DE2603316C3

DE2603316C3 - Elektrolumineszierende Halbleiterdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2603316C3
Application number: DE2603316A
Authority: DE
Inventors: Beaudouin De Orsay Orenoux
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1981-10-29
Also published as: FR2299730B1; DE2603316A1; GB1526452A; JPS51102591A; DE2603316B2; US4024559A; FR2299730A1

Description

Elektrolumineszenzdioden 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 sollte, welcher in der Größenordnung von 50 bis 100 Mikron liegt.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, wie er durch die US-Patentschrift 38 12 516 repräsentiert wird. Die daraus bekannte elektrolumine:.-zierende Halbleiterdiode besteht, wie F i g. 6B zeigt, aus einem η-leitenden und einem p-leitenden Bereich, die einen pn-Übergang bilden und jeweils mit einem ohmschen Kontakt versehen sind. Der p-leitende Bereich besteht dabei aus einem an den pn-übergang angrenzenden Gebiet mit einem relativ geringen Bandabstand und aus einem weiteren Gebiet mit einem relativ großen Bandabstand, der an das erste Gebiet sowie an den zugehörigen Kontakt angrenzt. Auch das Material des η-leitenden Bereichs weist einen relativ großen Bandabstand auf.

Bei einer Diode dieser Art umfaßt die emittierende Oberfläche die gesamte freie Fläche der Elektrolumineszenzdiode, weshalb man Dioden mit sehr geringen Querabmessungeri verwenden muß, wobei das an den pn-Übergang angrenzende Gebiet mit relativ geringem Bandabstand vor Umgebungseinflüssen ungeschützt ist.

Die vorliegende Erfindung hat nun die Aufgabe, das für die Lichterzeugung verantwortliche Gebiet mit relativ geringem Bandabstand gegen solche Umgebungseinflüsse zu schützen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer elektrolumineszierenden Halbleiterdiode der vorstehend skizzierten Art das Gebiet mit dem größeren Bandabstand das Gebiet .Tiit dem geringeren Bandabstand, aulier an dessen pn-t'bergang ίο zum ersten Bereich, vollständig umhüllt und dabei an den ersten Bereich unter Bildung eines pn-Übergangs angrenzt Die Erfindung umfaßt auch die Herstellung einer solchen Diode, wobei nacheinander auf ein Substrat epitaktisch aus der flüssigen Phase eine erste ι? Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einem relativ großen Bandabstand, darauf eine zweite Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit relativ kleinem Bandabstand und schließlich eine dritte Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit relativ großem Bandabstand abgeschieden werden, und das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abscheiden der zweiten Schicht diese selektiv so geätzt wird, daß ein Bereich der ursprünglichen Dicke von einem Bereich stark verringerter Dicke umgeben ist, und daß zu Beginn des Abscheidens der dritten Schicht die Temperatur so geändert wird, diß sich der Bereich mit stark verringerter Dicke vollständig auflöst.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Ji) In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Diode,

Fig.2 ein erläutertes Diagramm, welches die Energieniveaus in den verschiedenen Teilen der Diode 3^r) zeigt,

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

F i g. 8 und 9 erläuternde Diagramme.

F i g. 1 zeigt eine aus zwei Halbleiterbereichen I und 2 mit n- bzw. p-Leitung bestehende Elektrolumineszenzdiode, .vobei diese Halbleiterbereiche einen pn-Übergang bilden. Es sei angenommen, daß diese beiden Bereiche aus dem gleichen Material bestehen und infolgedessen einen gleichen Bandabstand Ei zwischen •15 dem Valenz- und Leitfähigkeitsband besitzen. Das ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

In das Gebiet 2 ist ein ebenfalls p-leitfindes Gebiet 3 eingelagert, dessen Bandabstand jedoch wesentlich geringer und mit £Ί bezeichnet ist. Zur Vereinfachung ■so wird angenommen, daß die Energieniveaus der Valenzbänder für die Materialien 1, 2 und 3 die gleichen sind. Zwei Kontakte 4 und 5 ermöglichen das Anlegen einer Spannungsquelle 6.

Der Betrieb der Diode wird anhand von Fig. 2 verständlich, we'che die charakteristischen Energieniveaus der verschiedenen Bereiche und Gebiete zeigt.

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

In Nähe des Übergangs selbst sind in punktierter Linie die den Leitungsbändern der Bereiche 1 und 2 entsprechenden Energieniveaus und in ausgezogener Linie ist das Energieniveaus des Leitungsbands des Gebiets 3 dargestellt. Man sieht auf diese Weise deutlich die verschiedenen, den beiden Übergängen 2—1 und 3—1 entsprechenden Schwellen.

Da der Bandabstand Ei wesentlich geringer ist als £2,

des Leitungsbands Energieniveau des

liegt das obere Energieniveau
wesentlich tiefer als das obere
Leitungsbands des Bereichs 2.

Wenn man an die Kontakte der Diode eine Spannung anlegt, um sie in Durchlaßrichtung vorzuspannen, "· jedoch die Spannung gering genug hält, daß keine Elektronen von dem Bereich 1 die Schwelle des Obergangs 1—2 überwinden können, so ergibt sich ein Spannungsbereich, welcher Elektronen aus dem Bereich 1 in das Gebiet 3 eintreten läßt, da dieses einen ι« geringeres Bandabstand besitzt als die beiden Bereiche

1 und 2.

Da die Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, treten auch positiv« elektrische Ladungsträger in das Gebiet 3 ein, so daß sich eine Neutralisation von Elektronen im Valenzband ergibt- Die Elektronendichte in diesem Band wird daher abnehmen, und freie Plätze treten auf. Die in dem Leitungsband des Gebiets 3 ankommenden Elektronen gehen dann von dem Leitungsband in das Valenzband Ober unti besetzen dort ■?< > die Leerstellen unter Entstehung von Eiektrolumineszenzstrahlung(Elektronen Fi in Fi g. 2).

Die direkt aus dem Bereich 1 in Richtung des Bereichs

2 kommenden Elektronen F2 werden durch die Schwelle blockiert. Für diesen Spannungsbereich ist daher das Gebiet 3 allein Ausgangspunkt einer Lichtemission.

Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der Elektrolumineszenzdioden beschrieben.

In Fig.3 wurde auf einem Halbleitersubstrat 10 aus mit Silizium dotiertem η-leitendem Galliumarsenid mit -» 10¹⁸ Atomen/cm³ epitaktisch nacheinander abgeschieden:

Eine etwa 3 Mikron dicke η-leitende, mit Tellur dotierte Schicht 11 gleicher Leitfähigkeit von 10¹⁸ Atomen/cm³, deren chemische Zusammensetzung ü Gai -,Al₁As mit 0,2 <*<0,4 ist.

Eine 1 bis 2 Mikron dicke, mit Silizium oder Germanium dotierte, p-leitende Schicht 12 mit der chemischen Zusammensetzung Gai-y\I_yAs, wobei 0<y<0,l ist. In dieser Schicht wird später der ■«> lichtemittierende Teil der Diode gebildet.

In F i g. 4 wurde auf der Oberfläche 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 12i 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. 5 dargestellt aus.

Das Ganze kommt dann in ein Gallium, Aluminium und Arsen enthaltendes Bad. Dieses Bad ist bei 800°Can GaAs 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 0,l°C/M!nute abnehmen läßt.

Zunächst wird die epitaktische Schicht 12 bis zum Verschwinden der Bereiche 121, F i g. 6, aufgelöst, dann wächst epitaktisch eine neue Schicht 14, Fig.7, mü einer p-Dotierung und einer Dicke von 2 bis 3 Mikron, welche das Ganze bedeckt.

In üblicher Weise werden dann Kontakte 15 angebracht. In F i g. 7 ist der Kontakt 15 ringförmig und besitzt eine so große Öffnung, daß nur das nicht-emittierende Gebiet bedeckt wird.

Der Bandabstand £2 beträgt beispielsweise 1,8 eV gegenüber einem £1 von 1,4 cV. Die Querabmessungen betragen etwa 500 μηι.

Fig.8 und 9 zeigen als Funktion der Zeit t (in Minuten) die Temperatur 7"des Bades bzw. die Dicke e der epitaktisch abgeschiedenen Schicht. Negative Werte von e entsprechen der Auflösung der epitaktischen Schicht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszierend^ Halbleiterdiode mit zwei unter Bildung eines pn-Obergangs aneinandergrenzenden Bereichen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, wobei der zweite Bereich aus zwei Gebieten mit unterschiedlichem ßandabstand zwischen dem Valenz- und Leitfähigkeitsband besteht, wobei weiterhin das Gebiet mit dem geringeren Bandabstand an den ersten wiederum einen größeren Bandabstand aufweisenden Bereich grenzt und wobei schließlich das Gebiet mit dem größeren Bandabstand sowie der erste Bereich jeweils mit einem ohmschen Kontakt versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet (2) mit dem größeren Bandabstand das Gebiet (3) mit dem geringeren Bandabstand außer an dessen pn-übergang zum ersten Bereich (1) vollständig umhüllt und dabei an den ersten Bereich (1) unter Bildung eines pn-Übergangs angrenzt.

2. Verfahren zur Herstellung einer elektrolumineszierenden Halbleiterdiode nach Anspruch 1, bei dem nacheinander auf ein Substrat epitaktisch aus der flüssigen Phase eine erste Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einem relativ großen Bandabstand, darauf eine zweite Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit relativ kleinem Bandabstand und schließlich eine dritte Schicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp mit relativ großem Bandabstand abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abscheiden der zweiten Schicht diese selektiv so geätzt wird, daß ein Bereich der ursprünglichen Dicke von einem Bereich stark verringerter Dicke umgeben ist, und daß zu Beginn des Abschneidens der dritten Schicht die Temperatur so geändert wird, daß sich der Bereich mit stark verringerter Dicke vollständig auflöst.