DE4305296A1 - Strahlungsemittierende Diode mit verbesserter Strahlungsleistung - Google Patents

Strahlungsemittierende Diode mit verbesserter Strahlungsleistung

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Description

Die Erfindung betrifft eine strahlungsemittierende Diode mit verbesserter Strahlungsleistung und ein Ver­ fahren zu deren Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Infrarotdiode mit einer zur Verbesserung der Strahlungsauskopplung aufgerauhten Oberfläche.
Infrarotemittierende Dioden aus Silizium-dotiertem Gallium-Arsenid finden heute in großem Umfang als Sender für die verschiedensten Fernsteueraufgaben Ver­ wendung. Um eine hohe Funktionssicherheit und einen ge­ ringen Leistungsbedarf zu erreichen, wird von den Dioden ein möglichst großer externer Quantenwirkungs­ grad gefordert.
Der externe Quantenwirkungsgrad einer lichtemittieren­ den Diode wird neben dem internen Quantenwirkungsgrad von den beim Austreten der Strahlung aus dem Inneren der Diode auftretenden Verlusten bestimmt. Eine Hauptursache für diese Verluste ist der durch den hohen optischen Brechungsindex des Halbleitermaterials, er liegt bei ca. 3,6 für Gallium-Arsenid, bedingte Strah­ lungsanteil, der wegen Totalreflexion an der Halb­ leiteroberfläche nicht ausgekoppelt werden kann. Für Gallium-Arsenid ergibt sich ein Grenzwinkel der Total­ reflexion von 16,2° beim Übergang zu Luft. Auf direktem Weg wird nur der Strahlungsanteil ausgekoppelt, der unter einem kleineren Winkel zur Oberflächennormalen auf die Grenzfläche fällt. Dieser Strahlungsanteil unterliegt jedoch noch einer durch den Brechungsindex­ sprung hervorgerufenen teilweisen Reflexion. Für die senkrecht auf die Grenzfläche auftreffende Strahlung beträgt der Transmissionskoeffizient etwa 68%, so daß, wenn man die Absorption der Strahlung auf dem Weg zur Grenzfläche vernachlässigt, bei einer ebenen Struktur schließlich nur etwa 2,7% der erzeugten Strahlung den Halbleiterkristall auf direktem Weg verlassen können.
Die Strahlungsauskopplung aus dem Dioden inneren läßt sich durch verschiedene Maßnahmen wie z. B. durch das Aufbringen einer λ/4-dicken Vergütung, einer Umhüllung mit einem dem Brechungsindex angepaßten Material, das Aufrauhen der Diodenoberfläche oder einer Kombination dieser Maßnahmen verbessern.
Aus der EP 404 565 ist eine strahlungsemittierende Diode aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial be­ kannt, bei der zur Verbesserung des externen Quanten­ wirkungsgrades die gesamte Oberfläche des Halbleiter­ chips aufgerauht ist. Durch das Aufrauhen wird die Totalreflexion der erzeugten Strahlung an der Grenz­ schicht zwischen dem Diodenchip und dem umgebenen Material vermieden, der Lichtweg im Halbleitermaterial verkürzt und somit die Wahrscheinlichkeit der Reabsorp­ tion vermindert. Nachteilig bei einer derart aufge­ rauhten Oberfläche des Halbleiterchips ist jedoch, daß aufgrund der angeätzten Kontaktfläche das Chip nur sehr schlecht zu bonden ist. Weiterhin führt das Anätzen der Oberfläche im Bereich des strahlungsemittierenden pn- Übergangs zu verkürzten Lebensdauern der Dioden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine strahlungsemit­ tierende Diode anzugeben, bei der die Totalreflexion vermindert wird, die sich gut bonden läßt und bei der keine Reduzierung der Lebensdauer auftritt. Diese Auf­ gabe wird durch eine strahlungsemittierende Diode mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren zum Herstellen einer strahlungsemittierenden Diode nach dem Anspruch 1 anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Die vor­ teilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bei einer strahlungsemittierenden Diode ist auf einem Substratkörper eine epitaktische Schichtenfolge mesaförmig ausgebildet. Die epitaktische Schichtenfolge enthält den strahlungserzeugenden pn-Übergang. Zur bes­ seren Strahlungsauskopplung ist die Oberfläche des Diodenkörpers durch Anätzen aufgerauht. Nach der Erfin­ dung ist es vorgesehen, die Aufrauhung der Oberfläche im wesentlichen auf den Bereich, des Substratkörpers zu begrenzen. Auf jeden Fall ist der Bereich der Kontakt­ metallisierung und der Bereich, an dem der pn-Übergang an die Oberfläche tritt, von dem Aufrauhen auszusparen. Durch diese Maßnahme wird die Strahlungsauskopplung gegenüber Dioden mit nicht angeätzter Oberfläche ver­ bessert, ohne dabei die Drahtbondbarkeit und die Lebensdauer der Diode herabzusetzen.
Das Aufrauhen der Oberfläche läßt sich besonders vor­ teilhaft bei Dioden anwenden, deren Substratkörper und epitaktische Schichten aus einem Verbindungshalbleiter­ material bestehen. Im allgemeinen werden für strah­ lungsemittierende Dioden III-V-Verbindungshalbleiter verwendet, wie z. B. GaAs bzw. GaAlAs für Infrarot-emit­ tierende Dioden. Es ist allerdings nicht notwendig, daß Substratkörper und epitaktische Schichten aus dem glei­ chen Verbindungshalbleitermaterial bestehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer strahlungsemittierenden Diode mit der wie zuvor be­ schriebenen aufgerauhten Oberfläche umfaßt die nachfol­ genden Schritte. Zunächst wird auf einem Substratkörper eine Schichtenfolge hergestellt, die den pn-Übergang enthält. Dies erfolgt durch dazu geeignete, bekannte Verfahren der Epitaxie, wie z. B. Flüssigphasen- oder Gasphasenepitaxie. Nach dem Herstellen der aktiven Schichten werden die Kontaktschichten auf der Oberseite und auf der Rückseite der Substratscheibe erzeugt. Die Kontaktschichten sind auf das jeweilige Halbleitermate­ rial der Schichtenfolge bzw. des Substratkörpers abge­ stimmt und können einfache metallische Schichten oder komplizierte Strukturen aus verschiedenen Materialzu­ sammensetzungen aufweisen. Zur Herstellung der Kontakt­ schichten gehört weiterhin die Strukturierung der Kon­ taktelektroden zur Verminderung der Abschattung des pn- Übergangs.
In einem sich anschließenden Verfahrensschritt werden in die den pn-Übergang enthaltenden Schichtenfolge und in einen Teil des Substratkörpers Mesagräben geätzt, um die Größe und die Fläche der einzelnen Dioden zu defi­ nieren.
Bevor nun die Substratscheibe entlang der Mesagräben zerteilt wird, wird die Oberfläche der Scheibe mit einer Schutzschicht versehen. Als Schutzschicht ist ge­ mäß einer Weiterbildung des Verfahrens Siliziumdioxyd vorgesehen, das z. B. durch ein CVD-Verfahren auf die Oberfläche abgeschieden werden kann. Die Schutzschicht bedeckt im wesentlichen die Oberfläche der Scheibe, die von den Mesaflanken und den Oberseitenkonntakten gebil­ det wird.
Nach dem Zerteilen der Substratscheibe entlang der Mesagräben werden die beim Zerteilen freigelegten, nicht mit der Schutzschicht versehenen Seitenflächen angeätzt. Beim Anätzen wird die Oberfläche aufgerauht, wodurch die Totalreflexion an diesen Flächen vermindert wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird die Siliziumdioxid-Schutz­ schicht durch ein thermisches CVD-Verfahren her­ gestellt, bei dem Silan SiH4 und Sauerstoff O2 als Aus­ gangsstoffe dienen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung wird die Silizium-Dio­ xid-Schutzschicht durch ein Plasmaenhanced-CVD-Verfah­ ren hergestellt. Dabei dienen Silan SiH4 und die Stick­ stoffoxid N2O als Ausgangsstoff. Das Abscheiden erfolgt bei einer Temperatur von 250 bis 350°C.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Siliziumdioxidschicht eine Dicke zwischen 150 und 1500 nm aufweist.
Das Anätzen der Seitenflächen erfolgt gemäß einer vor­ teilhaften Ausgestaltung der Erfindung in einer Ätzlö­ sung, die aus einer 65 gewichtsprozentigen Salpeter­ säure besteht. Das Anätzen erfolgt bei Raumtemperatur.
Das Anätzen der Seitenflächen kann auch durch einen Trockenätzprozeß erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind die Dioden während des Ätzens mit der Substratun­ terseite auf eine Trägerfolie aufgeklebt. Das Aufkleben der Dioden auf die Trägerfolie erfolgt vor dem Zertei­ len der Substratscheibe.
Nach dem Ätzen der Seitenflächen wird die Schutzschicht entfernt. Dies geschieht anhand eines weiteren Ätzpro­ zesses.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Infraot- emittiernde Diode vom GaAs:Si-Typ mit den rauhgeätzten Seitenflächen.
Fig. 2a-2c die Substratscheibe mit den epitakti­ schen Schichten zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Herstellverfahrens,
Fig. 3 die Strahlungsleistung bei 100 mA und 1,5 A Vorwärtsstrom für herkömmliche Di­ oden und Dioden mit rauhgeätzten Seiten­ flächen.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Infra­ rot-emittierende Diode 1 vom GaAs:Si-Typ mit rauhgeätz­ ten Seitenflächen. Bei der dargestellten Diode handelt es sich um eine Mesadiode. Auf einem n-leitenden Sub­ strat 2 aus dem Verbindungshalbleiter GaAs werden mit einer Silizium-dotierten Schmelze zunächst eine n-lei­ tende 4 und dann eine p-leitende GaAs-Schicht 5 aufge­ wachsen. Die Oberflächenleitfähigkeit der p-leitenden Schicht 5 wird anschließend durch eine Zink-Diffusion erhöht, um die Stromausbreitungsschicht 7 zu erhalten. Auf der p-Seite der Diode wird zur Kontaktierung eine getemperte, strukturierte Aluminium-Leitbahn 8 verwen­ det. Auf der n-Seite ist ein ganzflächiger Gold:Germanium-Kontakt 3 vorgesehen. Die stromdurch­ flossene, aktive Fläche des pn-Übergangs 6 wird durch das Einätzen von Mesagräben bzw. Mesaflanken 9 festge­ legt.
Das Infrarotlicht entsteht in der durch den pn-Übergang 6 definierten Ebene. Die Photonenenergie ist wegen der Beteiligung tiefer Akzeptorzustände bei Rekombination kleiner als der Bandabstand Egap. Das hat zur Folge, daß die Volumenabsorption im n-Gebiet gering ist. Die Volumenabsorption in dem hochkompensierten p-Gebiet und in der darüber liegenden hochdotierten p+-Stromausbrei­ tungszone ist dagegen so hoch, daß nur ein kleiner Teil der Gesamtstrahlung die Diode durch die p-leitende Deckfläche verlassen kann. Wegen dieser Besonderheit der Infrarot-Emitterdioden aus GaAs:Si ist es ausrei­ chend, lediglich die Seitenflächen 10 der Diode 1 rauh zu ätzen. Dabei kann die Aluminiumleitbahn vor einem Angriff der Ätzlösung geschützt werden. Dadurch ist eine einwandfreie Drahtbondbarkeit der Aluminium-Leit­ bahn 8 gewährleistet.
Die Fig. 2a bis 2d zeigen einen Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach den wesentlichen Prozeß­ schritten des Verfahrens zum Aufrauhen der Seitenflä­ chen von Infrarot-emittierenden Dioden. Zunächst werden auf der Substratscheibe 2 die epitaktischen Schichten 4, 5 und 7 hergestellt. Sie enthalten den strahlungser­ zeugenden pn-Übergang. Auf der Oberseite wird zur Kon­ taktierung eine strukturierte Aluminiumleitbahn 8 auf­ gebracht. Die Rückseite der Substratscheibe wird mit einem ganzflächigen Gold:Germanium-Kontakt 3 versehen. In die Oberfläche der Anordnung werden Mesagräben 9 eingeätzt, die sich von der Oberfläche der epitak­ tischen Schichten 4, 5 und 7 zum Substratkörper 2 hin erstrecken. Durch die Mesagräben 9 wird die Fläche des strahlungsemittierenden pn-Übergangs begrenzt und die Größe der Einzeldiode festgelegt.
Auf die Oberfläche der so erhaltenen Halbleiteranord­ nung wird eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke zwischen 150 und 1500 nm gebildet. Die Siliziumdioxid­ schicht 11 wird z. B. anhand thermischer Chemical-Vapor- Deposition mit Silan SiH4 und Sauerstoff O2 bei einer Temperatur von etwa 360°C oder durch Plasma-Enhanced Chemical-Vapor-Deposition mit Silan SiH4 und Distick­ stoffoxid N2O bei einer Temperatur zwischen 250°C und 350°C hergestellt. Die auf diese Weise erzeugten Schichten haften gut auf dem darunterliegenden Halblei­ termaterial, so daß beim nachfolgenden Trennen der Dioden keine störenden Oxid-Abplatzungen auftreten (Fig. 2a). Anschließend wird auf die Rückseite der Substratscheibe eine Trägerfolie aufgeklebt und die Dioden werden durch einen Sägeprozeß vereinzelt. Der Sägeschnitt 13 verläuft entlang der Talsohlen der Mesa­ gräben 9 und reicht von der Oberfläche der Silizium­ dioxiddeckschicht durch den Halbleiterkörper hindurch bis zur Trägerfolie 12. Die Trägerfolie 12 wird nicht durchtrennt, um die Handhabbarkeit der zerteilten Einzeldioden zu erhalten. Dieser Prozeßschritt ist in der Fig. 2b dargestellt.
Im nächsten Schritt des Verfahrens werden die unge­ schützten Seitenflächen 10 der auf der Trägerfolie 12 haftenden Dioden durch eine naßchemische Ätzung aufge­ rauht. Das Aufrauhen erfolgt durch eine etwa 10 Sekunden andauernde Ätzung mit Salpetersäure HNO3 (65 Gewichtsprozent) bei Raumtemperatur. Dieser Ätzpro­ zeß hat weder auf den Kleber der Folie noch auf die Trägerfolie selbst einen schädlichen Einfluß. Abschlie­ ßend wird in einem weiteren Fertigungsschritt die Sili­ ziumdioxidschicht 11, die die Oberfläche und die Me­ saflanken vor dem Ätzangriff geschützt hat, mit gepuf­ ferter Flußsäure entfernt. Die somit erhaltene Anord­ nung ist in der Fig. 2c dargestellt.
Durch das Rauhätzen der Diodenseitenflächen läßt sich der externe Quantenwirkungsgrad um etwa 25% steigern. Dies zeigt das in der Fig. 3 dargestellte Programm. Hier sind die Strahlungsleistungsdaten einer herkömm­ lichen GaAs:Si Infrarotemitterdiode bei 100 mA und 1,5 A Vorwärtsstrom denen einer Diode mit rauhgeätzten Seitenflächen gegenübergestellt. Die Strah­ lungsleistung bei 100 mA konnte von 12,4 mW um 27% auf 15,8 mW verbessert werden. Tests haben weiterhin erge­ ben, daß die Lebensdauer der Dioden mit angeätzten Sei­ tenflächen gegenüber herkömmlichen Dioden nicht beein­ trächtigt ist.
Durch das oben beschriebene Verfahren zur Aufrauhung der Seitenflächen von strahlungsemittierenden Dioden ist es möglich, die Strahlungsleistung der Dioden um etwa 25% zu erhöhen. Da die Oberflächenkontakte wäh­ rend der Rauhätzung geschützt sind, ist die Drahtbond­ barkeit der Diode weiterhin gegeben. Da weiterhin die Rauhätzung der Oberfläche auf die Seitenflächen der Dioden beschränkt bleibt, wird die Lebensdauer der Dioden durch das Verfahren nicht beeinträchtigt.

Claims (16)

1. Strahlungsemittierende Diode (1), mit einem Sub­ stratkörper (2) und einer auf dem Substratkörper ange­ ordneten, mesaförmig ausgebildeten, epitaktischen Schichtenfolge (4, 5, 7), die den strahlungserzeugenden pn-Übergang (6) beinhaltet, wobei die Oberfläche der Diode zur Steigerung der Strahlungsauskopplung aufge­ rauht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Diode im wesentlichen ausschließlich im Bereich der Seitenflächen des Substratkörpers (10) aufgerauht ist.
2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkörper (2) und die den pn-Übergang (6) ent­ haltende Schichtenfolge (4, 5, 7) aus einem Verbin­ dungshalbleiter bestehen.
3. Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems besteht.
4. Verfahren zum Herstellen strahlungsemittierender Dioden, das folgende Verfahrenschritte umfaßt:
  • - Herstellen einer den strahlungserzeugenden pn- Übergang (6) enthaltenden Schichtenfolge (4, 5, 7) auf einer Substratscheibe (2);
  • - Herstellen der Kontaktschichten (3, 8) für die elektrischen Anschlüsse auf der Oberseite der Schichtenfolge und auf der Unterseite der Sub­ stratscheibe;
  • - Ätzen von Mesagräben (9) zur Definition der Größe und Form der Fläche der pn-Übergänge der einzelnen Dioden;
  • - Zerteilen der Scheibe;
dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zerteilen der Scheibe die durch die Mesaflanken und durch die Ober­ seitenkontakte gebildete Oberfläche mit einer Schutz­ schicht (11) versehen wird, und daß nach dem Zerteilen der Scheibe die nicht mit der Schutzschicht (11) ver­ sehenen Seitenflächen (10) angeätzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratscheibe (2) und die den pn-Übergang enthaltende Schichtfolge (4, 5, 7) aus einem III-V-Ver­ bindungshalbleitermaterial bestehen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzschicht (11) aus Siliziumdioxid besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxidschicht (11) durch Chemical- Vapor-Deposition hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumoxidschicht (11) durch eine thermische Chemical-Vapor-Deposition mit Silan SiH4 und Sauerstoff O2 als Ausgangsstoffe hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxidschicht (11) durch eine Plasma- Enhanced Ghemical-Vapor-Deposition mit Silan SiH4 und Stickstoffoxid N2O als Ausgangsstoff bei einer Tempera­ tur zwischen 250°C und 350°C hergestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxidschicht (11) eine Dicke zwischen 150 und 1500 nm aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der nicht mit einer Schutzschicht ver­ sehenen Seitenflächen (10) in einer Ätzlösung be­ stehend aus 65%iger Salpetersäure HNO3 bei Raumtempe­ ratur erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen durch einen Trockenätzprozeß erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 4, 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dioden während des Ätzens mit der Substratunterseite auf eine Trägerfolie (12) aufgeklebt sind.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufkleben auf die Trägerfolie (12) vor dem Zer­ teilen der Substratscheibe erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ätzen der Seitenflächen (10) die Schutzschicht (11) entfernt wird.
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