DE2445956A1

DE2445956A1 - Verfahren zur herstellung von kugelfoermigen lumineszenzdioden durch selektivepitaxie

Info

Publication number: DE2445956A1
Application number: DE19742445956
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing Grad Gramann; Dietrich Dipl Ing Hoeppner; Grete Johannsen; Winfried Dipl Phys Dr Rogalla
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-09-26
Filing date: 1974-09-26
Publication date: 1976-04-15

Description

"Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Lumineszenzdioden durch Selektivepitaxie" Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Leucht-oder Lumineszenzdioden.
Lumineszenzdioden werden zum größten Teil aus intermetallischen halbleitenden Verbindungen, insbesondere aus GaAs oder GaAs P hergestellt, wobei ein diffundierter #n-Übergang gebildet wird. Bekannt sind zum Beispiel durch die DT-OS 2 164 092 prismen- oder scheibenförmige IJumineszenzdioden mit einem nahe einer Scheibenhauptfläche, parallel zu dieser verlaufenden ebenen pn-t'tergang. Zur Verwendung als Ziffernanzeigeelemente vorgeschlagen wurden beispielsweise auch balkenförmige Leuchtdioden, ebenfalls mit einem parallel zu einer Balkenhauptfläche verlaufenden pn-Übergang.
Die Emission von sichtbarem oder unsichtbarem Licht entsteht im Diodenkörper bei einer unter Gleichspannung von etwa 1,5 Volt in Flußrichtung des pn-Überganges betriebenen Diode dadurch, daß Elektronen in die p-Zone der Zweizonenstruktur injiziert werden, wo dann größtenteils Rekombinationen mit Löchern unter Freisetzung der Lichtstrahlung geschehen. Das hierdurch entstehende Licht wird bei Galliumarsenid wegen des verhältnismäßig hohen Brechungsindex von 3,5 (gegenüber Luft bzw. -Vakuum) und des daher entsprechend kleinen Grenzwinkels der Totalreflexion zum größten Teil in den Diodenkörper zurückreflektiert.
Um zu erzielen, daß der größte Teil des erzeugten Lichts nicht in den Diodenkörper zurückreflektiert wird, sondern aus dem Diodenkörper heraustreten kann, so daß der größte Teil der zugeführten elektrischen Leistung als Licht ausgestrahlt und die Lichtausbeute entsprechend groß wird, ist eine kugelförmige Austrittsfläche des Diodenkörpers erforderlichv Durch "IEEE Transactions of Electron." Devlces ED-12, 537 (1965) und "Applied Phys. Letters" 19, 4 (1971) bekannt sind kugelförmige Lumineszenzdioden, an deren Durchmesserebenen eine np-Zonenstruktur epitaxial aufgebracht und im mittleren Teil mesaförmig ausgebildet ist. Bei der Herstellung derartiger kugelförmiger Dioden ergeben sich technologische Schwierigkeiten bei der Ausführung einer dabei notwendigen Mesaätzung zur Verringerung der ganzflächig gewachsenen pn-Übergangsflächen und bei der Ausführung eines Photolackprozesses auf der Mesaoberfläche zur Lokalisierung und Abgrenzung von überaus klein bemessenen Deilflächen, an welchen Kontaktteile und Lotschichten angebracht werden. Da diese als Elektroden solcher Dioden dienenden Kontaktteile nicht in einer Ebene liegen, bereitet auch das Schleifen des Diodenkörpers zu einer Kugel Schwierigkeiten. Da übrigens der pn-Übergang bei den fertigen Dioden außerhalb der Halbkugel liegt, tritt ein Teil des erzeugten Lichts seitlich am pn-Übergang unausgenützt heraus. Außerdem hat ein solcher freiliegender pn-Übergang keine lange Lebensdauer.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Herstellung von halbkugelförmigen Lumineszenzdioden durch Selektivepitaxie, wobei von einer geradzahligen Anzahl Scheiben aus einem Substrat einer halbleitenden intermetallischen Verbindung, welche eine Starkdotierung mit einem einen Beitungstyp des Substrats bildenden Stoff enthält, ausgegangen wird, und auf jeweils einer Hauptfläche der polierten Substrat scheiben eine Passivierungsschicht aufgebracht wird, welche mit Maskenöffnungen für die Selektivepitaxie zur Ausbildung von Dioden-Zonenstrukturen in jeweils einer Scheibe versehen wird.
Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das vorangehend erläuterte Verfahren so einzurichten, daß damit, um die oben dargelegten technologischen Schwierigkeiten zu umgehen, und die Lichtausbeute und die Lebensdauer zu erhöhen, kugelförmige Lumineszenzdioden ohne freiliegenden pn-Übergang hergestellt werden können.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch zu lösen, daß durch Anwendung der Flüssigphasenepitaxie mit Material des Substrats zunächst flache Vertiefungen aus den in den Maskenöffnungen freigelegten Stellen der Hauptflächen der Substratscheiben herausgelöst werden und daraufhin in den Vertiefungen Material des Substrats mit einem amphoter dotierten pn-Übergang bei Temperaturen um 800 °C epitaxial aufgewihsen wird, woraufhin in bekannter Weise Netallkontakte an dem aufgewachsenen Substratmaterial sowie auch ringförmige, die Maskenöffnungen einschließende und ajeweils mit einer Substratscheibe an der Hauptfläche verbundene Metallkontakte angebracht werden, welche allesamt mit Lotschichten versehen werden, und schließlich aus paarweise an den Lotschichten übereinander zentrierten Substratscheiben Würfel mit je einem Paar ausgebildeter Dioden herausgeschnitten und zu Kugeln geschliffen werden, die je zwei halbkugelförmige Dioden ergeben.
Um nach dem Verfahren gemäß der Erfindung Lumineszenzdioden mit einer etwa zweimal größeren Lichtausbeute als bei den bekannten Dioden herstellen zu können, werden einer weiteren Ausbildung der Erfindung gemäß die freigelegten Stellen der Hauptflächen der Substratscheiben zum Herauslösen der flachen Vertiefungen mit einer ungesättigten Schmelze des Substratmaterials benetzt und es wird daraufhin in diesen Vertiefungen eine amphoter mit Silizium dotierte Schmelze des Substratmaterials eingebracht, aus welcher durch Abkühlung der Schmelze auf Temperaturen unter 800 0 ein rekristallisierter pn-Übergang gebildet wird. Dadurch, daß hiernach die Vertiefungen mit Hilfe einer Schmelze herausgelöst werden, aus welcher alsdann Epitaxieschichten in den Vertiefungen gewonnen werden, können damit diese Vertiefungen vollständig benetzt werden, so daß keine Gaseinschlüsse entstehen.
Eine Ausführungsweise nach der Erfindung beruht auf der Verwendung von Galliumarsenid, indem ein aus n+ -dotiertem Galliumarsenid bestehendes Substratmaterial, und zur Epitaxie und Bildung der Dioden-pn-Übergänge in den flachen Vertiefungen eine amphoter mit Silizium dotierte, mit Gallium angereicherte und mit Galliumarsenid gesättigte Schmelze verwendet werden und diese Schmelze zur Bildung rekristallisierter pn-Übergänge von 860 OC auf 760 oC abgekühlt wird.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung hervor. Es zeigen Figur 1a bis 1e eine Darstellung des Herstellungsverfahrens mit fünf Fertigungsstadien Figur 2 den Aufbau im Durchmesserschnitt einer fertigen kugelförmigen Lumineszenzdiode.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und es sind die Vertikaldimensionen maßstäblich gedehnt dargestellt.
Bei der Herstellung von kugelförmigen Lumineszenzdioden nach der Erfindung hat man zunächst eine geradzahlige Anzahl von Substratscheiben 1 und 1', welche zum Beispiel aus einem mit Silizium starkdotierten GaAs mit n-Leitfähigkeit bestehen, für eine selektive Flüssigphasenepitaxie vorzubereiten.
Die Abmessungen der Scheiben werden nach der Anzahl der aus jeweils einer Scheibe herzustellenden kugelförmigen Dioden gewählt und zweckmäßig sind diese Abmessungen bei den einzelnen Scheiben jeweils gleichgroß.
Die Substratscheiben 1 werden jeweils an einer Hauptfläche H poliert und auf der polierten Hauptfläche eine Passivierungsschicht 2 zum Beispiel eine Schicht aus SiO2 aufgebracht.
Diese Oxidschicht soll als Maskierungsschicht für die Selektivepitaxie ausgebildet werden. Hierzu werden an den Stellen der Substratscheibenhauptflächen, an welchen eine Zweizonenstruktur für jeweils eine Diode epitaxial gebildet werden soll, mit einem geeigneten Fhotolackprozeß kreisförmige Maskenöffnungen 21 aus der Schicht 2 herausgearbeitet. Nach diesem Verfahrensschritt sind die Substratscheiben, wie in der Figur 1a an einem Ausschnitt aus einer Scheibe dargestellt, für die selektive Flüssigphasenepitaxie vorbereitet.
Die in den Maskenöffnungen 21 freigelegten Teile der Substratflächen H werden mit einer mit GaAs angereicherten und mit Silizium dotierten Ga-Schmelze benetzt, die bei der Kontakttemperatur nicht vollständig mit GaAs gesättigt ist und dadurch flache Vertiefungen 11, wie in Figur 1b dargestellt, aus den freigelegten Teilen der Hauptfläche H herauslöst.
Durch langsames Abkühlen der Schmelze von 860 °O auf 760 oG kristallisiert GaAs selektivepitaxial in den Vertiefungen 11, wobei durch Anwesenheit des amphoter dotierenden Siliziums zunächst eine n-leitende Schicht 13 wächst, die im Verlaufe des weiteren Wachstums von einer dickeren p-Schicht 12 gefolgt wird.
Der in einem einzigen Abkühlprozeß gewachsene pn-Übergang entsteht im vorliegenden Beispiel bei der Umschlagtemperatur Tu = 830 00. Die Oberflächen der aufgewachsenen erkalteten p-Zonen 12 schließen mit der Hauptfläche H etwa ab. Hiermit ist die selektive Flüssigphasenepitaxie beendet. Der erreichte Herstellungszustand bei der Zonenstruktur einer Diode ist in der Figur 1c dargestellt.
Bei den dann folgenden Verfahrensschritten können die hergestellten Zonenstrukturen der Dioden planartechnisch mit fünf weiteren Verfahrensschritten in bekannter Weise kontaktiert werden. Beispielsweise werden mit einem weiteren Verfahrensschritt dünne Metallschichten 14 auf die p-Zonen 12 aufgedampft, welche einen die p-Leitfähigkeit dieser p-Zonen erhöhenden Dotierstoff enthalten, so daß die Metallschichten mit den p-Zonen legiert werden. Alsdann werden die Passivierungsschichten 2 der Scheiben 1 ringförmig um jede Maskenöffnung herum abgetragen und an den dadurch freigelegten Teilen der Scheibenhauptflächen H ringförmige Metallschichten 15 aufgedampft und mit dem n+-Material der Substratscheiben 1 legiert. Mit einem weiteren Verfahrensschritt werden alsdann Lotschichten 16 zunächst ganzflächig auf die Metallschichten 14 und 15 und die verbliebenen Teile der Passivierungsschicht 2 aufgedampft und anschließend über den verbliebenen Teilen der Schicht 2 mittels einer photomaskentechnischen lokalisierenden selektiven Ätzung wieder abgetragen. Der damit erreichte Herstellungszustand ist an dem Beispiel einer nunmehr fertiggestellten einzelnen Lumineszenzdiode einer Substratscheibe 1 in der Figur 1d dargestellt. Es folgen nun noch Verfahrensschritte, um aus je einem Paar Substratscheiben 1, 1', bei welchen jeweils eine gleichgroße Anzahl Lumineszenzdioden fertiggestellt sind, die kugelförmigen Dioden herzustellen.
Die Substratscheiben werden paarweise an ihren Lotschichten 16, 16' in der Weise aneinander gefügt, daß die Metallschichten 14 und 14' sowie auch die ringförmigen Metallschichten 15 und 15' und die Lotschichten 16, 16', die mit einer Klebschicht versehen worden sind, zur Deckung kommen. Diese Aneinanderfügung wird zweckmäßig unter einem Mikroskop bei Durchleuchtung der Scheibenpaare 1, 1' mit Infrarotlicht ausgeführt. Unter Zuhilfenahme eines Bildwandlers erscheinen bei den Scheibenpaaren die Metallschichten mit den Lotschichten im Infrarotlicht dunkel und die übrigen Teile der Substratscheiben transparent, so daß die Lumineszenzdioden paarweise sehr genau miteinander zentriert werden können. Ist dies geschehen, so werden aus den Scheibenpaaren Würfel W ausgesägt, in welchen je ein zentriertes Paar Lumineszenzdioden enthalten ist. Diese Würfel können alsdann zu Kugeln K geschliffen werden. Die fertigen Kugeln werden schließlich in ein Bad verbracht, in welchem die Klebschichten zwischen den Lotschichten 16 und 16' aufgelöst werden, so daß die Kugeln in je zwei Halbkugeln, die fertiggestellten Lumineszenzdioden mit Halbkugelform, zerfallen.
Die fertiggestellten Lumineszenzdioden können nun, wie die Figur 2 zeigt, auf einem isolierenden Substrat 3, auf welchem eine in der Formgebung an die Metallschichten 14, 14', 15, 15' angepaßte Metallisierung 31 gebunden angeordnet ist, aufgebracht werden und diese Metallschichten mit der Metallisierung 31 mit Hilfe der Lotschichten 16, 16' durch Lötung verbunden werden.
Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren bildet die Flüssigphasenepitaxie, obwohl diese nur einen von insgesamt dreizehn Verfahrensschritten erfordert, den erfindungswesentlichen Bestandteil. Es sind nur wenige vorbereitende Ver-Tahrensachritte für die Ausführung der Flüssigphasenepitaxie notwendig. Die übrigen sich anschließenden Schritte können je nach Bedarf und unabhängig davon modifiziert und in bekannter Weise durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von halbkugelförmigen Ijumineszenzdioden durch Selektivepitaxie, wobei von einer geradzahligen Anzahl Scheiben aus einem Substrat einer halbleitenden intermetallischen Verbindung, welche eine Starkdotierung mit einem einen Leitungstyp des Substrats bildenden Stoff enthält, ausgegangen wird, und auf jeweils einer Hauptfläche der polierten Substratscheiben eine Passivierungsschicht aufgebracht wird, welche mit Maskenöffnungen für die Selektivepitaxie zur Ausbildung von Dioden-Zonenstrukturen in jeweils einer Scheibe versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwendung der Flüssigphasenepitaxie mit Material des Substrats zunächst flache Vertiefungen (11, 11') aus #den in den Maskenöffnungen (21, 21') freigelegten Stellen der Hauptflächen (H, H') der Substratscheiben (1, 1') herausgelöst werden und daraufhin in den Vertiefungen Material des Substrats mit einem amphoter dotierten pn-Übergang (13) bei Temperaturen um 800 0C epitaxial aufgewachsen wird, woraufhin in bekannter Weise Metallkontakte (14, 14') an dem aufgewachsenen Substratmaterial (12, 12') sowie auch ringförmige, die Maskenöffnungen einschließende und jeweils mit einer Substratscheibe an der Hauptfläche verbundene Metallkontakte (15, 15') angebracht werden, welche allesamt mit Lotschichten (16, 16') versehen werden, und schließlich aus paarweise an den Lotschichten übereinander zentrierten Substratscheiben Würfel (W) mit je einem Paar ausgebildeter Dioden (D, D') herausgeschnitten und zu Kugeln (K) geschliffen werden, die je zwei halbkugelförmige Dioden ergeben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freigelegten Stellen der Hauptflächen (H, H') der Substratscheiben (1, 1') zum Herauslösen der flachen Vertiefungen (11, 11') mit einer ungesättigten Schmelze des Substratmaterials benetzt werden und daraufhin in diesen Vertiefungen eine mit Silizium dotierte Schmelze des Substratmaterials eingebracht wird, aus welcher durch Abkühlung der Schmelze auf Temperaturen unter 800 0G ein rekristallisierter Dn-Übergang (13, 13') gebildet #ird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus mit Silizium n+-dotiertem Galliumarsenid bestehendes Substratmaterial und zur Epitaxie und Bildung der Dioden-pn-Übergänge (13, 1-3') in den flachen Vertiefungen (11, 11') eine mit Silizium dotierte, mit Gallium angereicherte und mit Galliumarsenid gesättigte Schmelze (12, 12') verwendet werden und diese Schmelze zur Bildung rekristallisierter pn-Übergänge von 860 °C auf 760 °C abgekühlt wird.