DE2031021A1 - Kontakt fur elektrolumineszente Einrichtung - Google Patents
Kontakt fur elektrolumineszente EinrichtungInfo
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Description
Western Electric Company Inc.
195 Broadway-New York, Y. Y. 10007 / USA A 31 746
195 Broadway-New York, Y. Y. 10007 / USA A 31 746
23. Juni 1970
Kontakt für elektrolumineszente^Einrichtung
Die Erfindung betrifft elektrolumineszente Galliumphasphideinrichtungen.
Hohen Wirkungsgrad aufweisende, im roten Bereich arbeitende GaP EL-Dioden werden häufig bei in Lösung gewachsenem p-leitenden
Material erhalten, auf welchem eine η-leitende Schicht in flüssiger Phase epitaxial niedergeschlagen wird. Der Kontakt über der
η-leitenden Schicht wirkt als Ohm'scher Kontakt und trägt zur
Wärmeverteilung auf das Kopfstück bei. Die Wärmeverteilung ist
wichtig für einen hohen Quantenwirkungsgrad, da der Wirkungs- j
grad um etwa 1 $ des Raumtemperaturwertes bei einer Steigerung von |
10C abnimmt. Die Bildung 0hm'scher Kontakte mit günstigen thermischen
Kennwerten ist wichtig für die meisten Halbleitereinrichtungen. Eine zusätzliche Betrachtung für Licht emittierende
Dioden besteht in der optischen Qualität des Kontaktes. Der reine Quantenwirkungsgrad kann durch Kontaktabsorption stark-reduziert
werden.
Erfindungsgemäß umfaßt eine elektrolumineszente Einrichtung ©in©
elektrolumineszente Halbleiterdiode sowie elektrische Kontakte an entgegengesetzten Flächen der Diode, wobei zumindest einer
der Kontakte eine Metallschicht umfaßt, die annähernd 25 fi oder
weniger des ilächeninhaltes der Fläche berührt und eine SiOg-Schicht
den restlichen Teil der fläche überdeckt, wobei sich die
Metallschicht über zumindest einen Teil der SiOg-Schioht erstreckt.
009886/1431 !
Die neue Kontaktausbildung nach der Erfindung'bewirkt einen aini
' malen Kontaktbereich, wobei auf diese Weise die hohe Absorption
in Verbindung mit der Ohm'sehen Halbleiterkontakt-Zwisehenfläehe
reduziert wird«, Die Zwischenfläche zwischen dei SiOg-ßchieht"so-•
wie der Kontaktschicht ist stark reflektierend 9 um einen hohen
optischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten» Ein einen großen Flächeninhalt aufweisender thermischer leiter bildet einen Teil
der Ausbildung,, um eine günstige Wärmeabführung zu sichern,,
Schließlich ist der Kontakt eben und somit anwendbar auf Sie
.derzeitigen Verarbeitungeverfahren.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher er*·
läutert." Es zeigen: ·
!•ig. 1 die optische Ausgangsgröße (in #) einer GaP-Dioäe al®
Punktion des Ohm'schen Kontaktbereiches (in $),
2A - 21 eine Verarbeitungsfolge zur Herstellung αβτ Kontakt*
struktur gemäS fig» 2F9
Die Lichtkopplung von SaP EL=Diodsn wird durch den hohen Itee«
ehungsin&ex sowie die Transparenz des Materials beeinflußt„
Infolge äea hohen Brechungsindex wird, lediglich auf eine Ober=·
fläch® Innerhalb eines Konus aufti?effenöee Lieht von GaP in Si©
Luft übertragen, während der Rest einer inaesen Totair©flosionunterworfen
ist«, Unter- Vernachlässigung ä©£
tritt lediglich 10 $ des erzeugten Lichten bei lauf aus. Die restlichen 90 % treffen rund
(für rotes Lieht) transparenten feP-Kristails auf
entweder absorbiert oder treten mach Streuung aus-0 Ein©
tion findet entweder in dem Halbleiterblook q&®t an
d©n flächen statt. Der Absorptionslsoeffisient von ΘβΡ "fc&xsa. «ate?
Verwendung der bekannten Übertraglingsformel ©smittelt-wsröens
009886/U31
Hierbei bedeuten T- übertragenes Licht
Ii = Probendicke
η = 3.315 für GaP (beiX= 0,69>t)
oC = Absorptionskoeffizient -
Über den sichtbaren Bereich des!Spektrums liegt der Absorptions-
—1 koeffizient üblicherweise in dem Bereich von 2 bis 10 cm .
Die Wirkung der Kontaktabsorption auf das optische Verhalten
einer GaP-Diode kann unter Verwendung des Diffusionsmodells erläutert
werden. Dieses Modell, welches auf einen optischen Hohlraum mit geringen inneren Verlusten angewendet wird, eetzt
eine gleichförmige diffuse Verteilung der Energie in dem Hohlraum voraus. Der optische Wirkungsgrad η ist durch einen Ausgleich
der Übertragung sowie der Wand- und Volumenabsorptionen nach folgender Gleichung bestimmt:
η = 0
4ocV (2)
Die Q^- und B^-Werte sind die diffusen Durchlassigkeits- und
Eefleacionswerte der Flächen mit dem Bereich a^. oC ist der Absorptionskoeffizient
des Blockmaterials. In dem besonderen Pail von GaP hat eine ebene Pläche eine diffuse Durchlässigkeit
von 0,0631 bei λ= 0,69\u. Unter Verwendung dieses Wertes
wurden die Kurven nach Pig. 1 aufgenommen, um die Beziehung ■
zwischen der Kontaktüberdeckung und dem optischen Wirkungsgrad einer typischen Diode (0,375 mm auf 0,25 mm Dicke) zu zeigen.
Die Kontakte sind annahmegemäß undurchlässig und absorbieren total. Die letztere Bedingung wird beispielsweise durch einen
aus 98 fo Gold und 2 $>
Silizium bestehenden, bei 6OQ0C legierten
Kontakt angenähert ( X = 0,65
- 4 009886/ U31 ' .
Wie sich aus den drei Kurven nach Fig. 1 ergibt, wird der
optische Wirkungsgrad stark durch die Blockabsorption für eine Struktur der Einrichtung ohne absorbierende Kontakte beeinflußt.
In Fig. 1 stellt die Ordinate den optischen Wirkungsgrad in $ dar,
"während die Abszisse den prozentualen Kontaktanteil der Schicht 25 wiedergibt. Wenn die Oberflächenabsorption steigt,
wird die Einwirkung der Blockabsorption schrittweise vermindert. Die übliche Diodenstruktur mit der Kontaktüberdeckung einer
größeren Fläche entspricht einer Kontaktüberdeckung von etwa 25 $ der Diodenfläche. Durch Ersatz des Kontaktes an der
η-Seite mittels eines kleinen Kontaktbereiches kann die Oberfläehenüberdeckung
beträchtlich reduziert werden. Aus den Kurven nach Fig. 1 könnte man voraussagen, daß durch Übergang von
einem kleinen Kontakt, beispielsweise 5 $? auf eine voll metallisierte
Oberfläche von 25 i° der optische Wirkungsgrad von 48 auf 62 $ für die Koeffizienten der GaP-Absorption angenähert in
einem oC -Bereich von 2,5 - 10 cm reduziert wird. Erwartungsgemäß
ist der Abfall des optischen Wirkungsgrades für geringere Werte von dC größer. Dies steht in sehr guter Übereinstimmung
mit experimenteilen.Werten, die an beiden Strukturen erhalten
wurden.
Die freie Trägerkonzentration sowohl in dem p- als auch in dem
17 η-leitenden Material liegt in dem Bereich von 5 X 10 iaia
4 X 10 mit einem allgemeinsten Wert von 8 X 10 . Der Widerstandsbereich
verläuft von 0,07 ^is 0,1 0hm cm für n-leitendes
Material und 0,03 bis 0,12 0hm cm für ρ leitendes Material, Um einen 0hm1sehen Kontakt für jeden Typ des GaP zu finden, muß
das Material dotiert werden, um eine entartete Oberflächenschicht zu erzeugen. Mögliche Dotierungsstoffe für p-leitende
Kontakte sind Zn, Cd, Be, Mg, Ge. Die η-leitenden Dotierungsmittel umfassen S, Se, Te, Si, Sn.
Zusätzlich zu der Dotierung des Halbleitermaterials muß eine An zahl praktischer Bedingungen erfüllt sein. Die Leichtigkeit des
Niederschlages, die Beständigkeit gegenüber Umgebungsparametern
- 5 009886/U31
die Wärmeleitfähigkeit, die zweckmäßige Legierungstemperatür
sowie die Anpassungsfähigkeit auf eine Wärmedruckverbindung müssen
ebenfalls in Betracht gezogen werden. Keiner der elementaren,
vorangehend aufgeführten Dotierungsstoffe für GaP ist zur praktischen
Anwendung geeignet. Jedoch werden die meisten Überlegungen durch gewisse Legierungen dieser Stoffe mit Gold erfüllt. "
Obgleich vorliegend besonders Silizium/Gold-Legierungen für nleitendes
Material sowie Zink-Gold-Legierungen für p-leitendes
Material in Betracht gezogen sind, versteht es sich, daß auch andere Goldlegierungen günstig sind.
TJm die gewünschten elektrischen und thermischen Eigenschaften ohne nachteilige Beeinflussung der optischen Eigenschaften zu
erhalten, wurde ein zusammengesetzter Kontakt entwickelt. Dieser umfaßt eine Schicht aus SiO2 mit einem geätzten Loch, durch welches
der elektrische Kontakt hergestellt wird. Es wurde gezeigt, daß Wärmebehandlungen bis zu 70O0C das Reflexionsvermögen der
Gold-.Legierungsfilme auf Quarz nicht wesentlich vermindern. Das
Metall kann den gesamten Bereich der Diode überdecken, wobei eine leichte Verbindung sowie ein gut wärmeleitender Kontakt ermöglicht
werden. Die gesamte Metallbeschichtung, welche bei Übe^
deckung mit SiO2 hoch reflektierend ist, besitzt einen hohen
optischen Wirkungsgrad sowie eine optische Isolation gegenüber dem Unterlagematerial. Die Verwendung von 2000 Ä des SiO« ist
wärmemäßig äquivalent der Bewegung der Grenzfläche um TO Mikron weiter von der Wärmeableitung weg. Diese Entfernungen sind durch
die relativen Wärmeleitfähigkeiten von SiO2 sowie GaP in Beziehung gesetzt. Diese Ausbildung ermöglicht die Verminderung
des optischen Verlustes sowie der TJngleichförmigkeit des elektrischen
Stromes ohne wesentliche Steigerung der Wärmeimpedanz der Strukturen.
: V2O
Gemäß Pig, j2A umfaßt eine GaP-Einri0htung}einen P-Bereich 2) und
•inen n~Bereich 22, welcher eine pn«-Grenzflache bildet, die an
einer Seite des n-Bere.iches 22 durch eine Schicht aus SiOg 23 von
'.,■ -6 ' ' 009888/1431
annähernd 0,2 Mikron Dicke gebildet wird. Die SiQp-Schicht kann
aus der thermischen Zerlegung von Äthylorthosilikat bei 65O0C
aus der Verdampfung von Quarz mit einer Elektronenkanone oder nach einem anderen geeigneten Verfahren erhalten werden«, I1Ig.
zeigt Löcher 24 für die Ohm1sehen Kontakte. Diese können mit gepuffertem
HF unter Verwendung üblicher Photo-Ätzgrundverfahren geätzt werden. Gemäß Fig. 2C wird eine Schicht 25 aus Gold mit
2 <$> Si über der SiO2-Schicht verdampft und bei 6000C über 5
Minuten legtrt. Die Wafer werden alsdann mechanisch angerissen
(Nuten 26 in Fig. 2D) und gemäß Fig. 2E getrennt. Die Trennung kann beispielsweise durch Sägen oder Spaltung erzielt werden.
Die Trennung wird in vorteilhafter Weise durch einen Ätzschritt unter Verwendung von Chlor in Methanol vor der Trennung unterstützt.
'Dies hat die·. Wirkung einer Abrundung der Oberkanten der Diode, um eine teilweise halbkugelige Form zu erzeugen. Diese
Form an der li-chtemittierenden Fläche ist günstig zur Steigerung
des optischen Wirkungsgrades.
Die Schicht 25 aua Gold kann Silizium in einem Bereich von 1 4 f° einschließen.
Die vervollständigte Struktur ergibt sich aus Fig« 2F. Die nie-'
dergeschlagene Metallkontaktschicht 25 ist ersichtlich mit einem
Schaltungsteil 26 einer gedruckten Schaltungsplatte 27 verbunden. Das Legieren eines Au-Zn-Drahtes 28 ergibt einen Kontakt
mit der p-Seite« i
Zum Vergleich dieser Kontaktausbildung mit bekannten Kontakten ;
ist der relative äußere Quantenwirkungsgrad der drei möglichen Diodenstrukturen gemäß der folgenden Tabelle veranschaulichts
Diodenstruktur
(GaP Wafer-Abmessungen
0,375 X 0,375 X 0,250 mm Relativer Quantenwir-
Zweidrahtkontakte 1.0 .
(z.B. 28 von Fig. 2F) « 7 -
009886/1431
Rückseite voll metallisiert 0,45 - 0,55
SiOp über 90 $ der Rückseite des Wafers niedergeschlagen
(Fig. 2P) 1,0-1,1 '
In einigen Fällen kann der verbundene Draht 28 ungeeignet oder ungüstig sein. Es dürfte indessen klar sein, daß beide Kontakte
nach dem oben erläuterten Planarverfahren hergestellt werden können. In diesem Fall wäre es von Vorteil, lediglich einen
dünnen Kontaktstreifen an der oberen oder lichtemittierenden
Oberfläche aufzumetallisieren.
Der ideale Kontakt für eine elektrolumineszente GaP-Diode ist
demgemäß ein Kontakt von geringem Widerstand, hohem Reflexionsvermögen
und guter Wärmeleitfähigkeit. Zusätzliche praktische
Erfordernisse sind ein leicht durchführbarer Niederschlag, Beständigkeit gegen Korrosion und Leichtigkeit der Verbindung mit
metallisierten Schaltungsplatten. G-old mit 2 $ Silizium erfüllt
erfindungsgemäß die obigen Erfordernisse mit der Ausnahme
eines hohen Reflexionsvermb'gens. Eine demgegenüber verbesserte
Auslegung ergibt sich durch Trennung des meisten Kontaktmetall?
von dem Halbleiterbereich mit einer SiOp-Schicht. Diese Ausbildung
ergibt erfindungsgemäß einenhohen äußeren Quantenwirkungsgrad mit guten Eigenschaften in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit,
elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kontaktqualität.
9886/1431
Claims (6)
- A1Ji s g r^ü c h_e__r/Γ 1 jElek-fcrolumineszente Einrichtung mit einer planaren elektro- . lumineszenten Halbleiterdiode sowie elektrischen Kontakten
an gegenüberliegenden Flächen der Diode, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Kontakte eine Metallschicht umfaßt, die gegen annähernd 25 $ oder weniger des Oberflächenbereiohes einer Fläche anliegt, und daß eine SiOg-Schicht
den restlichen Teil der Fläche überdeckt, wobei die Metallschicht über zumindest einen Teil der SiOp-Schicht verläuft. - 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode aus Galliumphosphidmaterial besteht.
- 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht mit einem leitenden Teil der Schaltungsplatte verbunden ist.
- 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche an einem η-leitenden Bereich liegt und die Metallschicht Gold mit etwa 1 - 4 f<> Silizium umfaßt.
- 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt an dem p-leitenden Bereich eine Zink/Gold-Legierung' umfaßt.
- 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht über im wesentlichen die gesamte SiOo-Sehicht verläuft.009886/U31Leerseite
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1970
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