DE2603316A1

DE2603316A1 - Elektrolumineszensdiode und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2603316A1
Application number: DE19762603316
Authority: DE
Inventors: Beaudouin De Crenoux
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1976-08-05
Also published as: JPS51102591A; FR2299730B1; US4024559A; GB1526452A; DE2603316C3; DE2603316B2; FR2299730A1

Description

75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen; T 1935

Elektrolumineszensdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft einen neuen Typ von Elektrolumineszensdioden sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Elektroluminesζens- oder Leuchtdioden sind von grossem Interesse für die Fernübertragungen mittels optischer Fasern.

Sie sind jedoch schwierig in der Verwendung, da die lichtemittierende Oberfläche kleiner als oder gleich dem Durchmesser der Faser sein muss, welcher in der Grössenordnung von 50 bis 100 Mikron liegt.

Dr.Ha/Ma

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Es existieren Elektrolumineszensstrahlung aussendende Elemente, deren emittierende Oberfläche die gesamte freie Fläche der Elektrolumineszensdiode umfasst. Um gute Kopplungen zu erzielen, muss man daher Dioden mit sehr geringen Querabmessungen verwenden.

Ausserdem ist ein Teil des Strahlung aussendenden Bereichs durch den elektrischen Kontakt maskiert, mittels welchem die geeignete Spannung zwischen den Elementen des Übergangs angelegt wird.

Schliesslich ist der Übergang nicht vor der Umgebung geschützt, da jede Passivierung unmöglich ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolumineszensdiode, bei welcher diese Nachteile vermieden sind.

Die erfindungsgemässe Elektrolumineszensdiode besitzt einen Übergang zwischen zwei Halbleiterbereichen aus Halbleitermaterial, wovon das erste Majoritätsladungsträger vom p-Typ und das andere Majoritätsladungsträger vom η-Typ besitzt.

Die erfindungsgemässe Diode kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, dass in eines der Elemente eine Zone aus Halbleitermaterial mit wesentlich geringerer Breite des verbotenen Bandes als die Breite der beiden Elemente des Übergangs eingebettet ist, wobei diese Zone mit dem anderen Element einen Halbleiterübergang bildet.

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Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Diode,

Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm, welches die Energieniveaus in den verschiedenen Teilen der Diode zeigt,

Fig. 3 bis 7 die Diode während ihrer verschiedenen Herstellungsstufen,

Fig. 8 und 9 erläuternde Diagramme, und Fig. 10 ein Anwendungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, welches zum Verständnis des Prinzips der erfindungsgemässen Vorrichtung beiträgt. Fig. 1 zeigt eine aus zwei Halbleiterelementen 1 und 2 mit n- bzw. p-Leitung bestehende Elektrolumineszensdiode, wobei diese Halbleiterelemente einen Übergang bilden. Es sei angenommen, dass diese beiden Elemente aus dem gleichen Material bestehen und infolgedessen eine gleiche Breite des verbotenen Bandes E besitzen. Das ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

In das Element 2 ist eine ebenfalls p-leitende Zone 3 eingelagert, deren Breite des verbotenen Bandes jedoch wesentlich geringer und mit E^ bezeichnet ist. Zur Ver-

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einfachung wird angenommen, dass die Energieniveaus der Valenzbänder für die Materialien 1, 2 und 3 die gleichen sind. Zwei Kontakte 4 und 5 ermöglichen eine Vorspannung der übergänge in Durchlassrichtung.

Der Betrieb der Vorrichtung wird anhand von Fig. 2 verständlich, welche die charakteristischen Energieniveaus der verschiedenen Zonen zeigt.

In ausgezogenen Linien sind die Energieniveaus der Valenzbänder der drei Zonen 1, 2 und 3 sowie die Energieniveaus der Leitungsbänder der Zonen 1 und zu beiden Seiten des Übergangs dargestellt.

In Nähe des Übergangs selbst sind in punktierter Linie die den Leitungsbändern der Elemente 1 und 2 entsprechenden Energieniveaus und in ausgezogener Linie ist das Energieniveau des Leitungsbands der Zone 3 dargestellt. Man sieht auf diese Weise deutlich die verschiedenen, den beiden -Übergängen 2-1 und 3-1 entsprechenden Potentialschwellen.

Da die Breite E^ des verbotenen Bandes wesentlich geringer ist als E₂, liegt das obere Energieniveau des Leitungsbands wesentlich tiefer als das obere Energieniveau des Leitungsbands des Elements 2.

Daraus ergeben sich Potentialschwellen. Diese Schwellen übertragen sich auf die Energieniveaus über die beiden ausgezogenen und die punktierte Kurve.

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¥enn man an die Klemmen der Vorrichtung eine Spannung anlegt, um das Ganze in Durchlassrichtung vorzuspannen, jedoch die Spannung gering genug hält, dass keine Elektronen von der Zone 1 die Potentialschwelle des Übergangs 1-2 durchqueren können, so ergibt sich ein Spannungsbereich, welcher Elektronen aus der Zone in die Zone 3 eintreten lässt, da diese eine geringere Breite des verbotenen Bandes besitzt als die beiden Hauptzonen, was sich durch ein Absinken des Niveaus des Leitungsbands in der Zone 3 bemerkbar macht. Die von dem Element 1 kommenden Elektronen werden dann die Potentialschwelle des Übergangs 1-3 durchqueren.

Da die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, treten positive elektrische Ladungsträger in die Zone ein. Daraus ergibt sich eine Neutralisation bestimmter Elektronen des Valen bands durch diese Ladungsträger.

Die Elektronendichte in diesem Band wird daher abnehmen und freie Plätze treten auf. Die in dem Leitungsband des Elements 3 ankommenden Elektronen fallen dann vo.n dem Leitungsband in das Valenzband und besetzen dort die Leerstellen unter Entstehung des Phänomens der Elektrolumineszens (Elektronen F^ in Fig. 2).

Die direkt aus der Zone 1 in Richtung der Zone 2 kommenden Elektronen F₂ werden durch die entsprechende Potentialschwelle blockiert. Für diesen Potentialbereich wird daher die Zone 3 allein der Ausgangspunkt einer Lichtemission sein.

Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der Elektrolumineszensdioden dieser Art beschrieben.

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In Fig. 3 wurde auf einem Halbleitersubstrat 10 aus mit Silizium dotiertem η-leitendem Galliumarsenid mit 10 Atomen/cm epitaktisch nacheinander abgeschieden:

Eine etwa 3 Mikron dicke η-leitende, mit Tellur dotierte Schicht 11 gleicher Leitfähigkeit von 10 Atomen/cm , deren chemische Zusammensetzung Ga-. Al As mit 0,2 <C χ ζ 0,4 ist.

Eine 1 bis 2 Mikron dicke, mit Silizium oder Germanium dotierte, p-leitende Schicht 12 mit der chemischen Zusammensetzung Ga-. Al As, wobei O ^y ^ 0,1 ist. In dieser Schicht wird später der emittierende Teil der Diode gebildet.

In Fig. 4 wurde auf der Oberfläche des Ganzen eine lichtempfindliche Harzschicht abgeschieden, die nach Belichtung durch eine Maske bei 13 verbleibt, wo sie den Teil der Zone 12 schützt, der der Sitz der Lichtemission werden soll.

Das Ganze wird dann entweder chemisch in einer Wasserstoffsuperoxidlösung oder durch Ionenbeschuss geätzt. Dieser Verfahrensschritt wird so gesteuert, dass in den nicht geschützten Bereichen 121 der Schicht 12 diese in einer Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikron verbleibt. Infolge seines geringen Aluminiumgehalts eignet sich dieser Bereich besonders für die anschliessenden epitaktischen Behandlungen in flüssiger Phase. Nach dieser Verfahrensstufe sieht das Ganze wie in Fig. dargestellt aus.

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Das Ganze kommt dann in ein Bad aus Galliumarsenid mit der Zusammensetzung Ga₁ Al As.

Das Verfahren läuft dann wie folgt ab. Dieses Bad ist bei 800⁰C an Ga As gesättigt.

Durch eine Erhöhung der Temperatur von 800 auf 800,5° wird das Bad dann ungesättigt gemacht, worauf man die Temperatur mit einer gleichmässigen Geschwindigkeit von O,1°C/Minute abnehmen lässt.

Zunächst wird die epitaktische Schicht 12 bis zum Verschwinden der Bereiche 121, Fig. 5, aufgelöst, dann wächst epitaktisch eine neue Schicht 14, Fig. 6, mit einer p-Dotierung und einer Dicke von 2 bis 3 Mikron, welche das Ganze bedeckt.

In üblicher Weise werden dann Kontakte 15 angebracht (Fig. 7).

In diesem Ausführungsbeispiel liegt das verbotene Band von Ga₁__χ Α1_χ As E₂ in der Grössenordnung von 1,8 eV. Dasjenige von Galliumarsenid ist E^ = 1,4 eV. Die Querabmessungen betragen etwa 500 Mikron.

Fig. 8 und 9 zeigen als Funktion der Zeit (in Minuten) die Temperaturänderungen des Bades bzw. der Dicke der epitaktisch abgeschiedenen Schicht. Die negativen Koordinaten entsprechen der Auflösung der epitaktischen Schichten.

Man sieht auf diesen Fig. 8 und 9, dass die weggelöste Dicke ziemlich wenig von der Durchlaufzeit in dem Auflösungsbad abhängt.

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Die Kontakte werden dann auf beliebige bekannte Weise angebracht. In Fig. 5 ist der Kontakt 15 ringförmig und besitzt eine so grosse Öffnung, dass nur die nicht-emittierende Zone maskiert wird.

Natürlich sind die Anwendungen dieser neuen Dioden nicht auf das Gebiet des Fernmeldewesens beschränkt.

Man kann den Licht emittierenden Zonen beliebige Formen verleihen. So kann man beispielsweise ihnen die Form von Fernanzeigemodulen geben. Auch kann man durch Änderung der angelegten Spannung den Umriss einer bestimmten Figur beleuchten oder diese ganze Figur, wie dies Fig. 10 zeigt. Die Umrisse des dargestellten Vierecks werden durch die Zone 12 gebildet und seine Mitte durch die Zone 14.· Für einen geeigneten Spannungsbereich erscheint nur der Umriss der Oberfläche.Jenseits dieses Bereichs leuchtet das Ganze.

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Claims

Patentsprüche

ί 1) felektrolumineszierende Diode mit zwei Halbleiterbauelementen vom entgegengesetzten Leitungstyp, die einen Übergang bilden und jeweils genau festgelegte verbotene Bänder besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass in eines der Elemente des Übergangs eine Halbleiterzone vom gleichen Leitungstyp eingebettet ist und mit dem anderen Element einen Übergang bildet, wobei das Material dieser Zone eine geringere Breite des verbotenen Bandes besitzt, wie die Bandbreiten der beiden anderen Elemente, und weiter gekennzeichnet durch Kontakte, über welche den Anodenklemmen eine solche Spannung zugeführt werden kann, dass nur diese eingebettete Zone Licht aussendet.
2) Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elemente aus dem gleichen Material bestehen.
3) Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material die chemische F<
besitzt, wobei 0,2 ■< x -<C 0,4

das Material die chemische Formel Ga₁ Al As
4) Diode nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Material der eingebetteten Zone die chemische Formel Ga^ Al As besitzt, wobei 0 ^ y < 0,1
5) Diode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elemente eine Dotierung in der Grossen-Ordnung von 10 Atomene/cm aufweisen.

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6) Verfahren zur Herstellung der Elektrolumineszensdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man

a) epitaktisch in flüssiger Phase auf einem Substrat aus Galliumarsenid eine erste Schicht mit einem ersten Leitungstyp der Formel As₁ Al Ga, wobei 0,2 < χ <C Of^- ist, abscheidet;

b) auf dieser Schicht durch Epitaxie in flüssiger Phase eine zweite Schicht mit einem dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp der chemischen Formel As,. Al Ga, wobei y<£0,1 ist, abscheidet;

c) die zweite Schicht selektiv so ätzt, dass ihre Dicke in einem bevorzugten Bereich unverändert bleibt und im übrigen stark verringert wird;

d) epitaktisch in flüssiger Phase eine dritte Schicht der Formel As₁ Al Ga abscheidet, indem man die Temperatur des Bades so ändert, dass in einer ersten Phase der ausserhalb des bevorzugten Bereichs befindliche Teil der zweiten Schicht weggelöst wird, worauf die dritte Schicht aufgebracht wird.
7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, ■ dass die selektive Ätzung unter Zuhilfenahme einer Harzmaske erfolgt.
8) Dioden nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 und 5 enthaltendes System.

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