DE2231926A1 - METHOD FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR MATERIAL AND FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR DEVICES - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR MATERIAL AND FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR DEVICES

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DE2231926A1
DE2231926A1 DE2231926A DE2231926A DE2231926A1 DE 2231926 A1 DE2231926 A1 DE 2231926A1 DE 2231926 A DE2231926 A DE 2231926A DE 2231926 A DE2231926 A DE 2231926A DE 2231926 A1 DE2231926 A1 DE 2231926A1
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isoelectronic
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Warren Olley Groves
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Monsanto Co
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Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPFDR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHERSTR. 45PATENTANWÄLTE 8 MUNICH 8O. MAUERKIRCHERSTR. 45

Df. Berg Dipl.-Inp. Stapf, 8 München 80, MauerkircherstraBe 45 · Df. Berg Dipl.-Inp. Stapf, 8 Munich 80, MauerkircherstraBe 45 Ihr ZeichenYour sign Ihr Schreiben Unser Zeichen 22 576 Datum 90 Jljnj 107?Your letter Our reference 22 576 Date 90 Jljnj 107? Anwaltsakte 22 576Attorney file 22 576

Monsanto Company St.Louis, Missouri/USAMonsanto Company St. Louis, Missouri / USA

Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial und zur Herstellung von HalbleitereinrichtungenProcess for the production of semiconductor material and for the manufacture of semiconductor devices

Die Erfindung betrifft die Herstellung und Aufbereitung von Halbleitermaterial und die Herstellung von Halbleitereinrichtungen. Vorzugsweise betrifft die Erfindung das Gebiet" von Elektrolumineszenzmaterial und elektrolumineszenten Einrichtungen.The invention relates to the manufacture and processing of semiconductor material and the manufacture of semiconductor devices. Preferably the invention relates to the field of "electroluminescent material and electroluminescent Facilities.

C-I9-2I-OI9O-A S - VII/My -Z- C-I9-2I-OI9O-A S - VII / My -Z-

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(MlI) 4i 82 72 (98 82 72) 48 70 43 <98 70 43) 48 3310 (98 3310) Telegramm·! BERGSTAPFPATENT Manchen TELEX 05 24 5« BERG d Bank ι Bayeriiche Vereinsbank MOnchen 453100 Pottscheck: München 653(MlI) 4i 82 72 (98 82 72) 48 70 43 <98 70 43) 48 3310 (98 3310) telegram! BERGSTAPF PATENT Manchen TELEX 05 24 5 «BERG d Bank ι Bayeriiche Vereinsbank Munich 453100 Pottscheck: Munich 653

Es ist bereits bekannt, daß durch die Dotierung von Galliumphosphid (GaP) mit Stickstoff oder Einbringung von Stickstoff in dasselbe isoelektrische Fehlstellen, Fangstellen oder Haftstellen oder Rekombinationszentren erzeugt werden. Diese Fehlstellen wirken als Strahlungsrekombinationszentren zur Verstärkung der Emission von grünem Licht, wenn aus dem Material Bauelemente mit einer Sperrschicht hergestellt werden. Die bekannten Verfahren, die speziell eine Dotierung von GaP mit Stickstoff beinhalten, wobei GaP entweder als Substrat oder als epitaktische Schicht als als beides vorliegt, beschränken sich offenbar auf Verfahren des Wachsens aus einer Schmelze oder auf Epitaxieverfahren aus einer flüssigen Phase. Typisch für die bekannten Verfahren ist z.B. das im US-Patent Nr. 3 462 320 erläutere Verfahren. Hierbei werden elektrolumineszierende GaP-Bauelemente hergestellt, indem einer Schmelze von elementarem Gallium (Ga) Galliumnitrid (GaN) und polykristallines GaP, das eine Dotierung für eine bestimmte Leitungsart aufweist, beigegeben werden. Dann wird die Schmelze in einer dichtverschlossenen Quarzampulle auf 12000C erhitzt. Es folgt eine Abkühlung auf 8000C während einer Zeitspanne von ungefähr 10 Stunden. Der bei diesem Verfahren erzeugte, unregelmäßig geformte Einkristall des mit Stickstoff dotierten GaP wird durch Waschen mit konzentrierter HCl aus dem Gallium herausgelöst. Dann wird er auf Form undIt is already known that by doping gallium phosphide (GaP) with nitrogen or introducing nitrogen into it, isoelectric defects, traps or traps or recombination centers are generated. These flaws act as radiation recombination centers to amplify the emission of green light when components with a barrier layer are made from the material. The known methods, which include specifically a doping of GaP with nitrogen, either as a GaP substrate, or as an epitaxial layer is present as both limited obviously to methods of growth from a melt or from a liquid phase epitaxy method. Typical of the known methods is, for example, the explain in US Pat. No. 3,462,320 method. Electroluminescent GaP components are produced by adding gallium nitride (GaN) and polycrystalline GaP, which has a doping for a certain type of conduction, to a melt of elementary gallium (Ga). Then, the melt is heated in a sealed quartz ampoule to 1200 0 C. This is followed by cooling to 800 ° C. over a period of approximately 10 hours. The irregularly shaped single crystal of the nitrogen-doped GaP produced in this process is extracted from the gallium by washing with concentrated HCl. Then he gets on form and

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Größe geschnitten und poliert. Das so erhaltene Material dient als Substrat, auf das man eine Epitaxieschicht von GaP mit einem unterschiedlichen Leitungstyp mittels eines Flüssigphasenverfahrens, bekannt als "Auftragverfahren" oder "Tipping-Verfahren" aufwachsen läßt. An den p- und η-Zonen werden Zuleitungen angebracht. Man erhält so ein Bauteil mit einem pn-übergang und zwei Anschlüssen.Size cut and polished. The material obtained in this way serves as a substrate on which an epitaxial layer of GaP with a different conductivity type using a liquid phase process known as "deposition process" or "tipping process". Leads are attached to the p and η zones. You get such a component with a pn junction and two connections.

Bei anderen bekannten Verfahren läßt man auf ein GaP-Substrat eine Epitaxieschicht aus stickstoffdotiertem GaP mittels eines Verfahrens mit flüssiger Phase, z.B. dem "Auftragverfahren" oder dem "Tipping-Verfahren", aufwachsen, wobei das Substrat einen zur Epitaxieschicht entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. Das GaP-Substrat kann dann zusätzlich mit Stickstoff dotiert werden oder nicht.In other known methods, one leaves on a GaP substrate an epitaxial layer of nitrogen doped GaP by means of a liquid phase process, e.g. the "application process" or the "tipping process", grow up, wherein the substrate has a conductivity type opposite to that of the epitaxial layer. The GaP substrate can then additionally be doped with nitrogen or not.

Es sind auch Herstellverfahren für das GaP-Elektrolumineszenzdioden bekannt, bei denen mit einer Dampfphase gearbeitet wird. Es sind jedoch keine Veröffent- : lichungen bekannt, in denen speziell die Dotierung von GaP mit Stickstoff mittels eines Dampfphasen-Verfahrens zur Herstellung von «lektrolumineszierendem Material für Elektrolumineszenzdioden beschrieben ist. Bei einem bekannten Verfahren wird schwefeldotiertes GaP epitaktischThere are also manufacturing processes for the GaP electroluminescent diodes known, in which a vapor phase is used. However, there are no publishing: Lutions known in which specifically the doping of GaP with nitrogen by means of a vapor phase process for the production of “electroluminescent material for electroluminescent diodes is described. With a well-known Process becomes sulfur-doped GaP epitaxial

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aus der Dampfphase auf einem Galliumarsenidsubstrat (GaAs) mittels eines Phosphortrichlorid(PCl,)-Übertragungsverfahrens abgeschieden. Hierbei wird gereinigter Wasserstoff, dem das PCI, beigegeben ist, mit einem Strom von Wasserstoff, dem die Schwefelverunreihigung beigegeben ist, vermischt. Das Gasgemisch wird dann in ein Quarzrohr als Reaktionsgefäß eingeleitet und reagiert mit dem Gallium bei 9300C. Das hierbei gebildete GaP wird epitaktisch auf dem GaAs abgeschieden. Hierauf wird ein p-Dotierungsstoff,, z.B. Zink oder Beryllium, in die η-dotierte Schicht des GaP eindiffundiert, um einen pnübergang herzustellen. Das Emissionsspektrum der mit diesem erläuterten epitaktischen GaP/GaAs-Aufbau hergestellten Dioden zeigt unter anderem, daß isolierte Stickstoffatome als unbeabsichtigt hinzugefügte Verunreinigungen vorhanden sind. Es wird weder erläutert, was als Quelle für den Stickstoff in Frage kommt, noch wo der Stickstoff innerhalb des Materials vorkommt, d.h. ob in der p- oder in der η-Zone des GaP. Dieses Verfahren ist im einzelnen von E.G.Dierschke et al im "Journal of Applied Physics", Vol.41, No. 1, Seiten 321 bis 328, Januar 1970, beschrieben.deposited from the vapor phase on a gallium arsenide (GaAs) substrate using a phosphorus trichloride (PCl,) transfer process. Here, purified hydrogen, to which the PCI is added, is mixed with a stream of hydrogen to which the sulfur impurity is added. The gas mixture is then introduced into a quartz tube as a reaction vessel and reacts with the gallium at 930 ° C. The GaP thus formed is deposited epitaxially on the GaAs. A p-dopant, for example zinc or beryllium, is then diffused into the η-doped layer of the GaP in order to produce a pn junction. The emission spectrum of the diodes produced with the epitaxial GaP / GaAs structure explained shows, among other things, that isolated nitrogen atoms are present as unintentionally added impurities. It is neither explained what the source of nitrogen is, nor where the nitrogen occurs within the material, ie whether in the p or in the η zone of the GaP. This method is described in detail by EG Dierschke et al in "Journal of Applied Physics", Vol.41, No. 1, pages 321 to 328, January 1970.

Aus dem Stand der Technik, betreffend den Einschluß von isoelektronischen Verunreinigungen in Halbleitermaterialien, ist nichts über die Herstellung von Elektrolumines-From the prior art regarding the inclusion of isoelectronic impurities in semiconductor materials, is nothing about making electroluminescent

' 209883/1179 " 5 "'209883/1179 " 5 "

zenzeinrichtungen aus Legierungen (Kristallgemischen oder festen Lösungen) von binären III-V-Verbindungen, wie z.B. Galliumarsenidphosphid GaAs.,_χΡχ, wobei χ zwischen ^^0,2 und 1 liegt, und die auf irgendeine Weise hergestellt sind, bekannt.'Centers made of alloys (crystal mixtures or solid solutions) of binary III-V compounds, such as gallium arsenide phosphide GaAs., _ χ Ρ χ , where χ is between ^^ 0.2 and 1, and which are produced in some way, known. '

Bei der erwähnten Veröffentlichung von Dierschke et al wird auf die Verunreinigung der epitaktischen GaP-Schicht durch Arsenatome, die aus dem GaAs-Substrat stammen, hingewiesen. Es ergibt sich hierbei eine Verbindung von GaAs P,. „, bei der die Molbruchteile von Arsen in der kennzeichnensten Kurve für unter normalen Bedingungen gewachsene Kristalle beim GaP/GaAs-Übergang einen Wert von 0,06 aufweisen. Dieser Wert sinkt in einem Abstand von einem Millimeter von der Übergangszone auf einen Wert von weniger als 0,02 ab. Wie bereits erwähnt, ist das Arsen unbeabsichtigt aus dem GaAs-Substrat in das epitaktische GaP eingedrungen. Die Anwesenheit von Arsen in der GaP-Schicht war den Verfassern unbekannt, bis eine Analyse des Emissionsspektrums und eine Bestätigung durch Messungen mit einer Elektronensonde vorlagen. Die Veröffentlichung von Dierschke et al enthält auch keine Angaben darüber, wo die isolierten Stickstoffatome, die im Emissionsspektrum nachgewiesen sind, vorkommen, ob im n- oder im p-dotierten GaP. In jedem Fall ist jedoch der Stickstoff wie auch das Arsen unbeabsichtigt beigegeben. In the aforementioned publication by Dierschke et al, reference is made to the contamination of the epitaxial GaP layer by arsenic atoms which originate from the GaAs substrate. This results in a connection of GaAs P i. “, In which the molar fractions of arsenic in the most characteristic curve for crystals grown under normal conditions at the GaP / GaAs transition have a value of 0.06. This value drops to a value of less than 0.02 at a distance of one millimeter from the transition zone. As mentioned earlier, the arsenic inadvertently penetrated the epitaxial GaP from the GaAs substrate. The presence of arsenic in the GaP layer was unknown to the authors until an analysis of the emission spectrum and confirmation by measurements with an electron probe were available. The publication by Dierschke et al also does not contain any information about where the isolated nitrogen atoms that are detected in the emission spectrum occur, whether in n- or p-doped GaP. In any case, however, the nitrogen as well as the arsenic are inadvertently added.

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Bei einem von P.J. Dean et al in "Applied Physics Letters", Vol. 14, No. 7, Seiten 210 Ms 212, I.April 1969, veröffentlichten Verfahren läßt man phosphorangereichertes GaAs P-1 (wobei χ ^n, 0,2 ist), das mit Stickstoff dotiert ist, aus der Dampfphase aufwachsen. Hierbei wird Phosphin (PHU) und Arsin (AsH,) in einem Strom von feuchtem Wasserstoff eingeleitet. Das Gemisch wird hierauf einem offenen Rohr als Reaktionsgefäß, das auf 1040°C aufgeheizt ist, zugeführt. Im Rohr reagiert das Wasser mit gesintertem Bornitrid (BN), wodurch über der Wachstumszone des Kristalls NH, gebildet wird. Der Stickstoff des NH, dient zur Dotierung des GaAs P. . DieIn one of PJ Dean et al in "Applied Physics Letters", vol. 14, no. 7, pages 210 Ms 212, April 1, 1969, one lets phosphorus-enriched GaAs P -1 (where χ ^ n is 0.2), which is doped with nitrogen, grow from the vapor phase. Here phosphine (PHU) and arsine (AsH,) are introduced in a stream of moist hydrogen. The mixture is then fed to an open tube as a reaction vessel which is heated to 1040 ° C. In the pipe, the water reacts with sintered boron nitride (BN), which forms NH, above the growth zone of the crystal. The nitrogen of the NH is used to dop the GaAs P.. the

J X I —X J XI -X

Dotierung erfolgt scheinbar gleichmäßig über den wachsenden Kristall. Die Veröffentlichung von Dean et al, wie oben, fci~ieht sich jedoch in erster Linie auf eine Erläuterung der Lokalisationsenergie Der Anregungen an den isoelektronischen Stickstoffplätzen im phosphorangereicherten GaAs P1 , wie sich aus Versuchsergebnissen aus dem optischen Absorptionsspektrum für X /^0,2 ergibt. In der Veröffentlichung von Dean et al findet sich kein Hinweis auf die Herstellung von Elektrolumineszenzbauteilen aus Galliumarsenidphosphid mit einem pn-übergang oder auf eine Kennlinie derartiger Bauelemente.Doping occurs apparently evenly over the growing crystal. However, the publication by Dean et al, as above, primarily refers to an explanation of the localization energy of the excitations at the isoelectronic nitrogen sites in the phosphorus-enriched GaAs P 1 , as can be seen from experimental results from the optical absorption spectrum for X / ^ 0.2 results. In the publication by Dean et al there is no reference to the production of electroluminescent components from gallium arsenide phosphide with a pn junction or to a characteristic curve of such components.

Bei den bekannten Verfahren, wie sie oben erwähnt sind, ist die isoelektronische Verunreinigung - Stickstoff -In the known processes, as mentioned above, the isoelectronic impurity - nitrogen -

209883/1179 " ? "209883/1179 " ? "

normalerweise gleichmäßig in der Epitaxieschicht und/ oder in dem darunter "befindlichen Substrat verteilt. Da die an den isoelektronischen Stickstoff-Gitterplätzen hervorgerufene Elektrolumineszenz in der Nähe der Raumladungszone des pn-Übergangs entsteht, absorbieren die in den übrigen Teilen des Materials vorhandenen Stickstoffatome einen Teil der ausgesandten Strahlung. Um ein gewünschtes Stickstoffprofil zu erhalten, wurde vorgeschlagen, daß ein "Zweifach-Auftragverfahren" oder "Zweifach-Tipping-Verfahren" einer epitaktischen Abscheidung aus der flüssigen Phase verwendet wird. Bei einem derartigen Verfahren wird während des ersten Absehe idungsVorgangs beim Aufwachsen der Epitaxieschicht mit einer bestimmten Leitungsart der Kühlzyklus beim epitatischen Wachstum unterbrochen, nachdem eine Schicht mit einer bestimmten Stickstoffkonzentration gewachsen ist. Dann wird der Stickstoffanteil durch das Einstellen der ΝΗ-,-Konzentration erhöht, um die GaN-Konzentration in der Ga-Schmelze zu erhöhen. Bei Wiedereinsetzen des Kühlzyklus weist die nun wachsende Schicht die gewünschte höhere Stickstoffkonzentration auf. Dann läßt man eine Schicht mit entgegengesetzter Leitungsart bei einem zweiten Auftrag- oder Tippingvorgang aus einer Schmelze, die nun die gewünschte GaN-Konzentration aufweist, wachsen. Nach einer bestimmten Wachstumszeit unterbricht man den Kühlzyklus, und das GaN wird von der Ga-Wachs-normally evenly distributed in the epitaxial layer and / or in the substrate underneath. Da those at the isoelectronic nitrogen lattice sites induced electroluminescence in the vicinity of the space charge zone of the pn-junction, absorb the nitrogen atoms present in the remaining parts of the material part of the emitted radiation. Around To obtain a desired nitrogen profile, it has been suggested that a "double application process" or "Double-tipping" an epitaxial deposition from the liquid phase is used. at Such a method is used during the first separation process when growing the epitaxial layer with a certain type of conduction, the cooling cycle in epitic growth is interrupted after a layer has grown with a certain concentration of nitrogen. Then the nitrogen content is adjusted by adjusting the ΝΗ -, - concentration increases to the GaN concentration increase in the Ga melt. When the cooling cycle starts again, the layer that is now growing shows the desired one higher nitrogen concentration. Then one lets a layer with the opposite type of conduction in a second application or tipping process from a melt, which now has the desired GaN concentration grow. Interrupts after a certain growing period one the cooling cycle, and the GaN is from the Ga wax

- 8 2098B3 / 1179 - 8 2098B3 / 1179

tumsschmelze abgedampft. Bei Wiedereinsetzen des Kühlzyklus wächst die restliche Schicht mit einer niedrigen Stickstoffkonzentration auf.tumsschmelze evaporated. When the cooling cycle resumes, the remaining layer grows with a low one Nitrogen concentration.

Die Erfindung schafft ein Dampfphasen-Verfahren zur Herstellung von elektrolumineszierenden Materialien aus Stickstoff dotiertem GaAs1 -JE*.The invention provides a vapor phase process for the production of electroluminescent materials from nitrogen-doped GaAs 1 -JE *.

I ""λ ΛI "" λ Λ

Durch die Erfindung soll auch eine Einrichtung zur leichten Dotierung einer bestimmten Zone der Epitaxieschicht aus GaAs,, P mit Stickstoff geschaffen werden.The invention is also intended to provide a device for lightly doping a specific zone of the epitaxial layer from GaAs ,, P with nitrogen.

Mit der Erfindung wird auch eine neue Materialzusammensetzung geschaffen, die besonders für die Herstellung von Elektrolumineszenzbauteilen geeignet ist.With the invention there is also a new material composition created, which is particularly suitable for the production of electroluminescent components.

Die Erfindung erlaubt auch, verbesserte Elektrolumineszenzbauteile zu schaffen, die aus dem mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugten GaAs. P hergestellt sind.The invention also allows improved electroluminescent devices to create the from the GaAs produced by the method according to the invention. P are made.

Die Erfindung betrifft ein Dampfphasen-Verfahren zur Implantation von isoelektronischen Verunreinigungen nur in die Sperrschicht bzw. den Übergangsbereich von halbleitenden Materialien und die Herstellung von Halbleiterbauelementen oder -einrichtungen aus diesen Materialien. Bei bevorzugten Ausführungsformen dient die Er-The invention relates to a vapor phase method for Implantation of isoelectronic impurities only in the barrier layer or the transition area of semiconducting materials and the production of semiconductor components or devices made from these materials. In preferred embodiments, the

209883/1179 " 9"209883/1179 " 9 "

findung zur Implantation von Stickstoff in bestimmte Zonen von Material aus GaAs,, .J? , aus dem dann Elektrolumineszenzbauteile oder -einrichtungen hergestellt werden. finding for the implantation of nitrogen in certain zones of material made of GaAs ,, .J? , from which then electroluminescent components or devices are manufactured.

GaAs., P wird aufbereitet bzw» hergestellt, indem Halogen-Wasserstoff-Verbindungen in Wasserstoff mit Ga zur Reaktion gebracht werden, wobei das Reaktionsgemisch mit Wasserstoff, dem PH*, AsH^ und ein Dotierungsstoff einer bestimmten Leitungsart beigefügt sind, zusammengebracht wird. Hierbei entsteht GaAs1 VP„/ das aus der Dampfphase als epitaktische Schicht auf einem geeigneten Substrat abgeschieden wird.. Die Zusammensetzung der aufgewachsenen Schicht wird gesteuert, um einen allmählichen Übergang zu schaffen, indem ein gesteuertes Arsen-Phosphor-Verhältnis bei der Berührungsfläche mit dem Substrat vorliegt. Das Verhältnis verändert sich in der aufwachsenden Schicht, bis ein gewünschtes Arsen-Phosphor-Verhältnis erreicht ist. Ist ein bestimmtes Arsen-Phosphor- Verhältnis erreicht, wird in den Reaktionsmittel-Dampfstrom Stickstoff eingeleitet. Dadurch wird der Stickstoff in der wachsenden Epitaxieschicht nur in einer schmalen Zone implantiert, in der später der pn-Ubergang gebildet werden soll und auch die Strahlung hervorgerufen werden soll. Hierauf wird der pn-übergang erzeugt, indem entweder in den Strom der dampfförmigenGaAs., P is prepared or produced by reacting halogen-hydrogen compounds in hydrogen with Ga, the reaction mixture being brought together with hydrogen to which PH *, AsH ^ and a dopant of a certain type of conductivity are added. This creates GaAs 1 V P "/ which is deposited from the vapor phase as an epitaxial layer on a suitable substrate. The composition of the grown layer is controlled in order to create a gradual transition by using a controlled arsenic-phosphorus ratio at the contact area the substrate is present. The ratio changes in the growing layer until a desired arsenic-phosphorus ratio is reached. Once a certain arsenic / phosphorus ratio has been reached, nitrogen is introduced into the reactant vapor stream. As a result, the nitrogen in the growing epitaxial layer is only implanted in a narrow zone in which the pn junction is to be formed later and the radiation is also to be produced. Thereupon the pn-junction is produced either in the stream of the vaporous

- 10 20988 3/1179 - 10 20988 3/1179

Reaktionspartner eine Verunreinigung, die einen dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp hervorruft, zugesetzt wird, oder indem nach dem Ende des Wachsens der Epitaxieschicht diese mit einem Dotierungsstoff entgegengesetzten Leitungstyps dotiert wird. Reactants an impurity that one the first Conduction type causes opposite conduction type, is added, or by after the end of the As the epitaxial layer grows, it is doped with a dopant of the opposite conductivity type.

Aus der stickstoff dotierten, epitaktischen GaAs-1 „P -From the nitrogen-doped, epitaxial GaAs -1 "P -

I ■■•.λ. .X.I ■■ • .λ. .X.

Struktur werden dann mit den üblichen Verfahren Elektrolumineszenzbauteile oder -einrichtungen hergestellt. Weil bei der Herstellung des GaAs1 P das Arsen-Phosphor-Verhältnis verändert wird, sind Slektrolumineszenzdioden herstellbar, die eine verbesserte Helligkeit und eine verbesserte Lichtausbeute bei allen Farben von rot bis grün aufweisen.Structure are then produced with the usual methods of electroluminescent components or devices. Because the arsenic-phosphorus ratio is changed during the production of GaAs 1 P, slectroluminescent diodes can be produced which have an improved brightness and an improved light yield for all colors from red to green.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.In the following the invention is explained in more detail with reference to preferred exemplary embodiments, with reference to the accompanying drawings.

Fig. 1A bis 1E zeigen aufeinanderfolgende Schritte der Aufbereitung von Halbleitermaterial gemäß der Erfindung.1A to 1E show sequential steps the preparation of semiconductor material according to the invention.

Fig. 1F und 1G zeigen schematische Querschnitte von typischen Ausführungsformen von Halbleiterbauteilen, die gemäß der Erfindung hergestellt sind.Figures 1F and 1G show schematic cross sections of typical embodiments of semiconductor components manufactured according to the invention.

- 11 209883/1 179 - 11 209883/1 179

Fig. 2 bis 6 zeigen vergleichende Kurven der unterschiedlichen Ausbeuten und Eigenschaften von Bauelementen aus GaAs. VPV, die mit und ohne Stickstoffzusatz hergestellt sind.FIGS. 2 to 6 show comparative curves of the different yields and properties of components made of GaAs. V P V , which are produced with and without the addition of nitrogen.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Herstellung und zum Aufwachsen von epitaktischen Schichten sind vorzugsweise im wesentlichen denjenigen nach dem US-Patent No. 3 218 205, von R.A.Ruehrwein, ähnlich.The method and the device according to the invention for the production and growth of epitaxial layers are preferably essentially those according to US patent no. 3 218 205, from R.A.Ruehrwein, similar.

Bei dem nachfolgenden Beispiel wird auf die Herstellung eines Materials mit einer Epitaxiestruktur eingegangen, das zur Herstellung des in Fig. 1E im Schnitt gezeigten Bauteils verwendet wird.The following example deals with the production of a material with an epitaxial structure, which is used to manufacture the component shown in section in FIG. 1E.

Beim Vorgang des Aufwachsens einer Epitaxieschicht, wie er in Fig. 1A bis 1C gezeigt ist, wird eine' gereinigte und polierte Substratscheibe aus einkristallinem GaP, dessen Orientierung um 5° aus der (lOO)kristalligraphischen Ebene abweicht, in ein verschmolzenes Reaktionsrohr aus Siliciumdioxyd oder Quarz, das sich in einem Ofen befindet, gegeben. Das Reaktionsrohr ist mit Wasserstoff ausgespült, um Sauerstoff aus dem Rohr und von der Oberfläche des Substrats zu entfernen. DerIn the process of growing an epitaxial layer, as shown in FIGS. 1A to 1C, an 'is cleaned and polished substrate wafer made of monocrystalline GaP, whose orientation is 5 ° from the (100) crystalline Level deviates into a fused reaction tube made of silica or quartz, which is in a Oven is given. The reaction tube is purged with hydrogen to remove oxygen from the tube and from the surface of the substrate. Of the

209883/1179 " 1·2 "209883/1179 " 1 x 2 "

Reaktionsmitteldampf wird erzeugt, indem ein Strom von HCl mit einer Durchflußmenge von 3,5 cm /min in einen Strom von Wasserstoff mit einer Durchflußmenge von 50 cm /min eingeleitet wird. Der Strom dieses Gemisches wird bei 7700C über elementares Gallium geleitet. Gleichzeitig wird ein zweiter Wasserstoffstrom mit 450 cm /min, dem 0,29 cnr/min AsE5, 0,88 cnr/min PH, und ungefähr 0,3 cm·5/min von 100 Teilen/Million (ppm) Diäthyltellurid im Gemisch mit Wasserstoff zugesetzt sind, eingeleitet. Dieser Strom wird mit dem HCl-Ga-Reaktionsgemisch in der Reaktionszone des Reaktionsrohrs, die auf 925°C erhitzt ist, gemischt. Aus der Reaktionszone gelangen die Dämpfe in eine kühlere Zone des Rohrs, die eine Temperatur von 825°C aufweist. Hier beginnt die epitaktische Abscheidung von GaAs,, P auf dem GaP-Substrat. Um Verzerrungen und Störstellen durch Gitterfehler im Kristall zu'minimieren, wird zunächst eine erste Schicht von GaP mit einer Dicke von ca. 12/um epitaktisch auf dem GaP-Substrat abgeschieden. Hierauf läßt man durch Einstellen des relativen Verhältnisses von PH^ und AsH^ im Reaktionsgemisch eine Schicht 2, die einen stetigen Gradienten aufweist, bis zu einer Dicke von 8/um aufwachsen. Die Endzusammensetzung dieser Schicht entspricht der Formel GaAsQ 235Po 765* Das epi~ taktische Wachstum eines Materials dieser Zusammensetzung wird beibehalten, bis eine Schicht 3 mit einer DickeReagent vapor is generated by introducing a stream of HCl at a flow rate of 3.5 cm / min into a stream of hydrogen at a flow rate of 50 cm / min. The flow of this mixture is passed, at 770 0 C over elemental gallium. Simultaneously, a second stream of hydrogen at 450 cm / min, the 0.29 cnr / min AsE 5 , 0.88 cnr / min PH, and approximately 0.3 cm x 5 / min of 100 parts / million (ppm) diethyl telluride in the mixture are added with hydrogen, initiated. This stream is mixed with the HCl-Ga reaction mixture in the reaction zone of the reaction tube, which is heated to 925 ° C. From the reaction zone, the vapors pass into a cooler zone in the tube, which has a temperature of 825 ° C. This is where the epitaxial deposition of GaAs ,, P on the GaP substrate begins. In order to minimize distortions and imperfections due to lattice defects in the crystal, a first layer of GaP with a thickness of approximately 12 μm is first epitaxially deposited on the GaP substrate. Then, by adjusting the relative ratio of PH ^ and AsH ^ in the reaction mixture, a layer 2, which has a continuous gradient, is grown up to a thickness of 8 μm. The final composition of this layer corresponds to the formula GaAs Q 2 35 P o 765 * The epitaxial growth of a material of this composition is maintained until a layer 3 with a thickness

?0PB83/1179 - 13 -? 0PB83 / 1179 - 13 -

von ca. 330/um vorliegt. Während der letzten Phase des epitaxielen Wachstums wurden 300 cnr/min eines Gemischs von 10% KH^ in Wasserstoff anstelle von 300 cm /min IL, eingeleitet, damit eine stickstoffdotierte Epitaxieschicht 4 mit einer Dicke von ca. 18/um entsteht. Nach diesem Aufwachsen wird dann das System auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Struktur oder den Aufbau in dieser Phase zeigt Fig. 1C.of about 330 / µm is present. During the last phase of the epitaxial growth, 300 cnr / min of a mixture of 10% KH ^ in hydrogen instead of 300 cm / min IL, was introduced so that a nitrogen-doped epitaxial layer 4 with a thickness of approx. 18 μm is formed. After this growth, the system is then cooled to ambient temperature. The structure or construction in this phase is shown in FIG. 1C.

Eine Probe des so geschaffenen Materials wird dann bei 8750C 20 Minuten einer Diffusion unterworfen. Die Diffusion findet in einem evakuierten, verschlossenen Reaktionsraum statt, der 3 mg Zn und 3 mg Phosphor enthält. Hierdurch wird eine p-dotierte Zone 4b und ein pn-übergang 5, der sich in ca. 6/Um Tiefe in der stickstoffdotierten Schicht befindet, erzeugt, wie in Fig. 1D gezeigt ist. Die gesamte Epitaxieschicht, die die Zonen 2, 3, 4a und 4b umfaßt, ist mit Tellur bis zu einer reinen Donatorkonzentration von ca. 3 x 10 cm dotiert.A sample of the material created in this way is then subjected to diffusion at 875 ° C. for 20 minutes. The diffusion takes place in an evacuated, sealed reaction space which contains 3 mg Zn and 3 mg phosphorus. As a result, a p-doped zone 4b and a pn junction 5, which is located at a depth of approximately 6 / μm in the nitrogen-doped layer, are produced, as shown in FIG. 1D. The entire epitaxial layer, which includes zones 2, 3, 4a and 4b, is doped with tellurium up to a pure donor concentration of approx. 3 × 10 cm.

Aus dem mit diesem Verfahren erzeugten Material werden dann Bauelemente hergestellt. Die fertige Scheibe wird von der Substratseite her auf eine Dicke von ca. 125/um geläppt. Entsprechend der Dicke der Schicht 3 folgt daraus, daß sowohl das Substrat 1, die Schicht 2 und ein Teil der. Schicht 3 bis zu einer Höhe, die in Fig. 1DComponents are then produced from the material produced using this process. The finished disc will from the substrate side to a thickness of approx. 125 μm lapped. According to the thickness of the layer 3 it follows that both the substrate 1, the layer 2 and a Part of. Layer 3 to a level shown in Figure 1D

2098Π3/117 9 - 14 -2098-3 / 117 9 - 14 -

-14- 2231925-14- 2231925

mit der gestrichelten Linie gezeigt ist, entfernt wird. So entsteht die in Fig. 1Ξ gezeigte Scheibe. Bei einer Epitaxiestruktur, deren gesamte Dicke über alle Schichten von 2 bis 4b (Fig. 1D) geringer als ca. 125/um ist, entsteht ein Bauteil, wie in Fig. 1G gezeigt ist. Auf der η-dotierten Oberfläche 6 (Fig. 1E) wird ein ohmscher Kontakt durch Aufdampfen einer Schicht 7 (Fig. 1F und 1G) aus einer Au/Ge (12%)-Legierung im Vakuum erzeugt. Diese Schicht wird mit einem geeigneten Kopfstück oder Endstück 8, z.B. mit einem TO-18-Kopfstück, verbunden. Das Kopfstück weist eine negative Anschlußfahne 9 auf (die positive Anschlußfahne ist nicht gezeigt). Der ohmsche Kontakt mit der p-leitenden Oberfläche wird hergestellt, indem auf ihr ein Golddraht 10 durch Ultraschallschweißen angebracht wird.shown with the dashed line is removed. This creates the disk shown in Fig. 1Ξ. At a Epitaxial structure whose total thickness over all layers from 2 to 4b (Fig. 1D) is less than approx. 125 μm, a component is produced as shown in FIG. 1G. on the η-doped surface 6 (Fig. 1E) is an ohmic contact by vapor deposition of a layer 7 (Fig. 1F and 1G) made of an Au / Ge (12%) alloy in a vacuum. This layer comes with a suitable head piece or End piece 8, e.g. with a TO-18 head piece, connected. The head piece has a negative terminal lug 9 (the positive terminal lug is not shown). The ohmic one Contact with the p-type surface is made by placing a gold wire 10 on it by ultrasonic welding is attached.

Elektrolumineszenzdioden, die aus einem Material hergestellt sind, das eine Zusammensetzung entsprechend diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist, ergeben eine Helligkeit von ca. 8950 asb (830 Fuß-Lambert) bei einer Stromdichte von 20 A/cm und bei einer Wellenlänge von 6040 A, wie die obere Kurve in Fig. 6 zeigt. Fig. 6 zeigt vergleichende Kurven für die Helligkeit über der Legierungszusammensetzung bei stickstoffdotierten und stickstofffreien Dioden bei Raumtemperatur.Electroluminescent diodes made of a material having a composition corresponding to this Embodiment of the invention, result in a brightness of approximately 8950 asb (830 foot Lambert) a current density of 20 A / cm and at a wavelength of 6040 A, as the upper curve in FIG. 6 shows. Fig. 6 shows comparative curves for the brightness versus the alloy composition for nitrogen-doped and nitrogen-free diodes at room temperature.

- 15 2 0 9 8 8 3/1179 - 15 2 0 9 8 8 3/1179

22319282231928

Zum Zwecke des Vergleichs wurde ein zweites Muster aus identischem Material wie oben hergestellt, wobei die stickstoffdotierte Schicht (Zone 4 in Fig. 1C) vor der Diffusion der Zn-Dotierung entfernt wurde. Die Dotierung erfolgte unter den gleichen Bedingungen für die Dotierung mit Zn wie oben, bei der in der stickstoffdotierten Schicht ein pn-übergang erzeugt wird. Die durchschnittliche Helligkeit einer Gruppe von zehn Dioden, die aus dem stickstofffreien Material hergestellt wurden, betrug nur 625 asb (58 Fuß-Lambert) bei einer Stromdichte von 20 A/cm bei 5800 £, wie mit der ausgezogenen Kurve mit vollen Punkten in Fig. 6 für stickstofffreie Dioden gezeigt ist.For the purpose of comparison, a second sample was made of identical material as above, the nitrogen-doped layer (zone 4 in Fig. 1C) before the Diffusion of the Zn doping was removed. The doping took place under the same conditions for the doping with Zn as above, in which a pn junction is generated in the nitrogen-doped layer. The average Brightness of a group of ten diodes made from the nitrogen-free material, was only 625 asb (58 foot Lambert) at a current density of 20 A / cm at 5800 pounds, as with the solid curve is shown with full dots in Figure 6 for nitrogen-free diodes.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein GaAs-Substrat verwendet. Der pn-übergang wird erzeugt, indem als Donator oder Diffusionsmittel Zinkarsenid (ZnAsρ) verwendet wird.In this embodiment of the invention, a GaAs substrate is used. The pn junction is generated by using zinc arsenide (ZnAsρ) as a donor or diffusion agent.

Die einzelnen Verfahrensschritte entsprechen dem bereits erläuterten Ausführungsbeispiel, wozu wieder auf die in Fig. 1A bis 1F gezeigten Schritte und Strukturen Bezug genommen wird. Das Reaktionsgas wird erzeugt, indem ein Gemisch von 5,4 cnr/min HCl in 50 cnr/min Hp über elemen-The individual process steps already correspond to this illustrated embodiment, for which reference is again made to the steps and structures shown in FIGS. 1A to 1F is taken. The reaction gas is generated by applying a mixture of 5.4 cnr / min HCl in 50 cnr / min Hp over elementary

- 16 209883/1179 - 16 209883/1179

tares Gallium bei 7800C geleitet wird. Das erhaltene Gasgemisch wird mit 450 cnr/min H2, dem 2,6 cnr/min AsH, und 1,4 cnr/min PH-* beigemischt sind, bei einer Reaktionstemperatur von 925°C gemischt. Dem H2-Hauptstrom werden ca. 0,4 cm /min eines Gemisches von 100 Teilen/ Million (ppm) Diäthyltellurid im Gemisch mit H2 beigefügt, um eine reine Donatorkonzentration von ca. 6 χ 10 cm zu erhalten. Das Reaktionsgemisch wird dann über ein Substrat 1 aus einkristallinem GaAs geführt, dessen Orientierung um einen Winkel von kleiner gleich 2° zur (100)Kristallorientierung abweicht. Die Reaktionstemperatur beträgt 8400C; nachdem die relative Konzentration des PE-z und des AsH5 in der Dampfphase eingestellt ist, läßt man auf dem Substrat eine Epitaxieschicht 2 mit stetigem Gradienten bis zu einer Dicke von 65/um aufwachsen. Die Endzusammensetzung dieser Schicht entspricht der Formel GaAs0 505^0 475* Nun -^ßt man eine Epitaxieschicht 3 dieser Zusammensetzung bis zu einer Dicke von ca. 192 /um aufwachsen. Während der letzten Minuten des Wachsens wird anstelle der 300 cm /min H2 300 cnr/min eines Gemisches von 10% NH, in H2 eingeleitet, um eine stickstoffdotierte Oberschicht (Vor der Diffusion die Schicht 4) mit einer Dicke von 12/um zu erzeugen.tares gallium is passed at 780 0 C. The gas mixture obtained is mixed with 450 cnr / min H 2 , to which 2.6 cnr / min AsH, and 1.4 cnr / min PH- * are mixed, at a reaction temperature of 925 ° C. The H 2 -Hauptstrom be added to about 0.4 cm / min of a mixture of 100 parts / million (ppm) Diäthyltellurid in admixture with H 2 to a pure donor concentration of about 6 to obtain χ 10 cm. The reaction mixture is then passed over a substrate 1 made of monocrystalline GaAs, the orientation of which deviates by an angle of less than or equal to 2 ° to the (100) crystal orientation. The reaction temperature is 840 ° C .; After the relative concentration of PE-z and AsH 5 has been set in the vapor phase, an epitaxial layer 2 with a continuous gradient up to a thickness of 65 μm is grown on the substrate. The final composition of this layer corresponds to the formula GaAs 0 505 ^ 0 475 * Now an epitaxial layer 3 of this composition is grown to a thickness of approx. 192 μm. During the last minutes of the growth, instead of the 300 cm / min H 2, 300 cnr / min of a mixture of 10% NH, in H 2 is introduced to form a nitrogen-doped top layer (before diffusion layer 4) with a thickness of 12 μm to create.

- 17 209883/ 1 179- 17 209883/1 179

Aus dem Material mit dieser Zusammensetzung werden dann Dioden hergestellt, indem eine Diffusion mit 8 mg ZnAs2 bei 8000C während 45 Minuten durchgeführt wird. Die Diffusion erfolgt in einem verschlossenen, evakuierten Reaktionsrohr. Hierdurch entsteht die p-Zone 4b und der pn-übergang 5 ca. 5/um unter der Oberfläche. Durch Läppen auf eine Dicke von 125/um und Anbringen von ohmschen Kontakten und Leitungen wie oben entsteht eine Reihe von lichtemittierenden Dioden. Sie weisen eine durchschnittliche Helligkeit von ca. 11 850 asb (1100 Fuß-Lambert) bei einer Stromdichte von 20 A/cm auf, wie die obere Kurve in.Fig. 6 (für Stickstoffdotierung) zeigt. Zum Vergleich wurde eine zweite Reihe von lichtemittierenden Dioden mit der gleichen Legierungszusammensetzung hergestellt. Unterschiedlich war nur, daß die stickstoffdotierte Schicht (Zone 4 in Fig. 1C) weggelassen war und daß eine Rediffusion mit ZnASp in gleicher Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt wurde. Hierbei ergab sich eine durchschnittliche Helligkeit von nur ca. 5260 asb (490 Fuß-Lambert).Diodes are then made of the material with this composition by diffusion with 8 mg ZnAs 2 is carried out at 800 0 C for 45 minutes. The diffusion takes place in a closed, evacuated reaction tube. This creates the p-zone 4b and the pn-junction 5 approx. 5 μm below the surface. By lapping to a thickness of 125 µm and attaching ohmic contacts and leads as above, a series of light-emitting diodes is created. They have an average brightness of about 11,850 asb (1,100 foot Lambert) at a current density of 20 A / cm, as the upper curve in Fig. 6 (for nitrogen doping) shows. For comparison, a second series of light emitting diodes were made with the same alloy composition. The only difference was that the nitrogen-doped layer (zone 4 in FIG. 1C) was omitted and that rediffusion with ZnASp was carried out in the same way as in Example 1. This resulted in an average brightness of only approx. 5260 asb (490 foot Lambert).

Bei einer verringerten Stromdichte von 10 A/cm ergaben die mit einer Legierung entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellten stickstoffdotierten, lichtemittierenden Dioden eine durchschnittliche Helligkeit von 5050 asb (470 Fuß-Lambert) bei einer Wellenlänge vonAt a reduced current density of 10 A / cm, those with an alloy according to the second embodiment resulted produced nitrogen-doped, light-emitting Diodes have an average brightness of 5050 asb (470 foot Lambert) at a wavelength of

- 18 209883/117 9- 18 209883/117 9

6650 Ä. Das entspricht der Größenordnung der von den lichtemittierenden Dioden ohne Stickstoffdotierung hervorgerufenen Helligkeit bei einer Stromdichte von 20 A/cm . Dieses Ergebnis ist um eine Größenordnung besser als die für diese Legierungszusammensetzung (die in der Zone der indirekten Energiebandlücke liegt) üblichen Ergebnisse. Die Helligkeit ist mit der von Rotlicht-Lumineszenzdioden aus nicht stickstoffdotierten Legierungen der Zusammensetzung GaAs0 ^aPq ^g, die in der Zone der direkten Energiebandlücke liegen, zu vergleichen. Gemäß der Erfindung sind also durch das Hinzufügen von Stickstoff Lumineszenzdioden mit einer im allgemeinen gleichwertigen Helligkeit im Spektralbereich von 6500 bis 5600 A herstellbar. Dies ist besonders im gelben Teil des Spektrums von Bedeutung, da bisher keine Gelblicht-Lumineszenzdioden großer Helligkeit herstellbar waren.6650 Ä. This corresponds to the order of magnitude of the brightness produced by the light-emitting diodes without nitrogen doping at a current density of 20 A / cm. This result is an order of magnitude better than the usual results for this alloy composition (which lies in the zone of the indirect energy band gap). The brightness can be compared with that of red light luminescent diodes made of non-nitrogen-doped alloys with the composition GaAs 0 ^ aPq ^ g, which are in the zone of the direct energy band gap. According to the invention, by adding nitrogen, light-emitting diodes with a generally equivalent brightness in the spectral range from 6500 to 5600 A can be produced. This is particularly important in the yellow part of the spectrum, since until now it has not been possible to produce yellow light luminescent diodes of great brightness.

Der verbesserte Wirkungsgrad der stickstoffdotierten Elektrolumineszenzbauteile gemäß der Erfindung ist im Vergleich zu stickstofffreien Bauteilen in Fig. 2 bis dargestellt. Die externe Quantenausbeute wird erzielt, indem epoxidumhüllte Dioden (in Fig. 1 ist die Epoxidlinse nicht gezeigt), die auf einem TO-18-Kopfstück unter Verwendung von Au/Ge-grundplättchen montiert sind, verwendet werden.The improved efficiency of the nitrogen-doped Electroluminescent components according to the invention is in comparison to nitrogen-free components in FIGS shown. The external quantum efficiency is achieved by using epoxy encapsulated diodes (in Fig. 1 the epoxy lens not shown) on a TO-18 header below Use of Au / Ge base plates are mounted, can be used.

- 19 209883/1179 - 19 209883/1179

Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß das Beifügen von Stickstoff eine Verschiebung der Spitzenemissionsenergie (eV) und damit der Wellenlänge "bei einer bestimmten GaAs,, VP Zusammensetzung hervorruft. Zur Umrechnung von Angström-Einheiten (A) der Wellenlänge auf Elektronenvolt (eV) der Spitzenemissionsenergie ist ein Umwandlungsfaktor 12395 durch die Wellenlänge zu teilen; daherFrom Fig. 2 it can be seen that the addition of nitrogen causes a shift in the peak emission energy (eV) and thus the wavelength "at a certain GaAs" V P composition. To convert Angstrom units (A) of the wavelength to electron volts ( eV) of the peak emission energy, a conversion factor of 12395 has to be divided by the wavelength; therefore

12^5Qi5
eV = · Der Abstand zwischen den Emissionsspitzen von stickstoffdotierten und stickstofffreien Lumineszenzdioden verändert sich als Funktion der Zusammensetzung der Legierung. Es ist festzuhalten, daß der Abstand der Spitzenemissionsenergie von stickstoffdotierten und nicht dotierten Lumineszenzdioden mit abnehmendem χ ansteigt. Der größte Abstand wird mit ca. 0,15 eV im Bereich von 0,5 <x < 0,6 erreicht. Die Spitzenlage und die Bandbreite verschieben sich mit der Stromdichte. Art und Maß der Verschiebung hängen von der Zusammensetzung der Legierung und von der Temperatur ab. Die in Fig. 2 gezeigten Spitzenemissionsenergien wurden bei verhältnismäßig niedrigen Stromdichten von 10 A/cm gemessen.
12 ^ 5Q i 5
eV = · The distance between the emission peaks of nitrogen-doped and nitrogen-free light emitting diodes changes as a function of the composition of the alloy. It should be noted that the distance between the peak emission energy of nitrogen-doped and non-doped light-emitting diodes increases with decreasing χ. The largest distance is achieved with approx. 0.15 eV in the range of 0.5 <x <0.6. The top position and the bandwidth shift with the current density. The type and extent of the shift depend on the composition of the alloy and the temperature. The peak emission energies shown in FIG. 2 were measured at relatively low current densities of 10 A / cm.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung der externen Quantenausbeute als eune Funktion der Zusammensetzung des GaAs,, „Ρν. Die Ausbeute der Lumineszenzdioden steigt mit3 shows a representation of the external quantum yield as a function of the composition of the GaAs ,, "Ρ ν . The yield of the luminescent diodes increases with it

I ""λ -Λ. <I "" λ -Λ. <

abnehmendem χ. Dieser Anstieg der Ausbeute wird im wesentlichen auf zwei Faktoren zurückgeführt. Erstens ruftdecreasing χ. This increase in yield will be substantial attributed to two factors. First call

- -20 209883/1179 - -20 209883/1179

die zunehmende Tiefe des Stickstoffmittelpunkts eine erhöhte thermische Stabilität der eingeschlossenen Erregung hervor. Zweitens nimmt man an, da der Abstand des (100)-Minimums und des (000)-Minimums mit kleiner werdendem χ abnimmt, daß eine Erhöhung der Ubergangswahrscheinlichkeit der Emission der A-Linie eintritt.the increasing depth of the center of nitrogen increased thermal stability of the included excitation. Second, it is assumed that the distance of the (100) minimum and the (000) minimum with decreasing χ decreases that an increase in the transition probability of the emission of the A-line occurs.

Fig. 4 zeigt für stickstoffdotierte und stickstofffreie Lumineszenzdioden Kurven der externen Ausbeute, aufgetragen über der Wellenlänge der Spitzenemission für verschiedene Legierungszusammensetzungen. Man erkennt, daß die Ausbeute der stickstoffdotierten Lumineszenzdioden in dem in der Zeichnung festgehaltenen Spektrum größer ist als die von nicht dotierten Lumineszenzdioden. Der größte Abstand zwischen den Kurven, der die größte Steigerung der Ausbeute der stickstoffdotierten gegenüber stickstofffreien Dioden wiedergibt, ist im allgemeinen im gelben Bereich des Spektrums zu beobachten.Fig. 4 shows for nitrogen-doped and nitrogen-free Luminescent diodes Curves of the external yield plotted against the wavelength of the peak emission for various Alloy compositions. It can be seen that the yield of the nitrogen-doped light emitting diodes in the spectrum recorded in the drawing is greater than that of non-doped light-emitting diodes. Of the greatest distance between the curves, which compared the greatest increase in the yield of nitrogen-doped nitrogen-free diodes is generally seen in the yellow region of the spectrum.

Nach Fig. 3 ist für den Bereich der Legierung, in dem 0,5 ^x ^0,6 ist, festzustellen, daß die Ausbeute der stickstoffdotierten Lumineszenzdioden mehr als 20mal größer als die der stickstofffreien Dioden ist. Fig. 5 zeigt eine andere Möglichkeit,diese gesteigerte Ausbeute nachzuweisen. Hier ist das Ausbeuteverhältnis 'According to Fig. 3 is for the area of the alloy in which 0.5 ^ x ^ 0.6 is found that the yield of the nitrogen-doped light emitting diodes more than 20 times is larger than that of the nitrogen-free diodes. Fig. 5 shows another possibility of this increased yield to prove. Here is the ratio of exploitation '

- 21 209883/1179 - 21 209883/1179

GaAs1 P :'ΝGaAs 1 P: 'Ν

κ νοη dotierten zu nichtdotierten Diodenκ νοη doped to undoped diodes

über der Zusammensetzung der Legierung aufgetragen.applied over the composition of the alloy.

Obwohl die Quantenausbeute der stickstoffdotierten Dioden eine direkte Funktion der Legierungszusammensetzung ist, sind Ausbeute und Helligkeit in dem Bereich χ >0,4 nahezu unabhängig von der Legierungszusammensetzung. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für abnehmendes x, werm/ die Farbe von grün über gelb zu rot wechselt, ebenfalls stark abnimmt. Eine .typische Darstellung der Helligkeit, wie man sie mit und ohne Dotierung erhält, ist in Fig. 6 gezeigt. Hier ist die Helligkeit als eine Funktion der Legierungszusammensetzung aufgetragen. Although the quantum yield of nitrogen-doped diodes is a direct function of the alloy composition, Yield and brightness in the range χ> 0.4 are almost independent of the alloy composition. Of the The reason for this is that the sensitivity of the human eye to decreasing x, werm / the color of green changes to yellow to red, also decreases sharply. A typical representation of the brightness, how to use it and obtained without doping is shown in FIG. Here the brightness is plotted as a function of the alloy composition.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann die Schicht 2 (siehe Fig. 1B bis 1D) die Legierung in unterschiedlicher Zusammensetzung, nämlich mit stetigem Gradienten, eine Dicke von 1 bis 300 /um oder mehr aufweisen. Die besten Ergebnisse wurden jedoch bis heute mit Schichten in der Größenordnung von ca. 25/um erzielt. Die Zone 3 mit einer konstanten Legierungszusammensetzung ist vorzugsweise ca. 100/um dick. Ihre Dicke kann jedoch im Bereich von 0 bis 300/um oder mehr schwanken. Die ndotierte Zone 4a der stickstoffdotierten Oberflächen-In preferred embodiments of the invention, the layer 2 (see Fig. 1B to 1D) the alloy in different Composition, namely with a continuous gradient, have a thickness of 1 to 300 μm or more. However, the best results to date have been achieved with layers on the order of about 25 μm. the Zone 3 with a constant alloy composition is preferably approximately 100 μm thick. However, their thickness can vary in the range of 0 to 300 µm or more. The endowed Zone 4a of the nitrogen-doped surface

- 22 2098 8 3/1179- 22 2098 8 3/1179

schicht hat bevorzugt eine Dicke von ca. 5/um. Ganz allgemein kann sie jedoch eine Dicke im Bereich von 0 bis 300/um oder mehr aufweisen. Die p-dotierte Zone 4b der stickstoffdotierten Schicht ist bevorzugt 5 bis 10/um dickt, allgemein ist eine Dicke von 1 bis 25/um oder weniges mehr möglich. Es ist festzuhalten, daß bei verschiedenen Ausführungsformen eine oder auch beide Schichten mit konstanter Legierungszusammensetzung, Schicht 3 und/oder die stickstoffdotierte Schicht 4a, in der Epitaxiestruktur des GaAs. „P__ und damit der Lumineszenzdioden gemäß der Erfindung weggelassen werden können. Bei den bevorzugten Ausführungsformen liegt jedoch, wie in den Beispielen erläutert, eine Epitaxiestruktur des GaAs. P vor, wie in Fig. 1F gezeigt, wobei die Schichten 1 und 2 durch Läppen entfernt sind.layer preferably has a thickness of approx. 5 μm. In general however, it may have a thickness ranging from 0 to 300 µm or more. The p-doped zone 4b of the nitrogen-doped layer is preferably 5 to 10 / µm thick, in general a thickness of 1 to 25 μm or a little more is possible. It should be noted that with various Embodiments one or both layers with constant alloy composition, layer 3 and / or the nitrogen-doped layer 4a in the epitaxial structure of GaAs. "P__ and thus the luminescence diodes can be omitted according to the invention. In the preferred embodiments, however, as in FIG illustrates an epitaxial structure of the GaAs in the examples. P before, as shown in Fig. 1F, with the layers 1 and 2 are removed by lapping.

Die bei der Dotierung der Epitaxieschicht verwendete Verunreinigung, durch die der Leitungstyp festgelegt wird, kann zu Beginn auch in die Zone 2 mit stetigem Gradienten eingeleitet werden. Sie ist auch während der folgenden Wachstumsperiode zuführbar. Die Verunreinigung kann aber auch erst bei Wachstumsbeginn der Schicht 3 mit konstanter Legierungszusammensetzung zugeführt werden. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist die Epitaxieschicht mit Verunreinigungen des η-Typs dotiert. Die Verunreinigungen vom p-Typ werden diffundiert, um einen pn-The impurity used in doping the epitaxial layer, which defines the type of conduction, can also start in zone 2 with a steady gradient be initiated. It can also be supplied during the following growing season. The pollution can but can also only be added to the layer 3 with a constant alloy composition at the beginning of growth. In the preferred embodiments, the epitaxial layer is doped with η-type impurities. The impurities of the p-type are diffused to form a pn-

- 23 2 0 9 8 8 3/1179 - 23 2 0 9 8 8 3/1179

-23- 223192-23- 223192

Übergang zu erzeugen. Als geeignete Dotierungsstoffe können die bekannten Stoffe verwendet werden, z.B. S, Se, Te oder Si für eine n-Dotierung, Be, Zn oder Cd für eine p-Dotierung. Die Konzentration der n-Dotierung v/eist einen breiten Spielraum auf, sie geht von ca. 2,0 χ 10 bis 2,0 χ 10 ' cm ., Bevorzugt wird eine Konzentration von 7,0 χ 10 cm" . Die Oberflächenkonzentration der Verunreinigungen der P-Art liegt typisch in der Größenordnung 10 ° Atome/cm .To create transition. As suitable dopants the known substances can be used, e.g. S, Se, Te or Si for n-doping, Be, Zn or Cd for a p-type doping. The concentration of the n-doping v / e offers a wide range, it goes from approx. 2.0 10 to 2.0 10 'cm., Preferred is a Concentration of 7.0 χ 10 cm ". The surface concentration the P-type impurities are typically on the order of 10 ° atoms / cm.

Bei der Dotierung mit Stickstoff wird dieser, wie anhand der bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, selektiv in die wachsende Epitaxieschicht nur in die Zone eingeführt, in der der pn-übergang entstehen soll, bevorzugt im Bereich der 5 bis 20 /um dicken Oberflächenzone (Schicht 4 in Fig. 1C). Die StickstoffkonzentrationWhen doping with nitrogen, it becomes selective, as has been explained with reference to the preferred embodiments introduced into the growing epitaxial layer only in the zone in which the pn junction is to arise, preferably in the range of the 5 to 20 / µm thick surface zone (Layer 4 in Figure 1C). The nitrogen concentration

18 der Oberflächenzone liegt normalerweise bei ca. 1 χ 1018 of the surface zone is usually around 1 χ 10

1Q ^1Q ^

bis 1 χ 10 Atome/cm-3. Bei weniger bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch die gesamte Epitaxie (Schichten 2 bis 4b) mit Stickstoff dotierbar. Unterhalb der Schicht 4a ist die Konzentration dann jedoch wesentlich niedriger. Die isoelektronische Verunreinigung ist von jeder Quelle zuführbar, z.B. elementarer Stickstoff oder seine gasförmigen oder flüchtigen Verbindungen. up to 1 χ 10 atoms / cm -3 . In less preferred embodiments of the invention, however, the entire epitaxy (layers 2 to 4b) can be doped with nitrogen. However, the concentration is then significantly lower below the layer 4a. The isoelectronic contamination can be supplied from any source, e.g. elemental nitrogen or its gaseous or volatile compounds.

- Zk - - Zk -

209883/1179.209883/1179.

Die Übergangsschicht 2 der Legierung weist entweder einen linearen oder einen nichtlinearen Gradienten auf. Bevorzugte Ausführungsformen weisen einen linearen Gradienten der Zusammensetzung des GaAs- oder GaP-Substrats zur erwünschten Endzusammensetzung auf.The transition layer 2 of the alloy has either one linear or a non-linear gradient. Preferred embodiments have a linear Gradients in the composition of the GaAs or GaP substrate to the desired final composition.

Die gemäß der Erfindung hergestellten Elektrolumineszenzbauteile sind entweder als einzelne Lumineszenzdioden oder als Gruppenanordnung mittels der bekannten photolithographischen Verfahren herstellbar.The electroluminescent components produced according to the invention are either as individual luminescent diodes or can be produced as a group arrangement by means of the known photolithographic processes.

Die stickstoffdotierten GaAs. P -Legierungen gemäß der Erfindung sind vor allem für die Herstellung von Lumineszenzdioden im sichtbaren Bereich des Spektrums geeignet. Obwohl sichtbares Licht bei allen Materialien im Bereich von χ > 0,2 bis χ Ό,0 erzeugt wird, geht der bevorzugte Bereich für χ für Lumineszenzdioden gemäß der Erfindung von ca. 0,3 bis 0,9. Für Rotlicht-Lumineszenzdioden liegt χ bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6, für Gelblicht-Lumineszenzdioden liegt χ bevorzugt zwischen 0,6 und 0,9.The nitrogen-doped GaAs. P -alloys according to the invention are especially suitable for the production of light emitting diodes in the visible range of the spectrum. Although visible light is generated for all materials in the range from χ > 0.2 to χ Ό.0, the preferred range for χ for light-emitting diodes according to the invention is from approximately 0.3 to 0.9. For red light luminescent diodes is preferably between 0.4 and 0.6, for yellow light luminescent diodes χ is preferably between 0.6 and 0.9.

Das gemäß der Erfindung bei der Herstellung von Lumineszenzdioden wichtige Vorhandensein der Anfangsschichten (1 und 2 in Fig. 1) ist für die Arbeitsweise des fertigen Bauteils nicht wichtig. Die beiden Schichten sindThe presence of the initial layers, which is important according to the invention in the manufacture of light-emitting diodes (1 and 2 in Fig. 1) is not important for the operation of the finished component. The two layers are

209R8 3M179209R8 3M179

bei einer Reduzierung der Dicke der Halbleiterscheibe auf einen üblichen Wert von 100 bis 150/um daher entfernbar. Bei der Ausführungsform, bei der GaAs als Substrat verwendet wird, ist es vorteilhaft, das Substrat und die Übergangsschicht 2 zu entfernen, um Absorptionsverluste zu minimieren und um die von der Schicht 7 reflektierte Strahlung zu erhöhen.therefore removable when the thickness of the semiconductor wafer is reduced to a customary value of 100 to 150 μm. In the embodiment in which GaAs is used as the substrate, it is advantageous to use the substrate and to remove the transition layer 2 in order to minimize absorption losses and to reduce those reflected by the layer 7 Increase radiation.

Ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, sind verschiedene Abwandlungen im Rahmen der Erfindung denkbar, bei denen andere Substrate, deren Gitterstruktur ein epitaxiales Aufwachsen von GaAs,. „P erlaubt, z.B. Ge, Si usw., verwendet werden. Es ist ebenso denkbar, daß andere Legierungssysteme für eine Dotierung mit Stickstoff und anderen isoelektronischen Verunreinigungen im Sinne dieser Erfindung brauchbar sind, um daraus Elektrolumineszenzbauteile herzustellen.Without deviating from the basic idea of the invention, are Various modifications are conceivable within the scope of the invention in which other substrates, their lattice structure epitaxial growth of GaAs ,. "P allowed, e.g. Ge, Si, etc. can be used. It is also conceivable that other alloy systems can be used for doping with nitrogen and other isoelectronic impurities within the meaning of this invention are useful in order to produce electroluminescent components therefrom to manufacture.

Auch besteht die Möglichkeit, ein anderes Verfahren zur epitaktischen Abscheidung aus der Dampfphase als das, das bei den erläuterten Verfahrensbeispielen verwendet wurde, für diese Erfindung heranzuziehen.There is also the option of using another method epitaxial vapor deposition than that used in the illustrated method examples was used for this invention.

- Patentansprüche -- patent claims -

- 26 -- 26 -

209883/1179209883/1179

Claims (12)

Patentansprüche :Patent claims: 1. Elektrolumineszierendes Material mit einer Formel GaAs,, __P . wobei χ im Bereich > 0,2 und < 0,1 liegt, wobei das Material Fremdatome eines ersten Leitungstyps aufweist, und wobei die Oberflächenzone des Materials isoelektronische Fremdatome und Fremdatome eines zum ersten entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, um im Material einen pn-übergang zu erzeugen.1. Electroluminescent material with a formula GaAs ,, __P. where χ is in the range> 0.2 and <0.1, the material having foreign atoms of a first conductivity type, and the surface zone of the material has isoelectronic foreign atoms and foreign atoms of a conductivity type opposite to the first in order to im Material to generate a pn junction. 2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den isoelektronischen Fremdatoraen um Stickstoffatome handelt.2. Material according to claim 1, characterized in that it is the isoelectronic Fremdatoraen Nitrogen atoms. 3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß χ durch das gesamte Material einen konstanten Wert aufweist.3. Material according to claim 1, characterized in that that χ has a constant value throughout the material. 4. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von χ sich mit dem Abstand von der unteren zur oberen Oberfläche stetig ändert.4. Material according to claim 1, characterized in that the value of χ varies with the distance from the lower to the upper surface changes steadily. 5· Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat GaP verwendet wird.5. Material according to one of the preceding claims, characterized in that GaP is used as the substrate. - 27 -- 27 - 209RR3 /1179209RR3 / 1179 - 27 - 2231928-- 27 - 2231928- 6. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat GaAs verwendet wird.6. Material according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that GaAs is used as the substrate. 7. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatorae vom ersten Leitungstyp eine n-Leitung ergeben.7. Material according to claim 1, characterized in that the Fremdatorae of the first conductivity type is an n-line result. 8. Material nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatome vom ersten Leitungstyp eine p-Leitung ergeben.8. Material according to claim, characterized in that the foreign atoms of the first conductivity type p-line result. 9. Verfahren zur Herstellung von elektrolumineszierendem Material, gekennzeichnet durch9. Method of making electroluminescent Material characterized by (a) Mischen von Reaktionsstoffen in der Dampfphase, die für die Erzeugung und das Abscheiden von GaAs,, P eines ersten Leit'tmgstyps notwendig sind, wobei χ einen Anfangswert im Bereich von 0 bis einschließlich 1 und einen Endwert im Bereich von > 0,2 bis K. 1,0 aufweist, mit einer isoelektronischen Verunreinigung,(a) Mixing of reactants in the vapor phase which are necessary for the generation and deposition of GaAs ,, P of a first conductivity type, where χ has an initial value in the range from 0 up to and including 1 and an end value in the range> 0, 2 to K. 1.0, with an isoelectronic impurity, (b) das Abscheiden einer Epitaxieschicht aus diesem Gemisch auf einem geeigneten Substrat, und(b) the deposition of an epitaxial layer from this mixture on a suitable substrate, and (c) die Diffusion von Fremdatomen, die einen Leitungstyp erzeugen, der dem in der Epitaxieschicht-(c) the diffusion of foreign atoms that generate a conductivity type similar to that in the epitaxial layer • entgegengesetzt ist, um dort einen pn-übergang zu erzeugen. • is opposite in order to generate a pn junction there. - 28 ·-- 28 - 2 0 9 8^3/11792 0 9 8 ^ 3/1179 10. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die isoelektronische Verunreinigung den Reaktionsmitteldämpfen beigemischt wird und in der Epitaxieschicht nur in der Zone, in der der pn-übergang entsteht, beigefügt wird.10. The method according to claim 9> characterized in that the isoelectronic contamination is the reactant vapors is added and in the epitaxial layer only in the zone in which the pn junction is created, is attached. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der isoelektronischen Verunreinigung um Stickstoff handelt, und daß das Substrat aus der Gruppe von GaP und GaAs ausgewählt ist.11. The method according to claim 10, characterized in that it is the isoelectronic contamination is nitrogen, and that the substrate is selected from the group of GaP and GaAs. 12. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang in Schritt (c) durch das Auf-, wachsen einer zusätzlichen Schicht, die Fremdatome mit einem zum ursprünglichen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp und isoelektronische Verunreinigungen aufweist, erzeugt wird".12. The method according to claim 9> characterized in that that the pn-junction in step (c) by the growth of an additional layer, the foreign atoms with has a conductivity type opposite to the original conductivity type and isoelectronic impurities, is produced". LeerseiteBlank page
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