p-Typ-Begrenzungsschicht 14 einzuführen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Abhängig von dem dominanten Verschlechterungsmechanismus und der Bauelementkonfiguration können in anderen Bauelementen weitere Schichten dotiert werden. Die Sauerstoff-Dotierungsquelle könnte aus O2-, H2O-, Alkoxid-Quellen, beispielsweise Dimethyl-Aluminiummethoxid und/oder Diethyl-Aluminiummethoxid, oder anderen sauerstoffhaltigen Verbindungen bestehen. Eine verbesserte Bauelementstabilität tritt auf, wenn die p-Typ-Begrenzungsschicht 14 mit Sauerstoff einer Konzentration von zumindest 1×1016cm–3 und bis zu 5×1019cm–3 dotiert ist. Beste Ergebnisse treten auf, wenn die p-Typ-Begrenzungsschicht 14 mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 1×1018cm–3 dotiert ist. Die obere Grenze der Sauerstoff-Dotierung bei diesem Materialsystem ist durch den Leitungs/Isolations-Übergang in der Begrenzungsschicht bestimmt. Bei anderen Bauelementen und Materialsystemen werden diese Bereiche selbstverständlich variieren. Bei einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, das Sauerstoffprofil in der p-Typ-Begrenzungsschicht zu variieren.
  • Die sorgfältige Optimierung des Sauerstoffprofils für das Bauelement, das in 7 gezeigt ist, hat eine verbesserte Bauelementzuverlässigkeit zur Folge, während der hohe anfängliche ηext beibehalten ist. Dies ist durch die Graphen dargestellt, die in 8 gezeigt sind, welche zeigen, wie höhere Konzentrationen von Sauerstoff in der p-Typ-Begrenzungsschicht 14 ein höheres ηext zur Folge haben, nachdem für eine zunehmende Zeitdauer eine Belastung ausgeübt wird.
  • Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Sauerstoff als Teil des epitaxialen Aufwachsprozesses eingeführt. Andere Verfahren, beispielsweise eine Implantation oder Diffusion können ebenfalls verwendet sein.
  • Vor der Forschung, die zu der vorliegenden Erfindung führte, wurde eine Sauerstoff-Dotierung von III-V-Halbleitern nur verwendet, um auf Sauerstoff bezogene tiefliegende Defekte zu studieren und um semiisolierende Materialien aufzuwachsen. Wie vorher gesagt wurde, war stets bekannt, daß Sauerstoff in der aktiven Region den Wirkungsgrad senkt. Keine früher bekannte Literatur schlägt die Verwendung einer Sauerstoff-Dotierung in einer Begrenzungsschicht vor, um das Bauelementverhalten zu verbessern. Die Lehren der vorliegenden Erfindung könnten ferner bei der Herstellung von Halbleiter-Lasern, Photodetektoren, Solarzellen, Bipolarübergangstransistoren und anderen Minoritätsträger-Halbleiterbauelementen verwendet werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (10), mit folgenden Schritten: Bilden einer aktiven, lichtemittierenden Region (16); Bilden zumindest einer p-Typ Region (14) auf der aktiven, lichtemittierenden Region, wobei die p-Typ Region (14) aus einem III–V Halbleitermaterial gebildet ist, das GaP nicht umfaßt; und Bilden von Kontaktregionen (21, 23), die an dem Bauelement angebracht sind; wobei der Schritt des Bildens der p-Typ Region (14) das Dotieren derselben mit Sauerstoff umfaßt, wobei die dotierte Region leitfähig bleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aktive Region (16) eine Doppelheterostruktur hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dotierungskonzentration des Sauerstoffs zwischen 1×1016cm– 3 und 5×101 9cm–3 ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Substrats (20); Bilden einer ersten Begrenzungsschicht (18) auf dem Substrat (20), wobei die p-Typ Region (14) eine zweite Begrenzungsschicht ist; und Bilden einer Fensterschicht (12), die über der zweiten Begrenzungsschicht (14) liegt; wobei die Kontaktregionen durch elektrische Kontakte (21, 23) auf dem Substrat (20) und der Fensterschicht (12) gebildet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dotierungskonzentration des Sauerstoffs näherungsweise 1×1018cm– 3 ist.
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