DE2534945B2

DE2534945B2 - Lumineszenzdiode

Info

Publication number: DE2534945B2
Application number: DE2534945A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Ito; Masao Fuchu Kawamura; Kazuhiro Hachioji Kurata; Makoto Morioka; Yuichi Tokio Ono
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-09-20
Filing date: 1975-08-05
Publication date: 1980-01-31
Also published as: NL163677C; DE2534945C3; NL163677B; US4017881A; GB1470744A; JPS5135295A; DE2534945A1; NL7511126A; JPS5734671B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lumineszenzdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie sie aus »Applied Physics Letters« 19 (1971)4, Seiten 98 bis 100 bekannt ist Pv dieser Lumineszenzdiode ist der zylinderförmige Bereich p-leitend und der gesamte übrige Teil des Halbleiter kristall η-leitend. Bei den für Lumineszenzdioden üblichonveise verwendeten Materialien ist die Beweglichkeit der Ei.ktronen größer als die der Defektelektronen. Daher wird der größte Teil der Lumineszenzdiode auf der p-Seite des pn-Übergangs erzeugt Das bei der bekannten Lumineszenzdiode in dem p-leitenden zylinderförmigen Bereich erzeugte Licht muß also den pn-übergang sowie den gesamten η-leitenden Halbleiterkristall durchsetzen, um zu der halbkugelförmigen Abstrahlungsfläche zu gelangen. Daraus ergibt sich eine unerwünschte erhöhte Erwärmung, insbesondere des pn-Übergangs. Da bei der bekannten Lumineszenzdiode der pn-übergang in einer Tiefe von 10 bis 15 μπι liegt, läßt sich diese Wärme vom pn-übergang nur verhältnismäßig schlecht abführen. Mit zunehmender Erwärmung verschlechtert sich jedoch die optische Emissionsleistung der Lumineszenzdiode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Betrieb einer Lumineszenzdiode auftretende Erwärmung zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegeben. Da danach die abstrahlende Halbkugelfläche von dem p-leitenden Kristallbereich selbst gebildet wird, wird der Hauptteil des erzeugten Lichts unmittelbar, d. h. ohne Durchsetzen des pn-Bereichs, abgestrahlt. Die geringe Dicke des zylinderförmigen η-leitenden Bereichs gestattet ferner eine gute Kühlung des pn-Übergangs. Der verringerte elektrische Übergangswiderstand zwischen dem p-leitenden Kristallbereich und der zugehörigen Anschlußelektrode durch die erfindungsgemäß zwischengeschaltete Ringzone erhöhter Leitfähigkeit trägt weiterhin zu einer Verringerung der Erwärmung der Lumineszenzdiode bei.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert Darin zeigt

Fig. 1 bis 5 Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung von fünf aufeinanderfolgenden Stufen bei der Herstellung einer Lumineszenzdiode;

F i g. 6 ein Diagramm, das den Verlauf des Energieabstandes längs der Rotationssymmetrieachse der Lumineszenzdiode nach F i g. 5 veranschaulicht; und
F i g. 7 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lumineszenzdiode.

Beispiel 1

Das in fünf Herstellungsstadien in den F i g. 1 bis 5 gezeigte Verfahren dient zur Erzeugung einer Lumineszenzdiode, deren Substrat 1 ein Gai_,AI,As-Einkristall ist Der Einkristall wird aus der flüssigen Phase gezogen. Das Substrat kann sowohl p-leitend als auch n-leitend sein. Auf der einen Seite des so hergestellten Substrates ist das Mischungsverhältnis χ größer als 0,2 und nimmt in Richtung auf die gegenüberliegende Seite zu. Auf diese Seite des Substrates 1 wird epitaktisch eine p-leitende Schicht 2 aufgebracht die mit Zn dotiert ist Auf die epitaktische Schicht 2 wird eine n-leitende epitaktische Schicht 3 aufgebracht die mit Te dotiert ist Der Energieabstand zwischen Valenz- und Leitfähigkeitsabstand im Substrat 1 weist in Richtung der Normalen seiner beiden Hauptseitenflächen einen Gradienten auf. Die epitaktischen Schichten liegen dabei auf der Seite des Substrats, die den kleineren Energieabstand aufweist Vorzugsweise ist der Gradient des Energieabstandes von einer Substratseite zur gegenüberliegenden konstant

Die p-Schicht 2 ist vorzugsweise 20 bis 30 μπι dick.

Bei Schichtdicken von weniger als 20 μπι weist die Oberfläche der Schicht durch die zum Substrat abweichende Gitterkonstante zahlreiche Kristallbaufehler und Verspannungen auf. Für Schichten, die dicker als 30 μπι sind, ist die Einhaltung eines vorgegebenen Mischungsverhältnisses auf der O.hirfläche schwierig, das das AlAs gegenüber dem GaAs einen wesentlich größeren Abscheidungskoeffizienten besitzt.

Die Stärke der η-leitenden Schicht 3 beträgt vorzugsweise 2 bis 3 μπι. Je dünner diese Schicht ist,

desto besser wird die am pn-übergang erzeugte Wärme abgeleitet. Auf Schichten, die dünner als 2 μπι sind, läßt sich jedoch nur noch schwierig ein ohmscher Kontakt herstellen. Die Störstellenkonzentration in der p-leitenden Schicht 2 beträgt 2 χ 10" cm-³ und in der

so η-leitenden Schicht 3 1 χ 1O¹⁸Cm-³.

Nach Waschen und Trocknen des so hergestellten Kristalls werden auf der η-leitenden Schicht 3 durch chemische Reaktion aus der Dampfphase eine etwa 100 nm dicke AljOj-Schicht und eine etwa 200 nm dicke Phosphorsilikatglasschicht niedergeschlagen. Ein Teilbereich dieser Oxid-Doppelschicht wird nach dem Photoätzverfahren entfernt, so daß eine kreisrunde Maske 4 mit einem Durchmesser von 150 μπι stehenbleibt.

Die so hergestellte Struktur wird zur Dotierung mit Zn in eine Quarzampulle eingeschmolzen. Als Quelle dient ZnAs₂. Es wird 1,5 h bei 700⁵C diffundiert. Dabei wird eine p⁺-Schicht 5 mit einer Diffusionstiefe von etwa 5 μπι erhalten. Dadurch erhält der pn-übergang 6 die gewünschte Geometrie (vgl. F i g. 2).

Nach Abätzen der Maske 4 wird auf die Oberfläche des Elementes erneut eine Schicht 7 aus Phosphorsilikatglas in einer Dicke von 500 nm aufgebracht. Die

Schicht wird durch chemische Reaktion aus der Dampfphase auf der Kristalloberfläche niedergeschlagen. Durch Photoätzen wird in der Schicht 7 ein Fenster für die Elektrode auf dem η-leitenden Bereich geöffnet. Durch das so geöffnete Fenster hindurch wird in der in Fig.3 gezeigten Weise ein ohmscher Kontakt 8 aus AuGe-Ni-Au aufgedampft Anschließend wird die Phosphorsilikatglasschicht 7 durch Ätzen entfernt und es wird eine neue Phosphorsilikatglasschicht 9 in einer Dicke von etw.\ 500 nm aufgedampft In dieser Schicht 9 ι ο wird im Bereich der Seitenkante des Kristalls durch Photoätzen ein kreisringförmiges Fenster geöffnet Durch dieses Fenster hindurch wird ein ohmscher Kontakt 10 in der in Fig.4 gezeigten Weise aufgedampft Der Kontakt besteht aus einer AuZn- oder ι s AuSbZn-Legierung. Anschließend wird der Kristall durch mechanisches und chemisches Polieren halbkugelförmig ausgeformt Der Mittelpunkt der dieser Halbkugel entsprechenden Vollkugel liegt dabei in der in F i g. 5 gezeigten Weise zumindest angenähert im Zentrum des ebenen Oberflächenteils.

In der Fig.δ ist in graphischer Darstellung der Energieabstand in Richtung der durch den Ntittelpunkt der ebenen Kreisfläche der Struktur gehenden Flächennormalen dargestellt Der Gradient des Energieabstan- des ist dabei in jeder der Schichten in einfacher Weise dadurch einstellbar, daß man die unterschiedlichen Abscheidungskoeffizienten von GaAs und AlAs ausnutzt Das AlAs erstarrt rascher als das GaAs und weist einen breiteren Energieabstand als dieses auf.

Die auf diese Weise hergestellte Lumineszenzdiode liefert bei einem Gleichstrom von 300 mA eine optische Ausgangsleitung von 5OnW. Das Maximum der spektralen Verteilung des emittierten Lichtes liegt bei 802 nm. Der Wärmewiderstand beträgt etwa 20 bis 25 K/W. Die optische Emissionsleistung zeigt keine Sättigungserscheinungen, wie sie für die Strukturen nach dem Stand der Technik beobachtet werden und auf Wärmeeffekte zurückzuführen sind. Das fertige Bauelement wird in der Serienfertigung mit einer Ausschußra- te von 5% hergestellt

Beispiel 2

Im Beispiel 1 wird die Kristallstruktur mit Zink diffusionsdotiert. Dadurch wird eine gekrümmte Begrenzungsfläche zwischen dem η-leitenden Bereich 3 und dem μ⁺-leitenden Bereich 5 aufgrund der relativ stark ausgeprägten seitlichen Diffusionskomponente des Zinks erhalten. Diese Grenzflächenausbildung kann mitunter die Lebensdauer der Diode verkürzen, da an der Kante des pn-Überganges zwischen der n-Schicht 3 und der p-Schicht 2 recht starke elektrische Felder auftreten ':önnen. Dem kaiin vorgebeugt werden, wenn die Dotierung nicht durch Diffusion, sondern durch Ionenimplantation erfolgt.

Nach Ausbildung einer Krislallstruktur und der Maske 4 in der im Beispiels 1 beschriebenen Weise wird der Kristall durch Ionenimplantation mit Zinkionen dotiert. Die Kristalltemperatur wird dabei zwischen Raumtemperatur und 400° C gehalten. Die Beschußdosis w wird auf einen Wert von 2,5 χ 10" bis 2 χ 10¹⁶ cm-² eingestellt Die aufgestrahlten Zinkionen vermögen die Maske 4 nicht zu durchdringen. Der nicht von der Maske bedeckte Oberflächenbereich der Kristallstruktur wird dabei in einen p+-leitenden Bereich umgewandelt Die Phosphonilikatglasschicht auf der AI₂Oj-Schicht wird anschließend durch Ätzen entfernt. Als Ätzlösung dient ein Gemisch aus HF:NKUF =1:6. Nach Waschen und Trocknen dei· Kristallstruktur wird durch chemische Reaktion aus der Dampfphase eine etwa 200 nm dicke SiO₂-Schicht auf der AI₂O₃-SChIChI und auf der freiliegenden Oberfläche der p+-Ieitenden Schicht niedergeschlagen. Die Kristallstruktur wird dann in eine unter Vakuum abgeschmolzene Quarzampulle gegeben und 150 min bei 700⁰C gehalten. Durch dieses Verfahren werden die implantierten Zinkionen durch Diffusion so verteilt daß eine ρ+-leitende Schicht 5 erhalten wird, die die p-leitende Schicht 2 erreicht Der verbleibende Teil der n-Schicht 3 ist vollständig von der p+-Schicht 5 unter Ausbildung eines scharf begrenzten pn-Überganges 6 umgeben. (F i g. 2) Die Ausbildung des pn-Überganges wird nach Spalten des Kristalls im Rasterelektronenmikroskop untersucht Die Grenzfläche zwischen der AbOs-Schicht und dem Verbindungshalbleiterkristall ist genau definiert und ohne Diffusionsschärfe ausgebildet Die p^v Schicht ist durch die Diffusion sauber auf die p-Schicht 2 herabgeführt

Nach Herstellen der ρ+-Schicht wird die Diode in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise fertiggestellt Die auf diese Weise erhaltene Hochleistungsleuchtdiode weist die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der nach Beispiel 1 erhaltenen Diode, zusätzlich jedoch eine längere Lebensdauer bei starker Dauerbelastung auf.

Beispiel 3

Die nach Beispiel 1 erhaltene Diode kann weiterhin in der Weise verbessert werden, daß man durch Mesaätzen den n-Bereich 3 so freilegt, daß er durch einen Luftring isoliert ist Zu diesem Zweck wird in die Phosphorsilikatglasschicht 7 ein kreisringförmiges Fenster eingebracht das in der senkrechten Projektion eine kreisförmige Abgrenzung zwischen dem n-Bereich 3 und dem p+-Bereich 5 definiert. Diese Struktur wird 10 min in eine Ätzlösung getaucht, die aus Äthylenglykol, Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure im Verhältnis 7:2:1 besteht, auf einer Temperatur von 18 ± 0,2"C gehalten und kräftig gerührt wird. Dabei wird eine etwa 5 μπι tiefe Ringnut 11 erhalten. Da die η-leitende Schicht 3 nur höchstens 3 μπι dick ist, wird also beim Ätzen der Ringnut Il auci. ein Teil des pn-Überganges mit abgeätzt.

Anschließend wird eine etwa 600 nm dicke weitere Phosphorsilikatglasschicht 12 als Schutzschicht auf die Oberfläche der Kristallstruktur aufgebracht. Diese Struktur wird anschließend durch Photoätzen von der gesamten Oberfläche wieder so entfernt, daß sie nur in der Ringnut stehenbleibt. Anschließend wird die Struktur in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise halbkugeiförmig durch mechanisches und chemisches Polieren ausgeformt. Dabei wird die in F i g. 7 im Querschnitt gezeigte Lumineszenzdiode erhalten.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird von einer Struktur ausgegangen, bei der auf einem Gai_»Aü,/ j-Einkristallsubstrat aus flüssiger Phase epitaktisch eine Gai-jAUAs-Kristallschicht aufgewachsen wird. Es ist aber auch möglich, Kombinationen von GaP-Gai-,ΙΠχΡ oder GaP-GaAsi-,Ρ, zu verwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Lumineszenzdiode mit einem Halbleiterkristall in Form einer Halbkugel, in dem ein an die Kreisfläche der Halbkugel angrenzender, zur Rotationssymmetrieachse der Halbkugel koaxialer zylinderförmiger Bereich ausgebildet ist, der einen lumineszierenden pn-Obergang zu dem verbleibenden Kristallbereich bildet, wobei sowohl der zylinderförmige Bereich als auch der verbleibende Kristallbereich einen zur Kreisfläche hin abnehmenden Energieabstand zwischen Valenz- und Leitfähigkeitsband aufweisen und wobei sowohl der zylinderförmige Bereich als auch der verbleibende Kristallbereich in der Ebene der Kreisfläche mit Anschlußelektroden versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Bereich (3) η-leitend ist, während der ihn umgebende Teil (2, 5) des verbleibenden Kristallbereichs (1, 2, 5) p-leitend ist, daß eine den zylinderförmigen Bereich (3) umgebende und die eine AnscMußelektrode (10) berührende Ringzone (5) des "Kristalls eine erhöhte Leitfähigkeit//?+) aufweist und daß der zylinderförmige Bereich (3) eine Dicke (Zylinderhöhe) von 2 bis 3 μΐη hat.