DE2259197A1 - Elektrolumineszierende diode - Google Patents

Elektrolumineszierende diode

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DE2259197A1
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Matthew Kuhn
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Description

Western Electric Company, Inc. D'Asaro 9-4-1 New York N.Y. V.St.A.
Elektrolumineszierende Diode
Die Erfindung betrifft' ein elektroluminsezierendes Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat aus lichtdurchlässigem Halbleitermaterial, einer eine Oberfläche des Substrats bedeckenden Schicht aus halbleitendem Material eines ersten Leitungstyps und einer zur Bildung eines pn-Übecgangs im Anschluß an einen Abschnitt der Schicht gebildeten Zone aus halbleitendem Material von entgegengesetztem Leitungstyp.
" hat
Die Stiitzleiter-Technik (beam-lead-Technik'1 auf dem Gebiet der elektrolumineszierenden Dioden zu erheblichen Verbesserungen geführt. Neben der Erleichterung von Kontaktierungen an integrierten Anordnungen"ljregt ein weiterer Vorteil, von Stützleiter—Dioden in ihrem verglichen mit durch Drähte verbundenen Dioden höheren Lumineezenzwlrkungsgrad. Da die' Stützieiter auf einer Oberfläche der Diode gebildet werden, kann durch die gegenüberliegende Oberflache Licht hindurch.treten, ohne von irgendeinen Kontakt behindert zu werden. Durch möglichst reflektierende Herstellung der Leiter kann die L.ichtemission weiter erhöht werden. Außerdem ist bein» 3tützleLter-Aufbau kein hochdotiertes Sxzbstret erforderlich, so daß der Lichtdurchtritt durch das Substrat von.,Dotierstoffen relativ wenig behindert ivLiö.
BAD
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Übliche bekannte Stützleiter—Baue]entente wurden mit niedergeschlagenen Oxydschichten zur Passivierung des pn-übergangs und zur Herstellung der notwendigen Isolation für einen coplanaren Kontakt versehen. Diese Oxydniederschlage hatten jedoch eine schlechte ftftuης auf dem Halbleitermaterial, so daß die Zuverlässigkeit der Stützleiter-Haftung verschlechtert war. *'
Dieses Problem wird bei einem elektrolumineszierenden Halbleiterbauelement der eingancjs erwähnten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Isolierzone, die aus zur Umwandlung eines ausgewählten Bereichs an der von der Schicht und der Zone aus Halbleitermaterial gebildeten Oberfläche durch Protonenbeschuß zu isolierendem Material umgewandeltem Halbleitermaterial besteht, so. daß der pn-übergang passiviert und die Schicht isoliert ist, und durch Stützleiterkontaktanschlüsse auf der Oberfläche.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher·erläutert, und zwar zeigt bzw. zeigen:
Fig. 1 bis 8 Schnittansichten einer erfindungsgemäßen elektrolumineszierenden Diode in aufeinanderfolgenden Herst el lungs stuf en;
Fig. 9 ein Diagramm des spezifischen Widerstands von GaP als Funktion der Protonendosis gemäß einem Ausführung^- be.is.piel der Erfindung; und
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Fig. 10 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht •; eines Abschnitts einer Anordnung von elektrοluminesezierenden Dioden gemäß einem anderen Ausführimgsbei— spiel der Erfindung. ■ - - -- ■
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird Protonenbeschuß , zur Bildung von passiVierenden und isolierenden Zonen.im Halb-/ leiterkristall selbst.angewarri: anstelle der Verwendung/von „ schemisch niedergeschlagenen Oxyden auf der Oberfläche,- wie beim Stand der Technik. Erfindungεgemäß kann der pn-übergang durch Kristallzüchtung im Epitaxiverfahren aus flüssiger Phase gebildet werden, so daß der Übergang bis, zur Oberfläche 'des Halbleiterkristalls reicht. Metallkontakte werden auf der Oberfläche aufgebracht, um die n- und p-leitenden Zonen zu kontaktieren. Die Oberfläche wird dann mit einem Protonenstrahlbündel beschossen, um Isolierzonen innerhalb des Kristalls zu bilden, ■ wobei die Metallkontakte eine Maskenfunktion haben. Die~Kontakte-werden dann zu Stutz"leitern ausgebildet.
Die in den Fig. 1 bis 8 gezeigte Schrittfolge läßt die erfindungsgemäße Lehre am besten erkennen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich zwar auf GaP-Dioden, jedoch ist klar, daß das Erfindungsprinzip auch bei anderen elektrolumineszenten Bauelementen, beispielsweise Galliumarsenid- und Galliumarsenid-phosphid'-iioöen angewandt werden kann..
BAD
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In Fig. 1 ist auf einem η-leitenden Halbleitersubstrat 10 aus GaP eine Schicht 11 aus η-leitendem Tellur-dotiertem GaP durch Kristallzüchtung im Epitaxiverfahren aus flüssiger Phase in bekannter Weise aufgewachsen. Die Schicht 11 ist typischerweise bis zu einer Dicke von etwa 50 Mikrometer aufgewachsen'und weist
17
eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 6 bis 8 mal 10 Elektronen/cm auf. Da beim Betrieb des fertigen Bauelements kein Strom im Substrat 10 fließen muß, kann ein undotiertes Substrat hohen spezifischen Widerstands verwendet werden. Hierdurch w&d der äußere Elektrolumineszenzwirkungsgrad des Bauelements infolge verringerter absorptions freier Ladungsträger erhöht. Die Ladungsträgerkonzentration des Substrats kann beispielsweise bei etwa 10 Elektronen/cm oder weniger liegen. Daher wird die normalerweise mit dem Dotieren des Substrats verbundene chemische Verunreinigung, welche die Lebensdauer des Bauelements beeinträchtigen kann, verhindert. Zur Bildung des pn-Übergangs wird epitaktische Kristallzüchtung aus der Flüssigphase angewandt, da hierbei Schichten mit besseren Elektromineszenseigenschaften erzeugt werden, als die gegenwärtig mit Dampfphasen—Epitaxie oder mit Diffusionsverfahren möglich ist. Solche Verfahren können jedoch, wenn erforderlich, ebenfalls angewandt werden·
In Fig. 2 ist mittels eines geeigneten Ätzmittels, beispielsweise einer wässrigen Lösung von V.'asserstoffperoxyd und Schwefelsäure, eine etwa 25 Mikrometer tiefe Vertiefung in die epitaktische Schicht eingeritzt. Dann ist, v.'ie in Fig. 3 gezeigt ist, ---ine r-1 ei ten do Schicht aus Zi :\k-cot irrt ^m Γ-,^Ρ epi taktisch ?.-:f c-:r
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Schicht 11 aufgewachsen, welche die Vertiefung ausfüllt und einen pn-übergang an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten bildet. Die Ladungsirägerkonzentration in der Schicht
17 3
12 liegt typischerweise bei 2 bis 4 mal 10 Löchern/cm .
Das Bauelement wird dann zur Freilegung der.darunterliegenden η-leitenden Schicht 1,1 derart in hinreichender Tiefe geätzt oder poliert, daß die n— und p—leitenden Zonen eine ebene Oberfläche bilden. Der pn—Übergang zwischen den beiden epi— taktischen Schichten verläuft dann bis zur vOberfläche des Bauelements, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Eine Reihe weiterer Verfahren können im Rahmen des Erfindungsgedankens zur Erzielung des in Fig. 4 gezeigten Aufbaus verwendet werden, z.3. . Ioneninplantations— und Diffusionsverfahren.
In der in Fig. 5 gezeigten Verfahrensstufe sind Metallkontakte
13 und 14 auf der Oberfläche des Bauelements aufgebracht, um elektrische Kontakte an der p— bzw. n—leitenden Zone herzustellen. Der Kontakt der p-leitenden Zone 13 ist eine Akzeptordotierte Metallschicht, beispielsweise eine Beryllium-dotierte Goldschicht, während der Kontakt an der η-leitenden Zone 14 ein Donator-dotiertes Metall, beispielsweise Silizium-dotiertes Gold ist. Das Metall vird mittels bekannter Verfahren, beispielsweise durch Zerstäubung oder Dampfniederschlagung, auf der Oberfläche aufgebracht, wobei zur Erzeugung der in Fig. 5 gezeigten Geometrie bekannte Maskierverfahren Anwendung finden.
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Das Bauelement kann dann für eine Zeitdauer von etwa fünf Minuten auf etwa 600° C erwärmt werden, um ohmschen. Kontakt herzustellen.
Diese Kontakte dienen auch als Maske für den anschließenden
so Protonenbeschuß und müssen deshalb in hinreichender Dicke abgeschieden werden,, daß Sie als Sperre für das Protoenenstrahlbündel wirken. So reicht beispielsweise bei Gold eine Dicke von 3 Mikrometer aus für einen Protonenbeschuß von 5OO keV. Im allgemeinen ist etwa 1 Mikrometer Dike des Metalls für eine Steigerung der Protonenenergie von jeweils 100 keV. erforderlich. .
Beim nächstenjin Fig. 6 gezeigten Schritt wird die Oberfläche der Diode einem Protonenbeschuß zur Bildung einer Zone 15 hohen spezifischen Widerstands innerhalb des Halbleiterkristalls in dem von den Metallkontakten freigelassenen Bereich ausgesetzt. Die isolierende Schicht 15 dient zur Passivierung des pn-Übergangs an der Oberfläche und darüber hinaus zur Isolierung der η-leitenden Schicht gegen den anschließend gebildeten Stützleiter. Unter "Passivierung" ist zu verstehen, daß eine elektrische Oberflächenstabilität erreicht wird, um beispielsweise Kriechströme zu unterdrücken.
Es wurde gefunden, daß ein "Protonenstrahlenbundel bei 300 keV
14 2
und beim Beschüß mit 4 mal 10 Frotonen/cm eine etwa 24 Mikrometer dicke Schicht erzeugt, wobei der spezifische Widerstand
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des Kristalls um etwa 8 mal 30 i»—cm erhöht wird. Selbstverständlich können die Werte der Protonenenergie und des "Be-Schusses" in Abhängigkeit von speziellen Anforderungen ah den spezifischen Widerstand und die Eindringtiefe variiert werden. Hinsichtlich der Beschußdosis sollten verschiedene Faktoren berücksichtigt werden.' Es wurde gefunden, daß der spezifische Widerstand eines GaP-Kristalls ein Maximum bei einer Protonen—
dosis von etwa 4 mal 10 Protonen/cm erreicht und bei höheren zugeführten -Dosif=v;erten wieder abfällt, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Dies "ist offensichtlich das Ergebnis einer Überkompehsation von freien Ladungsträgers im Kristall durch die Protonenbesträ*- lung. Darüber hinaus wird die mit Protonen beschossene Zone undurchsichtig, wenn die Dosis hoch ist. Diese optische Absorption kann durch nachfolgende Warmbehandlung eliminiert werden, während der hohe spezifische Widerstand erhalten bleibt. Eine für den vorliegenden Zweck geeignete typische Wärmebehandlung ist eine Erwärmung auf etwa 400 C für eine Zeitdauer von 10 Minuten, obgleich auch, e,in Bereich von 300 bis 600 C für eine. Stunde bis fünf Minuten■angewendet werden kann. Alternativ kann das« Problem der optischen Absorption durch Beschüß mit Dosiswerten unterhalb
15 2 '
von 10 Protonen/cm Verringert -werden, bei denen keine wesentliche Absorption erzielt, wird. Ein brauchbarer Dosisbereich für GaP mit einer Ladungsträgerkonzentration von etwa 2 bis 8 mal
17 2 14 ' 17 ti
10 Ladungsträgern/cm liegt daher bei etwa 10 bis 10 ro-
2 · ■
tonen/cm . Derselbe Dosisbereich ist bei GaAs aus.den gleichen
Gründen anwendbar. ■ ■ " "
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Bei elektroluminesziorenden Stützleiter-Bauelementen ist es im allgemeinen erforderlich, denjipezifischen Widerstand des Kristalls um wenigstens 10 *& cm anzuheben, um eine ausreichende Isolation zu erhalten, und die Dosisintensität kann entsprechend eingestellt v/erden. Die Tiefe der Zone hohen spezifischen Widerstands liegt bei etwa einem Mikrometer für jede Erhöhung von 100 keV der Protonenenergie.
Aus den hier getroffenen Erörterungen ist ersichtlich, daß Protonenbeschuß mit nachfolgendem Kontaktieren undfnit Stützleiter-Fabrikation voll verträglich ist.
Die Anwendung von Protonenbeschuß zur Bildung von Isolierzonen bietet wenigstens zwei Vorteile gegenüber den bekannten Bauelementen, welche eine separate Isolierschicht erfordern. Erstens wird eine starke Stützleiterhaftung erzielt, da die Isolierzone Teil des Kristalls selbst ist. Zweitons wird der Herstellprozeß vereinfacht, weil durch die chemischen Eigenschaften einer zusätzlichen Schicht aus Isoliermaterial gegebene Begrenzungen nicht berücksichtigt werden müssen.
Es muß jedoch auf gewisse Beschränkungen hinsichtlich der Art der erfindungsgemäß zu verwendenden Halbleiterverbindungen hingewiesen werden. Insbesondere muß die Bandlücke des Halbleiters breit genug sein, so daß in der verbotenen Zone eingeschlossene Ladungsträger in den mit Protonen beschossenen Gebieten nicht infolge von terni scher Energie bei Raum temperatur das L itf iihic-
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band erreichen. So istybeispielsweise ein Material wie Germanium nicht geeignet. Im, allgemeinen kann angenommen werden, daß das erfindungsgemäße Prinzip auf jedes Halbleitermaterial anwendbar ist, einschließlich binärer, ternärer und quadrinärer Verbindüngen, die eine Bandlücke von wenigstens IeV besitzen. Beispiele für verwerfbare Materialien für elektrolumineszierende Bauelemente sind neben GaP GaAs, GaAlAs und·GaAsP.
Nach dem Protonenbeschuß können die Kontakte aufgebracht werden, um Stützleiter 17 und 18 zu bilden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Stützleiter können nach einer Vielzahl von bekannten Verfahren und metallogischen Kombinationen hergestellt werden. Ein geeignetes Verfahren ist das Niederschlagen eines saktionsfähigen Metalls, beispielsweise Chrom, auf ausgewählten Bereichen des Kristalls unter Verwendung bekannter Maskierverfahren, gefolgt von einem Elektroplattieren von Gold auf diesen Gebieten und dem Aufbau von Stützleitern von etwa 10· Mikrometer Dicke auf den Metal!kontakten. Ein"alternatives Verfahren besteht in .der Abscheidung dünner Chrom- und Goldschichten auf dem gesamten Scheibchen vor der Bildung der Metallkontakte. Die Kontakte werden dann nach dem Einätzen von Öffnungen in diese Schicht auf den. n— und p-leitenden Zonen aufgebracht. Nach dem Protonenbeschuß wird unter Verwendung von Photolakverfahren auf selektiven Flächen Gold elektrogalvanisch aufgebracht, um die Stützleiter in der gewünschten Geometrie zu bilden, und die freiliegenden Chrom- und Goldschichter. werden abgeätzt. " - '
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Jm Abschlußschritt wird das Scheibchen von der Rückseite aus zarteilt und mit einer beispielsweise aus H20„ und HpSO- bestehenden Lösung geätzt, so daß die Stützleiter über die ^ des Bauelements vorstehend, und das Substrat wird zur Erzielung einer maximalen Lichtübertragung abgerundet. Das fertige Bauelement ist in Fig. 8 gezeigt.
Es ist ersichtlich, daß der hier verwendete Ausdruck "Stützleiter" nicht auf ein spezielles Material oder spezielle Materialschichten begrenzt ist. Er bezieht sich auf jeden elektrischen Kontakt, der außerdem eine strukturelle Halterung für das Bauelement bildet, wenn es mit anderen Schaltungselementen zusammengeschlossen ist. Das Verfahren wurde hier im Zusammenhang mit der Herstellung.eines einzelnen Diodenaufbaus beschrieben. Es ist klar, daß die erörterten Prinzipien auf die planare gruppenweise Verarbeitung mehrerer Bauelemente auf einem Einzelscheibchen und bei der Herstellung von integrierten Anordnungen von Bauelementen angewandt werden können. Ein Beispiel einer XY-Anordnung von·Bauelementen ist in Fig. 10 gezeigt. Die mit Protonen beschossenen Zonen 15 sind in der Fig. angezeigt und haben die gleiche Funktion der Passivierung und Isolation. Überkreuzungen sind durch die η-leitende epitaktische Schicht 11 geschaffen. Pabei wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß keine dieser Fig. maßstäblich gezeichnet ist.
Vielter ist festzuhalten, daß ein Bauelement von Mesastruktur in gleicher V/eise nach den vorstehend diskutierten Prinzipien hergestellt werden kann. Der pn-übergang wird in diesem Fall durch
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Niederschlagen freier Schichten als Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyp auf einem Substrat gefolgt von einem anschließenden Abätzen der Oberfläche der obersten Schicht in
en
selektiven Bereich zur Herstellung der Mesastruktur gebildet.
Der Protonenbeschuß 'erfolgt wie im Falle eines planare.n Aufbaus. Stützleiter werden dann in einem quasi planaren-Muster erzeugt.
BAU: ORIGINAL
3 0 9823/0853

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    Elektrolumineszierendes Halbleiterbauelement mit'einem
    Halbleitersubstrat aus lichtdurchlässigem Halbleitermaterial,
    einer eine Oberflache des Substrats bedeckenden Schicht aus
    halbleitendem Material eines ersten Leitungstyps und einer
    zur Bildung eines pn- Übergangs im Anschluß an einen Abschnitt der Schicht gebildeten Zone aus halbleitendem Material von
    entgegengesetztem Leitungstyp, gekennzeichnet durch d.ne Isolierzone (15) aus Halbleitermaterial, das zur Umwandlung in Isoliermaterial in ausgewählten Bereichen an der von der Schicht (11) und der Zone (12) aus Halbleitermaterial gebildeten Oberfläche
    der
    mit Protonen beschossen ist, so daß pn-übergang passiviert und die Schicht isoliert ist, und durch Stützleiterkontakte (17, 18) auf der Oberfläche.
  2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (12,) und die Schicht (11) aus halbleitendem Material
    eine ebene Oberfläche bilden.
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (12) und die Schicht (11) einen Mesa-Aufbau bilden.
  4. 4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material eine Bandlücke von wenigstens 1 eV hat. '
    BAD ORiGfNAL
    30 9823/0853
    .
  5. 5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material aus der GaP, GaAs, GaAlAs und GaAsP enthaltenden Gruppe gewählt ist.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung eines eläctrolumineszierenden«Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche eines lichtdurchlässigen Halbleiterscheibchens eine Schicht aus halbleitendem Material, eines ersten Leitungstyps gebildet wird, daß im Anschluß an einen
    - Abschnitt 'der so gebildeten Schicht eine Zone aus halbleitendem Material von entgegengesetztem Leitungstyp gebildet wird, so daß an der von der Zone und der'Schicht gebildeten Oberfläche ein freiliegender pn-übergang entsteht, daß in elektrischen Kontakt mit der Zone.und der Schicht stehende metallische Kontakte auf der Oberfläche niedergeschlagen werden, daß der so erhaltene Aufbau mit einem ProtonenstrahTbündeil beschossen wird, so daß an der freiliegenden Halbleiter-Oberfläche eine isolierende Zone im halbleitendem Material entsteht, und daß an den Kontakten Stützleiter aufgebaut werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
    ■ ' 14 " 17
    Protonenbeschuß mit einer Protonendosis von 10 bis 10
    2 -
    Protonen/cm durchgeführt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Protonenbeschuß mit so hinreichender Dosis durchgeführt wird, daß eine Erhöhung des spezifischen V/iderstands von wer.icscens "0 -^- cm erreicht wird.
    BAD 309823/0 8 53
    Leerse ί f e
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