DE2234590A1

DE2234590A1 - Elektrolumineszenz-halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE2234590A1
Application number: DE2234590A
Authority: DE
Inventors: Jacques Issac Pankove
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-07-22
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1973-02-01
Also published as: GB1397643A; AU461505B2; AU4428372A; CA963969A; US3683240A; IT956672B; JPS5116320B1; FR2146407B1; NL7210121A; FR2146407A1

Description

DiplHng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4odo Düsseldorf 3D · Cecilienallee 7S ■ Telefon 435732

13» Juli 1972 Unsere Akte: 27 478 Be/Z/Fu₀

RCA Corporation, 30, Rockefeller Plaza, New York. M₀Y. 10020 (V₀St₀A.)

"Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil"

Die Erfindung betrifft ein Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil, dessen aktives Material ein Körper aus-- kristallinem Galliumnitrid ist«,

Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteile sind im allgemeinen Körper aus einem Einkristall-Halbleitermaterial, welche unter Vorspannung durch die Rekombination von Paaren entgegengesetzt geladener Ladungsträger entweder sichtbares oder infrarotes Licht emittieren«, Solche Bauteile weisen üblicherweise Zonen entgegengesetzten Leitungstyps auf, zwischen denen ein PN-Übergang gebildet ist. Wenn der Übergang in Durchlaßrichtung.vorgespannt ist, werden Ladungsträger eines Typs von der einen Zone in die andere Zone injiziert, in welcher die- vorherrschenden Ladungsträger entgegengesetzten Leitungstyp haben, so daß die zur Lichtemission führende Rekombination erfolgt. Diese Halbleiter werden aus III-V Halbleiterverbindungen, z.B. Phosphiden, Arseniden und Antimoniden von Aluminium, Gallium und Indium und Kombinationen dieser Materialien hergestellt, weil diese Materialien wegen ihrer hohen Bandlückenenergie die Emission von Strahlung im sichtbaren und im nahen infraroten Bereich ermöglichen.

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Eine HI-V Halbleiterverbindung, die kürzlich in einkristalliner Form dargestellt wurde_s und die wegen ihrer hohen Bandlückenenergie für die Herstellung von Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteilen geeignet sein sollte, ist Galliumnitrid (GaN). Obwohl durch Elektronenstrahlung und optische Anregung Lumineszenz in GaN hervorgerufen wurde, wurde bisher keine Elektrolumineszenz in diesem Material erzielt. Das bis heute hergestellte einkristalline GaN ist hoch N-leitend. Der Grund hierfür liegt in natürlichen, unkontrollierten Donatoren, z.B. Stickstoff-Gitterlücken, die im Material von Natur aus gebildet werden. Bislang waren Versuche zum Einbringen von Akzeptor-Dotierstoffen in das GaN zur Erzeugung P-leitender Zonen nicht erfolgreich. Deshalb war es nicht möglich, einen Körper aus GaN mit einem PN-Übergang herzustellen, der bisher für die Herstellung eines Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteiles für notwendig gehalten wurde,

Aufgabe der Erfindung ist es, ein GaN-Halbleiterbauteil mit Elektrolumineszenz-Eigenschaften zu schaffen. Das erfindungsgemäße Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil weist einen Körper aus isolierendem kristallinem Galliumnitrid und ein Paar von an entfernten Punkten am Körper elektrisch angeschlossenen Kontakten auf.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteils;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausfüh-

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_ 3 —

rungsform eines erfindungsgemäßen ElektrolumJneszenz-Halbleiterbauteils;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteile; und .

Fig. 4 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform eines Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteils.

Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteils gezeigt ist, das in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet ist. Das Bauteil 10 weist ein Substrat 12 aus elektrisch isolierendem und optisch transparentem Material, z_eB„ Saphir, auf_e Ein Körper aus isolierendem kristallinem Galliumnitrid ist auf einer Seite des Substrats 12 angeordnete Der Galliumnitridkörper ist epitaktisch, beispielsweise durch epitaktisches Aufbringen aus der Dampfphase auf dem Substrat 12 niedergeschlagen. Beim Abscheiden des Galliumnitridkörpers 14 ist ein Äkzeptor-Dotierstoff, z.B. Zink, Kadmium, Beryllium, Magnesium, Silizium oder Germanium in den Körper mit eingebracht worden. Die Menge des im Galliumnitridkörper 14 enthaltenen Akzeptor-Dotierstoffs ist dabei so gewählt, daß im wesentlichen alle natürlichen, im Gallium gebildeten Donatoren kompensiert sind, so daß der Körper 14 isolierend ist. Ein Paar von Kontakten 16 und 18 sind an voneinander entfernten Stellen elektrisch am Körper 14 angeschlossen» Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, sind-die Kontakte 16 und 18 voneinander entfernt und werden in körperlicher Berührung mit der Oberfläche

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des Körpers 14 gehalten.

Wenn zwischen den beiden Kontakten 16 und 18 ein Gleichstrom fließt, wird ein blaues Licht mit einer Wellenlänge von etwa 2,6 eV (etwa 4700 Ä) vom Galliumnitridkörper 14 emittert und kann durch das Substrat 12 beobachtet werden. Diese Lichtemission kann bei Raumtemperatur bei einer Durchbruchsspannung zwischen etwa 60 und 100 Volt abhängig von der Anordnung und vom Abstand der Kontakte 16 und 18 beobachtet werden. Der Kontaktabstand kann dabei zwischen 100 und 1000 Mikron betragen. Elektrolumineszenz wird unabhängig davon erreicht, welcher der Kontakte positiv oder negativ ist«, Die Intensität des emittierten Lichtes ändert sich etwa als 3/2 Potenz der Stromstärke über mindestens zwei Größenordnungsbereiche, die sich zwischen 0,01 und 1 mA ändern können. Bei 0,2 mA ist.die Lichtintensität hell genug, daß sie in gut erleuchteten Räumen deutlich zu erkennen ist. Es wird angenommen, daß die Lichtemission aus dem isolierenden Galliumnitridkörper 14 seine Ursache im hohen elektrischen Feld, welches die in den Akzeptorzentren eingeschlossenen Elektronen freisetzt, und einer nachfolgenden Lawinenvervielfachung von freien Elektronen und Löchern hat. Die Rekombination dieser Ladungsträger führt zur Strahlung, so daß Licht emittiert wird.

In Fig. 2 ist eine weitere, in ihrer Gesamtheit mit bezeichnete Ausführungsform des Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteils gezeigt. Das Bauteil 20 weist ein Substrat 22 aus elektrisch isolierendem, optisch durchsichtigem Material, z.B. Saphir, auf. Auf einer Oberfläche des Substrats 22 ist ein Körper 24 aus N-leitendem kristallinem Galliumnitrid mit einer Leit-

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fähigkeit von etwa 10 mho aufgebracht. Auf der Oberfläche des leitenden Galliumnitridkörpers 24 ist ein dünner Körper 26 aus isolierendem kristallinem Galliumnitrid angeordnet. Die Galliumnitridkörper 24 und 26 können mittels der oben erwähnten epitaktischen Abscheidung aus der Dampfphase auf dem Substrat 22 niedergeschlagen sein. Während des Niederschlagprozesses wird zu Beginn wenig oder kein Akzeptor-Dotierstoff eingebaut, so daß der Ursprungsteil des niedergeschlagenen Galliumnitrids leitend ist und den leitenden Galliumnitridkörper 24 bildet« Nach Abscheidung eines leitenden Galliumnitridkörpers 24 der gewünschten Dicke wird genügend Akzeptor-Dotierstoff zugefügt, so daß isolierendes Galliumnitrid niedergeschlagen wird, weiches den isolierenden Galliumnitridkörper 26 bildet. Eine metallische Kontaktschicht 28, beispielsweise aus Indium, wird am Umfang des 'leitenden GaUiumnitridkörpers 24 aufgebracht, so daß die Schicht 28 als Kontakt an einer Seite des isolierenden Körpers 26 dient* Eine metallische Kontaktschicht 30, die ebenfalls aus Indium bestehen kann, wird auf der Oberfläche, des isolierenden GaUiumnitridkörpers 26 aufgebracht. Der Kontakt 28 kann-den isolierenden Galliumnitridkörper 26 überlappen, so lange der Abstand zwischen den Elektroden 28 und 30 im Vergleich zur Dicke des isolierenden Körpers 26 groß ist. Änsohlußleitungen 32 und 34 sind an den Kontaktschichten 28 bzw. 30 angeschlossene

Wenn die Anschlußleitungen 32 und 34 an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden, so daß zwischen den Kontakten 28 und 30 ein Gleichstrom fließt, wird vom isolierenden Galliumnitridkörper 26 Licht emittiert. Das Licht kann durch das Substrat 22 und den leitenden

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Galliumnitridkörper 24 "beobachtet werden. Das vom isolierenden Galliumnitridkörper 26 emittierte Licht besitzt in Abhängigkeit von der Konzentration der Akzeptor-Dotierstoffe im isolierenden Galliumnitridkörper blaue ader grüne Farbe« Es zeigt sich, daß eine hohe Konzentration von Akzeptoren blaues Licht erzeugt, während eine niedrigere Konzentration zu grünem Licht führt.

In Fig. 3 ist eine weitere, in ihrer Gesamtheit mit bezeichnete Ausführungsform eines Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteils gezeigt. Das Halbleiterbauteil 36 weist ein Substrat 38 aus elektrisch isolierendem Material, z.B. Saphir, auf, wobei auf einem Abschnitt seiner Oberfläche eine erste Dünnschicht 40 aus leitendem Galliumnitrid aufgebracht ist. Auf dem verbleibenden Abschnitt der Oberfläche des Substrats 38 ist ein Körper 42 aus isolierendem Galliumnitrid in Form einer Dünnschicht aufgebracht, der sich über einen Abschnitt der ersten Dünnschicht 40 aus leitendem Galliumnitrid erstreckt. Eine zweite Dünnschicht 44 aus leitendem Galliumnitrid liegt auf der Oberfläche des Körpers 42 aus isolierendem Galliumnitrid. Die zweite Schicht 44 aus leitendem Galliumnitrid erstreckt sich über den Abschnitt des Körpers 42 aus isolierendem Galliumnitrid, der auf der Oberfläche des Substrats 38 liegt und über einen Abschnitt des Körpers 42, der über der ersten Schicht 40 aus leitendem Galliumnitrid liegt. Auf diese Weise liegt ein Teil des isolierenden Galliumnitridkörpers 42 sandwichartig zwischen leitenden Galliumnitridschichten 40 und 44. Auf den Oberflächen der leitenden Galliumnitridschichten 40 bzw. 44 sind Metallkontakte 46 und 48 vorgesehen. Die erste leitende Galliumnitridschicht 40 und der Metallkontakt 46 dienen als elektrischer Anschlußkon-

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takt an eine Seite des isolierenden Galliumaitridkörpers 42 und die zweite Galliumnitridschicht 44 und der Metallkontakt 48 dienen als elektrischer Anschlußkontakt an die andere Seite des isolierenden Körpers 42„

Das Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil 36 kann, wie in Fig, 4 gezeigt, durch Beschichtung der Oberfläche eines Scheibchens 50 aus elektrisch isolierendem Material mit voneinander entfernten, parallelen, dünnen, schichtartigen Streifen 52 aus leitendem Galliumnitrid hergestellt werden. Dies kann so erreicht werden, daß zunächst Maskierschichten, "beispielsweise aus Siliziumdioxid, auf den Abschnitten der Oberfläche des Scheibchens aufgebracht werden, welche die Zwischenräume zwischen den Streifen 52 bilden sollen. Anschließend werden die Streifen 52 durch die oben erwähnte epitaktische Abscheidung aus der Dampfphase niedergeschlagene Nach Entfernen der Maskierschicht, beispielsweise durch chemisches Ätzen, zum Freilegen der Oberfläche des Scheibchens 50 zwischen den Streifen 52, werden mittels epitaktischer Absdi eidung aus der Dampfphase Dünnschichtstreifen 54 aus isolierendem Galliumnitrid auf den freiliegenden Abschnitten der Oberfläche des Scheibchens 50 niedergeschlagen,, Jeder der isolierenden Galliumnitridschreifen 54 erstreckt sich auch über die Randabschnitte der beiden benachbarten Streifen 52 aus leitendem Galliumnitrid, Vor dem Abscheiden der isolierenden Galliumnitridstreifen 54 wird eine Maskierschicht auf den Mittelabschnitt jedes leitenden Galliumnitridstreifens 52 aufgebracht, wodurch die Fläche jedes der isolierenden Galliumnitridstreifen 54 begrenzt wird. Nach dem Abscheiden der isolierenden Galliumnitridstreifen 54 werden die Randabschnitte der isolierenden Galliumnitridstreifen 54 und die mittleren Abschnitte der lei-

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tenden Galliumnitridstreifen 52 mit einer Maskierschicht belegt. Ein weiterer Satz von Dünnschichtstreifen 56 aus leitendem Galliumnitrid wird dann durch Dampfphasen-Epitaxie auf den freiliegenden Mittelabschnitten der isolierenden Galliumnitridstreifen 54 niedergeschlagen. Nach Entfernen der Maskierschichten werden schmale langgestreckte Kontaktstreifen 58 aus elektrisch leitendem Metall auf dem Mittelabschnitt jedes der elektrisch leitenden Galliumnitridstreifen 52 und 56 aufgebracht. Die Kontaktstreifen 58 können auf bekannte Weise, beispielsweise mittels Vakuumaufdampfen durch eine Maske, aufgebracht werden» Das Scheibchen 50 und die verschiedenen Schichten auf ihm werden dann in der in Fig. 4 durch die gestrichelten Linien angedeuteten Weise entlang der Mittellinien der Kontaktstreifen 58 zerteilt. Hierdurch wird das Scheibchen in einzelne Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteile 36 aufgeteilt«,

Im Gebrauch werden die Kontakte 46 und 48 des Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteils 36 an eine elektrische Gleichstromquelle angeschlossen. Hierdurch fließt ein Strom durch die isolierende Galliumnitridschicht 42 zwischen den leitenden Galliumnitridschichten 40 und 44. Dabei wird in der isolierenden Galliumnitridschicht 42 Licht erzeugt, und dieses Licht wird von der Schicht emittiert. Das Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil 36 kann als Einzellichtquelle verwendet werden, oder eine Vielzahl der Bauteile kann zur Bildung einer Anzeige, z.B. einer numerischen Anzeige, in einem gewünschten Muster angeordnet werden.

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Claims

RCA Corporation, 30, Rockefeller Plaza, New York. N.-Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche;

IJ Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil, gekennzeichnet durch einen Körper (14; 26; 42; 54) aus isolierendem, kristallinem Galliumnitrid und durch ein Paar von an entfernten Stellen an den Körper elektrisch angeschlossenen Kontakten (16, 18; 28, 30; 46, 48; 58).
2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (14; 26; 42; 54) eine zur Kompensation sämtlicher im Körper vorhandener Donatoren hinreichende Menge von'Akzeptor-Dotierstoffen enthält, so daß der Körper isolierend ist.
3. Halbierterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet , daß wenigstens einer der Kontakte (28; 46, 48; 58) ein Gebiet (24; 40, 44; 52, 56) aus elektrisch leitendem, kristallinem Galliumnitrid aufweist, welches an einer Oberfläche des Körpers (26; 42; 54) anliegt.
4. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Kontakt (46, 48; 58) ein Gebiet (40, 44; 52, 56) aus elektrisch leitendem, kristallinem Galliumnitrid aufweist, und daß wenigstens ein Abschnitt des Körpers (42, 54) sandwichartig zwischen den Gebieten liegt.

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5. Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet daß der Körper (12; 24; 42; 54) auf einem Substrat (10; 22; 38; 50) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist ο

6, Halbleiterbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein GeMet (24) aus elektrisch leitendem, kristallinem Galliumnitrid zwischen dem Substrat (22) und dem Körper (26) liegt, und daß ein Metallkontakt (28) am elektrisch leitenden Gebiet (24) und ein Metallkontakt (30) am Körper (26) angeschlossen ist,

7· Halbleiterbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Abschnitt einer Oberfläche des Substrats (38; 50) eine erste Schicht (40; 52) aus leitendem, kristallinem Galliumnitrid vorgesehen ist, daß der Körper (42, 54) als auf der Oberfläche des'Substrats liegende und einen Abschnitt der ersten Schicht (40; 52) überlappende Schicht ausgebildet ist, und daß eine zweite Schicht (44; 56) aus leitendem, kristallinem Galliumnitrid auf dem Körper (42); 54) vorgesehen ist, die einen Abschnitt der ersten Schicht (40; 52) überlappt, so daß ein Teil des Körpers sandwichartig zwischen den beiden Schichten liegt.

8, Halbleiterbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß getrennte metallische Kontaktstreifen (46, 48; 58) auf jeder der Schichten (40, 44; 52, 56) vorgesehen sind.

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