DE4325331A1

DE4325331A1 - Epitaxialscheibe aus Galliumarsenidphosphid

Info

Publication number: DE4325331A1
Application number: DE4325331A
Authority: DE
Inventors: Tadashige Sato; Megumi Imai; Tsuneteru Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1994-02-24
Also published as: JPH06196756A; US5751026A; JP3436379B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Epitaxial scheibe aus Galliumarsenidphosphid, die für die Herstellung von lichtemittierenden Dioden (LED) mit einer erhöhten Le bensdauer geeignet ist, sowie ein Verfahren zur Scheibenher stellung.

LEDs, die aus Epitaxialscheiben aus Galliumarsenidphos phid-Hischkristallen hergestellt sind, emittieren Licht der sogenannten neutralen Farbtöne, wie beispielsweise Gelb oder Orange, und finden daher eine breite Anwendung in ver schiedenartigen Anzeigevorrichtungen Die bei einer Anzeigevorrichtung verwendeten LEDs müs sen eine hohe mittlere Leuchtdichte aufweisen. Darüber hin aus darf die Leuchtdichte der LEDs während der Verwendung nicht abnehmen, d. h. die LEDs müssen eine höhere Lebensdauer besitzen.

Um die Lebensdauer einer LED zu erhöhen, wurde bisher die Trägerkonzentration einer Epitaxial scheibe verringert oder es wurden andere Verfahren angewendet.

Wenn eine herkömmliche LED unter rauhen Bedingungen, wie beispielsweise im Freien verwendet wird, ergibt sich je doch ein Problem dadurch, daß deren Lebensdauer so verrin gert wird, daß ein Farbverlust oder eine Farbschattierung auf einem aus dieser LED aufgebauten Anzeigefeld auftritt.

Um dieses Problem zu lösen muß nicht nur der Schritt zur Chipherstellung für eine LED verbessert, sondern auch eine qualitativ bessere Epitaxialscheibe hergestellt werden.

Ein weiteres Problem ergibt sich bei einer herkömmli chen LED dadurch, daß, wenn beabsichtigt wird, deren Lebens dauer durch eine verringerte Trägerkonzentration zu verlän gern, deren Durchlaßspannung (Vf) zunimmt.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, die vorstehend er wähnten Probleme zu lösen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Pa tentanspruchs gelöst.

Nachstehend wird eine erfindungsgemäße Galliumarsenid phosphid-Epitaxialscheibe anhand von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, es zeigen:

Fig. 1 eine longitudinale schematische Querschnittan sicht eines Beispiels der erfindungsgemäßen Scheibe;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Leuchtdichte und der Trägerkonzentration; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Leuchtdichtenänderung und der Trägerkonzentra tion.

Bei der vorliegenden Beschreibung wird ein "Galli umarsenidphosphid-Hischkristall" durch einen durch GaAs_1-xP_x dargestellten Kristall gebildet, wobei 1 <x <0.5 ist und das "Mischkristallverhältnis" sich auf den Wert von "x" bezieht. Das Mischkristallverhältnis liegt in diesem Bereich in einem indirekten Übergangsbereich, wodurch die externe Quanten ausbeute durch Dotieren mit Stickstoff, das eine isoelektronische Falle ist, erhöht werden kann.

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht der erfindungsgemäßen Scheibe.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Einkri stallsubstrat, das normalerweise durch ein Galliumphosphid- Einkristallsubstrat gebildet wird. Die verfügbare Kristall symmetrieebene des Substrats 1 ist normalerweise die (100) Ebene oder kann unter einem Winkel von höchstens einigen Grad bezüglich der {100} Ebene in die <100< Richtung ausge richtet sein.

Als Ladungsart des Substrats wird normalerweise ein n- Leiter gewählt. Als n-leitender Dotierstoff wird Tellur, Schwefel, Selen oder ein ähnliches Element verwendet. Norma lerweise liegt die Trägerkonzentration im Bereich von ca. 1 × 10¹⁷ bis 5 × 10¹⁸ cm^-3.

Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Galliumphosphid- Epitaxialschicht, die eine Art Pufferzone darstellt, um zu verhindern, daß, unabhängig davon, ob die Kristallisierbar keit des Substrats 1 gut oder schlecht ist, die Kristalli sierbarkeit der Galliumarsenidphosphid-Epitaxialschicht be einflußt wird. Gegebenenfalls kann diese Schicht weggelassen werden.

Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Galliumarsenid phosphidschicht mit einem veränderlichen Mischkristall verhältnis, die zum Entlasten der Beanspruchung hergestellt wird, die aufgrund einer Gitterkonstantendifferenz zwischen Galliumphosphid und der auf der Schicht 3 ausgebildeten Galliumarsenidphosphidschicht entsteht.

Das Mischkristallverhältnis der Schicht 3 verändert sich kontinuierlich vom Wert 1 ausgehend zum Mischkristall verhältnis der Galliumarsenidphosphidschicht mit einem kon stanten Mischkristallverhältnis.

Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Galliumarsenid phosphidschicht mit einem konstanten Mischkristallver hältnis. Das Mischkristallverhältnis der Schicht 4 wird ent sprechend einer gewünschten Emissionswellenlänge ausgewählt und beträgt beispielsweise bei Gelb ca. 0.9 und bei Orange ca. 0.6.

Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine stickstoffdotierte Galliumarsenidphosphidschicht mit einem konstanten Mischkri stallverhältnis. In diesem Fall wird Stickstoff auf dieser Schicht als isoelektronisches Fremdelement dotiert. Bei Gal liumarsenidphosphid mit einem größeren Mischkristallverhält nis als 0.5 kann wegen der indirekten Übergangsart, wenn kein Stickstoff darauf dotiert wird, der Emissionswir kungsgrad nicht erhöht werden.

Normalerweise besitzen die Schichten 4 und 5 das glei che Mischkristallverhältnis.

Die Trägerkonzentration der Schicht 5 beträgt höchstens 3 × 10¹⁵ cm^-3 und wird vorzugsweise zwischen und ein schließlich 1 × 10¹⁵ cm^-3 und 3 × 10¹⁵ cm^-3 ausgewählt.

Vorzugsweise überschreitet die Trägerkonzentration der Schicht 5 3 × 10¹⁵ cm^-3 nicht, weil sonst die Lebensdauer der sich ergebenden LED nicht gut erhöht werden kann. Bei einer Trägerkonzentration von weniger als 1 × 10¹⁵ cm^-3 ist es schwierig, Epitaxialscheiben in Mengen herzustellen.

Normalerweise sollten die Trägerkonzentrationen der Schichten 2 bis 4 vorzugsweise im Bereich zwischen 5 × 10¹⁶ cm^-3 und 5 × 10¹⁷ cm^-3 liegen. Der vorstehend erwähnte Be reich wurde deswegen festgelegt, weil bei einer zu hohen Trägerkonzentration eine Verringerung der Kristallisierbar keit auftritt, wohingegen bei einer zu geringen Trägerkonzentration der spezifische Widerstand der erhalte nen Epitaxialscheibe erhöht wird.

Obwohl hinsichtlich der Herstellung der erfindungsgemä ßen Epitaxialscheiben keine bestimmte Einschränkung festge legt wird, werden sie normalerweise durch ein Dampfphasen- Epitaxie-Wachstumsverfahren hergestellt. Das Dampfphasen- Epitaxie-Wachstum wird vorzugsweise durch Halid- bzw. Hy dridpumpverfahren durchgeführt.

Bezüglich des Wachstums der Schicht 5 kann die stick stoffdotierte Galliumarsenidphosphidschicht 5 mit einem kon stanten Mischkristallverhältnis, die eine Trägerkonzentra tion von höchstens 3 × 10¹⁵ cm^-3 besitzt, allein durch Wachstum der Schichten 2 bis 4 mit den Trägerkonzentrationen von 5 × 10¹⁶ cm^-3 bis 5 × 10¹⁷ cm^-3 und anschließendes Stop pen der Zufuhr des Dotierstoffes unter darauf folgender Zu fuhr von Ammoniak erhalten werden.

Beispiele

Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Be zug auf einige Beispiele beschrieben.

Es wurde ein schwefeldotiertes Galliumarsenidphosphid- Einkristallsubstrat mit einer Trägerkonzentration von 2.5 × 10¹⁷ cm^-3 verwendet. Die Kristallsymmetrieebene des verwen deten Substrats war unter einem Winkel von 6 Grad bezüglich der (100) Ebene in der <110< Richtung ausgerichtet. Zum Epi taxiewachstum wurde das sogenannte Hydridpumpverfahren mit einer Epitaxialgaszusammensetzung aus AsH₃-PH₃-HCI-Ga-H₂ verwendet.

Diethyltellur wurde als n-leitender Dotierstoff und Am moniak als Stickstoffquelle verwendet.

Unter Verwendung eines aus Quarz hergestellten hori zontalen Reaktionsgefäßes wurde eine Galliumarsenidphosphid- Epitaxialscheibe (mit einem Mischkristallverhältnis von 0.9) für gelbe LEDs gezüchtet.

Das System wurde so gesteuert, daß die Trägerkonzentra tionen der Schichten 2 bis 4 zwischen 1 bis 5 × 10¹⁷ cm^-3 betrugen, wobei die Zufuhr des Dotierstoffes für das Wachs tum der Schicht 5 gestoppt wurde.

Auf diese Weise wurden Galliumarsenidphosphid-Epitaxi alscheiben mit Trägerkonzentrationen der Schicht 5 zwischen 1 × 10¹⁵ cm^-3 und 6 × 10¹⁶ cm^-3 gezüchtet.

Anschließend wurden diese Epitaxialscheiben zur Her stellung von LEDs verwendet, die daraufhin hinsichtlich ih rer Leuchtdichte und Lebensdauer untersucht wurden.

Die Lebensdauer wurde (wie später beschrieben wird) auf der Basis der Leuchtdichtenänderungen abgeschätzt.

Zu diesem Zweck wurden bei jeder Trägerkonzentration drei Arten von Scheiben hergestellt. Jede Scheibe wurde zur Herstellung von drei Chips verwendet. Diese Chips wurden zu fällig ausgewählt, um Leuchtdichtenänderungen unter den fol genden Bedingungen zu messen.

Jede LED-Probe mit bekannter Anfangsleuchtdichte wurde bezüglich einer Leuchtdichtenänderung nach 168 Stunden bei 240 A/cm², einer Impulsfrequenz von 100 Hz und einer Ausla stung von 1/2 ohne Harzmasse gemessen (Leuchtdichten änderung= ( Leuchtdichte nach 168 Stunden/Anfangsleuchtdichte) × 100).

Bei einer Trägerkonzentration der Schicht 5 von 1.8 × 10¹⁵ cm^-3 blieb Vf unverändert bei 2.06 V.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt und in Fig. 2 und 3 veranschaulicht.

Trägerkonzentration×10¹⁵ cm^-3
Leuchtdichtenänderung nach 168 Stunden (%)
1.8
87.4
1.8	85.8
1.8	85.8
3.0	86.9
3.0	84.4
4.5	77.5
4.5	79.7
8.9	78.9
8.9	74.9
31	67.5
31	66.8
31	66.2
45	69.4
45	62.6
57	67.4
57	62.3
57	59.5

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Trägerkon zentration und der Leuchtdichte, wobei die Leuchtdichte (ftL) in der Ordinate und die Trägerkonzentration der Schicht 5 in der Abszisse dargestellt sind.

In Tabelle 1 ist der Zusammenhang zwischen der Träger konzentration der Schicht 5 und der Lebensdauer bzw. der Leuchtdichtenänderungen der LEDs nach dem Ablauf von 168 Stunden dargestellt.

Die in Tabelle 1 dargestellten Daten werden in Fig. 3 veranschaulicht, wobei die Ordinate die Lebensdauer bzw. die Leuchtdichtenänderung der LEDs nach 168 Stunden und die Ab szisse die Trägerkonzentration der Schicht 5 darstellt.

Die Leuchtdichte der von den Scheiben erhaltenen erfin dungsgemäßen LEDs nach 168 Stunden betrug 80% oder mehr des Anfangswertes.

Die aus den erfindungsgemäßen Scheiben hergestellten LEDs erfahren während ihrer Verwendung nur eine geringe oder keine Leuchtdichtenabnahme und besitzen einen geringen Vf- Wert, weshalb sie einen großen kommerziellen Nutzen besit zen.

Claims

Epitaxialscheibe aus Galliumarsenidphosphid, bei der auf einem Einkristallsubstrat eine Galliumarsenidphosphidschicht mit einem veränderlichen Mischkristallverhältnis, eine Galliumarsenidphosphid schicht mit einem konstanten Mischkristallverhältnis und eine stickstoffdotierte Galliumarsenidphosphid schicht mit einem konstanten Mischkristallverhältnis ausgebildet werden, wobei die stickstoffdotierte Galliumarsenidphos phidschicht mit einem konstanten Mischkristallverhält nis eine Trägerkonzentration von höchstens 3 × 10¹⁵ cm^-3 besitzt.