DE19962037A1

DE19962037A1 - Leuchtdiode in p-oben-Konfiguration

Info

Publication number: DE19962037A1
Application number: DE1999162037
Authority: DE
Inventors: Jochen Gerner; Albert Marshall
Original assignee: Vishay Semiconductor GmbH
Current assignee: Vishay Semiconductor GmbH
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-07-12

Abstract

Bekannte Leuchtdioden weisen einen vergleichsweise geringen Gesamtwirkungsgrad oder einen vergleichsweise hohen Serienwiderstand auf. DOLLAR A Leuchtdiode mit einer lichterzeugenden Schichtenfolge aus Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) und einer dazu benachbarten, oben liegenden, p-leitenden Halbleiterschicht, die dadruch gekennzeichnet ist, dass die p-leitende Halbleiterschicht eine oberflächennahe, hoch dotierte Zone mit höherer Dotierungskonzentration aufweist. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich für Leuchtdioden zur drahtlosen Datenübertragung.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Leuchtdiode in p-oben-Konfiguration nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einer Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 19.

Eine lichtaussendende Diode mit Doppelheterostruktur in p-oben-Konfigur ation nach dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der European Pa tent Specification EP 0 350 242 B1 bekannt und in Fig. 2 dargestellt.

Derartige lichtaussendenden Dioden in p-oben-Konfiguration weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie einen vergleichsweise geringen Gesamtwirkungs grad aufweisen, da das Substrat 100 nicht transparent ist und somit der in das Substrat 100 eindringende Teil der in der lichtaktiven Schicht 130 er zeugten Strahlung verloren ist.

Bekannt sind auch lichtaussendende Halbleiterbauelemente in n-oben- Konfiguration, die aufgrund der geringen Reabsorptionsverluste im oben liegenden n-Gebiet einen hohen Quantenwirkungsgrad aufweisen, für deren Kontaktierung jedoch eine mehrschichtige Kontaktelektrode für die n leitende Halbleiterschicht notwendig ist. Zudem kann bei n-oben- Konfiguration der Serienwiderstand nicht so weit abgesenkt werden, wie dies bei lichtaussendenden Halbleiterbauelementen mit umgekehrter Struk tur möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leuchtdiode in p-oben- Konfiguration nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass sie einerseits einen niedrigen Serienwiderstand und somit eine niedrige Durchlassspannung und andererseits eine hohe Strahlungsleistung und ei nen hohen Gesamtwirkungsgrad für die Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlung besitzt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen oder durch eine Anordnung mit den im Anspruch 19 angegebenen Merkmalen.

Die Gegenstände der Ansprüche 1 und 19 weisen die Vorteile auf, dass sie sich durch einen besonders niedrigen Serienwiderstand - und damit durch eine besonders niedrige Durchlassspannung - und durch einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad bei Pulsbetrieb bis zur Stromstärke von 1 A auszeich nen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Leuchtdioden zur drahtlosen Datenübertragung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände nach Anspruch 1 und 19 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Zuhilfe nahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Schichtenfolge einer Leuchtdiode mit Doppelheterostruktur und einer erfindungsgemäßen hoch dotierten Zone,

Fig. 2 die Schichtenfolge einer Leuchtdiode mit Doppelheterostruktur nach dem Stand der Technik,

Fig. 3a ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Strahlungsleistung ϕ_e vom Germaniumgehalt der Schmelze, mit der eine Halbleiterschicht gewachsen wird, dargestellt ist,

Fig. 3b ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Durchlassspannung U_f vom Germaniumgehalt der Schmelze, mit der eine Halbleiterschicht gewachsen wird, dargestellt ist,

Fig. 4 ein Diagramm, in dem die Strahlungsleistung ϕ_e über der Durchlass spannung U_f einer Leuchtdiode in p-oben-Konfiguration mit einer erfindungsgemäßen hoch dotierten Zone dargestellt ist,

Fig. 5 ein Schichtenmodell einer Leuchtdiode mit Fensterschicht mit einer erfindungsgemäßen hoch dotierten Zone,

Fig. 6 den Verlauf der Aluminiumkonzentration über dem Querschnitt in der Leuchtdiode der Fig. 5,

Fig. 7 eine Tabelle, in der die elektrischen und optischen Kenngrößen ei ner Leuchtdiode mit einer hoch dotierten Zone denen bekannter Halbleiterbauelemente gegenüber gestellt sind,

Fig. 8 ein Diagramm, in dem berechnete Kurven der Transmission 1 einer hoch dotierten Zone in Abhängigkeit ihrer Dicke d für verschiedene Werte des Absorptionskoeffizienten dargestellt sind und

Fig. 9 ein Diagramm, in dem die Konzentrationsprofile von Zink und Ger manium (Dotierungskonzentration P) über der Tiefe t einer hoch dotierten p-leitenden Zone mit typischen Werten nach dem Diffusi onsprozess dargestellt sind.

Die Fig. 1 zeigt die Schichtenfolge einer ersten, als Infrarotdiode 1 mit Dop pelheterostruktur gestalteten Leuchtdiode. Auf einem provisorischen (und hier nicht dargestellten) Substrat aus Galliumarsenid (GaAs) wird mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie (Liquid Phase Epitaxy, LPE) eine untere Mantel schicht 2 aus n-leitendem Galliumaluminiumarsenid (Ga_1-xAl_xAs) gewachsen. Diese untere Mantelschicht 2 kann dabei aus einer einzelnen Schicht beste hen oder, wie hier gezeigt, aus mehreren Schichten 3 und 4 zusammenge setzt sein (die günstigste Zusammensetzung, die jedoch für die Erfindung nicht relevant ist, ergibt sich aus der spezifischen Ausführung des Epitaxie reaktors und des verwendeten Tiegels). Weiterhin weist die Infrarotdiode 1 eine p-leitende (licht-)aktive Schicht 5 und eine p-leitende obere Mantel schicht 6 aus GaAlAs auf.

Die Dicke der unteren Mantelschicht 2 beträgt mindestens 100 µm, höch stens 200 µm und vorzugsweise etwa 150 µm; sie dient, nach Entfernung des provisorischen GaAs-Substrats, als transparentes Substrat. Der Molenbruch x der n-leitenden, unteren Mantelschicht 2 beträgt an der Grenzfläche zum provisorischen GaAs-Substrat höchstens 0,35, mindestens 0,25 und vorzugs Weise 0,30. An der Grenzfläche zur lichtaktiven p-leitenden Schicht 5 beträgt der Molenbruch x mindestens 0,20. Damit wird für eine ausreichend hohe Energiebarriere gesorgt und zudem erreicht, dass die aus der oberen Man telschicht 6 in die aktive Schicht 5 injizierten Löcher in der aktiven Schicht 5 rekombinieren und sie die aktive Schicht 5 nicht durch Überwinden der Energiebarriere verlassen können.

Als Dotierstoff für die untere, n-leitende Mantelschicht 2 wird vorzugsweise Tellur oder auch Zinn verwendet. Die Dotierungskonzentration in der unte ren Mantelschicht 2 liegt in einem Bereich zwischen mindestens 8.10¹⁶ cm^-3 und höchstens 5.10¹⁷ cm^-3 und ist damit so eingestellt, dass einerseits (nach dem Entfernen des provisorischen GaAs-Substrats) auf der unteren Grenzflä che ein ohmscher Kontakt 7 (Rückseitenkontakt) aus einer Goldlegierung aufgebracht werden kann, dessen maximaler spezifischer Kontaktwider stand 2.10^-4 cm² nicht übersteigt, und dass andererseits ein möglichst hoher Lumineszenzwirkungsgrad der Doppelheterostruktur erreicht wird.

Der Rückseitenkontakt 7 wird entweder für einen möglichst niedrigen Seri enwiderstand und damit für eine möglichst niedrige Durchlassspannung U_f ganzflächig ausgeführt, oder er bedeckt nur einen Teil der Oberfläche der unteren Halbleiterschicht 2, wie in der Fig. 1 gezeigt, um Verluste durch Ab sorption an der Oberfläche der unteren Halbleiterschicht 2 gering zu halten und somit eine höchstmögliche Strahlungsleistung zu erreichen.

Auf der unteren, n-leitenden Mantelschicht 2 wird die aktive, p-dotierte Schicht 5 gewachsen, in der Licht durch strahlende Rekombination von Elektronen und Löchern erzeugt wird. Besteht die aktive Schicht 5 aus dem binären Verbindungshalbleiter GaAs, emittiert sie Infrarotlicht mit 870 nm bis 880 nm. Besteht sie aus dem ternären Verbindungshalbleiter Ga_1-xAl_xAs, wobei der Molenbruch x im Bereich zwischen 0 und 0,06 liegt, hat das emit tierte Infrarotlicht eine Wellenlänge zwischen 830 nm und 870 nm. Die Dicke der aktiven Schicht 5 beträgt 0,05 µm bis 5 µm. Als Dotierstoff wird haupt sächlich Germanium, aber auch Zink oder Magnesium verwendet. Die Dotie rungskonzentration in der aktiven Schicht 5 richtet sich nach der Modulati onsgrenzfrequenz, die mit der Infrarotdiode 1 erreicht werden soll. Bei spielsweise wird für Anwendungen, bei denen die Modulationsgrenzfre quenz 10 MHz betragen soll, eine Dotierung von 7.10¹⁷ cm^-3 eingestellt. Da mit höheren Dotierungskonzentrationen in der aktiven Schicht 5 die Reab sorptionsverluste zunehmen, soll die Dotierungskonzentration sinnvoller weise nicht weiter als unbedingt nötig angehoben werden.

Auf die p-leitende, aktive Schicht 5 wird anschließend mittels Flüssigphasen epitaxie die obere, p-leitende Mantelschicht 6 aus Galliumaluminiumarsenid (Ga_1-xAl_xAs) gewachsen. Um die in die aktive Schicht 5 injizierten Elektronen am Verlassen der aktiven Schicht 5 zu hindern, muss für eine ausreichend hohe Energiebarriere zwischen der p-leitenden, aktiven Schicht 5 und der oberen, p-leitenden Mantelschicht 6 gesorgt werden. Dazu wird der Molen bruch x an der Grenzfläche der oberen, p-leitenden Mantelschicht 6 zur ak tiven Schicht 5 auf mindestens 0,25, höchstens 0,35 und typisch 0,30 einge stellt. Die obere, p-leitende Mantelschicht 6 besteht nur aus einer einzigen, in einem Prozessschritt gewachsenen Schicht, um den Serienwiderstand klein zu halten.

Beim Wachsen der oberen, p-leitenden Mantelschicht 6 macht man sich eine Besonderheit des LPE-Prozesses zu Nutze. Zu Beginn des Wachstums ist die Schmelze reich an Aluminium. Wegen des hohen Verteilungskoeffizienten von Aluminium wird bei Wachstumsbeginn zunächst viel Aluminium in die Schmelze eingebaut. Dadurch verarmt die Schmelze jedoch rasch an Alumi nium und die Aluminiumkonzentration fällt dann innerhalb der Halbleiter schicht 6 in Wachstumsrichtung allmählich ab. Dies ist deshalb vorteilhaft, da die Vorderseite des Chips der Infrarotdiode 1 mit einem Vorderseiten kontakt 8 aus Aluminium kontaktiert werden soll und der spezifische Kon taktwiderstand des Vorderseitenkontakts 8 umso niedriger ist, je niedriger der Aluminiumgehalt des zu kontaktierenden Mischkristalls ist.

Für eine Wellenlänge von 870 nm wird der Molenbruch x an der Oberfläche der oberen Mantelschicht 6 auf mindestens 0,07, höchstens 0,10 und typisch 0,08 eingestellt. Für eine kürzere Wellenlänge muss der Molenbruch x ent sprechend angehoben werden. Mit der fallenden Aluminiumkonzentration und der genannten Dotierungseinstellung ist gewährleistet, dass der ober flächennahe Bereich der Mantelschicht 6 noch hinreichend transparent für die erzeugte Strahlung ist und dass auf der Oberfläche der Mantelschicht 6 ein Vorderseitenkontakt 8 hergestellt wird, dessen spezifischer Kontaktwi derstand kleiner ist als 4.10^-5 cm².

Wegen der Abhängigkeit der Ladungsträgerbeweglichkeit vom Aluminium gehalt im GaAlAs-Mischkristall ist anzustreben, das Aluminiumkonzentrati onsprofil in der oberen Mantelschicht 6 möglichst steil abfallen zu lassen. Schmelzenhöhe und Wachstumstemperatur werden deshalb so gewählt, dass das Aluminiumkonzentrationsprofil stark überlinear abfällt und nach dem Wachsen der halben Schichtdicke der oberen Mantelschicht 6 auf min destens 40% und typisch 35% des Wertes zu Beginn des Wachstums abge fallen ist. Die Dicke der oberen Mantelschicht 6 beträgt mindestens 20 µm, höchstens 80 µm und typisch 60 µm.

Als Dotierstoff wird, neben Zink, Berrylium oder Magnesium, hauptsächlich Germanium verwendet, dessen Aktivierungsenergie zwar mit zunehmen dem Molenbruch x rasch ansteigt (67 meV bei x = 0,3 und 100 meV bei x = 0,6), wodurch die Konzentration an freien Ladungsträgern zurückgeht, das aber einen niedrigen Dampfdruck und einen niedrigen Verteilungskoeffizi enten bei der Flüssigphasenepitaxie von GaAlAs aufweist. Man hat beobach tet, dass sich bei p-oben-Konfigurationen die Verwendung von Germanium als Dotierstoff für die obere Mantelschicht 6 positiv auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Struktur der Infrarotdiode 1 auswirkt.

Dies wird auf den Umstand zurückgeführt, dass der Einbau von Germanium in die GaAlAs-Mantelschicht 6 den durch Gitterfehlanpassung hervorgerufe nen mechanischen Stress in der Struktur der Infrarotdiode 1 reduziert, da der kovalente Radius von Germanium größer ist als der von Aluminium und kleiner ist als der von Gallium, und dass dem zu Folge der Einbau von Ger manium der Entstehung von Kristalldefekten in der Struktur der Infrarot diode 1 entgegenwirkt.

Die Dotierungskonzentration in der oberen Mantelschicht 6 muss so einge stellt sein, dass die geforderte niedrige Durchlassspannung U_f realisiert wer den kann. Die Abhängigkeit der Durchlassspannung U_f und die Abhängigkeit der Strahlungsleistung ϕ_e vom Germaniumgehalt der Schmelze, mit der die obere Mantelschicht 6 gewachsen wird, ist anhand von zwei Diagrammen in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Beide Diagramme zeigen, dass bei einer ge forderten Durchlassspannung U_f von beispielsweise 2,6 V (bei 1 A Stromstär ke) eine Strahlungsleistung ϕ_e von 33 mW (bei 0,1 A) erreicht wird (die ge messenen Infrarotdioden 1 waren zur Erzielung einer möglichst niedrigen Durchlassspannung U_f mit einem geschlossenen, ganzflächigen Rückseiten kontakt 7 versehen). Die Dotierungskonzentration an der Oberfläche der Mantelschicht 6 liegt für diese Wahl der Parameter bei 1.10¹⁸ cm^-3 bis 2.10¹⁸ cm^-3.

Im folgenden wird beschrieben, wie es mit Hilfe der Erfindung gelingt, die Durchlassspannung U_f weiter abzusenken, ohne die Strahlungsleistung ϕ_e der Infrarotdiode 1 merklich zu verringern. Wegen der geringen Querleitfähig keit von p-leitendem GaAlAs bewegen sich die über den Vorderseitenkon takt 8 in den Halbleiterkörper der Infrarotdiode 1 einfließenden Ladungs träger zunächst in dem durch den Vorderseitenkontakt 8 definierten Quer schnitt weiter und verteilen sich erst während der Passage durch die obere Mantelschicht 6 allmählich auf den gesamten Querschnitt des Halbleiterkör pers der Infrarotdiode 1. An der Oberfläche der oberen Mantelschicht 6 ist in den Randbereichen die Stromdichte in Folge dessen nahezu Null, im zen tralen Bereich aber sehr hoch. Die hohe Stromdichte im zentralen Bereich hat einen hohen und unerwünschten Spannungsabfall im oberen Teil der p leitenden Mantelschicht 6 zur Folge.

Dieser unerwünschte Spannungsabfall in der oberen Mantelschicht 6 kann deutlich abgesenkt werden, da es mit Hilfe der Erfindung gelingt, den Strom einfließender Ladungsträger möglichst schnell auf den gesamten Querschnitt der Mantelschicht 6 zu verteilen, ohne dabei eine merkliche zusätzliche Reabsorption zu verursachen. Erreicht wird dieses Ziel dadurch, dass eine oberflächennahe Zone 9 (p⁺-Zone 9, Fig. 1) der Mantelschicht 6 höher dotiert wird als der restliche, unten liegende Bereich der Mantel schicht 6. Auf die Parameter der höher dotierten p⁺-Zone 9 wird in dem zu den Fig. 8 und 9 gehörenden Beschreibungsteil ausführlich eingegangen.

Der Bandabstand der Mantelschicht 6 wird über den Molenbruch x so einge stellt, dass der Absorptionskoeffizient α höchstens 5.10³ cm^-1 beträgt und somit beim Durchgang durch die höher dotierte Zone 9 mindestens 80% der Strahlung passieren.

In Fig. 4 ist in einem Diagramm die Strahlungsleistung ϕ_e (in mW bei einer Stromstärke von 0,1 A) über der Durchlassspannung U_f (in V bei einer Strom stärke von 1 A) einer erfindungsgemäßen Infrarotdiode 1 mit p-oben- Konfiguration aufgetragen (ausgefüllte Messpunkte). Daraus geht hervor, dass eine niedrigere Durchlassspannung U_f nur eine geringfügig geringere Strahlungsleistung ϕ_e zur Folge hat. Im Vergleich zu den Werten der erfin dungsgemäßen Infrarotdiode 1 sind (mit nicht ausgefüllten Messpunkten) gemessene Werte einer Infrarotdiode in n-oben-Konfiguration nach dem Stand der Technik dargestellt. Es wird deutlich, dass vergleichbare Strah lungsleistungen ϕ_e mit wesentlich höheren Durchlassspannungen U_f erkauft werden müssen.

Die Pig. 5 zeigt ein Schichtenmodell einer zweiten Infrarotdiode 11, bei der auf ein n-leitendes Substrat 12 aus Galliumarsenid (GaAs) eine aus mehreren Halbleiterschichten 13 und 14 bestehende aktive Schicht 15, die einen pn- Übergang 16 aufweist, und eine Fensterschicht 17 aus Galliumaluminiumar senid (GaAlAs) aufgewachsen sind. Die Fensterschicht 17 hat eine größere Bandlücke als die aktive Schicht 15 und ist daher für die erzeugte Strahlung durchlässig. Auf die Fensterschicht 17 ist eine strukturierte Oberflächenkon taktierung 18 (Vorderseitenkontakt, Anode) aus Aluminium und auf das Sub strat 12 eine strukturierte oder flächige Oberflächenkontaktierung 20 (Rückseitenkontakt, Kathode) aus einer Goldlegierung aufgebracht.

Die Herstellung der Halbleiterschichten 13, 14 und 17 erfolgt mittels Flüs sigphasenepitaxie (Liquid Phase Epitaxy, LPE). Ein Wafer aus n-leitendem GaAs mit einer {100}-Orientierung dient als Substrat 12; zur Verwendung eignen sich jedoch auch Wafer mit einer {111}-Orientierung. Die Wafer wer den zunächst in einer Mischung aus H₂SO₄, H₂O₂ und H₂O im Verhältnis 8 : 1 : 1 gereinigt; bei einer Badtemperatur von 60°C beträgt die Ätzdauer ca. 2 min. Die Parameter der einzelnen Schmelzen, deren Zusammensetzung von der Dotierung, der Schichtdicke, dem Aluminiumprofil und der Epitaxie temperatur abhängt, zielen auf eine hohe Ausgangsleistung des herzustel lenden Halbleiterbauelements ab und werden im folgenden beschrieben. Die Einwaagen der genannten Bestandteile beziehen sich jeweils auf den Gallium-Grundbestandteil.

Die erste Schmelze für die aktive Schicht 15 enthält ca. 5,5% bis 6% GaAs, 0,03% bis 0,2% Aluminium und 0,7% bis 0,8% Silizium. Die zweite Schmelze für die Fensterschicht 17 enthält ca. 2,5% bis 3,5% GaAs, 0,1% bis 0,3% Aluminium und als p-Dotierstoff 0,4% bis 0,7% Germanium. Als p- Dotierstoff kann ebenfalls Zink, Magnesium oder Silizium verwendet wer den. Die Schmelzen werden in vorgesehene Behälter eines Epitaxietiegels gefüllt und der Tiegel in den Epitaxiereaktor eingesetzt.

Die Temperatur im Reaktor wird anschließend auf eine erste Haltetempera tur T1 von ca. 500°C erhöht und für etwa 30 min konstant gehalten (bei die ser Temperatur zersetzen sich eventuell vorhandene Galliumoxidreste auf den Wafern und im Epitaxieboot). Bei einer zweiten Haltetemperatur T2 von ca. 1000°C lösen sich die Einwaagen in den Galliumschmelzen und die Schmelzen werden homogenisiert. Von nun an wird die Temperatur im Epi taxiereaktor kontinuierlich mit einer Abkühlrate von 0,8°C bis 1°C pro Mi nute abgesenkt.

Beim Erreichen einer Temperatur T3 bei ca. 900°C bis 920°C werden die Wafer in die erste Schmelze eingetaucht. Nun wächst zunächst die n leitende GaAlAs-Schicht 13 auf, deren Aluminiumanteil stetig abnimmt. Bei einer Temperatur von ca. 880°C erfolgt ein Umschlag von der n-Leitung zur p-Leitung; der pn-Übergang 16 wird somit in einer Schmelze und in einem Prozessschritt erzeugt. Darauf wächst die p-leitende Schicht 14 der epitakti schen Schicht 15 auf; der Aluminiumanteil im Kristall nimmt weiterhin ab.

Bei einer Temperatur T4 von ca. 840°C bis 870°C werden die Scheiben aus der ersten Schmelze entnommen und in die zweite Schmelze eingetaucht. Darauf hin wächst die p-leitende Fensterschicht 17 auf, deren Aluminiuman teil an der Grenzfläche zur zuvor aufgewachsenen Schicht 14 höher ist als der Aluminiumanteil der zuvor aufgewachsenen Schicht 15 an deren Grenz fläche zum Substrat 12. Um die in die aktive Schicht 15 injizierten Elektro nen am Verlassen der aktiven Schicht 15 zu hindern, muss für eine ausrei chend hohe Energiebarriere zwischen der p-leitenden aktiven Schicht 14 und der ebenfalls p-leitenden Ga_1-xAl_xAs-Fensterschicht 17 gesorgt werden. Dazu wird der Molenbruch x der Fensterschicht 17 an der Grenzfläche zur aktiven Schicht 15 auf mindestens 0,20, höchstens 0,30 und typisch 0,25 ein gestellt.

Nachdem die gewünschte Schichtdicke der Fensterschicht 17 aufgewachsen ist, werden die Wafer bei einer Temperatur T5 von ca. 720°C bis 790°C aus der zweiten Schmelze herausgenommen. Auf Vorderseite bzw. Rückseite der Wafer werden dann in einem nachfolgenden Prozessschritt Vordersei tenkontakte 18 bzw. Rückseitenkontakte 20 hergestellt, wozu die Rückseite flächig oder strukturiert mit einer Gold-Germanium-Legierung beschichtet und auf die Vorderseite eine sternförmige strukturierte Aluminiumschicht aufgebracht wird. Nach dem Legieren oder Tempern der Kontakte 18 und 20 werden die Wafer zerteilt und die dabei entstehenden Chips in ein für Infrarotdioden geeignetes Gehäuse eingebaut.

Um den Serienwiderstand und damit die Durchlassspannung U_f der Fenster schicht 17 klein zu haften, macht man sich beim Wachsen der p-leitenden Fensterschicht 17 wiederum die Besonderheit des LPE-Prozesses zu Nutze, dass zu Beginn des Wachstums ist die Schmelze reich an Aluminium ist und deshalb bei Wachstumsbeginn zunächst viel Aluminium in die Schmelze ein gebaut wird, die Schmelze dann jedoch rasch an Aluminium verarmt und die Aluminiumkonzentration daher innerhalb der Fensterschicht 17 in Wachstumsrichtung allmählich abfällt.

Die Größe des Gradienten hängt dabei vom Volumen der Schmelze und von der Wachstumstemperatur ab. Erwünscht ist ein steiler Abfall, weil der spe zifische Widerstand von p-leitendem GaAlAs mit zunehmendem Aluminiu manteil ansteigt. Die Schmelzenhöhe und die Wachstumstemperatur wer den deshalb so gewählt, dass das Aluminiumkonzentrationsprofil stark überlinear abfällt und nach dem Wachsen der halben Schichtdicke der Fen sterschicht 17 bereits auf mindestens 40% und typisch 35% des Startwer tes (Wert zu Beginn des Wachstums) abgefallen ist. Die Dicke der Fenster schicht 17 beträgt mindestens 20 µm, höchstens 80 µm und typisch 50 µm. Als Dotierstoff wird neben Zink, Magnesium und Silizium hauptsächlich Germanium verwendet.

Aus den bereits genannten Gründen gilt auch hier, dass sich die Verwen dung von Germanium als Dotierstoff für die Fensterschicht 17 positiv auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Struktur der Infrarotdiode 11 aus wirkt. Die Dotierungskonzentration P in der Fensterschicht 17 muss so ein gestellt werden, dass eine niedrige Durchlassspannung U_f realisiert werden kann. Die Dotierungskonzentration P an der Oberfläche der Fensterschicht 17 liegt üblicherweise bei 1.10¹⁸ cm^-3 bis 2.10¹⁸ cm^-3.

Da die Vorderseite der Infrarotdiode 11 mit Aluminium kontaktiert werden soll und der spezifische Kontaktwiderstand des Vorderseitenkontakts 18 umso niedriger ist, je niedriger der Aluminiumgehalt des Mischkristalls ist, wird der Molenbruch x an der Oberfläche der Fensterschicht 17 auf minde stens 0,04, höchstens 0,08 und typisch 0,06 eingestellt. Diese Werte gelten für eine Emissionswellenlänge von 920 nm bis 945 nm. Damit wird gewähr leistet, dass der oberflächennahe Bereich der Fensterschicht 17 einerseits noch hinreichend durchlässig für die erzeugte Strahlung ist und dass ande rerseits auf der Oberfläche der Fensterschicht 17 ein Vorderseitenkontakt 18 aus Aluminium hergestellt werden kann, dessen spezifischer Kontaktwi derstand kleiner ist als 4.10^-5 cm². Um eine kürzere Emissionswellenlänge einzustellen, müssen die Werte für den Molenbruch x angehoben werden.

Um die Durchlassspannung U_f noch weiter abzusenken, ohne die Strah lungsleistung ϕ_e der Infrarotdiode 11 merklich zu verringern, wird auch in diesem Fall die bereits beschriebene Methode der höheren Dotierung an gewendet, indem eine oberflächennahe Zone 19 (p⁺-Zone 19) der Fenster schicht 17 höher dotiert wird als der restliche, unten liegende Bereich der Fensterschicht 17. Auf die Parameter der höher dotierten p⁺-Zone 19 wird in dem zu den Fig. 8 und 9 gehörenden Beschreibungsteil ausführlich ein gegangen.

Der Bandabstand der Fensterschicht 17 wird über den Molenbruch x so ein gestellt, dass der Absorptionskoeffizient α höchstens 5.10³ cm^-1 beträgt und somit beim Durchgang durch die höher dotierte Zone 19 mindestens 80% der Strahlung passieren.

Dem Diagramm der Fig. 6 ist die Aluminiumkonzentration der Halbleiter schichten 12, 13, 14 und 17 über dem Querschnitt der Infrarotdiode 11 zu entnehmen. Die Aluminiumkonzentration, und damit auch der Bandab stand, der direkt proportional zur Aluminiumkonzentration ist, steigt beim Übergang vom Al-freien Substrat 12 zur n-leitenden aktiven GaAlAs-Schicht 13 sprunghaft an und fällt dann innerhalb der aktiven Schicht 15 annähernd exponentiell ab. Beim Übergang zur p-leitenden Fensterschicht 17 nimmt die Aluminiumkonzentration wieder sprunghaft auf einen noch höheren Wert als bei der Schicht 13 zu, um innerhalb der Fensterschicht 17 wieder annähernd exponentiell abzufallen.

Der pn-Übergang 16, der durch amphotere Si-Dotierung realisiert wird, liegt innerhalb der aktiven GaAlAs-Schicht 15. Der Verlauf der Aluminiumkonzen tration setzt sich zu beiden Seiten des pn-Übergangs 16 stetig fort. Durch die Einbettung des pn-Übergangs 16 in die zwei aluminium-haltigen Schich ten 13 und 14 wird die Absorption der emittierten Strahlung stark redu ziert.

In der Tabelle der Fig. 7 sind die Durchlassspannung U_f, die Strahlungslei stung ϕ_e bei einer Stromstärke von 0,1 A und 1,5 A und die Wellenlänge der emittierten Strahlung λ_p als elektrische und optische Kenngrößen der Infra rotdioden 1 und 11 (neue Technologie) den Kenngrößen mit bekannter Technologie hergestellter Halbleiterbauelemente (GaAs : Si, GaAlAs : Si mit Fen sterschicht) gegenüber gestellt.

Es wird deutlich, dass die Infrarotdioden 1 und 11 bei vergleichbarer Durchlassspannung U_f eine wesentlich höhere Strahlungsleistung ϕ_e als Halbleiterbauelemente nach dem Stand der Technik aufweisen bzw. bei vergleichbarer Strahlungsleistung ϕ_e eine um ca. 10% niedrigere Durchlass spannung U_f als Halbleiterbauelemente nach dem Stand der Technik aufwei sen und somit deutliche Vorteile gegenüber bekannten Halbleiterbauele menten haben.

Die Fig. 8 zeigt berechnete Kurven der Transmission I der hoch dotierten, p- leitenden Ga(Al)As-Zonen 9 bzw. 19 (p⁺-Zone) in Abhängigkeit ihrer Dicke d für verschiedene werte des Absorptionskoeffizienten α (der Absorptions koeffizient α für hoch dotiertes, p-leitendes GaAs bzw. GaAlAs mit direkter Bandlücke beträgt bei einer Temperatur von 297 K etwa 10⁴ cm^-1 für Strah lung mit einer Energie, die gleich oder höher ist als die effektive Energie lücke des Verbindungshalbleiters). Aus den Kurvenverläufen wird deutlich, dass die Dicke d der höher dotierten Zonen 9 bzw. 19 der Mantelschicht 6 bzw. der Fensterschicht 17 nicht zu groß gewählt werden dürfen, um signi fikante Reabsorptionsverluste zu vermeiden.

Die Dicke d der höher dotierten Zonen 9 bzw. 19 wird daher auf höchstens 1 µm und mindestens 0,1 µm eingestellt; ein typischer Wert ist 0,5 µm. Die Ladungsträgerkonzentration P wird in diesem Bereich auf mindestens 5.10¹⁸ cm^-3, höchstens 5.10⁹ cm^-3 und typisch 1.10¹⁹ cm^-3 eingestellt. Für die ange gebene typische Dicke d und die typische Ladungsträgerkonzentration er gibt sich bei einer Löcherbeweglichkeit von 300 cm²/Vs ein Schichtwider stand der p⁺-Zonen 9 bzw. 19 von etwa 40 Ω/sq. Die Konzentrationsprofile von Zink und Germanium (Dotierungskonzentration P) über der Tiefe t der p-leitenden Mantelschicht 6 bzw. der p-leitenden Fensterschicht 17 mit den genannten typischen Werten nach dem Diffusionsprozess sind im Diagramm der Fig. 9 aufgetragen.

Realisiert wird die Anreicherung der p⁺-Zonen 9 bzw. 19 vorteilhaft durch Eindiffundieren von Zinkatomen in die jeweils vorhandene Schicht 6 bzw. 17 oder auch durch Aufbringen einer derartigen Schicht mittels eines zu sätzlichen, speziellen Epitaxieprozesses wie MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) oder MBE (molecular beam epitaxy) mit niedrigen Wachs tumsraten. Der Diffusionsprozess hat dabei den Vorteil, wesentlich kosten günstiger und gut beherrschbar zu sein und reproduzierbare Ergebnisse zu liefern. Die Diffusion wird bei einer Temperatur unter 700°C mit einer ter nären Quelle aus Galliumarsenid, Arsen und Zink durchgeführt. Wegen der vergleichsweise niedrigen Prozesstemperatur kann darauf verzichtet wer den, die Oberfläche der Wafer durch einen Film aus Siliziumdioxid vor Disso ziation zu schützen.

In Fig. 2 ist die Schichtenfolge einer lichtemittierenden Infrarotdiode mit Doppelheterostruktur in p-oben-Konfiguration nach dem Stand der Technik dargestellt. Auf einen n-leitenden Wafer aus Galliumarsenid (GaAs), der als Substrat 100 dient, wird mittels Flüssigphasenepitaxie eine Infrarotdioden struktur aufgewachsen, bestehend aus einer ersten Schicht 110 aus n leitendem Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs), einer zweiten Schicht 120 aus n-leitendem GaAlAs, einer dritten Schicht 130 aus p-leitendem GaAlAs, einer vierten Schicht 140 aus p-leitendem GaAlAs und einer fünften Schicht 150 aus p-leitendem GaAlAs.

Dabei ist die dritte Schicht 130 lichtaktiv und bildet mit der zweiten Schicht 120 einem ersten Heteroübergang 125 und mit der vierten Schicht 140 ei nem zweiten Heteroübergang 135. Weiterhin bilden die Schichten 110 und 120 die n-leitende, untere Mantelschicht und die Schichten 140 und 150 die p-leitende, obere Mantelschicht für die lichtaktive Schicht 130. In einem Kontaktbereich 153 ist auf der fünften Schicht 150 ein aus zwei Schichten 160 (GaAs) und 170 (Aluminium) bestehender ohmscher Kontakt (Vordersei tenkontakt) hergestellt. Als weiterer ohmscher Kontakt (Rückseitenkontakt) dient die Schicht 180 auf der Rückseite des Substrats 100.

Claims

1. Leuchtdiode (1; 11) mit einer lichterzeugenden Schichtenfolge (2, 5; 12, 15) aus Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) und einer dazu benachbarten, oben liegenden, p-leitenden Halbleiterschicht (6; 17), dadurch gekennzeichnet, dass die p-leitende Halbleiterschicht (6; 17) eine oberflächennahe, hoch do tierte Zone (9; 19) mit höherer Dotierungskonzentration aufweist.

2. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der oberflächennahen, hoch dotierten Zone (9; 19) in einem Bereich von 5.10¹⁸ cm^-3 bis 5.10¹⁹ cm^-3 liegt.

3. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der oberflächennahen, hoch dotierten Zone (9; 19) 1.10¹⁹ cm^-3 beträgt.

4. Leuchtdiode (1; 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass Zink als Dotierstoff für die oberflächennahe, hoch dotierte Zone (9; 19) dient.

5. Leuchtdiode (1; 11) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Dicke der oberflächennahen, hoch dotierten Zone (9; 19) mit höherer Dotierungskonzentration in einem Bereich von 0,1 µm bis 1 µm liegt.

6. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der oberflächennahen, hoch dotierten Zone (9; 19) mit höherer Dotie rungskonzentration 0,5 µm beträgt.

7. Leuchtdiode (1; 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Dotierungskonzentration an der Oberfläche der oben lie genden, p-leitenden Halbleiterschicht (6; 17) in einem Bereich von 1.10¹⁸ cm^-3 bis 2.10¹⁸ cm^-3 liegt.

8. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Germanium als Dotierstoff für die oben liegende, p-leitende Halbleiter schicht (6; 17) dient.

9. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumanteil der oben liegenden, p-leitenden Halbleiterschicht (6; 17) an der Grenzfläche zur aktiven Schicht (5; 15) höher ist als der Aluminiumanteil der aktiven Schicht (5; 15) an deren Grenzfläche zum Substrat (2; 12).

10. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumkonzentration innerhalb der oben liegenden, p leitenden Halbleiterschicht (6; 17) in Wachstumsrichtung stark überlinear abfällt.

11. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumkonzentration in der oben liegenden, p-leitenden Halbleiter schicht (6; 17) nach dem Wachsen der halben Schichtdicke auf mindestens 40% des Wertes zu Beginn des Wachstums abgefallen ist.

12. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumkonzentration in der oben liegenden, p-leitenden Halbleiter schicht (6; 17) nach dem Wachsen der halben Schichtdicke auf 35% des Wer tes zu Beginn des Wachstums abgefallen ist.

13. Leuchtdiode (1; 11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der oben liegenden, p-leitenden Halbleiter schicht (6) um eine Mantelschicht einer Leuchtdiode (1) mit Doppelhete rostruktur handelt.

14. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der oberen Mantelschicht (6) in einem Bereich von 20 µm bis 80 µm liegt.

15. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der oberen Mantelschicht (6) 60 µm beträgt.

16. Leuchtdiode (1; 11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der oben liegenden, p-leitenden Halbleiter schicht (17) um eine Fensterschicht einer Leuchtdiode (11) handelt.

17. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Fensterschicht (17) in einem Bereich von 20 µm bis 80 µm liegt.

18. Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Fensterschicht (17) 50 µm beträgt.

19. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) mit einer lichterzeu genden Schichtenfolge (2, 5; 12, 15) aus Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) und einer darauf angeordneten, p-leitenden Halbleiterschicht (6; 17), da durch gekennzeichnet, dass die p-leitende Halbleiterschicht (6; 17) eine dünne oberflächennahe, hoch dotierte Zone (9; 19) aufweist, die eine um den Faktor 2,5 bis 50 höhere Dotierungskonzentration als die übrige Halblei terschicht (6; 17) aufweist.

20. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 19, da durch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der oberflächen nahen, hoch dotierten Zone (9; 19) in einem Bereich von 5.10¹⁸ cm^-3 bis 5.10¹⁹ cm^-3 liegt.

21. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 20, da durch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der oberflächen nahen, hoch dotierten Zone (9; 19) 1.10¹⁹ cm^-3 beträgt.

22. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) nach einem der An sprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Zink als Dotierstoff für die oberflächennahe, hoch dotierte Zone (9; 19) dient.

23. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) nach einem der An sprüche 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der oberflä chennahen, hoch dotierten Zone (9; 19) mit höherer Dotierungskonzentra tion in einem Bereich von 0,1 µm bis 1 µm liegt.

24. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 23, da durch gekennzeichnet, dass die Dicke der oberflächennahen, hoch dotier ten Zone (9; 19) mit höherer Dotierungskonzentration 0,5 µm beträgt.

25. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) nach einem der An sprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentra tion an der Oberfläche der oben liegenden, p-leitenden Halbleiterschicht (6; 17) in einem Bereich von 1.10¹⁸ cm^-3 bis 2.10¹⁸ cm^-3 liegt.

26. Halbleiteranordnung für eine Leuchtdiode (1; 11) nach Anspruch 19, da durch gekennzeichnet, dass Germanium als Dotierstoff für die p-leitende Halbleiterschicht (6; 17) dient.