DE2457460A1 - Lichtemittierende oder -feststellende uebergangsdiode - Google Patents

Description

BLUMBACH < WESER ■ SERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN tHü / 4UU DIPL.-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL.-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

«2 WIESBADEN . SONNENBERGER STRASSE 43 ■ TEL. (04121) 562943,5*1998 MONCHlEN

Western Electric Company Incorporated Bachmann, K. J.

3-11-6-27 New York, N. Y. 10007, USA

Lichtemittierende oder -feststellende Übergangsdiode

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende' oder-feststellende Übergangsdiode mit einem kristallinen Indiumphosphid-Körper, der zur Bildung eines Übergangs p-leitende und η-leitende Teile enthält, und der eine Elektrodenanordnung für einen elektrischen Anschluß des Körpers aufweist.

Bis in jüngere Zeit bestand nur geringes Interesse an Indiumphosphid-Elektrolumineszenzbauelementen, da deren Bandabstandsenergie etwas geringer als diejenige von Galliumarsenid ist, welches in breitem Maß für Elektrolumineszenz und für Laseranwendungen verwendet worden ist. Dennoch kann mit Indiumphosphid-Elektfolumineszenz eine bessere Anpassung als mit Galliumarsenid an die Absorption frequenzwandelnder Leuchtstoffe wie LaF-j:Yb, En und andere Seltene-Erden-Leuchtstoffe, d. h. Leuchtstoffe, die im infraroten Bereich absorbieren und im sichtbaren Bereich emittieren, erzeugt werden. Hinzu kommt, daß die verlustärmste Wellenlänge für die neuen verlustarmen Quarzglasfasern in einem Wellenlängenbereich liegt, dessen Mitte

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bei etwa 1,05 Mikrometer liegt, und daß sie insbesondere potentiell einen längeren Wellenlängenbereich umfassen, der mit derzeitigen Injektionslasern, die auf Galliumarsenid- oder Galliumaluminiumarsenid-Technologien basieren, nicht ohne weiteres erzeugt werden kann. Aus früheren Arbeiten der Anmelderin mit Cadmiumzinnphosphid- und Indiumphosphid-Heterodioden ergab sich, daß"die Indiumphosphid-Elektrolumineszenz potentiell gut an dieses verlustarme "Fenster" der Quarzglasfasern angepaßt ist, wenn auch in den Heterodioden die Emission vom Cadmiumzinnphosphid vorherrschend ist. Die Bandbreitenenergie von Indiumphosphid ist höher als die von Cadmiumzinnphosphid. Wenn auch die abgestuften Übergänge, die man in den Heterodioden erhält, interessante Eigenschaften und Möglichkeiten für die Entwicklung bieten, ist es wünschenswert, die Emission in einem Material mit einer höheren Energiebandbreite als der von CdSnPp und unter Bedingungen zu erzeugen, unter welchen die Materialeigenschaften besser gesteuert werden können als in der Heterodiode.

Die aufgezeigten Probleme werden erfindungsgemäß mit einer Diode der eingangs beschriebenen Art gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß der η-leitende Teil des kristallinen Körpers Cadmium und Zinn in Mengen enthält, die wesentlich über Dotierungswerte hinausgehen, und daß Zinn in größerer Menge als Cadmium vorhanden ist, wobei (jedoch der größte Teil des Cadmiums zusammen mit einer gleichen Menge Zinn einen beträchtlich kleineren Teil Cadmiumzinnphosphid in dem Indiumphosphid

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bildet.

Gemäß der Erfindung wurde eine wirkungsvolle Elektrolumineszenz von einer Indiumphosphid-Homodiode erhalten, die zur Bildung eines Übergangs sowohl einen p-leitenden als auch einen n-leitenden Teil aufweist, wobei der η-leitende Teil stark mit Cadmium und Zinn kompensiert ist, jedoch unterhalb desjenigen Anteils, der den η-Teil vorwiegend zu einer Cadmium-Zinn-Phosphid-Zone machen würde. Somit bleibt die Diode eine Indiumphosphiddiode; jedoch ist zuvor weder in irgendeiner III - V-Halbleiterdiode irgendeine Zone so stark kompensiert worden, noch ist irgendeine frühere III-V-halbleitende lichtemittierende Diode stark mit den Bestandteilen kompensiert worden, die eine II-IV-V-Halbleiterzone erzeugen würden»

Vorteilhafterweise erzeugt die neue Diode über Λ% hinausgehende externe Quantenausbeuten, wie empirisch bestimmt worden ist. Und mit unterschiedlichen Kompensationsgraden mit Cadmium und Zinn erzeugen solche Dioden Wellenlängen im Bereich zwischen etwa 0,98 und 1,10 Mikrometer.

Die p-leitende Zone der Indiumphosphiddiode ist nach üblicher Weise mit Cadmium oder Zink dotiert und dient als Substrat für das epitaktische Aufwachsen der stark kompensierten Zone mittels Epitaxie aus flüssiger Phase.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden speziellen Beschreibung. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 eine teilweise bildliche und teilweise blockdiagrammartige Darstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen lichtemittierenden Diode;

Fig. 2 Temperaturkurven in Abhängigkeit von der relativen Löslichkeit in Molprozent für Indiumphosphid und Cadmiumzinnphosphid;

Fig. 3 relative Elektrolumineszenz-Emissionsintensitäten für unterschiedliche Zonen verschiedener erfindungsgemäßer Dioden;

Fig. 4 die Absorptionskurve, welche die Dämpfung in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine verlustarme Quarzglasfaser wiedergibt;

Fig. 5 Kurven zur Darstellung der Emissionen zweier Arten erfindungsgemäßer Dioden und einer Galliumarsenid-Elektrolumineszenzdiode;

Fig. 6 eine teilweise bildhafte und teilweise blockdiagrammartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Fotodetektordiode ;

Fig. 7 A und 7 B:eine Vorrichtung zum epitaktischen Züchten bei zwei unterschiedlichen Stufen des Verfahrens zur Herstellung der Dioden; und

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Fig. 8 eine Liquiduslinie genannte Kurve, die zur Erklärung des Züchtungsprozesses nützlich ist.

Fig. 1 betrifft eine Ausführungsform, bei welcher eine Lichtemission über Elektrolumineszenz - typischerweise im Infrarotbereich des Spektrums - von einer Indiumphosphid-(inP)-Diode erzeugt werden soll. Die Diode umfaßt einen p-leitenden Indiumphosphid Kristall 17, der typischerweise mit Cadmium oder Zink dotiert ist, und weist typischerweise eine höhere Bandbreitenenergie auf als die anschließende η-leitende Indiumphosphid-Epitaxieschicht 11, und zwar aus Gründen, die im Folgenden erklärt werden. Bei der n-^leitenden Schicht 11 handelt es sich typischerweise um eine epitaktisch auf dem Kristall 17 gezüchtete Schicht, so daß beide einerseits einen Einkristall und andererseits zusammen einen Übergang 20 an der Hauptfläche des Kristalls 17 bilden. Typischerweise wird die Elektrolumineszenz"der Diode nahe einer Seite dieses Übergangs erzeugt, wenn die Majoritätsträger von der anderen Seite dieses Übergangs in die aktive Schicht injiziert werden. Kontakt mit der Diode wird über die Kontakte 12 und 13 hergestellt, welche den Kristall 17 bzw. die Schicht 11 kontaktieren. Der Übergang wird zur Lichtemission in Vorwärtsrichtung vorgespannt, indem eine Gleichspannungsquelle 14 zwischen die Kontakte 12 und 13 geschaltet wird. Dabei liegt am Kontakt 12 und der p-Zone eine positive Polarität. In den Vorspannungskreis kann, wie dargestellt, ein geeigneter Schalter eingefügt werden. Die Diode kann sich in einer Temperatursteuerungsvorrichtung befinden, z. B. einem

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kleinen Kühlelement oder einem Gefäß mit flüssigem Stickstff, die man beide allgemein als Temperatursteuerungsvorrichtung einstufen kann.

Bei einer Diode, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wurde wirkungsvolle Elektrolumineszenz bei Raumtemperatur bei Wellenlängen in der Nähe des 1,05 Mikrometer-Fensters von verlustarmen Glasfasern beobachtet. Es wurden ein externer Wirkungsgrad von etwa 1% und mehr und Spitzenwertwellenlängen im Bereich zwischen 0,98 und 1,10 Mikrometer erhalten.

Man glaubt den Schlüssel für diese wirksame Emission in der Tatsache zu sehen, daß die η-leitende Indiumphosphidschicht 11 durch Dotierung sowohl mit Cadmium als.auch Zinn stark kompensiert ist, wobei das Zinn die n-Träger oder Elektronenerzeugt, wenn auch ein Teil des Zinns als p-Träger erzeugender Akzeptor vorhanden ist. Obwohl die Raumtemperatur-Bandbreitenenergie des Indiumphosphid 1,34 Elektronenvolt beträgt,(was einer Wellenlänge von 0,925 Mikrometern entspricht), vermag die starke Kompensation der Schicht 11 die Wellenlänge der Spitzenwertemissionsintensität sogar bis 1,10 Mikrometer zu verschieben. Offensichtlich können eine Variation des Kompensationsgrades und eine Variation des Verhältnisses der hinsichtlich Leitfähigkeit entgegengesetzten Dotierungswerte der Schicht 11 irgendeine Wellenlänge zwischen etwa der Bandeßergiewellenlänge und 1,10 Mikrometern erzeugen.

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Die Gesamtabmessungen der Diode "betragen etwa 1 mm entlang der schmalen Abmessung des Übergangs, 0,55 - 0,75 mm in der normal zum Übergang verlaufenden Lichtemissionsrichtung und etwa 1 bis 2 mm entlang der Längsabmessung des Übergangs. Diese Abmessungen sind zum großen Teil durch die Abmessungen des anfänglichen Substratkristalls 17 bestimmt, der an wenigstens 4 Oberflächen beklebt ist, um Oberflächenleiteffekte minimal zu machen. Eine typische Dicke der Epitaxieschicht 11 allein betrug etwa 0,15 bis etwa 0,25 mm. .

Die Elektrolumineszenzdiode gemäß Fig. 1 wurde dadurch hergestellt, daß auf dem p-leitenden zink- oder cadmiumdotierten Indiumphosphidkristall 17 die η-leitende Indiumphosphidschicht 11 mittels Flüssigphasenepitaxie aus einer Zinnlösung epitaktisch niedergeschlagen worden ist.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, besteht bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 600° C eine beachtliche Löslichkeit von Indiumphosphid in Zinn. Die Temperatur in Grad Celsius ist entlang der Ordinate oder vertikalen Achse und die in Molprozent angegebene Löslichkeit in Zinn ist entlang der Abszisse oder horizontalen Achse dargestellt. Kurve 21 zeigt die geeignete Charakteristik für Indiumphosphid. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Löslichkeit bei irgendeiner bestimmten Temperatur kleiner als die Löslichkeit von Cadmiumzinnphosphid in Zinn bei gleicher Temperatur ist, jedoch einen beträchtlichen Bruchteil davon einnimmt, wie durch Kurve 22 gezeigt ist.

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Bei einem typischen Beispiel für die Bauelementeherstellung wird eine vorgesättigte Schmelze mit 2,9% Indiumphosphid, 0,19ό Cadmiumzinnphosphid, 93% Zinn und 2% Phosphor auf 525⁰C erhitzt und für 15 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Der Ofen wird dann rasch auf 510° C abgekühlt und darauf gekippt, um die Lösung mit dem Substrat in Berührung zu bringen. Epitaktisches Aufwachsen wird dann dadurch herbeigeführt, daß der Ofen mit einer Rate von etwa 4° C pro Stunde bis etwa 15° C pro Stunde abgekühlt wird.

Hall-Me,ssungen an einer Indiumphosphidschicht 11, von welcher das Substrat 17 durch Polieren entfernt worden ist, zeigen

19 —^5 eine Elektronenkonzentration von 5 x 10 cm und eine Beweglichkeit von 230 cm /Volt Sekunden. Offenbar sind während des Züchtens der getesteten Dioden beträchtliche Zinnmengen in die Epitaxieschicht 11 gelangt. Röntgenstrahlen-Fluoreszenzmessungen an der erwähnten Hall-Probe zeigten das Vorhandensein von Zinn mit einem Anteil von etwa 0,2 %. Es wird angenommen, daß der Zinnpegel auf jeden Fall größer als etwa 0,15 Molprozent betragen sollte, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Auf Grund der begrenzten absoluten Genauigkeit der Röntgenstrahlenanalyse kann lediglich gesagt werden, daß der größte Teil des Zinn in Form von elektrisch aktiven Donatoren vorhanden ist. Für diese Kontrolluntersuchung wurde der Zinnlösung kein Cadmiumzinnphosphid beigefügt.

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Messungen an diesen Elektrolumineszenzdioden zeigten einseitig abrupte Übergänge, da C" bei Sperrspannungen bis zu 10 Volt linear mit der Spannung verlief. Die Steigungen wiesen auf

16 17 Dotierstoffkonzentrationen im Bereich von 10 bis 10 ' pro cnr hin, was für das p-Substrat 17 charakteristisch ist. Die elektrischen Eigenschaften der auf diesen relativ reinen Substraten gezüchteten Dioden waren ausgezeichnet. Gleichrichtungs-Verhältnisse bei 1 Volt Vorspannung betrugen typisch 10':1. In Vorwärtsrichtung wurde der Strom auf Grund der relativ reinen p-leitenden Substrate durch einen Serienwiderstand von etwa 10 bis 100 0hm begrenzt. Natürlich kann dieser Widerstandswert auf verschiedene Weise beträchtlich reduziert werden. Dies kann dadurch geschehen, daß das Substrat auf weniger als seine derzeitige Dicke von etwa 0,5 mm abpoliert wird oder dadurch, daß zunächst eine relativ reine p-leitende Schicht aus Indium-Zinn-Lösungen auf einem p-Substratkristall niedrigen spezifischen Widerstandes gezüchtet wird. Dioden, die auf stärker dotierten Substraten gezüchtet worden sind (N^ - N₀/größer oder gleich 10 pro cnr), zeigten übermäßige Vorwärts- und Rückwärtsströme, die nichtstrahlenden Tunnelströmen zugeordnet werden können.

Fig. 3 zeigt den Vergleich des Elektrolumineszenzspektrums von lichtemittierenden Indiumphosphiddioden, die aus einer Zinnlösung mit (Kurve 31) und ohne (Kurve 32) irgendeine Cadmiumdotierung gezüchtet worden sind, mit dem Fotolumineszenzspektrum des geringfügig zinkdotierten Substrats 17 (gestrichelte Kurve 33). Die relative Emissionsintensität ist ohne Einheitsangabe entlang der Ordinate oder vertikalen Achse aufgetragen. Die

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Wellenlänge in Mikrometern ist entlang der Abszisse oder horizontalen Achse dargestellt. Man kann sehen, daß beträchtliche Teile beider Elektrolumineszenzspektra bei längeren Wellenlängen auftreten als das Fotolumineszenzspektrum, dessen Zentrum bei der Energiebandbreite von Indiumphosphid entsprechend 0,925 Mikrometer liegt. Die relativ langwellige Emission der lichtemittierenden Dioden wird für beide durch die Kurven 31 und 32 dargestellten Fälle der zinndotierten Epitaxialschicht zugeschrieben. Bei ansonsten identischen Züchtungsbedingungen verschiebt die Zufügung von Cadmiumzinnphosphid zur Zinnlösung die Emission zu längeren Wellenlängen. Die internen Quantenausbeuten beider lichtemittierender Dioden betrugen bei Raumtemperatur etwa VA. Da die Dotierungswerte der Substrate typischerweise drei Größenordnungen kleiner als die Zinndotierung der Epitaxialschichten waren, ist es klar, daß die Quantenausbeute die erwartete Injektion von Minoritätsträgern (Löchern) in die Expitaxialschicht bei weitem überschreitet, eine Injektion, bei welcher die Ausbeute in der Größenordnung von 10""·^ liegen würde. Es ist wahrscheinlich, daß die hohen Konzentrationen sowohl von Cadmium als auch Zinn in der Epitaxialschicht 11 die Energiebandbreite wirksam verringern. Auch ist wahrscheinlich, daß die effektive Injektion von Minoritätsträgern in die Schicht, wie sie sich durch die wirksame Elektrolumineszenz bei langen Wellenlängen zeigt, auf Grund der hohen Konzentrationen von Cadmium und Zinn in der Schicht 11 beruht und deren Energiebandbreite relativ zum Substratkristall 17 wirkungsvoll reduziert.

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Es wurde herausgefunden, daß das Elektrolumineszenzspektrum der neuen Diode durch Veränderung der Züchtungsbedingungen beträchtlich variiert werden kann. In Fig. 5 sind die Elektrolumineszenzspektra zweier Indiumphosphiddioden verglichen, die erfindungsgemäß und unter identischen Bedingungen gezüchtet worden sind mit Ausnahme der Abkühlungsraten, die 3,7° pro Stunde für Kurve 51 und 15° pro Stunde für Kurve 52 betrugen. Der gesamte externe Wirkungsgrad dieser Planarbauelemente betrug 0,1 bzw. V/o, was einem internen Wirkungsgrad von etwa Λ% bzw. etwa 10% entspricht. Man kann sehen, daß die langsamere Abkühlungs- oder Züchtungsgeschwindigkeit die Elektrolumineszenzemission zu längeren Wellenlängen verschiebt, die Emission hinsichtlich der Wellenlänge verbreitert und sie effektiver macht. Die niedrigste Abkühlungsgeschwindigkeit könnte etwa 0,1° C pro Stunde betragen. Je nach gewünschter Anwendung des Bauelementes kann zwischen diesen Eigenschaften ein Kompromiß gewählt werden, um die optimale Züchtungsrate zu erhalten.

Wenn auch die vorliegende Erfindung durch die folgenden vorläufigen theoretischen Betrachtungen nicht begrenzt werden soll, bietet sich die folgende Erklärung als eine solche an, die zu einigem Einblick in die Möglichkeiten dieser Erfindung und deren einsetzender Auswirkung auf die Technik beitragen kann. Gerade weil die wirksame Emission einer mit Silicium dotierten Galliumarseniddiode von der starken Kompensation einer oder mehrerer ihrer Zonen durch den amphoteren Dotierstoff Silicium herrührt, kann man annehmen, daß die in der neuen Indiumphosphiddiode beobachtete wirksame Emission auf einer starken Kompensation

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durch Zinn (meist Donatoren, einige Akzeptoren) und Cadmium (Akzeptoren) beruht. Die Einfügung dieser Zentren hängt von den Züchtungsbedingungen ab. Zum Zweck des Vergleichs ist die relative Emissionsintensität und das Spektrum des gerade erwähnten siliciumdotierten Galliumarsenidbauelementes durch die gestrichelte Kurve 53 dargestellt.

Damit die mögliche Einwirkung der lichtemittierenden Diode nach Fig. 1 auf die optische Nachrichtentechnik beurteilt werden kann, ist in Fig. 4 mittels einer Kurve 41 das Absorptionsspektrum einer verlustarmen Glasfaser aus Quarzglas, über welche in jüngerer Zeit berichtet worden ist, dargestellt. Die Dämpfung in dB/km ist entlang der Ordinate oder vertikalen Achse in logarithmischem Maß und die Wellenlänge längs der Abszisse oder horizontalen Achse in linearem Maß dargestellt. Es ist offensichtlich, daß das Emissionsspektrum der lichtemittierenden Indiumphosphiddiode der Fig. 1 (siehe Kurve 51 in Fig. 5 unterhalb Kurve 41 in Fig. 4) in der Nähe des bei 1,05 Mikrometer gelegenen verlustarmen Fensters der Faser liegt, deren Eigenschaften durch Kurve 41 dargestellt sind. Es ist deshalb zu empfehlen, solche Indiumphosphiddioden als bedeutende Anwärter für die Verwendung als Quellen in optischen Langstrecken-Nachrichtenanlagen in Erwägung zu ziehen.

Die InP-Substratkristalle wurden hergestellt mittels flüssig abgekapselten Czochralski-Ziehen^ wobei BpO, als Einkapslungsmittel und 50 Atmosphären Stickstoffdruck zum Abschließen der Schmelze verwendet wurden.

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Die Kristalle waren frei von Indiumeinschlüssen und Züchtungs-

■x zwillirgen. Die Versetzungsdichte variierte zwischen 1Cr und "]Q

—2 17 —3

cm . Die Löcherdichte sollte S5 x 10 cm betragen.

Ein solcher Substratkristall aus Indiumphosphid wird nun in die verbesserte Kippvorrichtung gemäß Fig. 7A und 7B gebracht, um den verbesserten epitaktischen Züchtungsprozeß durchzuführen. In den Fig. 7A und 7B ist das Indiumphosphidsubstrat mit 73 gekennzeichnet. Es ist in einem seitlichen Schwalbenschwanzschlitz in einem Einsatz 72 befestigt, der in den oberen Teil eines gläsernen Kohlenstofftiegels 76 eingesetzt ist. Es ist mittels einer Sperrwand 77, die als Erhöhung des Einsatzes 72 ausgebildet ist, vom Dampf der im Tiegel 76 enthaltenen Lösung 74 abgetrennt.

Ofen 75, Kippampulle 71 und Tiegel 76 sind in Fig. 7A in der Stellung dargestellt, wie sie vor dem Kippen sein soll.

Gemäß dem hier angegebenen Verfahren wird die Lösung 74 vor ihrem Einbringen in den Tiegel 76 gesättigt, so daß ihre Homogenisierung innerhalb des Tiegels 76 unmittelbar vor dem Kippen durch 15 Minuten langes im Gleichgewichthalten bei 525° C durchgeführt werden kann. Diese Temperatur und diese relativ kurze Aufheizzeit wird durch das folgende Vorschmelzverfahren ermöglicht:

1. Lösungen aus verschiedenen Zusammensetzungen sind dadurch hergestellt worden, daß die geeignete Mischung der Elemente (99,9999 prozentige Reinheit Cd, Sn, In

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und P) in glasartigen Kohlenstofftiegeln ähnlich dem Tiegel 76 in Fig. 7A erhitzt worden ist, wobei sie innerhalb einer evakuierten Quarzampulle ähnlich der Ampulle 71 dicht eingeschlossen worden ist, und zwar eine Stunde lang bei 600° C. In einigen Fällen sind CdSnPp-Kristalle anstatt einer Mischung aus Cd, Sn und P zur Herstellung der Lösungen verwendet worden.

2. Die die Lösungen enthaltenden Ampullen wurden mit Wasser von 600° C auf Raumtemperatur abgeschreckt. Dies führte zu einer innigen Mischung kleiner, in Sn eingebetteter CdSnP₂-, Sn^P, und InP-Kristalle.

3. Diese vorbereiteten Mischungen wurden in den Tiegel 76 (Fig. 7A und 7B) gegeben und für den eigentlichen Flüssigphasenepitaxial-(LPE-)Vorgang verwendet.

Die InP-Substrate werden dadurch hergestellt, daß ein p-leitender Indiumphosphidblock oder -stab in 0,5 mm dicke Plättchen geschnitten wird, und zwar je mit der [100]-Achse senkrecht zur größten Fläche. Die Substratplättchen werden mittels Schleifpapier der Körnung 600 geläppt, um wenigstens 25 Mikrometer InP zu entfernen. Darauf folgt ein einstündiger Poliervorgang, um wenigstens weitere 25 Mikrometer des Materials zu 'entfernen, und zwar mit einer chemisch aktiven feinen Schleiflösung. Nach dem Polieren werden die Substrate in kochendem Trichloräthylen

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gewaschen, um Reste des Befestigungswachses zu entfernen, und in reiner Luft getrocknet. Für die erfindungsgemäßen Experimente werden typischerweise Substrate mit einem spezifischen Widerstand von 0', 2 Sicm und einer Ladungs-

16 ·ζ . trägerkonzentration von N»-N«#«1O pro cnr verwendet.Die aus flüssiger Phase gewachsenen epitaktischen Schichten wurden zumeist auf (100)-Substratflächen niedergeschlagen. Man hat jedoch gefunden, daß epitaktische Schichten ebenso in anderen Orientierungen gezüchtet werden können, beispielsweise auf den (111)-jund (i10)-Flächen und auf Vicinal-Flächen, die geringfügig von den niedrig indizierten Orientierungen abweichen.. Nach dem obigen Herstellungs- und Reinigungsverfahren werden die InP-Sübstratplättchen 73 in den Einsatz 72 der Fig. 7A eingesetzt.

Der Tiegel 76, der nun die vorgeschmolzene Lösung 74 und das im Einsatz 72 befestigte Substrat 73 enthält, wird in die Quarzglas-Kippampulle 71 gegeben, die dann evakuiert, mit Helium bei Raumtemperatur und einem Druck von 0,87 Atmosphären wieder gefüllt und dicht verschlossen wird. Es sei darauf hingewiesen, daß das Substrat nun von einer Seitenwand des Einsatzes gehalten wird, und daß die Trennwand 77 Dampf niederschlage auf der freiliegenden Oberfläche des Substrates 73 vor den gewünschten Niederschlägen während des Kippens minimal macht. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß die beiden Abflußlöcher 78 und 79 dem Inneren des Tiegels 76 während des in Fig. 7B . dargestellten Kippschrittes eine Verbindung mit dem freien Innenteil der Kippampulle 71 ermöglichen, wodurch ein gleich-

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mäßiger und kontinuierlicher Fluß gesättigter Lösung über die freiliegende Oberfläche des Substrats 73 erzeugt wird. Wie oben erwähnt, wird die gesamte Anordnung einschließlich Substrat auf 610, bevorzugterweise auf 526° C aufgeheizt (dieses Aufheizen dauert etwa 60 Minuten) und für 15 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Darauf wird die Temperatur rasch auf 510° C abgesenkt und 15 Minuten bei diesem Wert aufrechterhalten. Darauf wird die Anordnung gekippt, um epitaktisches Aufwachsen zu erhalten. Unmittelbar nach dem Kippen werden Schmelze und InP über eine Zeitdauer von 24 Stunden abgekühlt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die einer Rate von O,i47mV/Stunde entspricht, gemessen mit einem Pt/Pt-10%Rh-Thermoelement. Dies entspricht einer Abkühlungsrate von 15° C pro Stunde während der ersten Stunde und 19° C pro Stunde während der vierundzwanzigsten Stunde. Nach vierundzwanzig Stunden befindet sich die Ampulle auf einer Temperatur von 120° C. Schließlich wird die Anordnung aus dem Ofen genommen und luftgekühlt. Anschließend wird das Substrat vom Halteblock genommen. Das oben beschriebene Temperatur/Zeitprogramm für epitaktische Züchtung aus der Flüssigphase ist ein typisches Beispiel, welches zu hoch qualitativen epitaktischen Schichten für die verschiedensten Lösungszusammensetzungen führt. Obwohl die meisten Untersuchungen mit Sn-reichen Lösungen durchgeführt worden sind, können an InP-reichere Lösungen verwendet werden. Dieser Schluß basiert auf Daten, die durch Kurve in Fig. 8 dargestellt sind, bei welcher es sich um eine sog.

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Liquiduslinie des InP-Sn-Sy st ems handelt. Variationen im Züchtungsverfahren werden vorgenommen, um die Bedingungen zur Kristallisationskeimbildung und Schichtzüchtung für jede individuelle Lösungszusammensetzung optimal zu machen. Diese Variationen umfassen eine Änderung der Kipptemperatur innerhalb der durch das pseudobinäre Sn-InP-Phasendiagramm der Fig. 8 aufgezeigten Grenzen, sowie eine Änderung der anfänglichen Abkühlungsrate innerhalb eines begrenzten Bereichs von 20° C pro Stunde bis 0,1° C pro Stunde. Die Änderung der Kipptemperatur ist notwendig, um die anfängliche Temperatur des Substrats nach dem Kippen an die Kristallisationskeimbildungstemperatur der epitaktischen Schicht anzupassen, obgleich Variationen bei der Abkühlungsrate vorgenommen werden, um die Züchtungsrate der epitaktischen Schicht zu variieren. Sowohl die Kristallisationskeimbildungstemperatur als auch die optimale Züchtungsrate der epitaktischen Schicht hängen sowohl von der Lösungskonzentration als auch von der kristallographisehen Orientierung des Substrates ab.

Das epitaktische Züchtungsverfahren, das speziell den zweiten Teil des Kippvorgangs umfaßt, kann unter Bezugnahme auf Fig. 7B diskutiert werden* Dabei wird der gesamte Ofen oder nur die Kippampulle 71 innerhalb des Ofens 75 umgedreht, so daß die erhitzte Lösung 74 über die Trennwand 77 läuft, gut gemischt über die freiliegende Oberfläche des Substrats 73 fließt und kontinuierlich durch sowohl das diagonale Abfluß-

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loch 79 als auch das Abflußloch 78, das parallel zum Substrat 73 verläuft, in Richtung zum evakuierten Raum der Kippampulle 71 rinnt. Es zeigt sich, daß die kontinuierliche Bewegung der Lösungen über der Oberfläche des. Substrats 73 die optische Qualität des gezüchteten HomoÜbergangs verbessert. Des weiteren hat sich gezeigt, daß die Fehlstellendichte in der Grenzflächenzone des HomoÜbergangs drastisch reduziert wird durch die Flußcharakteristik, die durch den Aufbau des Einsatzes 72 und die Anordnung des Substrats 73 gefördert wird.

Mit der. Ausführungsform nach Fig. 6 soll Information festgestellt werden, die auf einem kohärenten Lichtstrahlenbündel aufmoduliert ist. Beispielsweise stammt das Lichtstrahlenbündel von einem Festkörper-Neodym-Ionenlaser, der bei 1,06 Mikrometer schwingt. Aber es könnte sich ebenso um einen vergleichbaren Laser im Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,925 und 1,15 Mikrometer handeln. Das modulierte Lichtstrahlenbündel fällt von links auf den p-leitenden Indiumphosphid-Substratkristall 67. Dieser ist hinsichtlich des empfangenen Lichtstrahlenbündels praktisch transparent, da er eine Bandbreite entsprechend etwa 0,92 Mikrometer aufweist. Und das Substrat 67 ist als Eingangszone vorteilhafter als die epitaktische Schicht 61, da letztere eine geringere Bandbreite aufweist, die noch bei längeren Wellenlängen als derjenigen des ankommenden Laserlichtes liegen kann. Ein Übergang 70 ist an der Hauptfläche des Kristalls 67 vorgesehen, auf welcher die epitaktische η-leitende Schicht 61 gezüchtet ist. Die epitaktische

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Schicht 61, welche wesentlich kläner als die epitaktische Schicht 11 in Fig. 1 ist, absorbiert nahezu das gesamte in sie eindringende modulierte Licht. Eine Fotospannung wird über Elektroden 62 und 63 vom Bauelement abgenommen. Erstee Elektrode ist in das Substrat 67 mittels eines Überschusses an Akzeptor-Dotierstoff des Substrats 67 eindiffundiert, letztere Elektrode ist auf die Epitaxialschicht 61 gelötet.

Die äußere Schaltung für die Homodiode umfaßt eine Serienschaltung aus einem Abtastwiderstand 65 und einer Gleichspannungsquelle 64, die in Reihenschaltung mit ihrem negativen Anschluß in Richtung Kontakt 62 und mit ihrem positiven Anschluß in Richtung Kontakt 63 geschaltet ist. Beispielsweise ist ein Ausgangsspannungsverstärker 66 vorgesehen,.dessen Eingang über dem Abtastwiderstand 65 liegt. Zur Vorspannung einer schnellen Fotodiode wie der erfindungsgemäßen Homodiode ist ein ausreichender Speicherkondensator 68 parallel zur Quelle 64 geschaltet.

Die Gesamtabmessungen der Heterodiode betragen etwa 1mm längs der Schmalseite des Übergangs, 0,55 bis 0,75mm in Richtung des Lichteintritts und etwa einen bis zwei Millimeter längs der langen Abmessung des Übergangs. Diese Abmessungen werden weitgehend durch die Abmessungen des ursprünglichen Substratkristalls 17 bestimmt, der an wenigstens vier Flächen beklebt ist, um

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Oberflächenleitungseffekte minimal zu machen. Eine typische Dichte der epitaktischen InP-Schicht allein betrug etwa 0,01 bis 0,15 mm.

Die Diode der Fig. 6 ist nach dem identischen, oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden, wie die Diode der Fig. 1. Die starke Kompensation der Epitaxialschicht 61 mit Cadmium und Zinn ist vorteilhaft zur Verringerung von deren effektiver Bandbreite in einer spezifischen Anwendung, so daß der gewünschte Teil, oder, typischerweise, nahezu das gesamte einfallende Licht absorbiert wird.

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Claims (3)

BLUMBACH ■ WESER · BERGFlN & KRAMER PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN 2457 46 DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER Ο. WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL. (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN - 21 - Patentansprüche

1. Lichtemittierende oder-feststellende Übergangsdiode mit einem kristallinen Indiumphosphidkörper, der zur' Bildung eines Übergangs p-leitende und η-leitende Teile enthält, und der eine Elektrodenanordnung für einen elektrischen Anschluß des Körpers aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß der η-leitende Teil (11) des kristallinen Körpers Cadmium" und Zinn in Mengen enthält, die wesertlich über Dotierungswerte hinausgehen, und daß Zinn in größerer Menge als Cadmium vorhanden ist, wobei jedoch der größte Teil des Cadmiums zusammen mit einer gleichen Menge Zinn einen beträchtlich kleineren Teil Cadmiumzinnphosphid (CdSnP₂) in dem-Indiumphosphid bildet.

2. Diode nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Zinns im n-leitenden Teil des Indiumphosphid-KörpErs als Donator verteilt ist und ein Teil des hierin befindlichen Cadmiums als Akzeptor, und zwar in einer Menge, die der des Donator-Zinns etwa gleich ist, um den η-leitenden Teil des Körpers zu einem beachtlichen Grad zu kompensieren.

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3. Diode nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß Zinn im η-leitenden Teil des Indiumphosphid-Körpers zu einem Anteil von wenigstens 0,15 Molprozent vorhanden ist.

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