DE2838818A1

DE2838818A1 - Lichtemittierende diodenanordnung fuer farbwiedergabe und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE2838818A1
Application number: DE19782838818
Authority: DE
Inventors: Frank Fu Fang; Kwang Kuo Shih
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-09-21
Filing date: 1978-09-06
Publication date: 1979-03-29
Also published as: FR2404308B1; US4148045A; CA1107378A; JPS5448188A; FR2404308A1; GB1600212A

Description

Anmelderin: International Business Machineis

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

gg/ib

Lichtemittierende Diodenanordnung für Farbwiedergabe und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Mehrfarben-LED-Anzeige mit einer mindestens einen pn-übergang aufweisenden Halbleiterschicht aus einem Halbleitermaterial des Typs AB_1- C .

Auf dem Gebiet der elektrisch/elektrooptischen Energieumwandlung haben sich integrierte Anordnungen von' lichtemittierenden Dioden als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die Verfahren zur Herstellung derartiger Anordnungen sind technisch gut ausgereift. Anzustrebende Verbesserungen an derartigen Anordnungen liegen vor allem im Bereich der Farbwiedergabe, insbesondere bei der Festlegung bzw. Variation der Frequenz der abgegebenen elektromagnetischen Energie.

Integrierte Strukturen, bei denen das Prinzip der unterschiedlichen Farbwiedergabe durch Bildung der Dioden an einer definierten Stelle eines Konzentrationsgradienten des Halbleitermaterials verwirklicht ist, sind beispielweise in den US. Patentschriften Nr. 3 873 382 und 3 725 749 beschrieben. In diese bekannten Strukturen machen wir doch ein relativ kompliziertes Herstellungsverfahren erforderlich.

Es ist die Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Mehrfarben-LED-Anzeige anzugeben, in deren integrierte Struktur sich in einem relativ einfachem Herctellungsprozeß verwirklichen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.

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Zusammenfassend kann die Erfindung darin gesehen werden, daß für die Diodenanordnung ein Halbleiterkörper mit einem Bereich aus einem Halbleitermaterial des Typs AB₁_ C verwendet wird, dessen Zusammensetzung über die Konzentrationsvariable χ verändert wird, wobei 0<x<1 ist. Der Wert der Konzentrationvariablen ist also unterschiedlich, so daherstellbar sind. Die jeweilige Konzentration bestimmt die Farbe bzw. Frequenz des emittierten Lichtes.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:
Fig. 1

eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung in einer Zwischenstufe des Herstellungsprozesses,

Fig. 2

eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Mehrfarben-LED-Anzeige,

Fig. 3

eine die bei Verwendung von GaAs₁ P als Halbleitermaterial wiedergebende Darstellung der Materialzusammensetzung (Konzentrationsvariable x) zur Erzielung einer Emission in einzelnen Farben, wobei das tragende Halbleitersubstrat aus GaAs besteht,

Fig. 4

eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, wobei das tragende Halbleitersubstrat aus GaP besteht,

Fig. 5

ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel· in einer Zwischenstufe des Herstellungsverfahren ,

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c*

Fig. 6 eine erfindungsgemäße LED-Anzeigestruktur mit Lichtbändern unterschiedlicher Farben und

Fig. 7 eine erfindungsgeraäße LED-Anzeigestruktur in

Form einer Matrix mit unterschiedlichen Kopierungen von Licht sämtlicher Farben.

Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterkörper 1, setzt sich aus einem Substrat 2 und einer darauf aufgebrachten Epitaxieschicht 3 zusammen. Die Epitaxieschicht 3 weist einen ersten Bestandteil A und zweite und dritte Bestandteile in B_1- C auf,

τ χ χ

deren Zusammensetzung mit der Konzentratxonsvarxablen χ mit der Dicke der Halbleiterschicht, also ausgehend von der Grenzfläche 4 in Richtung des Epitaxiewachstum verändert.

Das Halbleitersubstrat dient als Träger und als Ausgangsmaterial für das Aufwachsen der einen Konsentratxonsgradienten aufweisenden Halbleiterschicht aus Halbleitermaterial des Typs AB_1- C . Außerdem kann das Halbleitersubstrat als ohmscher Anschluß zur Halbleiterschicht 3 verwendet werden. Das übliche Verfahren zur Bildung der Halbleiterschicht AB_1- C ist ein epitaktisches Aufwachsen auf dem Substrat 2, wobei die Konzentrationen von B und C während des Aufwachsprozesses verändert werden. Die in Fig. 1 gezeigte Halbleiterstruktur bildet eine Zwischenstufe im Herstellungsprozeß, die eine große Flexibilität bei der Herstellung von lichtemittierenden Diodenanordnungen für unterschiedliche Farben, für Diodenanordnungen in unterschiedlicher Tiefe und für Diodenanordnungen, die geographische Lichtmuster bilden.

,Die Fig. 2 zeigt die Struktur gemäß Fig. 1 nach einem weiteren jProzeßschritt. Es sind Teile der in vertikaler Richtung einen jKonzentrationsgradienten aufweisenden Halbleiterschicht selektiv entfernt. Außerdem sind die lichtemittierenden diodenbiljdenden pn-übergänge im Bereich festgelegter Konzentrationspegel

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gebildet. Die epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht 3 ist im betrachteten Ausführungsbeispiel n-dotiert.

Die relative Konzentration der Elemente B_1- C , wobei 0<x<1

I X X

ist, verändert sich in vertikaler Richtung mit den kleinsten Wert der Konzentrationsvariablen χ an der Grenzfläche 4 zwischen Substrat 2 und Epitaxieschicht 3. Die gewünschte Farb konfiguration erhält man durch selektive äztprozesse, bei dennen Plateaus 5, 6, 7 und 8 gebildet werden. Diese Plateaus lie gen in der gewünschten Tiefe und somit im Bereich der gewünsch ten Konzentration. Die einzelnen lichtemittierenden Dioden 9, 10, 11 und 12 können unter Verwendung einer geeigenten Maske durch Diffussion von p-dotierendem Störstellenmaterial oder auch beispielsweise durch Ionenimplantation hergestellt werden. Die sich ergebende LED-Anzeige umfaßt eine Diodenstruktur für unterschiedliche Farben, die in unterschiedlichen Tiefen abgestrahlt werden.

Die Erfindung wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung anhand spezifischer Materialen erläutert. Selbstverständlich steht dem Fachmann eine große Anzahl von Materialien zur Verfügung, die bei der Herstellung erfindungsgemäßer Anordnungen verwendbar sind.

Besteht das Substrat 2 aus GaAs und die darauf aufgewachsene Halbleiterschicht 3 aus GaAs₁ P , wobei die Konzentrations-

1-x χ

variable χ an der Grenzfläche 4 am niedrigsten ist, so erhält man das rote Ende des Spektrums im Bereich dieser Grenzfläche 4, während das grüne Ende des Spektrums im Bereich der hohen Konzentrationvariablen X liegt.

Die Fign. 3 und 4 geben den Konzentrationsgradienten für unterschiedliche Materialen wieder. Die Werte χ geben die anzustrebenden Konzentrationen an, wenn die bezeichneten Farben erzielt werden sollen. Die Darstellungen sind auf die Struktur

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nach Fig. 2 ausgerichtet, wobei die Abszisse die Dicke d der die Halbleiterschicht 3 bildenden Epitaxieschicht und die auf die Ordinate die Konzentration angibt. Es ist darauf hinzuweisen, daß zum Zwecke der Veranschaulichung die Dickenabmessungen selbstverständlich in vergrößertem Maßstabe dargestellt sind. Enthält das Material des Substrats den in seiner Konzentration zu ändernden Bestandteil des Materials der Halbleiterschicht, so liegt die Einheitskonzentration für den am stärksten flüchtigen Bestandteil an der Grenzfläche 4.

Die grundsätzliche, in Verbindung mit den Fign. 1, 2, 3 und 4 beschriebene Struktur v/eist im Hinblick auf das Herstellungsverfahren von derartigen Anordnungen eine Reihe von Vorteilen auf, wobei jedoch Beschränkungen der Betriebsweise auftreten können. Die Vorteile liegen insbesondere darin, daß man integrierte Anordnungen erhält, die Darstellungen in einzelnen Farben, in Gruppen von Farben, in einzelnen Farbstreifen aber auch Darstellungen von ganzen Zeichen erlauben. Hauptsächlich liefert diese Technik eine wählbare Lichtemission in verschiedenen Farben in unterschiedlichen Höhenstufen innerhalb einer zweidimensionalen Matrixanordnung. In integrierter Anordnung werden auf diese Weise lichtemittierende Muster zur Verfugung gestellt.

Eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich aus den Fign. 5, 6 und 7. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist auf das Substrat 2, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, die Halbleiterschicht 3 epitaktisch aufgewachsen. Im hier betrachteten Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschicht 3 nicht mit einem Konzentrationsgrandxenten ausgestattet. Die Halbleiterschicht 3 ist mit einer Oxidschicht 13 abgedeckt. Es sind Schlitze 14, die bis zur Grenzfläche 4 mit dem Substrat 2 reichen, eingebracht. Auf diese Weise sind mit der !Oxidschicht 13 abgedeckte Streifen der Halbleiterschicht 3 zurückgeblieben. Unter Anwendung der in der Halbleitertechnik

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Üblichen Verfahren werden in der Oxidschicht 13 geeignete Fenster geöffnet und in die Streifen pn~Übergänge, die nicht dargestellt sind, eingebracht. Auf diese Weise entsteht auf jeden Streifen eine lineare Anordnung von lichtemittierenden Dioden.

Nun kann in einer Abwandlung anderes, mit einem Konzentrationsgradienten ausgestattetes Halbleitermaterial im Bereich der Schlitze 14 durch Epitaxie aufgewachsen v/erden. Auf diese Weise erhält man eine Struktur von Lichtstreifen unterschiedlicher Eigenschaften in Abhängigkeit von der Tiefe, in der die lichtemittierenden Dioden gebildet v/erden.

Die Struktur gemäß Fig. 5 bildet im Rahmen der Erfindung ein mit vielen Variationmöglichkeiten ausgestattetes Zwischenprodukt. Eine Ausgestaltung der Struktur gemäß Fig. 5 ergibt sich in Verbindung mit der Struktur gemäß Fig. 6. Beispielsweise wird die Halbleiterschicht 3 aus η-dotiertem GaP hergestellt. Diese Halbleiterschicht 3 bildet nach dem Einbringen der Schlitze 14 die Streifen 16. In den Schlitzen 14 der Fig. 5 werden die Zonen 15 epitaktisch aufgewachsen, die im betracheten Beispiel aus η-dotiertem GaAs _r~P . bestehen. Polykristallines Material kann die Oxidschicht 13 über den Zonen 16 aus GaP bilden, über den Zonen 15 wird die Oxidschicht 13A gebildet. Durch öffnen von Maskenfenstern in den Oxidschichten 13 und 13A und Durchführung eines Diffusionsprozesses werden individuelle p-dotierte Zonen 17 eingebracht. Vorzugsweise handelt es sich dabei um sehr flache Zonen, um einen hohen Wirkungsgrad der Lichtemission zu erzielen. Die resultierende Struktur ist in Fig. 6 dargestellt. Man erhält eine lichtemittierende Anordnung, die bei den angegebenen Materialien und Konzentrationen grünes und rotes Licht abgeben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt. Auch bei dieser Struktur werden zunächst Schlitze erzeugt und

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die.se anschließend epitaktisch aufgefüllt, so daß sich die Zonen 18, 19, 20, 21, 22, 23 und 24 auf den angegebenen Materialien ergeben. Für die angegebenen ZusammenSetzungen ergeben sich Bereiche für rotes, oranges, gelbes und grünes Licht. Die Zonen sind so ausgebildet, daß sie für den Beobachter punktförmige Lichtquellen darstellen.

In sämtlichen Anordnungen sind elektrische Anschlüsse an die Elemente zu führen. Diese Anschlüsse sind nicht dargestellt, da es sich dabei um gängige Maßnahmen handelt.

Zusammenfassend wird die Erfindung in einer mehrfarbigen, lichtemittierenden Diodenanordnung gesehen, die in einer ersten Ausführungsform aus einer Halbleiterschicht mit einer Zusammensetzung des Typs AB₁ __rC besteht, wobei durch Verändern von χ ein Konzentrationsgradient senkrecht zur Schicht eingestellt wird. Eine Emission von Licht unterschiedlicher Farbe wird durch pn-übergänge in Bereichen unterschiedlicher Konzentration erzielt. Diese Bereiche werden durch Abtragen von entsprechenden Teilen der Halbleiterschicht festgelegt. In einer zweiten Ausführungsform werden auf ein Halbleitersubstrat in lateraler Anordnung selektiv Halbleitermaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebracht und darin lichtemittierende Dioden in vorbestimmter Farbzusammenstellung gebildet.

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Claims

O O Ω 1 Q

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P Λ ΤΕΝΤΑ N S P R UCiIE

Lichtemittierende Diodenanordnung für Farbwiedergabe mit einer mindestens einen pn--übergang aufweisenden HaIhleiterschicht aus einem Halbleitermaterial des Typs AB₁ __rC , dadurch gekennzeichnet, daß fi±e Halbleitorsciiicht durch Veränderung der Konzentrationsvariablen χ einen senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Konzentrationsgradienten aufweist und daß der pn-übergang in einem in definierter Schichthöhe freigelegten Bereich der Halbleiterschicht gebildet ist.
2. Lichtemittierende Diodenanordnung für Farbwiedercjabe mit einer mindestens einen pn-übergang aufweisenden Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet,, daß auf ein Halbleitersubstrat eine Halbleiterschicht aus einem ersten Halbleitermaterial des Typs AB₁ C aufgebracht ist, in das Schlitze eingebracht sind, in die ein sich von diesem Halbleitermaterial entweder hinsichtlich der Konzentration oder hinsichtlich eines Bestandteiles unterscheidendes zweites Halbleitermaterial eingebracht ist, und da 3 die pn-Übergänge in das entstandene Muster eingebracht sind.
3. Lichtemittierende Diodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in Form einer Matrix aufgebaut ist.
4. Lichtemittierende Diodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial

des Typs AB₁ C aus GaAs₁ P besteht. ** 1-x χ 1-x χ
5. Verfahren zur Herstellung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht auf ein Halbleitersubstrat epitaktisch aufgewachsen wird, wobei der Konzentrationsgradient erzeugt wird, daß das Halbleitermaterial bis zu den difi-

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nierten .Schichthöhen abgetragen wird und daß in Bereich dor freiaele<.]tGii Plateaus υη~Übergänge erzeugt werdan.

Vfirfauren zur Herstellung der Anordnung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicnt auf ein Halbleitersubstrat ei>i-taktisch aufgev/achsen vird, daß die Schlitze eingentzt v/erden, daT> iui Bereich der Schlitze das zweite Halbleitermaterial epitciktisch fiufgewachsen wird und daß dann die pri-UbercvlTuje gebildet werden.

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