DE2602801A1 - Lichtemissionsdiode - Google Patents
LichtemissionsdiodeInfo
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Description
It 3525
SONY CORPORATION
Tokyo / Japan
Lichtemissionsdiode
Die Erfindung betrifft allgemein eine Lichtemissionsdiode und insbesondere eine grünes Licht emittierende
Diode mit hohem Lichtemissionswirkungsgrad.
Es sind Lichtemissionsdioden bekannt, die Galliumphosphid
(GaP) verwenden und die rotes, gelbes oder grünes Licht emittieren.
Im allgemeinen kann, wenn eine Lichemissionsdiode zur
Anzeige verwendet wird, grünes Licht im Vergleich zu anderem Farblicht leicht wahrgenommen werden und die
Augen eines Betrachters ermüden bei grünem Licht nicht so sehr. In der Praxis wurde jedoch die grünes Licht
emittierende Diode nicht so stark verwendet wie die rotes Licht emittierende Diode.
Es ist bekannt, daß es erforderlich ist, um den Lichtemissionswirkungsgrad
einer grünes Licht emittierenden Diode zu erhöhen, daß Stickstoff, der zum lichtemittierenden
Mittelpunkt werden kann, nahe dem PN-Übergang vorhanden ist. Selbst wenn jedoch Stickstoff über die
Epitaxialschicht, die den PN-Übergang aufweisen kann, entsprechend dem Verfahren nach der US-PS 3 893 875
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ausreichend diffundiert wird, ist dies nicht ausreichend, um eine grünes Licht emittierende Diode zu schaffen, die
einen hohen Lichtemissionswirkungsgrad hat und die mit hoher Reproduzierbarkeit und Ausbeute hergestellt v/erden
kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine grünes Licht emittierende Diode zu schaffen, die einen hohen
Lichtemissionswirkungsgrad hat.
Durch verschiedene Experimente wurde festgestellt, daß, wenn die Donator-Konzentration in einem N-Schichtteil
und der Akzeptor-Konzentrationgradient in einem P-Schichtteil
nahe dem PN-Übergang dazwischen auf bestimmte Werte gewählt werden, eine grünes Licht emittierende Diode geschaffen
werden kann, die einen sehr hohen Lichtemissionswirkungsgrad hat.
Durch die Erfindung wird somit eine grünes Licht emittierende Diode geschaffen, bei der die Donator-Konzentration
und der Akzeptorkonzentrationsgradient in geeigneter Weise gewählt sind, um den Lichtemissionswirkungsgrad der grünes
Licht emittierenden Diode hoch zu machen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 5 beispielsweise erläutert. Es zeiat:
Figur 1 eine schematische, vergrößerte Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der grünes Licht
emittierenden Diode gemäß der Erfindung,
Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Reaktionsofens zur Erläuterung eines Verfahrens
zur Herstellung der grünes Licht emittierenden Diode gemäß der Erfindung,
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Figur 3 ein Diagramm, aus dem ein Temperaturprograiniti
für den Reaktionsofen in Fig. 2 hervorgeht,
Figur 4 zur Erläuterung der Erfindung ein Diagramm mit Meßkurven, aus denen die Beziehung zwischen
der Konzentration von H-S-Gas und dem Lichtemissionswirkungsgrad
der Lichtemissionsdiode hervorgeht, und
Figur 5 ein Diagramm, aus dem die Konzentrationsverteilungskurven von Akzeptoren und Donatoren
hervorgehen.
Es wird nun eine Ausführungsform der grünes Licht emittierenden
Diode gemäß der Erfindung anhand der Fig. 1 beschrieben, die deren Querschnitt vergrößert zeigt.
In Fig. 1 bezeichnet 1 ein N-Galliumphosphid-Einkristallsubstrat,
auf dem eine Epitaxialschicht 2 aus Galliumphosphid -gebildet ist. Diese Epitaxialschicht 2 besteht
aus einem N-Schichtteil 2n und einem P-Schichtteil 2pr
zwischen denen ein PN-Übergang J gebildet ist. Das Substrat 1 und der N-Schichtteil 2n ist mit einer Donatorverunreinigung
wie Schwefel oder Tellur dotiert und außerdem ist der N-Schichtteil 2n mit Stickstoff, der
zur Lichtemissionsmitte wird, dotiert. Der P-Schichtteil 2p ist mit einer Akzeptorverunreinigung wie Zink
und Stickstoff, das zur Lichtemissionsmitte wird, dotiert.
Es wurde festgestellt, daß, wenn bei dem obigen Aufbau der Lichtemissionsdiode die Donatorkonzentration in der
17 ο 18
Endschicht 2n zu bzw. zwischen 1 χ 10 bis X<-x 10 cm.
und der Akzeptorkonzentrationsgradient in der P-Schicht
20 — ^f"
2p nahe dem PN-Öbergang J größer als 7 χ 10 cm gewählt
werden, eine grünes Licht emittierende Diode mit einem hohen Lichtemissionswirkungsgrad erhalten wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun eines der Verfahren zur Herstellung der Lichtemissionsdiode
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gemäß der Erfindung beschrieben. Bei diesem Verfahren
wird, wie Fig. 2 zeigt, ein Reaktionsofen bzw. ein offenes Quarzrohr 3 so angeordnet, daß seine Rohrachse in
der Richtung a aus der horizontalen Richtung um einen Drehpunkt geneigt werden kann. Eine Heizeinrichtuncr bzw.
ein Ofen 5 ist dem offenen Quarzrohr 3 zugeordnet, das eine Zone I mit einer Temperatur von etwa 500 bis 7.000C
und eine Zone II mit einer Temperatur von etwa 1.050 bis 1.200°C längs der Achse des offenen Rohrs 3 hat.
Ein Schmelztiegel Ί, der von einer Quarzzugstange 6
verschiebbar getragen wird, ist in dem offenen Rohr 3 in der Zone I angeordnet und eine Akzeptorverunreiniaung
8 wie Zink ist in dem Schmelztiegel 7 aufgenommen. Ein Behälter 9 ist in dem offenen Rohr 3 in dem Bereich II
angeordnet. Der Behälter 9 enthält das N-Galliumphosphid-Einkristallsubstrat
1, das mit einer Donatorverunreinigung wie Schwefel oder Tellur dotiert ist, sowie eine
Schmelze 10 aus Gallium und Galliumphosphid. Das offene Rohr 3 ist mit einem Einlaß 3a versehen, über die ein
Trägergas wie Wasserstoffgas in das offene Rohr 3 eingeführt wird. Das offene Rohr 3 wir*d entsprechend einem
bstimmten Temperaturprogramm erhitzt. Die Zone I in dem Rohr 3 wird bei einer konstanten Temperatur von z.B.
500°C, 55O°C, 600°C, 63O°C oder dergleichen erhitzt, um
die Verdampfungsmenge des Zink als dem Akzeptor zu begrenzen, während die Zone II in dem offenen Rohr 3 bis
au 1.100°C mit einer Erhitzüngsgeschwindigkeit von z.B. 500°C/Std entsprechend dem Erhitzungsprogramm erhitzt
wird, das in dem Diagramm der Fig. 3 gezeigt ist. Hierbei wird, wenn die Zone II auf etwa 825°C erhitzt ist, das
Gemisch aus dem Wasserstoffgas und der Verunreinigungsguelle
wie Schwefelwasserstoff, der z.B. Schwefel als Donatorverunreinigung enthält, in das offene Rohr 3 über
den Einlaß 3a zugeführt. Hierbei kann das Wasserstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit«von etwa 195 cc/min
und das Schwefelwasserstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 5 cc/min zugeführt werden. Wenn
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die Zone II auf etwa 1.1OO°C erhitzt ist, wird das offene
Rohr 3 um den Drehpunkt 4 in der Richtung a geneigt, damit das Ga + GaP-Gemisch 10 zu dem GaP-Substrat 1 in dem Behalter
9 fHeBt1 und gleichzeitig wird das NH^-Gas, das die
Quelle des Stickstoffs ist, der der Lichtemissionsmittelpunkt wird, in das offene Rohr 3 eingelassen. Das Η-,-Gas
kann dabei mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 355 cc/min, das H_S-Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 cc/min
und das NH3-GaS mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 145 cc/min zugeführt werden. Nachdem der obige Zustand
etwa 10 Minuten aufrecht erhalten wurde, wird die Temperatur in der Zone II mit einer Wärmeabnahmegeschwindigkeit
von etwa 24O°C/min verringert. Nachdem etwa 10 Minuten
vom Beginn der Verringerung der Temperatur in der Zone II vergangen sind, wird Zn 8 in den Schmelztiegel 7 in der
Zone I eingebracht,, um die Akzeptorverunreinigung in Form von Zn-Dampf in die Ga + GaP-Schmelze 10 einzubringen,
indem man ihn über das GaP-Substrat 1 strömen läßt. Hierbei wird die Zn-Menge, mit der die Schmelze 10 dotiert
werden soll, durch Steuerung der Verdampfungsmenge von Zn eingestellt, das aufgrund der Temperatur in der Zone I
erzeugt wird. Nachdem etwa 15 Minuten vergangen sind, wobei Zn-Dampf in die Zone II eingebracht wird, wird die Zufuhr
von H2S-GaS als Donatorverunreinigungsquelle und die Zufuhr
von NH_-Gas, das zum Lichtemissionsmittelpunkt wird, beendet.
Somit wird, wenn die Temperatur in der Zone II verringert wird, eine GaP-Epitaxialschicht 2 auf dem Substrat 1 gezogen.
Dabei besteht, wie Fig. 1 zeigt, die GaP-Epitaxialschicht, die auf dem Substrat 1 gebildet wird, aus einem
unteren N-Epitaxialschichtteil 2n, der hauptsächlich mit
der Donatorverunreinigung S and mit Stickstoff dotiert ist, das zum Lichtemissionsmittelpunkt wird, und einem
oberen P-Epitaxialschichtteil 2p, der hauptsächlich mit
Zn-und N-Akzeptorverunreinigungen dotiert ist. Hierbei
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wird ein PN-Übergang J an der Grenzschicht zwischen dem oberen und unteren Epitaxialschichtteil 2p und 2 η gebildet.
Der Grund, weshalb die Zufuhr von NH^-Gas bzw. der Quelle
des Stickstoffs, der zu dem Lichtemissionsmittelpunkt wird, während des Anwachsens der Epitaxialschicht 2 unterbrochen
wird, ist derjenige, daß festgestellt wurde, daß, wenn die Zufuhr von NH3-GaS fortgesetzt wird, die Oberfläche
der Epitaxialschicht 2 rauh wird.
Der Lichtemissionswirkungsgrad der so gebildeten grünes Licht emittierenden Diode wird von der H-S-Gaskonzentration
und der Verdampfungsmenge von Zn beeinflußt.
Fig. 4 zeigt Diagramme, die die Meßkurven des Lichtemissionswirkungsgrades
von grünes Licht emittierenden Dioden in Abhängigkeit von der H2S-Gaskonzentration sind. In den
Diagrammen der Fig. 4 zeigen die Kurven 11, 12, 13 und den Fall, wenn die Verdampfungsmengen von Zn als Parameter
zu 1,6 bis 2,2 mg/min, 3,1 bis 4,1 mg/min, 8,3 bis 8,9 mg/min und 12,7 bis 14,7 mg/min gewählt'werden.
Allgemein ist die visuelle Empfindlichkeit für Grün um
dreißigmal größer als die für Rot, so daß die grünes Licht emittierende Diode, wenn ihr Lichtemissionswirkunqsgrad
höher als etwa 0,01 % ist, praktisch für verschiedene Anzeigeelemente verwendet werden kann. Aus den Meßkurven
11 bis 14 ist somit ersichtlich, daß, um eine grünes Licht emittierende Diode zu schaffen, die einen Lichtemissionswirkungsgrad
höher als 0,01 % hat, der notwendig ist, damit die Diode praktisch verwendbar ist, die H2S-Gaskonzentration
in dem Bereich von 0,5 bis 10 ppm liegen muß, obwohl dies von der Verdampfungsmenge von Zn abhängt.
Es werden nun die Beziehung zwischen der H2S-Gaskonzentration
und der Konzentration der Donatoren, mit denen
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die Epitaxialschicht 2 dotiert wurde, und auch die Beziehung zwischen der Verdampfungsmenge von Zn und der
Konzentration der Akzeptoren, mit denen die Epitaxialschicht 2 dotiert wurde, betrachtet.
Fig. 5 zeigt Diagramme, die Meßkurven der Donator- und Akzeptorverunreinigungen sind. In den Diagrammen der
Fig. 5 stellen die Kurven 15, 16, 17, 18 und 19 die Konzentrationsverteilungen von Donatoren dar, mit denen
die GaP-Expitaxialschicht dotiert wurde, die auf dem
GaP-Substrat unter der Bedingung gezogen wurde, daß das offene Rohr 3 keinen Zn-Dampf enthält und die Konzentration
von H3S-GaS als Donatorverunreingiung von 0,5 ppm
über 1 ppm, 1,8 ppm und 6 ppm bis 10 ppm geändert wird, während die Kurven 20, 21, 22 und 23 die Konzentrationsverteilungen von Akzeptoren unter der Bedingung darstellen,
daß das offene Rohr 3 kein H0S-GaS enthält und die Verdampfungsmenge von Zn zu 1,6 mg/min, 3,6 mg/min,
5,0 mg/min und 9,7 mg/min gewählt wird. In dem Diagramm der Fig. 5 stellt die Abszisse die Strecke d von der
Grenzschicht zwischen dem Substrat 1 und der Epitaxialschicht 2 aus dar. Hierbei wird die Messung der Donator-
und Akzeptorverunreinigungen mit der C-V-Meßmethode unter Verwendung von Schottky-Sperrschichtdioden durchgeführt.
Wie aus den Kurven in dem Diagramm der Fig. 5 ersichtlich ist, wird, wenn die Konzentration von H_S-Gas erhöht wird,
die Donatorkonzentration in der Epitaxialschicht erhöht, und wenn die Verdampfungsmenge von Zn erhöht wird, wird
die Akzeptorkonzentration in der Epitaxialschicht erhöht, und auch der Gradient der Akzeptorkonzentration wird erhöht.
Es wurde festgestellt, daß der PN-Übergang an den Schnittpunkten der Donator- und Akzeptorkonzentrationsverteilung
skurven bzw. in den Diagrammen der Fig. 1 an den Schnittpunkten zwischen den Kurven 15 bis 19 und den
Kurven 20 bis 23 bzw. mit anderen Worten an den Stellen
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gebildet werden, wo die Donator- und Akzeptorkonzentrationen gleich sind. Ein Lichtemissionswirkungsgrad höher
als Q.01 % wird an einigen der PN-übergängen erhalten, die die jeweiligen Konzentrationsverteilungen haben bzw.
in PN-übergängen an den jeweiligen Schnittpunkten zwischen der Kurve 23 und den Kurven 15 bis 19.
Die Beziehung des Akzeptorkonzentrationsgradienten an der P-Schichtseite nahe den jeweiligen PN-übergängen und der
Verdampfungsmenge von Zn ist in der folgenden Tabelle I gezeigt.
| Verdampfungsmenge von Zn |
mg/min | 3,5 | Akzeptorkonzentrations gradient |
H2S mit 0,5 | H2S mit 1 ,8^- | ppm) | H2S mit 6λ, | H„S mit 6 --ν. | 0,5 | ppm) |
| 1,6 | 2,2 χ 1O20 cm"4 | ~ 6,5 χ 1020 cm"4 | ~ 9,5 χ 1020 cm"4 | — 15 χ 1020 cm"4 | ||||||
| mg/min | 5,5 | (Für | (Für | (Für | -0,5 | (Für | . 0,5 | ppm) | ||
| 3,8 | ||||||||||
| mg/min | 7 | H2S mit 1,8~O,5 | ppm) | |||||||
| 5,0 | ~ 15 χ 1020 cm"4 | |||||||||
| mg/min | 7 | (Für | ppm) | |||||||
| 9,7 | ||||||||||
| mg/min | ||||||||||
| 16,5 | ||||||||||
Aus der Tabelle I ist ersichtlich, daß die Tatsache, daß die Verdampfungsmenge von Zn mehr als 9,7 mg/min beträgt, wobei
eine grünes Licht emittierende Diode mit einem hohen Lichtemissionswirkungsgrad geschaffen wird, bedeutet, daß der
Akzeptorkonzentrationsgradient nahe dem PN-Übergang zu
20 -4
weniger als 7 χ 10 cm gewählt wird.
weniger als 7 χ 10 cm gewählt wird.
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Die Donatorkonzentration der N-Schicht nahe dem PN-Übergang/
der unter der Zn-Verdampfungsmenge von 9,7 mg/min
gebildet wird, die zur Bildung des PN-übergangs notwendig ist, um einen hohen Lichtemissionswirkungsgrad zu erhalten,
17 -3
beträgt 1 bis 2 χ 10 cm unter der Bedingung, daß die
beträgt 1 bis 2 χ 10 cm unter der Bedingung, daß die
18 —3 H-S-Gaskonzentration 0,5 ppm beträgt, und etwa 2 χ 10 cm
unter der Bedingung, daß die H2S-Gaskonzentration 10 ppm
beträgt. Somit liegt die Donatorkonzentration zum Erhalt eines Lichtemissionswirkungsgrades höher als O,O1 %, wie
17 -3 Fig. 4 zeigt, in dem Bereich von 1 χ 10 cm bis 2 χ
1018 cm"3.
Somit ist ersichtlich, daß, wenn in einer grünes Licht emittierenden Diode ein PN-Übergang in ihrer Epitaxialschicht
gebildet wird, die Donatorkonzentration in ihrem N-Schichtteil, die den PN-Übergang bildet, in dem Bereich
17 18 —3
von 1 χ 10 bis 2 χ 10 cm und der Akzeptorkonzentrationsgradient
in dem P-Schichtteil an dem PN-Übergang
20 -4
nicht weniger als 7x10 cm gewählt wird, der Emissionswirkungsgrad
für grünes Licht der grünes Licht emittierenden Diode zwangsläufig hoch gemacht werden kann.
Bei dem obigen Beispiel wird die Änderung des Lichtemissionswirkungsgrades
der grünes Licht emittierenden Diode infolge der Konzentration von Stickstoff in der Epitaxialschicht
2 vernachlässigt, wenn jedoch die Konzentration
1 8 — 3 von Stickstoff höher als 1 χ 10 cm ist, wird die oben
erwähnte Bedingung erfüllt. Wenn die Konzentration von N weiter erhöht wird, wird der Lichtemissionswirkungsgrad
weiter verbessert. Die maximale Konzentration von N be-
18 —3
trägt jedoch etwa 6 χ 10 cm . Wenn die Konzentration
19 —3
von N auf etwa 1 χ 10 cm erhöht wird, wird dagegen der Lichtemissionswirkungsgrad verringert und die Oberfläche der Epitaxialschicht wird aufgerauht. Es ist daher unerwünscht, die Stickstoffdotierung mit einer Konzentra-
von N auf etwa 1 χ 10 cm erhöht wird, wird dagegen der Lichtemissionswirkungsgrad verringert und die Oberfläche der Epitaxialschicht wird aufgerauht. Es ist daher unerwünscht, die Stickstoffdotierung mit einer Konzentra-
19 -3
tion von mehr als 1 χ 10 cm durchzuführen. Wenn die
Konzentration von N in den obigen Bereich nahe dem PN-
609832/0648
- ΊΟ -
Übergang fällt, wird der Liehtemissionswirkungsgrad durch
Stickstoff in den anderen Teilen weniger beeinflußt, obwohl seine Konzentration in den anderen Teilen unter oder
über dem obigen Bereich liegt.
Bei dem obigen Beispiel werden die N- und P-Schichten in einem einzigen epitaxialen Prozeß gebildet, es ist
jedoch auch möglich, daß sie mit den gleichen Wirkungen „ in zwei epitaxialen Prozessen gebildet werden.
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Claims (5)
- Ansprüche.y Lichtemissionsdiode zur Emission von grünem Licht, bestehend aus einem Halbleitersubstrat aus Galliumphosphid, einer Epitaxialschicht aus Galliumphosphid, die auf dem Substrat gebildet ist und Stickstoff enthält, wobei die Epitaxialschicht einen direkt auf dem Substrat gebildeten N-Schichtteil und daran angrenzend einen P-Schichtteil aufweist und ein PN-Übergang zwischen diesen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der N-Schichtteil derart dotiert ist, daß er eine Donatorkonzentration zwischen
2 χ 1O17 und 2 χ 1O18 cm"3 hat, und der P-Schichtteil
derart dotiert ist, daß er einen Akzeptorkonzentrationsgradienten nahe dem PN-Übergang von nicht weniger als
7 χ 1O20 cm"4 hat. - 2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein N-Substrat ist.
- 3. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der N-Schichtteil Schwefel und Tellur enthält.
- 4. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der P-Schichtteil Zink enthält.
- 5. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffkonzentration in der Epitaxialschicht nahe
dem PN-Übergang 1 χ 1O18 bis 1 χ 1O19 cm"3 beträgt.609832/0646Leerseite
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| FR2297494A1 (fr) * | 1975-01-07 | 1976-08-06 | Radiotechnique Compelec | Procede de realisation de cristaux semiconducteurs a pieges isoelectroniques d'azote et cristaux ainsi fabriques |
-
1975
- 1975-01-29 JP JP1222875A patent/JPS551717B2/ja not_active Expired
-
1976
- 1976-01-21 GB GB233276A patent/GB1512322A/en not_active Expired
- 1976-01-22 CA CA244,104A patent/CA1037150A/en not_active Expired
- 1976-01-26 DE DE19762602801 patent/DE2602801A1/de not_active Withdrawn
- 1976-01-27 NL NL7600820A patent/NL7600820A/xx not_active Application Discontinuation
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB1512322A (en) | 1978-06-01 |
| CA1037150A (en) | 1978-08-22 |
| JPS5186988A (de) | 1976-07-30 |
| NL7600820A (nl) | 1976-08-02 |
| JPS551717B2 (de) | 1980-01-16 |
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