DE3104368C2

DE3104368C2 - Einkristalline Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE3104368C2
Application number: DE19813104368
Authority: DE
Inventors: Hisanori Tsuchiura Ibaraki Fujita; Shinichi Hasegawa; Masaki Hatano Kanagawa Kajita; Tomio Yokohama Kanagawa Nakaya
Original assignee: Mitsubishi Monsanto Chemical Co; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1981-02-07
Filing date: 1981-02-07
Publication date: 1985-06-05
Also published as: DE3104368A1

Abstract

Eine epitaxiale Scheibe eines Verbindungshalbleiters mit einem Einkristall-Halbleitersubstrat aus GaP und einer aktiven Schicht aus GaAs ↓1 ↓- ↓xP ↓x mit einem Mischkristallverhältnis x im Bereich von 0,5 bis 1 wird für eine LED verwendet. Zwischen dem Einkristall-Halbleitersubstrat und der aktiven Schicht ist eine lichtabsorbierende Schicht aus GaAs ↓1 ↓- ↓xP ↓x mit einem Mischkristallverhältnis x kleiner als demjenigen der aktiven Schicht gebildet, um die Reflexion von Licht an der Oberfläche des Substrats zu unterdrücken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine einkristalline Halbleiterscheibe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, welche zur Herstellung einer Anzeigevorrichtung geeignet ist.

Eine solche Halbleiterscheibe ist aus »Proceedings of the IEEE« 61 (1973) 862-880, insbesondere Fig. 3, bekannt.

Derartige Anzeigevorrichtungen weisen eine Anzahl von lichtemittierenden Dioden (LEDs) auf, welche z. B. in einer 5 · 7 Matrix angeordnet sind; sie werden zur Anzeige einfacher Figuren, wie Ziffern oder Buchstaben, benutzt.

Bei einer solchen Anzeigevorrichtung, welche mit grün, gelb, orange, rot und andere Farben emittierenden LEDs versehen ist und aus einem GaP-Einkristall-Substrat und einer epitaxialen Schicht aus GaASi₁P, besteht, in welcher das Mischkristallverhältnis α- einen Wert von 0,5 bis 1 besitzt, weist sowohl das Substrat wie auch die epitaxiale Schicht eine hohe Durchlässigkeit für das emittierte Licht auf. Demzufolge wird ein Teil des in den LEDs erzeugten Lichtes von der Rückseite der Anzeigevorrichtung reflektiert und dann von der Oberseite der Anzeigevorrichtung abgestrahlt. Dadurch wird das Profil der angezeigten Figur unscharf.

Bei der aus »Proceedings of the IEEE« 61 (1973) S. 862 bis 880, insbesondere Fig. 3, bekannten einkristallinen Halbleiterscheibe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist der erste, dem Substrat benachbarte Schichtteil mit der Zusammensetzung GaAsi._vPy zur Verringerung der Dichte von Verwerfungen und anderen Kristallstörungen aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und dem zweiten Schichtteil mit der Zusammensetzung GaAsi-,Ρ» vorgesehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einkristalline Halbleiterscheibe zu schaffen, bei welcher störende Lichtreflexionen von der Rückseite

des Halbleitersubstrats vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer einkristallinen Halbleiterscheibe gemäß Oberbegriff des Ansprucns 1 erfindungsgemäß durch die Merkmaie des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst Da das Mischkristallverhältnis des ersten Schichtteils kleiner als das Mischkristallverhältnis des zweiten Schichtteils ist, wird das Licht in dem ersten Schichtteil absorbiert Das in dem zweiten Schichtteil erzeugte und dann in Richtung des Halbleitersubstrats emittierte Licht wird in dem lichtabsorbierenden ersten Schichtteil also absorbiert, so daß eine Reflexion von der Rückseite des Halbleitersubstrats er-Findungsgemäß in vorteilhafter Weise unterdrückt wird. Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt den Querschnitt durch eine einkristalle Halbleiterscheibe und das Profil des Mischkristallverhältnisses.

Ein Einkristall-Halbleitersubstrat 1 besteht aus GaP und wird hiernach einfach GaP-Substrat genannt. Die Oberfläche des GaP Substrats 1, auf welcher die hiernach erläuterten epitaxialen Schichten wachsen, ist vorzugsweise eine (lOO)-Ebene mit einer Abweichung von weniger als 5°.
Auf dem GaP-Substrat 1 wird eine GaP-Schicht 2 mit einer Dicke von 1 bis 10 μπι als sogenannte Grundiermasse apitaktisch ausgebildet Es folgt eine epitaxiale Gradientsehicht 3 aus GaAsi-,Ρ», in welcher das Verteilungsprofil des Mischkristallverhältnisses χ in Wachstumsrichtung G derart eingestellt wird, daß das Mischkristallverhältnis χ kontinuierlich von 1 zu dem Mischkristallverhältnis der lichtabsorbierenden Schicht 4 abnimmt. Die Dicke der epitaxialen Gradientsehicht 3 kann zwischen 10 und 150 μητι liegen.
Die lichtabsorbierende Schicht 4 muß eine wesentlich engere verbotene Bandlücke aufweisen als diejenige der aktiven Schicht, so daß das Licht in ausreichendem Umfang in der lichtabsorbierenden Schicht absorbiert wird. Vorzugsweise ist das Mischkristallverhältnis der lichtabsorbierenden Schicht 4 nicht größer als 0.6. wenn die aktive Schicht aus einem epitaxialen Kristall aus stickstoffdotiertem GaP, der für eine grüne LED verwendet wird, besteht. Wenn die aktive Schicht dagegen aus einem epitaxialen Kristall aus GaAsi ,P, mit 0,5 S a· < 1 besteht, und gelbes oder oranges Licht emittiert, ist das Mischkristallverhältnisyder lichtabsorbierenden Schicht 4 vorzugsweise nicht größer als 0.5.

Es folgt eine weitere epitaxiale Gradientsehicht 5 aus GaAsi.»P», in welcher das Mischkristallverhältnis χ in Wachstumsrichtung G derart eingestellt wird, daß es kontinuierlich von demjenigen der lichtabsorbierenden Schicht 4 zu demjenigen der aktiven Schicht 8 ansteigt. Die gemeinsam als aktive Schicht 8 bezeichnete Schicht besteht aus GaASi_xP,. Die aktive Schicht 8 weist eine nichtstickstoffdotierte GaAsi ,Ρ,-Schicht 6 und eine stickstoffdotierte GaAsi ,P,-Schicht 7 auf, wobei das Mischkristallverhältnis χ größer als 0.5 ist. Da das Mischkristallverhältnis größer als 0,5 ist. liegt ein indirekter Übergang vor, und die Möglichkeit eines lichtemittierenden Übergangs ist normalerweise gering.

to Deshalb wird der GaAsi ,P.-Kristall mit Stickstoff dotiert, um den Emissionswirkungsgrad der LKD /u erhohen. In der stickstoffdotierten GaAsi^PrSchicht 7 wird ein PN-Übergang (nicht gezeigt) ausgebildet.

Normalerweise haben das GaP-Substrat 1 und die epitaxialen Schichten eine N-Leitfähigkeit und enthalten als Dotierungsmittel Si, S, Te und dergleichen. Um lichtemittierende Dioden in der epitaxialen Scheibe nach F i g. 1 zu bilden, werden P-Verunreinigungen wie

ζ. B. Zn in die epitaxiale Schicht diffundiert oder ioneniniplantiert.

Durch selektives Einführen der Verunreinigungen in die epitaxiale Scheibe können so Anzeigevorrichtungen mit sieben Segmenten oder mit einer 5 · 7 Matrix hergestellt werden.

Beispiel

Das Eiiikristall-GaP-Substrat 1 zeigte eine N-Leitfähigkeit als Ergebnis einer Dotierung mit Schwefel und halte eine N-Ladungsträgerkonzentration von 3 - 10¹⁷/cm³, eine Dicke von 280 μτη und einer Oberflächenorientierung mit einer 5°-Abweichung von einer (lOO)-Ebene in (HO)-Richtung. Das Einkristall-GaP-Substrat erhielt einen Spiegelschliff und wurde dann gereinigt und in einer horizontalen Reaktionskammer angeordnet, welche ein Quarzrohr mit einem Innendurchmesser von 70 mm und einer Länge von 100 cm aufweist. In die Reaktionskammer wurde Argongas eingeleitet, um die Luft in der Kammer durch Argongas zu ersetzen. Die Einführung von Argongas wurde unterbrochen, sobald die Luft vollständig entfernt worden war. Anschließend wurde ein hochreines Argon als Trägergas in die Reaktionskammer mit einer Rate von 2000 ml/min eingeführt. Während das Trägergas eingeführt wurde, wurde die Temperatur in dem Quarzrohr erhöht, in welchem hochreines Gallium angeordnet war. Das Gallium und das Einkristall-GaP-Substrat wurden jeweils auf 750⁰C und 910°C erhitzt. Nachdem sichsrgestellt war, daß das Gallium und das Einkristall-GaP-Substrat konstant auf diesen Temperaturen gehalten wurden, wurden (1) Stickstoff (N₂)-Gas mit 20 ppm H₂S mit einer Rate von 20 ml/min, (2) HCl-Gas zum Transport von Gallium mit einer Rate von 30 ml/min und (3) Wasserstoff (H₂)-Gas mit 12% PH₃ mit einer Rate von 200 ml/min in die Quarzkammer in einer Richtung vom Gallium zum Einkristall-GaP-Substrat eingeführt. Das Wachstum der GaP-Epitaxial-Schicht 2 (Fig. 1) wurde während einer Zeitdauer von 15 Minuten durchgeführt, während die obenerwähnten Gase (J), (2) und (3) eingeführt wurden.

Anschließend wurde die Strömungsrate des PH3 enthallenden Wasserstoffgases (3) von 200 ml/min auf 100 ml/min für einen Zeitabschnitt von 30 Minuten reduziert, während die Strömungsraten des H₂S enthaltenden Stickstoffgases (1) und des HCL-Gases (2) konstant gehalten wurden. Gleichzeitig mit der Reduzierung der Strömungsrate des PH3 enthaltenden Wasserstoffgases wurde die Strömung eines 12% ASH3 enthaltenden Wasserstoffgases (4) gestartet und seine Strömungsrate von 0 auf 100 ml/min gesteigert, wodurch die epitaxiale Gradientschicht 3 aus GaAsi*P, gebildet wurde, in welcher das Mischkristallverhältnis χ kontinuierlich von 1 auf 0.55 in Wachstumsrichtung geändert wurde.

Anschließend wurde (1) das 20 ppm H₂S enthaltende Stickstoffgas mit einer Rate von 20 ml/min, (2) das HCl-Gas mit einer Rate von 30 ml/min, (3) das 12% PH₃ enthaltende H₂-GaS mit einer Rate von 100 ml/min und (4) das 12% AsH₃ enthaltende HCl-Gas mit einer Rate von 100 ml/min, wobei die gasförmige Zusammensetzung, die aus diesen Gasen besteht, am Ende des Wachstums der epitaxialen Gradientschicht 3 erzielt wird, 15 Minuten in Strömung gehalten, um eine lichtabsorbierende Schicht 4 zu bilden. Nach Beendigung des Wachstums der lichtabsorbierenden Schicht 4 wurde die Strömungsrate des AsH₃ enthaltenden Wasserstoffgases von 100 ml/min auf 0 (null) reduziert. Für die Reduzierung der Strömungsrate waren 30 Minuten erforderlich. Gleichzeitig mit der Reduzierung der Strömungsrate des AsH3 enthaltenden Wasserstoffgases wurde die Strömungsrate des PH₃ enthaltenden Wasserstoffgases von 100 ml/min auf 200 ml/min erhöht, um die epitaxiale Gradientschicht 5 auszubilden, in welcher das Mischkristallverhältnis sich kontinuierlich von 0,55 bis 1 in Wachstumsrichtung änderte. Für die Erhöhung der Strömungsrate waren 30 Minuten erforderlich. Nach dem Wachstum der epitaxialen Gradientschicht 5 wurde die aus GaP bestehende aktive Schicht 8 30 Minuten lang epitaxial gezüchtet. Anschließend wurde ein hochreines Ammoniak (NH₃) in das Quarzrohr für eine Zeitdauer von 30 Minuten mit einer Rate von 200 ml/min eingeführt, um die aktive Schicht 8 mit Stickstoff zu dotieren und um hierdurch die stickstoffdotierte GaP-Schicht 7 zu bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einkristaliine Halbleiterscheibe, bestehend aus einem Halbleitersubstrat aus Galliumphosphid und einer auf dem Substrat epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus Gallium-Arsenid-Phosphid, wobei die Schicht einen ersten, dem Substrat benachbarten Schichtteil mit der Zusammensetzung GaAsi-yPy und einen zweiten von dem Substrat durch den ersten Schichtteil getrennten Schichtteil mit der Zusammensetzung GaAsi-»P« aufweist und wobei ferner der zweite Schichtteil ein Mischkristallverhältnis χ im Bereich von 0,5 bis 1 hat und zur Ausbildung lichtemittierender Dioden vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß des erste Schichtteil ein Mischkristallvorhältnis y < χ aufweist und als lichtabsorbierende Schicht (4) für von den Dioden emittiertes Licht ausgebildet ist.

2. Einkristalline Halbleiterscheibe nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Schichtteil (4) und dem zweiten Schichtteil (8) eine epitaxiale Gradientenschicht (5) aus Gallium-Arsenid-Phosphid vorliegt, in der der Übergang von y nach Ar kontinuierlich erfolgt,

3. Einkristalline Halbleiterscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß y < 0,5 ist.