DE2520061C2 - Elektrolumineszenzdiode und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolumineszenzdiode entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Diode.

Eine Elektrolumineszenzdiode der genannten Art ist z. B. aus »Solid State Electronics«, 14 (1971), 1265 -1273 oder aus »IEEE J. of Quantum Electronics«, QE9 (1973), 987-991,bekannt.

Bei den genannten bekannten Elektrolumineszenzdioden wird der sogenannte »Einschlußeffekt« der Ladungsträger benutzt. Der Einschluß in dem Rekombinationsgebiet der Minoritätsladungsträger, die in eine Diode mit PN-Übergang injiziert sind, ist auf das Vorhandensein einer Potentialbarriere zurückzuführen, die diese Träger zurückzutreiben sucht. Die Potentialbarriere wird dadurch erhalten, daß eine heterogene Struktur mit einer Schicht aus einem Material hergestellt wird, dessen Bandabstand zwischen Valenz- und Leitfähigkeitsband den des Materials des Körpers überschreitet, auf dem diese Schicht niedergeschlagen ist. Zur Herstellung solcher Elektrolumineszenzdioden wird eine epitaktische Schicht niedergeschlagen, deren Leitfähigkeitstyp dem des Materials des Körpers entgegengesetzt ist, wobei sich der PN-Übergang durch Diffusion in den Körper verlagert.

Diese Elektrolumineszenzdioden weisen einen PN-Übergang auf, der an einer Seitenfläche des Körpers nach außen tritt, so daß sich Oberflächenströme mit «> strahlungslosen Rekombinationen und damit eine verringerte Lichtausbeute ergeben.

Aus der FR-PS 2119 176 ist es bekannt, eine Elektrolumineszenzdiode mit HeteroStruktur so auszubilden, daß die PN-Übergangsfläche vollständig in der epitaktischen Schicht verläuft und auch an der Oberfläche der epitaktischen Schicht endet.

Diese Diode macht jedoch nicht von dem zuvor geschilderten, vorteilhaften Einschlußeffekt Gebrauch, und zudem treten auch bei ihr die nachteiligen Oberflächenströme auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolumineszenzdiode der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Oberflächenströme herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektrolumineszenzdiode ist im Anspruch 2 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Elektrolumineszenzdioden erlauben die üblichen Maskierungsund Diffusionstechniken die Formung diffundierter Zonen auf genau definierten, nötigenfalls sehr kleinen Gebieten, die die Kopplung mit einer Faseroptik erleichtern.

Die Oberflächenströme sind bei den erfindungsgemäß aufgebauten Elektrolumineszenzdioden kleiner als bei den bekannten Elektrolumineszenzdioden. Wenn man nämlich den Strom als Funktion der angelegten Spannung in der Durchlaßrichtung der Diode betrachtet, erkennt man, daß die Kniespannung des Oberflächenteiles des Überganges, der in der epitaktischen Schicht liegt, höher als die Kniespannung des tiefliegenden Teiles dieses Überganges ist, der sich in dem Körper befindet, der aus einem Material mit kleinerem Bandabstand hergestellt ist, wobei dieser zweite Übergangsteil dem elektrolumineszierenden wirksamen Gebiet entspricht. Bei Speisespannungen, die die Kniespannung des tiefliegenden Teiles überschreiten, kann der Strom durch den Oberflächenteil im Vergleich zu dem Strom durch den wirksamen Teil des Übergangs vernachlässigt werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Elektrolumineszenzdiode,

F i g. 2a bis 2f die verschiedenen Stufen der Herstellung der Diode nach F i g. 1,

F i g. 3 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Elektrolumineszenzdiode,

F i g. 4 einen schematischen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Elektrolumineszenzdiode und

F i g. 5 eine Abwandlung der Diode nach F i g. 4 in entsprechender Darstellung.

Der schematische Schnitt nach F i g. 1 zeigt eine Elektrolumineszenzdiode, die einen Halbleiterkörper 1 enthält, der teilweise mit einer Schicht 2 aus einem Halbleitermaterial mit größerem Bandabstand zwischen Valenz- und Leitfähigkeitsband als das Material des Körpers 1 überzogen ist. Der Körper 1 und die Schicht 2 weisen ein Kristallgitter vom gleichen Typ und von nahezu gleichen Konstanten auf. Die Materialien des Körpers 1 und der Schicht 2 weisen den gleichen Leitfähigkeitstyp auf. Eine diffundierte Zone 3, die bei 4 in den Körper eindringt und deren Leitfähigkeitstyp dem des Körpers und der Schicht entgegengesetzt ist, bildet einen PN-Übergang 7. Die Oberfläche der Schicht 2 ist mit einer Schicht 5 aus Isoliermaterial, z. B. einem Oxid oder einem Nitrid, überzogen, die Fenster für die Zone 3 frei läßt. Eine Elektrode 6 dient zur Kontaktierung der Zone 3, während eine Elektrode 8 den Körper 1 kontaktiert. Der Teil 4 der diffundierten Zone ist eine Einschlußzone und bildet den wirksamen

Teil der Diode.

Zur Herstellung dieser in Fig. 1 dargestellten Diode wird von einer Halbleitermaterialscheibe 1 ausgegangen (F i g. 2a). Eine Hauptfläche 12 dieser Scheibe wird zur Aufnahme eines epitaktischen Niederschlags bearbeitet Der Niederschlag der epitaktisrhen Schicht 2 wird sodann durchgeführt (F i g. 2b). Die Oberfläche 14 der Schicht 2 wird dann mit einer Schicht 5 aus Isoliermaterial überzogen, die für Dämpfe der Dotisrungselemente undurchdringbar ist Durch ein Fenster 16 (F i g. 2d) wird eine Diffusion von Dotiemngselementen aus einer diese Elemente enthaltenden Dampfphase durchgeführt (F i g. 2e). Die Diffusionstiefe muß größer als die Dicke der epitaktischen Schicht 2 sein. Die diffundierte Zone 3 definiert einen PN-Übergang 7. Kontaktelektroden werden durch Ablagerung von Metall auf den beiden Hauptflächen der Anordnung bei 6 und 8 hergestellt (F ig.2f).

Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Scheibe 1 aus Galliumarsenid vom N+-Typ, das mit Silicium mit einer Konzentration von 5-10¹⁷Cm-³ dotiert ist. Die epitaktische Schicht 2 besteht aus Gallium- und Aluminiumarsenid (Gai-*AL.As), wobei 0,05 <*<0,4 und vorzugsweise χ = 0,1 ist, und diese Schicht ist durch Epitaxie in flüssiger Lösung in Gallium erhalten. Diese Schicht wird mit Schwefel oder Tellur mit einer Konzentration von 10¹⁷cm-³ dotiert, wobei dieses Dotierungselement in gelöstem Zustand oder in der Dampfphase zugesetzt wird. Die Schicht 2 weist eine Dicke von 5 bis 10 μίτι auf. Eine dünne Schicht 5 aus Siliciumnitrid wird auf der Oberfläche der Schicht 2 niedergeschlagen, und Fenster werden in dieser Siliciumnitridschicht durch Photoätzen nach den üblichen Verfahren freigelegt. Die Diffusion wird in einer offenen Ampulle aus einer Zinkquelle durchgeführt, die aus einem Zink-Gallium-Gemisch besteht. Die Temperatur der Scheibe beträgt 760⁰C; die Diffüsionsdauer liegt in der Größenordnung von 2 Stunden, um eine Diffusionstiefe zu erreichen, die um 0,5 bis 1 μΐη die «o Dicke der epitaktischen Schicht 2 überschreitet. Die mittlere Konzentration in der diffundierten Zone liegt in der Größenordnung von 10¹⁹ Zinkatomen/cm³. Die Kontaktelektroden können durch Niederschlagen von Aluminium hergestellt werden, das im Vakuum durch <<5 das übliche Verfahren aufgedampft wird.

Die in F i g. 3 gezeigte Elektrolumineszenzdiode ist eine verbesserte Abwandlung der Diode nach Fig. 1. Sie besteht ebenfalls aus einem Körper 1 mit einer epitaktischen Schicht 2. Die diffundierte Zone 3 besteht nunmehr aus zwei Gebieten, und zwar einem mittleren Gebiet 33, 34, deren Teil 34 durch Injektion, Einschluß und Rekombination von Trägern elektrolumineszierend ist, und einem flachen Oberflächengebiet 35, das csn Teil 37 des PN-Übergangs 7 bildet. Das Gebiet 33, 34 hat eine optimale Dotierungskonzentration für die Lumineszenz, während die Dotierungskonzentration des Gebiets 35 für die Kontaktierung mit Hilfe eines Metallniederschlags 6 optimal ist. Die Schicht 5 ist wiederum eine dünne lokalisierte Isolierschicht und die *>o Schicht 8 eine dünne metallene Kontaktschicht. Es stellt sich heraus, daß der Obergang 7 vor etwaigen großen elektrischen Strömen durch den Teil 37 geschützt wird, da dieser Teil eine große Oberfläche und einen niedrigen Reihenwiderstand aufweist und in einem Material mit dem größeren Bandabsfand ausgebildet ist. Die in F i g. 4 gezeigte dritte Ausführungsform einer Elektrolumineszenzdiode weist in gewissen Fällen Vorteile in bezug auf die Ausführungsform nach F i g. 3 auf. Sie enthält nämlich einen Körper 1, der aus einem Substrat 41 besteht, das mit. einer ersten epitaktischen Schicht 51 überzogen ist, wodurch es möglich wird, einerseits für das Substrat 41 ein preiswertes Material hoher mechanischer Güte und andererseits für die Schicht 51 ein Material hoher optoelektronischer Güte zu wählen. Eine zweite epitaktische Schicht 2 bedeckt die erste, aber weist eine andere Zusammensetzung auf. Diese Anordnung enthält wie die vorhergehende eine diffundierte Zone 3 mit zwei Gebieten, und zwar einem mittleren Gebiet 33, 34, dessen Teil 34 der elektrolumineszierende Teil ist, und einem flachen Oberflächengebiet 35, das ein Übergangsteil 37 bildet. Das mittlere Gebiet 33, 34 ist derart dotiert, daß ein optimaler elektrolumineszierender Effekt erhalten wird; das Gebiet 35 ist derart dotiert, daß eine optimale Kontaktmöglichkeit erhalten wird.

Nach einer in F i g. 5 dargestellten Abwandlung wird das Oberflächengebiet 35 mit einer ringförmigen Fläche diffundiert und weist die gleiche Dotierung auf wie das tiefe, bis in den Körper 1 reichende Gebiet 33,34.

Die Verfahren zur Herstellung von Anordnungen der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Art können die gleichen Bearbeitungsschritte wie das an Hand der Fig. 2a bis 2f beschriebene Verfahren umfassen. Sie umfassen außerdem je einen zusätzlichen Maskierungsund Diffusionsschritt, die nach der Diffusion des wirksamen elektrolumineszierenden Gebietes durchgeführt werden müssen, um die Kontaktzone zu erhalten. Die Herstellung der Anordnung nach Fig.4 umfaßt außerdem die zusätzliche epitaktische Ablagerung der Schicht 51.

Bei einer speziellen Ausführungsform mit der in Fig.4 dargestellten Struktur besteht das Substrat 41 aus N-Ieitendem Galliumarsenid und ist mit Silicium mit einer Konzentration von 5 · 10¹⁷ cm~³ dotiert. Die erste epitaktische Schicht 51 besteht aus Gallium- und Aluminiumarsenid (Gai-yAl^As), wobei 0.1 < y < 0,2 ist, und ist durch Flüssigkeitsepitaxie erhalten. Diese Schicht ist mit Schwefel mit einer Konzentration von 5 · 10¹⁶Cm-³ dotiert. Die Dicke derselben beträgt 20μπι. Die zweite epitaktische Schicht 2 besteht aus Gallium- und Aluminiumarsenid (Gai_jAl_xAs), wobei 0,2 < χ < 0,4 ist, und ist ebenfalls durch Flüssigkeitsepitaxie erhalten. Diese zweite Schicht ist mit Schwefel mit einer Konzentration von 5 · 10¹⁶Cm-³ dotiert. Ihre Dicke beträgt 3 bis 5 μίτι. Das mittlere diffundierte Gebiet 33, 34 ist mit Zink mit einer mittleren Konzentration von 10¹⁹ cm-³ dotiert. Sein Durchmesser beträgt z.B. 100μιτι. Das Oberflächengebie» 35 ist ebenfalls mit Zink mit einer Oberflächenkonzentration von 10²⁰Cm-³ dotiert; sein Durchmesser beträgt z.B. 200 μηι.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszenzdiode mit einem Halbleiterkörper, der zumindest in einem Bereich aus einem Material mit einem ersten Bandabstand besteht und mit einer auf dem Bereich aufgebrachten epitaktischen Schicht aus einem Material mit einem zweiten größeren Bandabstand, wobei in dem Bereich des Körpers ein PN-Übergang vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Obergangsfläche (7) die Grenzfläche zwischen dem Bereich und der epitaktischen Schicht (2) schneidet und vollständig an der Oberfläche der epitaktischen Schicht endet.

2. Verfahren zur Herstellung einer ElektrolumineEzenzdiode gemäß Anspruch 1, bei dem auf dem Bereich des Halbleiterkörpers die Schicht epitaktisch abgeschieden wird und bei dem in dem Bereich ein PN-Übergang durch Diffusion erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) mit einer Dotierung niedergeschlagen wird, die ihr den gleichen Leitfähigkeitstyp wie in dem unbehandelten Halbleiterkörper (1) gibt, und daß die Diffusion über einen durch eine Maske begrenzten Teil der epitaktischen Schicht derart erfolgt, daß die Dicke der entstehenden Zone (3) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp die Dicke der epitaktischen Schicht (2) überschreitet.