DE19918651A1 - Lichtemittierende Halbleiterdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiterdiode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. DOLLAR A Aufgabe war es, eine in ihrer Geometrie variierbare lichtemittierende Halbleiterdiode mit besseren lichttechnischen Eigenschaften, insbesondere höherem Wirkungsgrad, größerer Strahlungsleistung und geringerem Abstrahlungswinkel, zu schaffen, wobei die Halbleiterdiode möglichst aufwandgering und ohne mechanische Beanspruchung und Beschädigungsgefahr sowie in einer an unterschiedliche Einsatzzwecke anpaßbaren Technologie herstellbar sein soll. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden auf das Substrat (1) dicke Schichten (2, 3) von Halbleiterverbindungen abgeschieden (< 3 mum) und die Trennbereiche zur Abgrenzung der aktiven Zone der Halbleiterdiode werden nicht durch Gräben, wie beispielsweise Sägeschnitte, sondern durch Bestrahlung mit hochenergetischen Ionen (typischerweise >= 1 MeV) erzeugt. Das lichtemitierende Gebiet (7) kann in Form und Größe weitgehend der aktiven Zone angepaßt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiterdiode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Derartige Halbleiterdioden werden u. a. zur Anzeige, Beleuchtung und Datenübertragung etc. in vielen technischen Anwendungen eingesetzt.

Es ist allgemein bekannt (z. B. EP 0 371 554 A1 oder WO 97/16855), unter Verwendung von Doppelheterostrukturen (insbesondere Al_xGa_1-xAs) licht­ emittierende Halbleiterdioden zu realisieren, bei denen auf ein Substrat (z. B. GaAs) Schichten (Al_xGa_1-xAs) epitaktisch aufgebracht werden. Im einfachsten Fall erzeugt man auf dem Basismaterial erst eine Schicht mit einer Grunddotierung (p oder n) und darauf eine Schicht mit der entsprechend entgegengesetzten Dotierung. Mit solch einer Doppelhetero­ struktur kann durch entsprechende Strukturierung ein aktives (emittierendes, detektierendes oder verstärkendes) Bauelement hergestellt werden. Zumeist sind die Schichtsysteme jedoch weitaus komplizierter und bestehen aus mehreren (fünf bis zehn) relativ dünnen Einzelschichten mit Schicht­ dicken < 2 µm. Verwendung finden auch Schichtsysteme anderer binärer und ternärer Halbleiterheterostrukturen (z. B. InP, GaP, InAs).

Es ist ebenfalls allgemein bekannt (z. B. EP 0 054 648 A2, EP 0 091 162 A1, EP 0 413 435 A2, EP 0 506 422 A1), die elektrischen und optischen Materialeigenschaften von Halbleitern und Halbleiter-Schichtsystemen durch Bestrahlung mit Ionen zu beeinflussen. So werden u. a. Fremdatome eingebaut, um dünne Oberflächen- und vergrabene Schichten mit lateraler Ausdehnung zu verändern, da die Fremdatome unabhängig von ihrer Eindringtiefe in einem eng begrenzten Tiefenbereich zu liegen kommen (abhängig von der Energie der Ionen) und zur Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften nur dort eingebaut werden. Andere Verfahren der genannten Literaturstellen nutzen ebenfalls für dünne Schichten (Oberflächenschichten typischerweise bis 3 µm) die Strahlenschäden, welche die Ionen auf ihrem Weg durch einen Festkörper infolge der Verlagerung von Gitteratomen verursachen. Für die dünnen Schichten erfolgt die Bestrahlung mit niedrigenergetischen Ionen (100 . . . 300 keV). Werden Ionen in einen Festkörper eingeschossen, so verlieren sie durch Wechselwirkungsprozesse mit den Bestandteilen des Festkörpers ihre Energie und kommen, nach Zurücklegung einer gewissen Wegstrecke, zur Ruhe oder verlassen den Festkörper durch elastische Streuung an den Kernen der Targetatome (J. P. Biersack, J. F. Ziegler: "The stopping and ranges of ions in matter" Vol. 1, Pergamon Press, 1985). Elastische Stöße mit den Kernen der Targetatome führen zu deren Verlagerung. Die erzeugten Gitterdefekte verursachen neue Energiezustände in der Bandlücke eines Halbleiters, welche als Rekombinationszentren fungieren und zur Veränderung der Ladungsträgerkonzentration führen (S. M. Sze, "Physics of Semiconductors", John Wiley & Sons, New York, 1981). Gleichzeitig führt die Schädigung des Kristallgitters durch die höhere Zahl von Streuzentren zu einer starken Absenkung der Ladungsträgerbeweglichkeit. Die elektrische Leitfähigkeit, die sich aus dem Produkt von Ladungsträgerkonzentration und ihrer Beweglichkeit ergibt, wird in Halbleitern in der Regel durch diese Strahlenschäden drastisch verringert; letztlich entstehen isolierende Bereiche. Das Auffüllen der Bandlücke führt zusätzlich dazu, daß Licht des sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereiches vom bestrahlten Material absorbiert wird. Die Anzahl und Art der erzeugten Defekte hängen von der Jonenmasse, der Bestrahlungsdosis, der Dosisrate sowie von der Temperatur und natürlich vom Substratmaterial ab (J. W. Lee et. al., "Damage investigations in AlGaAs and InCraP to high ion density Ar and SF₆ plasmas", J. Vac. Sci. Technol., A 15(3), 1997 und J. C. Zolper et. al., "Ion implantation and rapid thermal processing of III-V nitrides", J. of Electr. Mat., Vol. 25(5), 1996).

Um aktive Zonen von Halbleiterdioden abzugrenzen, werden die Trennbereiche bei der industriellen Fertigung auch als mechanische Gräben bzw. Schnitte eingesägt. Diese Einschnitte erfordern jedoch erstens Präzisionssägeschnitte, die den Bearbeitungsaufwand erhöhen, und zweitens besteht die Gefahr, das relativ spröde Halbleitermaterial bei der mechanischen Beanspruchung zu beschädigen bzw. zu zerstören. Darüber hinaus ist technologisch bedingt durch die Schnittführung ohne nennenswerte Variabilität auch die Form der Halbleiterdiode vorgegeben.

Bei Lichtemitterdioden (LED's) wird die emittierende Fläche durch eine Öffnung in einer Metallisierungsschicht bestimmt. Die elektrisch aktive Fläche steht zur emittierenden Fläche typisch etwa im Verhältnis 5 : 1, wodurch sich ein relativ schlechter Wirkungsgrad (vgl. Fig. 1) ergibt. Die dadurch erforderliche höhere elektrische Leistung führt zwangsläufig zur Temperaturerhöhung und zu einer Begrenzung der optischen Leistung. An den Sägeschnitten tritt Kantenstrahlung aus, die durch Auffüllen der Gräben mit einem lichtabsorbierenden Material beseitigt werden muß, was erhöhten Aufwand in der Fertigung der lichtemittierenden Dioden mit sich bringt. Außerdem führt reflektiertes Licht an den Wänden der aktiven Zone zu großen Abstrahlwinkeln und damit zu einem flachen Kantenabfall im Strahlprofil (vgl. auch Fig. 2).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine in ihrer Geometrie varüerbare lichtemittierende Halbleiterdiode mit besseren lichttechnischen Eigenschaften, insbesondere höherem Wirkungsgrad, größerer Strahlungs­ leistung und geringerem Abstrahlungswinkel, zu schaffen, wobei die Halbleiterdiode möglichst aufwandgering und ohne mechanische Beanspruchung und Beschädigungsgefahr sowie in einer an unterschiedliche Einsatzzwecke anpaßbaren Technologie herstellbar sein soll.

Erfindungsgemäß werden auf das Substrat dicke Schichten der bekannten Al_xGai_1-xAs-Doppelheterostrukturen (wesentlich mehr als 3 µm Schichtdicke) epitaktisch abgeschieden. Die Begrenzung der aktiven Zonen der Halbleiterdiode erfolgt in diesen dicken Schichten nicht, wie beim gegenwärtigen Stand der Technik durch mechanische Trennverfahren (Sägen, Schneiden), sondern durch Bestrahlung der Schichten mit hochenergetischen Ionen bis in das Substrat hinein. Damit werden geometrische Gestaltungen der Halbleiterdiode ermöglicht, die sehr hohe lichttechnische Diodenparame­ ter erreichen lassen. Durch die Möglichkeit der Anpassung von Form und Größe der aktiven Zone der Halbleiterdiode an deren emittierenden Bereich kann nunmehr ein Flächenverhältnis von nahezu 1 : 1 erzielt werden (vgl. auch Fig. 4). Auf diese Weise wird die Lichtemission bei vorgegebenem Strom erhöht, bzw. es sind auch höhere Stromstärken möglich, die eine weitere Erhöhung der Strahlungsleistung zur Folge haben. Gleichzeitig läßt sich die erfindungsgemäße Halbleiterdiode auch bei industrieller Fertigung sehr gut und mit relativ geringem Aufwand herstellen. Es sind relativ dicke, d. h. tiefe Schichtsysteme realisierbar, ohne bei der Herstellung das spröde Halbleitermaterial mechanisch beanspruchen zu müssen. Dadurch wird die Gefahr von Ausschuß bei der Fertigung wesentlich gesenkt. Ferner werden Ausbeuteverluste der Halbleiterdiode reduziert, da durch den Wegfall der Sägeschnitte keine Kantenstrahlung an den Trennbereichen auftritt, denn die Bandlücke des Halbleiters wird durch die Gitterfehler infolge des Ionenbeschusses mit Energiezuständen aufgefüllt, so daß das Licht absorbiert wird. Eine zusätzliche Passivierung im Vergleich zu den Sägeschnitten entfällt, und auf Grund dessen reduzieren sich die Fertigungsprozeßschritte; es werden vor allem aufwendige Prozeßschritte eingespart.

Da das Licht in den Trennbereichen absorbiert wird und an den Grenzflächen kaum Reflexionen auftreten, sind die Abstrahlungswinkel des emittierenden Bauelementes vorteilhaft gering und das Profil weist einen steilen Kantenabfall auf (vgl. auch Fig. 5). Durch die Erfindung lassen sich somit unter wesentlich verringertem Fertigungsaufwand Halbleiterdioden mit sehr guten lichttechnischen Parametern, insbesondere hohe Strahlungsleistung und geringere Abstrahlwinkel herstellen, so daß z. B. Lichtgitter hoher Schutzgüteklasse unter Nutzung derartiger lichtemittierender Dioden industriell fertigbar sind.

Darüber hinaus ist die Form der Halbleiterdiode nicht (wie bei den mechanischen Sägeschnitten) auf die Geometrie von Schnitt-Technologien beschränkt, sondern es lassen sich mit geeigneter Ionen-Bestrahlung beliebige Gestaltungen erzielen. Dazu wird die Ionen-Bestrahlung zweckmäßig durch eine Diodenabdeckung mittels einer entsprechend geformten Maske durchgefvihrt. Interessante Anwendungen sind hier emittierende Flächen verschiedenartiger Geometrie, die Produktion von LED- Arrays und spezielle Nutzungen in der Informationstechnik und Telekommunikation, um beispielsweise kleine Spots mit großer Helligkeit zu bewirken.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1: bekannte Lichtemitterdiode (LED), mit Gräben, z. B. Sägeschnit­ ten, als Trennbereiche; Darstellung in zwei Ansichten

Fig. 2: Entstehung des bekannten Strahlprofiles mit flachem Kantenabfall durch Reflexion an den Grenzflächen zwischen der aktiven Zone und den Gräben

Fig. 3: Erzeugung der Trennbereiche durch Bestrahlung mit hochenergeti­ schen Ionen durch eine freitragende Maske

Fig. 4: Lichtemitterdiode (LED), hergestellt mittels erfindungsgemäßer Ionenbestrahlung

Fig. 5. Entstehung eines Strahlprofiles mit steilem Kantenabfall ohne Reflexion an den Grenzflächen zwischen der aktiven Zone und den Trennbereichen

Fig. 1 zeigt in zwei Ansichten den Aufbau einer an sich bekannten und dem Stand der Technik entsprechenden Lichtemitterdiode, deren aktive stromleitende Zone durch Gräben 4, beispielsweise Präzisionssägeschnitte, abgegrenzt ist. Auf einem Substrat 1 (GaAs) werden eine 15 µm dicke Schicht 2 (Al_xGa_1-xAs) mit einer ersten Dotierung sowie eine ebenfalls 15 µm dicke Schicht 3 des gleichen Materials (Al_xGa_1-xAs) mit einer zur Schicht 2 entgegengesetzten Dotierung epitaktisch abgeschieden. Somit befindet sich der pn-Übergang in einer Schichttiefe von 15 µm zwischen den beiden Schichten 2, 3; die gesamte Schichtdicke beträgt 30 µm. Auf Grund der dicken Schichten 2, 3 sind sehr tiefe Gräben 4 bis in das Substrat 1 hinein erforderlich, um den Stromfluß ausschließlich auf die durch die Gräben 4 abgegrenzte aktive Zone zu beschränken. Die aktive Zone ist technologisch bedingt (Schneiden, Sägen, Kerben der Trennbereiche 4) rechtwinklig. Auf der Rückseite des Substrats 1 sowie über der aktiven Zone der Lichtemitterdiode zwischen den Gräben 4 befindet sich eine Metallschicht 5 bzw. 6 zur sperrschichtfreien elektrischen Kontaktierung. Die Form einer emittierenden Fläche 7 wird durch eine runde Öffnung in der Metallschicht 6 bestimmt. Das Flächenverhältnis der gesamten aktiven Zone innerhalb der Gräben 4 zur emittierenden Fläche 7 liegt typisch in der Größenordnung 1 : 5. Die durch mechanische Bearbeitung hergestellten Gräben 4 geben nicht nur die Form der aktiven Zone der Halbleiterdiode vor, sondern es tritt an den Gräben 4 eine Grenzflächenstrahlung (vgl. Fig. 2) auf, welche die emittie­ rende Strahlungsleistung und damit den Wirkungsgrad verringert. Aus diesem Grund werden die Gräben 4 in der Praxis technologisch aufwendig verfüllt. Darüber hinaus wird Licht an den Grenzflächen dieser Gräben 4 zur aktiven Zone der Halbleiterdiode mehrfach reflektiert (vgl. Fig. 2, obere Abbildung). Dieses reflektierte Licht tritt dann unter einem relativ großen Abstrahlwinkel aus der emittierenden Fläche 7 aus. Dies führt zu einem flachen Randabfall des Strahlprofils (das Diagramm in Fig. 2, untere Abbildung zeigt die Verteilung der Strahlungsintensität I über die Fläche F). Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Bestrahlung eines Wafers, der aus dem Substrat 1 und den beiden epitaktisch auf diesem abgeschiedenen Schichten 2, 3 besteht (vgl. Fig. 1), durch hochenergetische Ionen 10 zur Erzeugung von elektrisch isolierenden Trennbereichen 8, mit denen jeweils die aktive Zonen der einzelnen Lichtemitterdioden auf dem Wafer abgegrenzt werden. Über den Wafer wird eine freitragende Maske 9 gelegt. An den Stellen, an denen die Maske 9 für die Ionen 10 nicht durchlässig ist, werden diese gestoppt; in den durchlässigen Bereichen der Maske 9 durchdringen die Ionen 10 auf Grund ihrer hohen Energie die Schichten 2, 3 bis in das Substrat 1. Die durch diese Bestrahlung entstandenen Gitterschädigungen des Halbleitermaterials führen zu den Trennbereichen 8, die elektrisch isolierend wirken und die aktive stromleitenden Zonen der einzelnen Halbleiterdioden (in Fig. 3 sind aus Übersichtsgründen drei Halbleiterdioden des Wafers dargestellt) eingrenzen. Die Größe und geometrische Form der aktiven Zonen zwischen den bestrahlten Trennbereichen 8 kann durch die Maske 9 bestimmt werden und ist nicht durch Schnitt-Technologien vorgegeben. So können trotz der dicken epitaktisch abgeschiedenen Schichten 2, 3 relative kleine und nicht auf eine Rechteckform (vgl. Fig. 1) beschränkte Diodenformen realisiert werden, wobei ein Verhältnis der aktiven Diodenfläche zur emittierenden Fläche 7 von nahezu 1 : 1 erreicht werden kann.

Eine Halbleiterdiode mit Trennbereichen 8, welche durch die erfindungs­ gemäße Bestrahlung mit hochenergetischen Ionen 10 entstanden sind, zeigt Fig. 4. Durch die Maske 9 (siehe Fig. 3) sind auch hier (vgl. Fig. 1) gerade und zueinander senkrechte Abgrenzungen der aktiven Zone entstanden, allerdings ist die Fläche der aktiven Zone zwischen den Trennbereichen 8 geringer, so daß ein wesentlich günstigeres Verhältnis zu emittierenden Fläche 7 und, wie in Fig. 5 dargestellt, ein kleinerer Abstrahlungswinkel erzielt wird. Die Maske (bei anderer Formgestaltung sind auch entsprechend andere Formen der aktiven Zone möglich) kann so hergestellt werden, daß die Flächengröße der aktiven Zone im wesentlichen der Flächengröße der emittierenden Fläche 7 entspricht. Dadurch erhöht sich bei gleicher elektrischer Verlustleistung die emittierte Strahlungsleistung, d. h. der Wirkungsgrad wird verbessert. Die Trennbereiche 8 absorbieren das entstehende Licht. Dadurch ist keine Nachbehandlung (wie bei mechanisch erzeugten Gräben) nötig; an Grenzflächen der Trennbereiche 8 tritt keine Reflexion auf (siehe Fig. 5, obere Abbildung) und es entstehen ein steiler Kantenabfall am Rande des Strahlungsprofils (siehe Fig. 5. untere Abbildung) sowie der besagte geringere Abstrahlungswinkel.

Als konkretes Beispiel wurden auf einem Wafer mit GaAs-Halbleitermaterial Diodenbereiche mit einem Durchmesser von 150 µm in einem Rasterabstand von 500 µm maskiert und von der Jonenstrahlung ferngehalten. Die Bestrahlung erfolgte mit H⁺-Ionen und einer Energie von 3 MeV. Daraus resultierte eine Eindringtiefe von ca. 60 µm in das Halbleitermaterial und eine rechnerisch ermittelte Schädigung von 4370 Leerstellen pro Ion und cm in GaAs. Die Bestrahlungsdosis betrug 5 × 10¹⁶ Ionen pro cm², voraus eine Gesamtschädigung von ca. 3 × 10²⁰ Leerstellen pro cm³ resultierte.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Substrat

2

,

3

epitaktisch abgeschiedene Schicht

4

Gräben

5

,

6

Metallschicht

7

emittierende Fläche

8

Trennbereiche

9

Maske

10

Ionen
I Strahlungsintensität
F Fläche

Claims (6)

1. Lichtemittierende Halbleiterdiode, bei welcher auf einem monokristallinen Substrat, beispielsweise GaAs, mindestens je eine Schicht weiterer Halbleiterverbindungen unterschiedlich polarisierter Grunddotierung, beispielsweise AlGaAs, epitaktisch abgeschieden sind und bei welcher zur Begrenzung der aktiven Zone der Halbleiterdiode in die epitaktisch abgeschiedenen Schichten elektrisch isolierende Trennbereiche eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat (1) dicke Schichten (2, 3) der weiteren Halbleiterverbindungen abgeschieden sind und daß die aktive Zone der Halbleiterdiode durch tiefe und bis in das Substrat (1) hinein reichende Trennbereiche (8) abgegrenzt ist, deren Kristallgitterstruktur infolge einer hochenergetischen Ionen-Bestrahlung durch die dicken Schichten (2, 3) der weiteren Halbleiterverbindungen hindurch irreversibel geschädigt sind.

2. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das lichtemittierende Gebiet (7) in Form und Größe weitgehend der aktiven stromleitenden Zone angepaßt ist.

3. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flächengröße des lichtemittierenden Gebietes (7) im wesentlichen der Flächengröße von der aktiven stromleitenden Zone entspricht.

4. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Halbleiterdiode bei dem auf einem monokristallinen Substrat, beispielsweise GaAs, mindestens je eine Schicht weiterer Halbleiterverbindungen unterschiedlich polarisierter Grunddotierung, beispielsweise AlGaAs, epitaktisch abgeschieden werden und bei dem zur Begrenzung der aktiven Zone der Halbleiterdiode mittels Ionenbestrahlung in die epitaktisch abgeschiedenen Schichten elektrisch isolierende Trennbereiche eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der weiteren Halbleiterverbindungen in einer Dicke von mehr als 3 µm auf das Substrat abgeschieden werden und daß die Trennbereiche durch eine die Kristallstruktur irreversibel schädigende hochenergetische Ionen-Bestrahlung durch die Schichten der weiteren Halbleiterverbindungen hindurch bis in das Substrat hinein erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen- Bestrahlung mit leichten Ionen, wie Wasserstoff oder Heliumionen, und vorzugsweise im Energiebereich < 1 MeV durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen- Bestrahlung unter Abdeckung des Diodenbereiches durch eine freitragende Maske erfolgt.