DE3880442T2 - Epitaxiale scheibe. - Google Patents

Epitaxiale scheibe.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine epitaxiale Scheibe, genauer gesagt eine epitaxiale Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs)-Mischkristall-Scheibe, die für die Herstellung einer lichtemittierenden Diode (LED) mit hoher Luminanz geeignet ist.
  • Da LED's init einer niedrigen Spannung betrieben werden können und eine lange Lebensdauer besitzen, werden sie in breitein Umfang als lichtemittierende Anzeigen verwendet. Sie werden heutzutage insbesondere als lichtemittierende Außenanzeigen eingesetzt, wie beispielsweise als Zielanzeigeschilder oder Verkehrssignale u.a. Derartigen Vorrichtungen benötigen eine LED, um eine große Lichtausgangsleistung zur Verfügung zu stellen und damit sicherzustellen, daß die Vorrichtungen auch unter sonnigen Bedingungen als Anzeigen funktionieren können.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer LED mit großer Ausgangsleistung wird beispielsweise unter Verwendung einer epitaxialen GaAlAs-Mischkristall-Scheibe hergestellt. Diese Art von LED's, bei der ein GaAlAs-Mischkristall Verwendung findet, wird in epitaxiale Scheiben vom Einzelheterotyp und epitaxiale Scheiben vom Doppelheterotyp aufgeteilt, wie dies bekannt ist.
  • Eine epitaxiale Scheiben vom Einzelheterotyp wird hergestellt, indem man eine GaAlAs-Mischkristallschicht vom n-Typ mit einer indirekten Übergangsbandstruktur auf einem Einkristallsubstrat formt und eine GaAlAs-Mischkristallschicht vom p-Typ mit direkter übergangsbandstruktur auf der GaAlAs- Mischschicht vom n-Typ herstellt.
  • Wie in Figur 1 gezeigt, findet bei einer epitaxialen Scheibe vom Einzelheterotyp eine rasche Änderung des AlAs-Mischkristallverhältnisses (hiernach im einzelnen erläutert) in einer Tiefe A, d.h. an einem pn-Verbindungsabschnitt der Scheibe, statt.
  • Eine epitaxiale Scheibe vom Doppelheterotyp wird aus einer GaAlAs-Mischschicht hergestellt, die n- und p-GaAlAs-Mischschichten vom indirekten Übergangstyp auf einem Einkristallsubstrat aufweist, und aus einer aktiven Schicht, die aus einer p-GaAlAs-Mischkristallinschicht vom direkten Übergangstyp besteht und eine Dicke von etwa 0,5 bis 5 um besitzt, die dazwischen ausgebildet wird.
  • Wie in Figur 2 gezeigt, tritt eine abrupte Änderung des AlAs-Mischkristallverhältnisses in Tiefen B und C, d.h. an der Heteroverbindungsstelle, auf. Der Bereich B bis C gibt die GaAlAs-Mischkristallschicht vom direkten Übergangstyp wieder. Diese abrupte Änderung des Mischkristallverhältnisses wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Trägerinjektion und Trägerrekombination verwendet. Die epitaxiale Scheibe vom Einzelheterotyp kann einfach hergestellt werden, da, wie vorstehend erläutert, man hier nur zwei Arten von Mischkristallschichten wachsen lassen muß. Die Dicke einer jeden Mischkristallschicht kann grob gesteuert werden. Aus einer epitaxialen Scheibe vom Einzelheterotyp hergestellte LED's besitzen jedoch eine niedrige Lichtausgangsleistung. Obwohl aus einer epitaxialen Scheibe vom Doppelhetereotyp hergestellte LED's eine hohe Lichtausgangsleistung aufweisen, müssen hierbei jedoch drei Arten von GaAlAs-Mischkristallinschichten ausgebildet werden. Insbesondere die Dicke der aktiven Schicht vom p-Typ zwischen den n- und p-GaAlAs- Mischkristallinschichten vom indirekten Übergangstyp muß genau gesteuert werden, so daß daher die Wachstumsprozesse für die epitaxiale Scheibe vom Doppelheterotyp sehr kompliziert sind.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine epitaxiale Scheibe zu schaffen, die für die Herstellung einer LED mit hoher Ausgangsleistung, d.h. Luminanz, geeignet ist.
  • Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer epitaxialen Scheibe, die in einfacher Weise hergestellt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird eine epitaxiale Scheibe zur Verfügung gestellt, die umfaßt: ein Einkristallsubstrat (1), eine Galiumaluminiumarsenid-Mischkristallinschicht vom p-Typ (2) und eine Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallinschicht vom n-Typ (6) mit indirekter Übergangsbandstruktur, wobei die Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallinschicht (2) vom p-Typ aus einer Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallinschicht mit direkter Übergangsbandstruktur, die sich vom pn-übergang (5) aus erstreckt, und einer Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallinschicht (3) mit indirekter Übergangsbandstruktur besteht, wobei sich das Aluminiumarsenid-Mischkristallverhältnis (x) im Galliumaluminiumarsenid (Ga1-xAlxAs) im Bereich zwischen der Ga1-xAlxAs-Schicht (4), die eine direkte Übergangsbandstruktur besitzt, bis zur Ga1-xAlxAs-Schicht (3), die eine indirekte Übergangsbandstruktur aufweist, exponentiell oder allmählich ändert.
  • Von den Zeichnungen zeigen:
  • Figur 1 ein Diagramm, das das Mischkristallverhältnis einer herkömmlichen epitaxialen Scheibe vom Einzelheterotyp zeigt;
  • Figur 2 ein Diagramm, das das Mischkristallverhältnis einer herkömmlichen expitaxialen Scheibe vom Doppelheterotyp zeigt;
  • Figur 3 einen Schnitt durch eine epitaxiale Scheibe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • Figur 4 ein Diagramm, das das Mischkristallverhältnis einer erfindungsgemäß ausgebildeten epitaxialen Scheibe zeigt.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
  • Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete epitaxiale Scheibe.
  • Wie in Figur 3 gezeigt, sind eine Schicht 3 aus einem GaAlAs-Mischkristall mit indirekter Übergangsbandstruktur, eine Schicht 4 aus einem GaAlAs-Mischkristall mit direkter Übergangsbandstruktur und eine Schicht 6 aus einem GaAlAs- Mischkristall vom n-Typ mit indirekter Übergangsbandstruktur auf einem Einkristallsubstrat 1 ausgebildet. Bei der Schicht 2 handelt es sich um eine GaAlAs-Mischkristallschicht vom p- Typ, die durch die Schichten 3 und 4 gebildet wird, wobei ein pn-Übergang 5 zwischen den Schichten 4 und 6 ausgebildet ist.
  • Das GaAlAs-Mischkristall besitzt einen direkten Übergang von 0 < x &le; etwa 0,45, wobei x das AlAs-Mischkristallverhältnis ist, sowie eine indirekte Übergangsbandstruktur von etwa 0,45 < x < 1. Das AlAs-Mischkristallverhältnis x wird als Ga1-xAlxAs, d.h. (AlAs) x (GaAS)1-x, ausgedrückt. Bei diesem Ausdruck gilt für x die Beziehung 0 < x < 1.
  • Das Einkristallsubstrat ist vorzugsweise Galliumarsenid (GaAs) und weiter beispielsweise Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Silicium (Si) und Germanium (Ge), die eine Gitterkonstante besitzen, die der von GaAlAs entspricht. Diese Substanzen können ebenfalls für das Substrat 1 verwendet werden.
  • Die Orientierung der Oberfläche des Substrates 1 beträgt üblicherweise {100}, da auf diese Weise eine verbesserte kristalline epitaxiale Schicht erhalten werden kann, und die Trägerkonzentration des Substrates 1 liegt vorzugsweise bei 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ oder mehr, um den inneren Widerstand zu reduzieren und eine verbesserte Ohm'sche Elektrode zu erhalten. Der leitende Typ des Substrates 1 ist keinen besonderen Beschränkungen ausgesetzt. Vorzugsweise wird zinkdotiertes GaAs vom p-Typ verwendet.
  • Die Schicht 3 wirkt als Grenzschicht, die die Träger auf die Schicht 4 beschränkt. Das AlAs-Mischkristallverhältnis des Bereiches 3 beträgt etwa 0,4 < x < 1, vorzugsweise 0,5 &le; x &le; 0,8. Die Dicke der Schicht beträgt vorzugsweise etwa 15 bis 50 um, um eine Absorption des in der Schicht 4 erzeugten Lichtes zu verhindern und die Träger auf diese Schicht zu beschränken und somit die Luminosität derselben zu verbessern
  • Licht wird aus der Schicht 4 erzeugt, die das gleiche AlAs- Mischkristallverhältnis wie das vorstehend erwähnte Kristall vom direkten Übergangstyp besitzt.
  • Insbesondere wenn ein rotes Licht erzeugt wird, beträgt das AlAs-Mischkristallverhältnis 0,3 &le; x &le; 0,4, und die Dicke der Schicht 4 muß etwa 3 bis 10 um, vorzugsweise 4 bis 8 um, betragen. Wenn die Dicke geringer ist als 3 um, wird die lichtemittierende Rekonnektion nicht in ausreichender Weise erzeugt. Wenn die Dicke größer ist als 10 um, steigt die Lichtabsorption in die Schicht 4 an, und der Lichtemissionswirkungsgrad sinkt ab.
  • Vorzugsweise besitzt die Schicht 2 eine Gesamtdicke von etwa 15 bis 50 um, da sich hierdurch das AlAs-Mischkristallverhältnis exponentiell und/oder allmählich in dem Bereich zwischen der Schicht 4 und der Schicht 3 ändern kann, wie in Figur 4 gezeigt. Eine derartige exponentielle und allmähliche Änderung des AlAs-Mischkristallverhältnisses wird für die Vereinfachung des Herstellverfahrens als wesentlich angesehen. Die Tiefe F in Figur 4 entspricht der Tiefe D in Figur 3. Wenn die Änderung des AlAs-Mischkristallverhältnisses diskontinuierlich oder abrupt wird, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, wird der Produktionsprozeß unerwünscht kom-30 pliziert.
  • Die GaAlAs-Mischkristallschicht 6 vom n-Typ mit indirektem Übergangsband wird bevorzugt, da sie die innere Absorption des erzeugten Lichtes erniedrigt. Die GaAlAs-Mischkristallschicht 6 vom n-Typ besitzt ein AlAs-Mischkristallverhältnis x von etwa 0,45 < x < 1, vorzugsweise von 0,5 &le; x &le; 0,8, und vorzugsweise eine Dicke von 20 bis 100 um.
  • Bei der vorstehend erwähnten Ausführungsform wird ein Substrat vom p-Typ als Einkristallsubstrat 1 verwendet. Wenn jedoch ein Substrat vom n-Typ als Einkristallsubstrat 1 eingesetzt wird, wird die GaAlAs-Mischkristallschicht 6 vom n- Typ auf dem Substrat ausgebildet, wonach die Schicht 4 auf der Schicht 6 ausgebildet wird. Somit wird die Erzeugung eines pn-Überganges an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der GaAlAs-Mischkristallschicht vermieden.
  • Die epitaxiale Scheibe wird vorzugsweise durch einen epitaxialen Flüssigphasen-Wachstumsprozeß (hiernach als LPE bezeichnet) hergestellt, da hierdurch ein einfaches Wachstum einer GaAlAs-Mischkristallschicht mit großer Dicke erreicht werden kann. Wenn ein solcher LPE-Prozeß durchgeführt wird, kann die epitaxiale Scheibe der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, indem man lediglich zwei Arten von geschmolzenen Flüssigkeiten entsprechend den Schichten 2 und 6 unter geeigneten Bedingungen verwendet und eine graduelle und/oder exponentielle Änderung im AlAs-Mischkristallverhältnis zwischen den Schichten 3 und 4 sicherstellt, wie in Figur 4 gezeigt. Für das Wachsen eines GaAlAs-Mischkristalls wird eine Schmelze mit einer Zusammensetzung verwendet, die eine vergleichsweise niedrige Konzentration von AlAs besitzt, vorzugsweise ein AlAS-Mischkristallverhältnis x von 0,45 < x &le; 0,65 aufweist.
  • Des weiteren ist die Kühlgeschwindigkeit vorzugsweise hoch. Wenn die Kühlgeschwindigkeit etwa 1ºC/min oder mehr beträgt, kann eine Dickenänderung des AlAs-Mischkristalls beschleunigt werden, mit dem Ergebnis, daß die Luminosität verbessert wird.
  • Obwohl Zn vorzugsweise als Dotierstoff vom p-Typ bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, können auch Quecksilber (Hg) und Cadmium (Cd) u.ä. verwendet werden. Obwohl als Dotierstoff vom n-Typ vorzugsweise Tellur (Te) verwendet wird, können auch Schwefel (S) und Silicium (Si) eingesetzt werden.
  • Die übrigen LPE-Wachstumsbedingungen können die gleichen sein wie die eines üblichen LPE-Prozesses. Die erfindungsgemäß ausgebildete epitaxiale Scheibe wird nunmehr in Verbindung mit dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel und einem Vergleichsbeispiel einer herkömmlichen epitaxialen Scheibe im einzelnen beschrieben. Sowohl für das Ausführungsbeispiel als auch für das Vergleichsbeispiel wurde eine LPE-Vorrichtung vom Gleittyp verwendet, die mindestens zwei Tanks für Schmelzen aufwies.
    • Ausführungsbeispiel
  • Bei dem in diesem Beispiel verwendeten Einkristallsubstrat handelte es sich um eine mit Zn dotierte GaAs-Einkristallscheibe vom p-Typ mit einer Trägerkonzentration von 1,2 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ und einem Durchmesser von 5 cm. Das Substrat besaß eine {100} Flächenorientierung.
  • Als Schmelze für das Wachstum einer der Schicht 2 vom p-Typ entsprechenden epitaxialen Schicht wurde eine Schmelze verwendet, bei der 3,2 g polykristallines GaAs, 0,9 g metallisches Al und 0,008 g Te in 50 g metallisches Ga eingeschmolzen wurden.
  • Des weiteren wurde als Schmelze für das Wachstums einer der Schicht 6 vom n-Typ entsprechenden epitaxialen Schicht eine Schmelze verwendet, bei der 1,1 g kristallines GaAs, 0,9 g metallisches Al und 0,008 g Te in 50 g metallisches Ga eingeschmolzen wurden.
  • Das Substrat und jede Schmelze wurden an einer gewünschten Stelle in einer LPE-Vorrichtung angeordnet und unter Wasserstoffluß über etwa eine Stunde auf eine Temperatur von 900ºC erhitzt. Dann wurde eine Schmelze für das Wachstum einer Schicht vom p-Typ auf das Substrat gebracht, indem ein Schlitten der LPE-Vorrichtung betätigt wurde. Nach dem Abkühlen auf 160ºC mit einer Kühlgeschwindigkeit von 4 cm/min war eine Schicht vom p-Typ gewachsen. Danach wurde eine Schmelze für das Wachstum einer Schicht vom n-Typ auf das Substrat, auf dem die Schicht vom p-Typ gewachsen war, aufgebracht, und nach dem Abkühlen auf 800ºC mit einer Kühlgeschwindigkeit von 1,0ºC/min war eine Schicht vom n-Typ auf der Schicht vom p-Typ gewachsen.
  • Die Dicke der Schicht vom n-Typ betrug 40 um, und das AlAs- Mischkristallverhältnis x lag konstant bei 0,7.
  • Dann wurden quadratische Chips aus der erhaltenen epitaxialen Scheibe hergestellt, die eine Länge von 500 um besaßen. Als Durchschnittswert von 1000 Chips bei einer Stromdichte von 8 A/cm² und ohne Anwendung eines Epoxidharzüberzuges wurde eine gemessene Lichtausgangsleistung von 6,2 mcd erhalten.
  • Die Dicke der Schicht vom p-Typ betrug 20 um, und das AlAs- Mischkristallverhältnis x besaß einen Wert von 0,6 an der Grenzfläche zwischen der Schicht vom p-Typ und dem Substrat sowie einen Wert von 0,25 in der Nähe des pn-Übergangsabschnittes. Das AlAs-Mischkristallverhältnis x nahm kontinuierlich über die Strecke vom Substrat zum pn-Übergang ab. Die Dicke der Schicht mit direkter Übergangsbandstruktur, die der Schicht 4 in Figur 3 entspricht, betrug 4 um, gemessen von der Oberfläche des Substrates bis zum pn-Übergang.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel betrug die Spitzenwellenlänge der Lichtemission 655 nm.
    • Vergleichsbeispiel
  • Bei diesem Vergleichsbeispiel fand das gleiche Substrat wie bei dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel Verwendung.
  • Als Schmelze für das Wachstum einer Schicht vom p-Typ wurde eine Schmelze verwendet, bei der 4,2 g polykristallines GaAs, 0,41 g metallisches Al und 0,1 g metallisches Zn in 50 g metallisches Ga eingeschmolzen wurden.
  • Als Schmelze für das Wachstum einer Schicht vom n-Typ wurde eine Schmelze mit der gleichen Zusammensetzung verwendet, wie sie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eingesetzt wurde.
  • In der gleichen Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ließ man epitaxiale Schichten wachsen, mit der Ausnahme, daß die Kühlgeschwindigkeit für die Schicht vom n-Typ und die Schicht vom p-Typ auf 0,5ºC/min gehalten wurde.
  • Die Dicke der Schicht vom p-Typ betrug 25 um, und das AlAs- Mischkristallverhältnis x war 0,4 an der Grenzfläche zwischen der Schicht vom p-Typ und dem Substrat und 0,35 in der Nähe des pn-Übergangsabschnittes. Bei den Schichten vom p-Typ und n-Typ handelte es sich um epitaxiale Scheiben mit direktem Übergang vom Einzelheterotyp.
  • Die Dicke der Schicht vom n-Typ betrug 40 um, und das AlAs- Mischkristallverhältnis x lag konstant bei 0,7.
  • Dann wurden quadratische Chips einer Größe von 500 um aus der erhaltenen epitaxialen Scheibe hergestellt Als Durchschnittswert von 1000 Chips unter den gleichen Bedingungen wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine gemessene Lichtausgangsleistung von 3,5 mcd erhalten.
  • Bei diesem Vergleichsbeispiel betrug die Spitzenwellenlänge der Lichtemission 653 nm. Wie aus den Ergebnissen des Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels deutlich wird, besitzt die unter Verwendung einer erfindungsgemäß ausgebildeten epitaxialen Scheibe hergestellte LED im Vergleich zu der durch Verwendung einer epitaxialen Scheibe einer herkömmlichen Einzelheterostruktur hergestellten LED eine große Lichtausgangsleistung.

Claims (9)

1. Epitaxiale Scheibe mit einem Einkristallsubstrat (1), einer Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallschicht (2) vom p-Typ und einer Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallschicht (6) vom n-Typ, die eine indirekte Übergangsbandstruktur aufweist, wobei die Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallschicht (2) vom p-Typ aus einer Galliumaluminiumarsenid- Mischkristallschicht (4) mit einer direkten Übergangsbandstruktur, die sich vom pn-Übergang (5) aus erstreckt, und einer Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallschicht (3) mit indirekter Übergangsbandstruktur besteht und sich das Aluminiumarsenid-Mischkristallverhältnis (x) im Galliumaluminiumarsenid Ga1-xAlxAs exponentiell oder graduell im Bereich zwischen der Ga1-xAlxAs-Schicht (4), die eine direkte Übergangsbandstruktur aufweist, und der Ga1-xAlxAs-Schicht (3) mit indirekter Übergangsbandstruktur ändert.
2. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 1, bei der die Dicke der Galliumaluminiumarsenid-Mischkristallschicht (2) vom p- Typ etwa 15 bis 50 um beträgt.
3. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 1, bei der das durchschnittliche Aluminiumarsenid-Mischkristallverhältnis x in der Schicht (2) vom p-Typ 0,45 < x &le; 0,65 beträgt.
4. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 1, bei der die Dicke der Schicht (6) vom n-Typ 20 bis 100 um beträgt.
5. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Aluminiumarsenid-Mischkristallverhältnis x der Schicht (6) vom n- Typ 0,5 &le; x &le; 0,8 beträgt.
6. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Aluminiumarsenid-Mischkristallverhältnis x in der Schicht (3) 0,5 &le; x &le; 0,8 beträgt.
7. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 1, bei der die Dicke der Schicht (4) etwa 3 bis 10 um beträgt.
8. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Einkristallsubstrat eine der Substanzen GaAs, GaP, InP, Si oder Ge ist.
9. Epitaxiale Scheibe nach Anspruch 8, bei der das Einkristallsubstrat eine Flächenorientierung von {100} besitzt.
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