DE2001870A1 - Indium-Aluminium-Phosphidverbindung und Halbleitervorrichtung mit einem eine solche Verbindung enthaltenden Halbleiterkoerper - Google Patents

Indium-Aluminium-Phosphidverbindung und Halbleitervorrichtung mit einem eine solche Verbindung enthaltenden Halbleiterkoerper

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DE2001870A1 DE19702001870 DE2001870A DE2001870A1 DE 2001870 A1 DE2001870 A1 DE 2001870A1 DE 19702001870 DE19702001870 DE 19702001870 DE 2001870 A DE2001870 A DE 2001870A DE 2001870 A1 DE2001870 A1 DE 2001870A1
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Description

Patentnnwelt
Ih(J Walier Jnctfscfc
Stuttyert N. inemetetwBp 40
Western Electric Company
Inoorporated
1951 Broadway
New York / USA A 31 482 - Br
Ifr·· Jan. 1970
Indiuia-Aluminlum-PhospaldYerb Ladung und Halbleitervorrichtung iu.it eineia eine solche Verbindung enthaltenden Halbleiterkörper
Erfindung betrifft eine Indium-Aluminiuia-HioBphid- , verbindung und eine Halbleitervorrichtung, deren Halbleiterkörper derartige bubßtanzen enthält. Dabei handelt es sich insbesondere um Elektroluminessenz-Halbleltervorrichtungen·
In jüngster Zelt sind Sperrschiohten-Halbleitervorriohtungen, bei denen an der Sperrschicht Elektrolumineszenz auftritt» in das Blickfeld des Interesses gerückt wordtu. Derartig· Halbleitervorriohtuagen sind aur Iiiobtemission im sichtbarem Bereich des bp«ktruaB befähigt und können daher für zahlreiche Anwendungen» beispielsweise zu BeleuchtungsEwocken wie auch zur Infonaationewiedergabe, eingesetzt werden.
Bei Halbleitervorrichtungen de^brwähnten Art wurden bereits amphotere Eigenschaften, d.h. eine Dotierbarkeit
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Im Sinne einer n-Leitfahiglceit wie auch einer p-Leitfähigkelt, beobachtet. Die in derartigen Vorrichtungen verwendete11, bx*. für diesen Zweok bekannten Halbleiter, wiesen jedoch keine auereichenden Bandabetände auf, um eine LichtemlBeion über im wesentlichen den gesamten Bereich des sichtbaren .pektrums zu ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist daher die bohaffung τοη Gruppe-IIIa-Va-Verbindungen bzw. von entsprechenden Mischungen, die bei amphoterer Eigenschaft hinsichtlich der iiichtemlosion
^ eine Verbesserung ermöglichen. Die iSrfindungeaufgabe richtet sich ferner auch auf derartige Substanzen enthaltende Halbleitervorrthtungon. Zur Losung dieser Aufgabe wird erflndungsgeaäse eine Indium-Aluminium-Pho -phidver bindung angegeben, die stob durch eine Zusammensetzung gemäss der Suamenfornel (InZ1 V\A1 ) P mit einem Wert ζ von o, 2 bis o,5 Atomprozenten kennzeichnet. jJerarti^e Verbindungen weisen «iuphotere Eigenschaften und den erforderlichen üandabetand auf. Bei einer erindungsgemässen Indiua-Aluainiue-Fhosphidverbindung ergab sioh z.B. eine lilohtefflieeion über einen Bereich von 1,8 bis 2,5 Elektronen volt entsprechend einer Emissionswellenlänge von 6 900 S bie 5 000 S.bei Raumtemperatur. Eine mit einer derartigen
φ Verbindung hergestellte, eifLndungögemässe Halbleitervorrichtung zeichnet sich duroh entsprechende vorteilhafte
aus.
Eine vorteilhafte Aueführungsform der erfindungsgemäosen Halbleitervorrichtung kennzeichned sich dadurch, daß eine η-leitende Galliumarsenidzone und eine p—leitende Indium-Aluminlum-Phosphidzone vorgesehen fet. .Dabei stimmen die ßitterkonstanten der p-leltenden und n-leitenden Zonen zweokmässig la wesentlichen miteinander Uberein.
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£1· Sxflnduog *lr* welter anband ein·« Auflitthrungsbeispiele erläutert, dessen Herstellungsprosees in den ?lgt 1 A bis 1 £ der Zeichnung veranschaulicht let· Diese Pig. selgen Querschnitte eines Halbleiterkörpers bsw. einer Halbleitervorrichtung in aufeinanderfolgenden Stufen des Herstellungsverfahrens.
Der erste schritt des Herstellungsverfahrens umfasst die Zubereitung einer üchmelse, die Indium, Aluminium und Phosphor mitjfeluem geeigneten Aktivator bsw· Dotierungemittel edbält. Das Verhältnis dieser Komponenten wird entsprechend der erfindungsgemäesen Zusammensetzung mit einem Anteilewert ζ von O12 bis 0,5 Atomprosenten in der Suanenfonel (Ιη/1νχ\Α1χ) P eingestellt. £■ wurde in diesem Zusammenhang festgestellt, dad ein Anteilswert χ von weniger als 0,2 keine Lichtemisslon im sichtbaren Bereich mehr ergibt, während ein Anteilewert χ von sehr al-β 0,5 Instabilität und eine Verschlechterung de· Strahlungewirkungsgrades mit sich bringt·
Eine Charge mit den erwähnten Komponenten Indium, Aluminium und Phosphor sowie mit einem p- oder n-Aktlvator wird sodann in einen aus Graphit oder Bornitrid bestehenden, vorsugsweise .langgestreckt wannenförmlgen Tiegel eingesetzt, der wenigstens eine Aufnahme für eine Nutterlösung und einen verschiebbaren Substrathalter aufweist. Der Substrathalter ist sweckmässig so ausgebildet, daß ein an diesem befestigtes .substrat durch Kippen der Vorrichtung in die Aufnahme eingetaucht werden kann, wie dies bei der üblichen Lösungs-Eptaxlaltechnik durchgeführt wird.
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Die verwendete Einrichtung ennöglioht zweokmüseig auch eine Verfahrenstechnik, bei der die Sättigung der Mutterlösung während des Wachstumeproiesees sichergestellt 1st» und zwar durch Einsetzen eines Mutterkr!stalle, s.B. aus Indiumphosphid, Im Bereich des Bodens der Aufnahme.
FUr die Zwecke der Erfindung kommt vorzugsweise ein Dubstraft aus einem Halbleiter In Betracht, der eine bis auf + 10 i» mit Indlum-Aluminium-Phosphld (Gitterkonstante =» 5,86 R) übereinstimmende Gitterkonstante aufweist. Insbesondere kommt hierfür z.B. Indium-Phosphid, Galliumphosphid und dgl. in Betracht. Bei einer einheitlichen Verfahrensweise zur Vermeidung einer Fehlanpassung der Gitter und der entsprechenden Nachteile wird ein Galliumarsenid-uUbstrat mit angewachsener Indium-Jiluminlum-Fhosphidschlcht verwendet, wobei der iinteilswert χ In der erwähnten Summenformel über 0,49 liegt. Unter diesen Bedingungen beträgt die Gitterkonstante des Indium-Aluminlum-Phosphids 5,65 ° und stimmt daher fast genau mit der Gitterkonotante von Galliumaroenid überein. Es bat sich demgcnaso als zweckmässig erwiesen, zunächst eine Schiebt aus Indiiua-Aluminium-Phouphid auf einem Galliumarsenld-bubstrat in der V.'eioe abzuscheiden, daß sich in wesentlichen Übereinstimmung der Gltterkonotanten der verschiedenen Ilaterialien ergibt, worauf die Abschäi-u/ung von Indium-Aluminiua-ifeosphid unterschiedlicher Zusammensetzung (einschliesßlich des Aktivators) fortgesetzt wird. In der beschriebenen Weise lässt sich durch anfängliche Bildung einer Schicht aus p-leitendeia Indium-Aluminium-Phosphid auf einen η-leitenden Galliunarsenld-iJubstrat eine Im sichtbaren Bereich des Spektrums emisslonsfählge
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pn-Hererofunktion Wt-.t. hohem Emissionawirkungsgrad erzielen, insbesondere dann, wenn die GUtterkonstanten im wesentlichen Übereinstimmen·»
Anschliessend wird der z.B. aus Graphit bestehende Tiegel in ein c^uarzrohr eingesetzt und zum Ausspülen von verbliebenen Verunreinigungen mit Wasserstoffgas beaufschlagt. Lodann wird das ^uarzrohr in einen Ofen eingesetzt und unter andauernder \ asserstoffbespülung für eine Zeitdauer zwischen 30 und 60 Minuten mit flachem Temperaturverlauf auf eine Temperatur im Bereich von 8üü bis 95O0O gebracht. Hierdurch werden die eingesetzten Komponenten zur Reaktion gebracht, so daß sich eine eine mit Indium-.aliuuinium-l'hosphid gesättigte Indiumschmelze ergibt, liaoh Ablauf der Reaktion wird das System für eine Zeitdauer zwischen 30 und 60 Minuten auf Reaktionstemperatur gehalten, um die Sättigung der Mutterlösung sicherzustellen· Die üharge wird sodann um 10 bis 150C! abgekühlt. Zu diesem Zeitpunkt wird das substrat auf die Mutterlösung gesetzt und eine geregelte Abkühlung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 1 bis 50O pro Hinute eingeleitet. Die Abkühlungsgeschwindigkeit richtet eich nach den Qualitätsanforderungen an den herzustellenden Kristall. Das epitaxlale Ziefe-bzw. Wachstumsverfahren kann erfindungsgemäss auf Substrate mit unterschiedlicher Kristallorientierung angewendet werden. Ein zufriedenstellendes Wachstum kann zum Beispiel an 511-»1oo oder 111-Kristallflächen von Galliumarsenid erzielt werden, wobei sich ein Optimum bei 111-Plächen ergab.
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BAD ORIGINAL
Es Bchliesst sich sodann die erflndungsgemäese Herstellung einer Zweielektroden-SperrBchlcht-Halbleitervorrichtung an. Hierbei kann» wie erwähnt, eine geeignete 1)0 tie rung mit einem Donator oder Akzeptor während des WacbstumsprozeeBes vorausgesetzt werden.
Die weitere Erläuterung erfolgt nun anhand der in den Zeichnungsfiguren veranschaulichten Verfahrensstadien.
Fig. 1A zeigt z.B. eine η-leitenden Kristall 11 aus Indium—Aluminium—Phosphid, hergestellt entsprechend der vorangehend erläuterten Verfahrensweise; mit Tellur, Selen, Zinn od.dgl. als Aktivator*. Dieser Kristall wird zunächst von allen anhaftenden Lpuren unerwünschter Fremdstoffe befreit, und zwar zweckmassig durch Ätzen in Brom-Methanol für eine Zeitdauer von 10 bis 15 Sekunden zur Vorbereitung für die Bildung einer p-leitenden Obefflächen-Diffuslonsschlcht. Der Kristall wird sodann in ein mit einer Zinncharge beschicktes Qu&tzxohx eingesetzt und das Rohr ausgebrannt, evakuiert und unter Vakuum abgedichtet, ^odann wird das Rohr auf eineTenperatur in der Grössenordnung von 7500C gebracht, und zwar für eine Zeltdauer zwischen 0,5 und 1 Stunden. Fig. 1B zeigt den erhaltenen Kristall mit einer p-leitenden, aus Zinn bestehenden Diffusions-Bchioht 12. Sodann werden durch Photomaskierung und chemisches Ätsen die Fig. 1C dargestellten Platabgebildet. Sodann wird der Kristall erneut In einer Chroa-Methanollösung geätst, um Oberfläohenfehler su beseitigen· Es
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ergibt iioh Hierdurch die la Flg. 1D angedeutet! Struktur ait pn-Sperrechlebten 14· Sohllessllcb werden die In Yig. 1£ angedeuteten ohmechen Eontakte 15 und 16 an den ρ- und η-Zonen angebracht.
Untersuchungen haben ergeben» daß bei einer Wacbstua·*- temperatur τοη 800 bis 8250O eine Besiehung der angenäherten Form Eg « 1.33 + 8Oy zwischen dem ternären Bandabetand und dem in der Schmelze Tofhandenen Aluminiumanteil besteht, wobei 7 das Atoaverbältais τοη Aluminium su Indium In der Schmelze ist. Biese Beziehung zeigt, daß das AtomrerhältnlB von Aluminium zu Indium in der Schmelze bei einer Vachaturnstemperatiir roü 8000O im Hinblick auf ein maximales Anwachsen von Material
—2 mit unmittelbarem Bandubergang etwa 1,4 x IS betragen sollte, woruus sich die Mengen von Medium und Aluminium bei der Zubereitung der l-lutterlc, ^ .fe e^grbec. Fl?? Wrohßtemperaturen über 8000O bis zu 95t°C läcst ßißh Sas Atomrerhältnis von Aluminium zu Indium in far schmelze aus dem ternären Hiasendiagramm oder aus thery.Dd^ajKiüo&aB Berechnungen unter Zugrundelegung dee erwähnten Wertes für 8000C ermitteln.
Anschliessend werden noch die speziellen Daten elces Ausfuhrungsbeispiels zur Herstellung eines Indium-Aluninium· Pfeoephidkristalleβ und einer entsprechenden £lektroluminessens-uperrscächtea-Halbleltervorrichtung angegeben«
Mengen von 1,7 g Indium, 5 mg Aluminium und 1 mg Tellur wurden in die Aufnahme eines aus Bornitrid bestehenden Wannentiegels eingesetzt, wobei in dieser Aufnahme eine
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aus Indiumphosphid bestehende Scheibe mit einem Gewicht von 1 g angeordnet war . Nach Einsetzen des Tiegels in ein Qua rzrohr wurde das System mit Wasserstoffgas ausgespült. Aneohliessend wurde das Kratzrohr in einen Ofen eingesetzt und für eine Zeitdauer von 30 Minuten mit flachem Temperaturverlauf auf 8000G erhitzt, wobei sich Sättigung der Mutterlöeung ergab. Die Hutterlösung wurde sodann um 150C angekühlt. Anschlieeseniwurde ein Substrat mit seiner 111-Kristallfläche auf die Lösung gesetzt. Es schloß sich eine geregelte Abkühlung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 1,20C pro Hinute bis auf eine Temperatur von 1000C an. Anschlleseend wurde der Tiegel entnommen und kühlte sich auf Raumtemperatur ab. Der erhaltene, η-leitende Indium-iluminium-Fhosphidkristall wurde sodann mechanisch vom Substrat abgetrennt und in einer Brom-Methanollösung für 15 Sekunden geätzt sowie in ein mit 1 g Zink beschicktes Gwar^rohr eingesetzt. Diese Rohr wurde sodann ausgebrannt, evakuiert und unter Vakuum abgedichtet sowie anschliessend In einem Ofen auf 7500U erhitzt, sowie für 1/2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach Entfernen des Kristalls wurden Plateaus mit einem Durchmesser von 0,25 nn mit Hilfe üblicher Photomaskierung und chemischer ätzung auf der Krietalloberfluche gebildet. Der Kristall wurde sodann in Brom-Ilethanol für 49 Sekunden geätzt, um Oberflächenschäden zu entfernen. Anechliessend wurden metallische Punktkontakte an den p- und n-leitenden Zonen angebracht.
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Zu Prüfzwecken wurde die so hergestellte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung der Sperrschicht an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Bei Raumtemperatur und einer angelten Spannung von 1f8 bis 2,7 Volt ergab eich eine Lichtemission iaitieiner zu 2,0 Elektronenvolt bzw. einer Wellenlänge von 5 200 S symmetrischen bpektralverteilung.
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Claims (3)

.51 ^82-br Ansprüche
1.) Indium-Aluminium-PhoBpoidvQrbindung, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung gemäee der oummenformel (ΐη/1-χ\Αΐχ) P mit einem Wert χ von o,2 bis o,5·
2.) pn-Sperrschlcht-Halbleltervorrichtung, gekennzeichnet durch einen eine Indium-Aluminium-Phosphidverbiudnng gemäss Anspruch 1 enthaltenden Halbleiterkörper.
3.) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ι daß eine η-leitende Galliuoarsenidzone und eine p-leitende Indium-Alumlnium-Phosphldzone vorgesehen 1st.
4·) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3f dadurch gekennzeichnet! daß die QItterkonstanten der prleItenden und der n-leItenden Zone im wesentlichen miteinander übereinstimmen.
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DE19702001870 1969-01-16 1970-01-16 Indium-Aluminium-Phosphidverbindung und Halbleitervorrichtung mit einem eine solche Verbindung enthaltenden Halbleiterkoerper Pending DE2001870A1 (de)

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