DE2534945C3

DE2534945C3 - Lumineszenzdiode

Info

Publication number: DE2534945C3
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: 1980-10-09
Also published as: NL163677C; DE2534945B2; 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. '■ ;i dieser Lumineszenzdiode isi der /ylinderförmige Bereich p-leitf>ⁿd und der gesamte übrige Teil des Halbleiterkristalls η-leitend. Bei den für Lumineszenzdioden üblicherweise verwendeten Materialien ist die Beweglichkeit der Elektronen 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 Abstrahlungsflächc zu gelangen. Daraus ergibt sich eine unerwünschte erhöhte Erwärmung, insbesondere des pn-Übergangs. Da bei der bekannten Lumineszenzdiode der pn-Übcrgang 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 ,indoch die optische Emissionslcistung der Lumineszenzdiode.

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

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kcnnzeichnungsteil des Patentanspruchs angegeben. Da danach die abstrahlende llalbkugelflächc von dem p-leitcnden KristaHbcreich selbst gebildet wird, wird der Haiipitcil des erzeugten Lichts unmittelbar, el. h. ohne Durchsetzen des pn-Bereichs, abgestrahlt. Die geringe Dicke des zylinderförmigen n-leitcnden Bereichs gestattet ferner eine gute Kühlung des pn-Übcrgangs. Der verringerte elektrische Übergangswiderstand zwischen dem p-leiteiulcn Kristallbercich und der zugehörigen Anschlußelektrode durch die erfindungsgemäß /wischengeschal letc Kingzonc erhöhter Leitfähigkeit trägt weiterhin zu einer Verringerung dci Erwärmung der Lumineszenzdiode bei.

Ausführungsbeispiele 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
ίο Fig. 7 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lumineszenzdiode.

Beispiel 1

Das in fünf Herstellungsstadien in den Fig. 1 bis 5

i" gezeigte Verfahren dier.t 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 Seile des Substrates i wird epitaktisch eine p-leitende Schicht 2 aufgebracht, die mit Zn dotiert ist. Auf die epitakiische 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 ueiden Hauptseitenllächen einen Gradienten auf. Die epitaktischen Schichten liegen dabei auf der Seite des Substrats, die den kleineren Energicabstand aufweist. Vorzugsweise ist der Gradient des Energieabstandes von einer Substratstitc zur gegenüberliegenden konstant.

Die p-Schicht 2 ist vorzugsweise 20 bis 30 μιπ 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 Jickcr als 30 μΐη sind, ist die Einualtung eines vorgegebenen Mischungsverhältnisses auf :1er Oberfläche schwierig, das das AIAs gegenüber dem GaAs einen wesentlich größeren Abscheidungskocffi/icmen besitzt.

Die Starke der n-lcitcnden Schicht 3 beiragt vorzugsweise 2 bis 3 μπι. je dünner diese Schicht ist.

des'o besser wird die am pn-übergang erzeugte Wärme abgeleitet. Auf Si lichten, die dünner als 2 μπι sind, läßt sich jedoch nur noch schwierig cm ohmscher Kontakt herstellen. Die Slörstellcnkonzentration in der p-leitenden Schicht 2 beträgt 2 > 10^l8eni ' und in der

Sd n-lcitendcn Schicht 3 I χ IO^IHcm ^!.

Nach Waschen und Trocknen des so hergestellten Kristalls werden auf der n-lcitenden Schicht 3 durch chemische Reaktion aus der Dampfphase eine etwa 100 nm dicke A^Os-Schicht und eine etwa 200 nin dicke Phosphorsilikatglasschicht niedergeschlagen. Ein Teilbereich dieser Oxid-Doppclschicht wird nach dem Photoätzverfahren entfernt, so daß eine kreisrunde Maske 4 mit einem Durchmesser von I 50 μπι stehenbleibt.

ho Die so hergestellte Struktur wird zur Dotierung i.iit Zn in eine Quarzampulle eingeschmolzen. Als Quelle dient ZnAs.i. Es wird 1,5 h bei 7(M)¹C diffundiert. Dabei wird eine ρ'-Schicht 5 mit einer Diffusionsliefe von etwa 5 μηι erhalten. Dadurch erhält der pn-übergang h

h". die gewünschte Geometrie (vgl. I·" 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 ηm aufgebracht. Die

Schicht wird durch chemische Reaktion aus der Dampfphase auf der Kristalloberflache 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 vun etwa 500 um aufgedampft. In dieser Schicht 9 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 is 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. ö ist in graphischer Darstellung der Energieabstand in Richtung der durch den Mittelpunkt der ebenen Kreisfläche der Struktur gehender. Flächennormalen dargestellt. Der Gradient des Energieabstandes ist dabei in jeder der Schichten in einfacher Weise dadurch einstellbar, daß man die unterschiedlichen Abscheidungskoeffizienten von GaAs und AlAs ausnutzt. Das AIAs erstarrt rascher als das GaAs und weis· einen breiteren Energieabstand als dieses auf.

Die auf d'ese Weise hergestellte Lumineszenzdiode liefert bei einem Gleichstrom von 300 niA eine optische Ausgangsleitung von 50 ηW. Das Maximum der spektralen Verteilung des emittierten Lichtes liegt bei 802 nm. Der Wärmewiderstand beträgt etwa 20 bis r> 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 Ausschußrate von 5% Hergestellt.

Beispiel 2

Im Beispiel ! wird die Kristallstruktur mit Zink diffusionsdotiert. Dadurch wird eine gekrümmte [Je- « grenzungsfläche /wischen dem n-lcitcnden Bereich 3 und dem ρ *-leitenden Bereich 5 aufgrund der relativ Mark ausgeprägten seitlichen Diffusionskomponente des Zinks erhallen. Diese Gren/flächenausbildung kann mitunter die Lebensdauer der Diode verkürzen, da an der Kante des pn-Übcrgangcs zwischen der n-Schicht 3 und der p-Schicht 2 recht starke elektrische Felder auftreten können. Dem kann vorgebeugt werden, wenn die Dotierung nicht durch Diffusion, sondern durch Ionenimplantation erfolgt. ü

Nach Ausbildung einer Krislallstruktur und der Maske 4 in der im Beispiels I beschriebenen Weise wird der Kristall durch Ionenimplantation mit Zinkionen dotiert. Die Kristalltemperatur wird dabei zwischen Raumtemperatur und 400"C gehalten. Die Bcsehußdosis Mi w'rd auf einen Wert von 2,5 χ 10ⁿ bis 2 χ I0"¹ cm-² eingestellt. Die aufgestrahlten /irikioiien vermögen die Maske 4 nicht zu durchdringen. Der nicht von der Maske b:deck;c Obcrflächcnbereich der Kristallstruktur wird dabei in ein.en ρ'-leitenden Bereich umgewandelt. Die Phosphor,ilikatglasschicln auf der AIjO₁-Schicht wird anschließend durch Ätzen entfernt. /.Is Ätzlösung dient ein Gemisch aus HFiNH₄F = I : 6. Nach Waschen und Trucknen der Krisiatlsiruktur wird durch chemische Reaktion aus der Dampfphase eine etwa 200 nm dicke SiO>-Schicht auf der AI/),-Schicht und auf der freiliegenden Oberfläche der p- leitenden Schicht niedergeschlagen. Die Kristallstruktur wird dann in eine unter Vakuum abgeschmolzene Quarzampulle gegeben und 150 min bei 700^cC gehalten. Durch dieses Verfahren werden die implantierten Zinkionen durch Diffusion so verteilt, daß eine ρ^τ-leitende Schicht 5 erhallen wird, die die p-leitende Schicht 2 erreicht. Der verbleibende Teil der n-Schicht 3 ist vollständig von der ρ^T-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 AliOj-Schicht und dem Verbindungshalbleiterkristall ist genau <;finiert und ohne Diiiusionssc'näne ausgebildet. Die ρ ■-?-hicht ist durch die Diffusion sauber auf die p-Schicht 2 herabgefuhn.

Nach Herstellen der p»-Schieht wird die Diode in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise fertiggestellt. Die auf diese "Veise erhaltene Hochieistungsleuchtdiode weist die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der nach Beispiel I 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 Mestizen den n-Bereich 3 so freilegt, daß er durch einen Luftring isoliert ist. Zu diesem Zweck wird in die Phosphorsilikatglasschicht 7 ein kreisringformiges Fenster eingebracht, das in der senkrechten Projektion eine kreisförmige Abgrenzung zwischen dem n-Bereich 3 und den¹ p^f-Bereich 5 definiert. Diese Strul·.; ;r wird IO min in eine Ätzlösung getaucht, die aus ÄirnlengK-kol. Wasserstoffperoxid und .Schwefelsäure im Verhaltr* .■> 7:2:1 besteht, auf einer Temperatur von 18 ± 0.2 C gehalten und kräftig gerührt wird. Dabei wird ei:ie etwa 5 μρι tiefe Ringnut 11 erhalten. Da die η-leitende Schicht 3 nur höchstens i μπι dick ist. wird also beim Ätzen der Ringnut Il auch ein Fei! des pn-Überganges mit abgeätzt.

Anschließend wird eine etwa 600 η πι dicke weitere Phosphorsilikatglasschicht 12 als Schutzschicht .ml die Oberfläche der Kristallstruktur aufgebracht. Diese Struktur wird anschließend durch Phoioä'/en von der gesamten Oberfläche wieder so entfernt, daß sie mir in der Ringnut stehenbleibt. Anschließend wird die StP'\lur in der im Beispiel I beschriebenen Weise halbkugelförmig durch mechanisches und chemisches Polieren ausgeformt. Dabei wird die in F1 g. 7 im Querschnitt gezeigte Lumineszenzdiode erhalten.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird von einer Struktur ausgegangen, bei der auf einem Gai_,A,,As-Linkristallsubstrat aus flüssiger Phase epitaktisch eine Ga| _,M,As-Kristallschicht aufgewachsen wird. Ls isl aber auch möglich. Kombinationen von GaP-Gai. ,In₁P oder Gal'-CiaAv ,P, zn verwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeiehnuniien

Claims

Patentanspruch:

Lumineszenzdiode mit einem Halbleiierkrisiall 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-übergang 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 Anscti:ußelektrode (10) berührende Ringzone (5) des Kristalls cine erhöhte Leitfähigkeit^') aufweist und daß der zylinderförmige Bereich (3) eine Dicke (Zylinderhöhe) von 2 bis 3 μίτι hat.