DE4038216A1 - Verfahren zur herstellung von leuchtdioden - Google Patents
Verfahren zur herstellung von leuchtdiodenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Leuchtdioden.
Damit Leuchtdioden (LEDs) auf einem Chip integriert
bzw. in ein Gehäuse eingebaut werden können, müssen
deren Halbleiterschichten auf ein Substrat aufgebracht
werden. Dies führt jedoch zu dem Nachteil, daß das Sub
strat die emittierte Strahlung teilweise absorbiert und
somit die Lichtausbeute der Leuchtdiode verringert
wird.
Die Strahlungsabsorption kann durch eine Reduzierung
der Substratfläche gegenüber der Fläche der LED-Schich
ten zwar teilweise vermieden werden. Man erhält jedoch
eine wesentlich höhere Lichtausbeute, falls das Sub
strat für die emittierte Strahlung transparent ist; mit
Hilfe geeigneter Reflexionsflächen kann dann die gesam
te, von der aktiven Schicht emittierte Strahlung zur
Strahlungsauskopplung ausgenutzt werden.
Leuchtdioden mit Doppelheterostruktur, bei der die ak
tive lichtemittierende Schicht von zwei Halbleiter
schichten mit größerem Bandabstand ("Cladding"-Schich
ten) umgeben ist, besitzen gegenüber konventionellen
Leuchtdioden den Vorteil einer höheren Lichtausbeute.
Um beispielsweise bei einem derartigen Gallium-Alumini
um-Arsenid-System (GaAlAs-System), das für eine Emis
sion im roten Spektralbereich (660 nm) geeignet ist,
ein transparentes GaAlAs-Substrat mit der entsprechen
den Dicke (beispielsweise 200 µm) bereitzustellen, wur
den bereits zwei unterschiedliche Verfahren vorgeschla
gen:
- - Gemäß der EP 03 22 465 wird auf ein Gallium-Arsenid- Substrat (GaAs-Substrat) durch Gasphasenepitaxie (VPE) eine GaAlAs-Substratschicht abgeschieden und danach die eigentliche Leuchtdioden-Schichtstruktur mittels Flüssigphasenepitaxie (LPE) aufgewachsen.
- - In der EP 03 25 493 wird der umgekehrte Weg beschrit ten; dort läßt man auf ein GaAs-Substrat die Leucht dioden-Schichtstruktur mit VPE und anschließend die GaAlAs-Substratschicht mittels LPE aufwachsen.
Das ursprüngliche Gallium-Arsenid-Substrat wird nach
Beendigung der Epitaxieprozesse selektiv entfernt, so
daß die Leuchtdioden-Schichtstruktur auf dem transpa
renten GaAlAs-Substrat übrig bleibt.
Der Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin,
daß unterschiedliche Abscheideverfahren (zwei Betriebs
mittel) benötigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nach
teil zu vermeiden und ein verbessertes Herstellungs
verfahren für Leuchtdioden mit transparentem Substrat
anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die
Halbleiterschichten der Leuchtdiodenstruktur und eine
transparente Halbleiter-Substratschicht auf ein Träger
substrat mittels Flüssigphasenepitaxie in einem einzi
gen Prozeßschritt abgeschieden werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver
fahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die LED-Gesamtstruktur kann somit mittels eines einzi
gen Epitaxieverfahrens hergestellt werden; alle Halb
leiterschichten werden sukzessiv abgeschieden.
Zum Abscheiden der Halbleiterschichten mittels der
Flüssigphasenepitaxie (LPE) kann entweder das Tauchver
fahren, bei dem die Scheiben vertikal in die Schmelz
tiegel eingetaucht werden oder das Schiebetiegelverfah
ren, bei dem die Scheiben horizontal unter die Schmelz
tiegel transportiert werden, eingesetzt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausfüh
rungsbeispiels - einem Verfahren zur Herstellung rot
emittierender GaAlAs-Doppelheterostruktur-LEDs - näher
beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 den zeitlichen Prozeßablauf des Herstellungs
verfahrens am Beispiel des Tauchverfahrens,
Fig. 2 den schematischen Aufbau einer Gallium-Alumi
nium-Arsenid (GaAlAs)-Leuchtdiode,
Fig. 3 den schematischen Aufbau einer mit einem mo
difizierten Verfahren hergestellten GaAlAs-
Leuchtdiode.
In der Fig. 1 sind der zeitliche Ablauf des Tauchver
fahrens sowie der Verlauf der Prozeßtemperaturen zum
sukzessiven Abscheiden der Halbleiterschichten darge
stellt.
Beim Tauchverfahren werden die auf einem Wafer-Carrier
angeordneten Halbleiterscheiben (beispielsweise zehn
2′′-Scheiben) vertikal in Schmelzbehälter eingetaucht,
die Schmelzlösungen entsprechend der abzuscheidenden
Halbleiterschichten enthalten. Der Wafer-Carrier ver
drängt die Schmelze, die jeweils in den Zwischenraum
zwischen zwei Scheiben eindringt. Bei einer Absenkung
der Temperatur entsprechend der Fig. 1 wird die Lös
lichkeit der Schmelze verändert, so daß Epitaxieschich
ten auf den Halbleiterscheiben abgeschieden werden.
Beim Erreichen der Endtemperatur, die einer bestimmten
aufgewachsenen Schichtdicke entspricht, werden die
Scheiben aus den Schmelzbehältern herausgezogen; die
überschüssige Schmelze fließt aus dem Wafer-Carrier in
die Schmelzbehälter zurück.
Dieser Prozeß wird sukzessiv für jede Schicht der her
zustellenden Schichtstruktur mittels hintereinander
angeordneter Schmelzbehälter unterschiedlicher Zusam
mensetzung durchgeführt. Gemäß der Fig. 1 wird auf ein
GaAs-Substrat 1 eine erste "Cladding"-Schicht 2, eine
aktive Schicht 3, eine zweite "Cladding"-Schicht 4 und
ein GaAlAs-Substrat 5 mit jeweils unterschiedlichem
Gallium- und Aluminium-Anteil nacheinander abgeschie
den.
Der Zeitpunkt zu dem die Scheiben jeweils in die ver
schiedenen Schmelzlösungen eingetaucht (E) bzw. aus den
Schmelzlösungen herausgezogen (H) werden, ist in der
Fig. 1 mit t1 bis t5 indiziert. Die Indizes beim Ein
tauchvorgang (E2 bis E5) bzw. beim Herausziehen (H1 bis
H5) der Scheiben sind entsprechend der jeweils abzu
scheidenden Schicht gewählt.
Nach dem Abscheiden der zweiten Cladding-Schicht 4
(Zeitpunkt t4), ist die Prozeßtemperatur bereits soweit
abgesunken, daß sich die beispielsweise 100 µm dicke
transparente GaAlAs-Substratschicht 5 bei einer weite
ren Temperaturabsenkung nicht mehr abscheiden läßt. Die
Scheiben können jedoch im herausgezogenen Zustand in
der Epitaxie-Anlage verbleiben, bis nach einem Aufheiz
vorgang die Starttemperatur zum Abscheiden der transpa
renten Substratschicht 5 (E5) erreicht ist; der Epita
xievorgang muß somit nicht vollständig unterbrochen
werden.
Die Fig. 2 zeigt ein Bauelement, das gemäß dem Verfah
ren in Fig. 1 gefertigt wurde.
Die erste Cladding-Schicht 2 mit der Zusammensetzung
Ga1-yAlyAs, wobei y beispielsweise 0,7 beträgt, besitzt
eine Schichtdicke von beispielsweise 5 µm. Die aktive
Schicht 3 mit der Zusammensetzung Ga1-xAlxAs, bei
spielsweise mit x = 0,38, besitzt eine Dicke von bei
spielsweise 2 µm. Durch die Bedingung y < x wird er
reicht, daß die Cladding-Schicht einen höheren Bandab
stand (Eg ca. 2,05 eV) als die aktive Schicht (Eg
ca. 1,9 eV) besitzt. Die zweite Cladding-Schicht 4 be
sitzt beispielsweise die gleichen Abmessungen und die
gleiche Zusammensetzung wie die erste Cladding-Schicht
2. Die Gesamtdicke dieser Halbleiterschichten 2, 3, 4
liegt vorzugsweise zwischen 10 und 100 µm.
Die Substratschicht 5 besitzt die Zusammensetzung
Ga1-zAlzAs, wobei die Bedingung z < x erfüllt werden
muß; der Bandabstand der Substratschicht 5 ist dann
größer als derjenige der aktiven Schicht 3, so daß die
Substratschicht 5 transparent für die von der aktiven
Schicht 3 emittierte Strahlung ist. Beispielsweise wird
z = 0,5 gewählt; die transparente Substratschicht 5
besitzt eine Dicke von beispielsweise 100 µm.
Das GaAs-Substrat 1, auf dem die Halbleiterschichten 2
bis 5 aufgewachsen wurden, wird nach Herstellung der
Schichtstruktur abgeätzt, das Bauelement kontaktiert
(beispielsweise mittels ohmscher Kontakte) und bei
spielsweise in ein Gehäuse eingebaut.
Bei einem derartigen Bauelement besteht jedoch die
Schwierigkeit, auf die GaAlAs-Schicht 2 mit sehr hohem
Aluminium-Gehalt (beispielsweise 70%) einen ohmschen
Kontakt anzubringen.
Bei einer Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird daher gemäß Fig. 3 vor dem Aufwachsen der Gal
lium-Aluminium-Arsenid-Halbleiterschichten 2 bis 5 auf
dem GaAs-Substrat 1 zunächst eine beispielsweise 1 µm
dicke GaAlAs-Ätzstopschicht 6 und eine beispielsweise
1 µm dicke GaAs-Kontaktschicht 7 abgeschieden. Die
GaAlAs-Schicht 6 verhindert beim Abätzen des GaAs-Sub
strats 1, daß die GaAs-Kontaktschicht 7 angegriffen
wird. Nach dem Abätzen des GaAs-Substrats 1 wird die
GaAlAs-Ätzstopschicht 6 selektiv abgeätzt, und die
GaAs-Kontaktschicht 7 mittels photolithographischer
Prozesse strukturiert und metallisiert. Die so erhalte
nen GaAs-Kontakte 8 besitzen den Vorteil, daß sie weni
ger oxidieren als herkömmliche ohmsche Kontakte.
Das erfindungsgemäße LPE-Verfahren ist nicht auf das
Tauchverfahren beschränkt, sondern kann auch beim
Schiebetiegelverfahren angewendet werden, bei dem die
Substrate horizontal unter die Schmelzbehälter mit den
entsprechenden Schmelzlösungen transportiert werden.
Der Prozeßablauf bei der Abscheidung der Halbleiter
schichten kann beim erfindungsgemäßen Verfahren auch
anders als beim obigen Ausführungsbeispiel erfolgen;
beispielsweise kann zunächst die transparente Substrat
schicht auf ein Trägersubstrat und anschließend die
Halbleiterschichten der LED-Struktur abgeschieden wer
den.
Neben dem vorgestellten GaAlAs-System sollen als weite
re LED-Systeme, bei denen sich das Verfahren nach der
Erfindung ebenfalls einsetzen läßt, beispielhaft noch
das Gallium-Indium-Phosphid-System (GaInP-System) und
das Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid-System (GaInAsP-
System) genannt werden.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten (2, 3, 4)
der Leuchtdiodenstruktur und eine transparente Halblei
ter-Substratschicht (5) auf ein Trägersubstrat (1) mit
tels Flüssigphasenepitaxie in einem einzigen Prozeß
schritt abgeschieden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterschichten (2, 3, 4, 5) mittels des
Tauchverfahrens epitaxiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterschichten (2, 3, 4, 5) mittels des
Schiebetiegelverfahrens epitaxiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die transparente Halbleiter-Sub
stratschicht (5) nach den Halbleiterschichten (2, 3, 4)
der Leuchtdiodenstruktur auf das Trägersubstrat (1)
abgeschieden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die transparente Halbleiter-Sub
stratschicht (5) vor den Halbleiterschichten (2, 3, 4)
der Leuchtdiodenstruktur auf das Trägersubstrat (1)
abgeschieden wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß Halbleiterschichten (2, 3, 4, 5)
aus Gallium-Aluminium-Arsenid oder Gallium-Indium-Arse
nid-Phosphid auf ein Gallium-Arsenid-Trägersubstrat (1)
abgeschieden werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß Halbleiterschichten (2, 3, 4, 5)
aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid auf ein Gallium-
Phosphid-Trägersubstrat (1) abgeschieden werden.
8. Leuchtdiode hergestellt mit einem Verfahren nach
einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leuchtdiode eine Doppelheterostruktur-Leucht
diode ist, bei der eine aktive Schicht (3) von zwei
Cladding-Schichten (2, 4) umgeben ist, die einen größe
ren Bandabstand als die aktive Schicht (3) aufweisen.
9. Leuchtdiode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterschichten (2, 3, 4) und die Halblei
ter-Substratschicht (5) aus Gallium-Aluminium-Arsenid
mit unterschiedlichem Gallium- und Aluminium-Anteil
bestehen, wobei die Cladding-Schichten (2, 4) und die
Halbleiter-Substratschicht (5) einen höheren Alumini
um-Anteil als die aktive Schicht (3) besitzen.
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|---|---|---|---|
| DE19904038216 DE4038216A1 (de) | 1990-01-20 | 1990-11-30 | Verfahren zur herstellung von leuchtdioden |
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Publications (1)
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Country Status (1)
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| DE (1) | DE4038216A1 (de) |
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