DE68923765T2 - Verfahren zur Herstellung einer Epitaxialscheibe vom doppelten Heteroübergangs-Typ. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Epitaxialscheibe vom doppelten Heteroübergangs-Typ.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des Herstellens eines Epitaxialwafers vom Doppelheterotyp, und insbesondere auf einen Epitaxialwafer vom Doppelheterotyp, der zum Herstellen einer Lichtsendediode (LED) mit einer großen Lichtsende-Ausgangsleistung geeignet ist.
  • In dieser Beschreibung wird eine Verbindung bestehend aus einem Element der IIIb-Gruppe und einem Element der Vb-Gruppe des Periodensystems als eine Verbindung der III-V-Gruppe bezeichnet. Ein Mischkristall-Epitaxialwafer einer Verbindung der III-V-Gruppe mit einer Doppelheterostruktur ist zum Herstellen einer LED mit einer großen Ausgangsleistung geeignet, da er Ladungsträger in einer Aktivschicht eingrenzen kann und da ein Ladungsträgerverlust aufgrund eines nichtstrahlenden Rekombinationsprozesses niedrig ist.
  • Da insbesondere durch Verwenden eines Epitaxialwafers eines Gallium- Aluminiumarsenid-(GaAlAs)-Mischkristalls eine rote LED mit einer großen Ausgangsleistung hergestellt werden kann, wird der Epitaxialwafer weitverbreitet für eine Anzeigevorrichtung oder eine automatische Brennpunktmeßvorrichtung einer Kamera, usw., verwendet.
  • Der Epitaxialwafer kann durch epitaxiales Wachstum eines Mischkristalls einer Verbindung der III-V-Gruppe hergestellt werden, wobei das Wachstum durch einen Flüssigphasen-Epitaxial-Wachstumsprozeß, einen Chemikalien-Dampfphasen-Epitaxial-Wachstumsprozeß, etc., auf einem einzelnen Kristallsubstrat ausgeführt wird (hiernach bezeichnet als ein Substrat aus Galliumarsenid (GaAs)). Nichtsdestotrotz wird, da das als Subtrat verwendete GaAs eine geringe Lichteindringtiefe hat, das an einem pn-Übergang erzeugte Licht durch das Substrat absorbiert, bevor es nach außen emittiert wird. Herkömmlicherweise wurde, um diese Lichtabsorption durch das Substrat zu verhindern, das Substrat durch Polieren oder Ätzen nach dem epitaxialen Wachstum gereinigt.
  • Vorzugsweise hat ein Epitaxialwafer eine Dicke von mindestens 0,1 mm oder mehr, um ein Brechen des Wafers während der Produktion einer LED zu verhindern. Daher wird die Epitaxialschicht auf eine Dicke von 0,1 mm oder mehr aufgewachsen.
  • Wenn die Dicke der Epitaxialschicht dicker gemacht wird, wird jedoch eine nichtgleichförmige Mischkristallzusammensetzung in einer Epitaxialschicht, inbesondere den Hüllschichten, wegen eines Unterschieds in deren Trennungskoeffizienten erzeugt.
  • Beispiele von Epitaxialwafern des Doppelheterotyps im Stand der Technik sind in EP-A-180 479 und Sov. Phys. Tech. Phys., 23(4), April 1978, 476- 480, angegeben.
  • Es ist gewünscht, einen Epitaxialwafer einer Verbindung der III-V-Gruppe bereitzustellen, der für die Herstellung einer LED mit hoher Ausgangsleistung geeignet ist, bei der die Lichtabsorption durch das Substrat nicht auftritt oder sehr klein ist.
  • Demgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen eines Epitaxialwafers vom Doppelheterotyp angegeben, wie es im Anspruch 1 dargelegt ist.
  • Mischkristalle sind zum Herstellen eines Epitaxialwafers vom Doppelheterotyp geeignet, da durch Ändern des Mischkristallverhältnisses ein Mischkristall mit einer Bandstruktur eines indirekten Übergangstyps oder eines direkten Übergangstyps erhalten werden kann.
  • Im Falle eines Gallium-Aluminiumarsenid-Kristalls bei einem Mischkristallverhältnis von etwa 0,45 oder weniger, hat das Kristall eine Struktur eines direkten Übergangstyps und bei einem Mischkristallverhältnis von mehr als 0,45 hat das Kristall eine Struktur eines indirekten Übergangstyps.
  • Gemäß der vorliegenden Beschreibung bedeutet das "Mischkristallverhältnis" ein Verhältnis jeweiliger Elemente der Verbindung der III-V-Gruppe, die ein Mischkristall bilden. Im Falle von Gallium-Aluminiumarsenid ist der Wert x (0 ≤ x ≤ 1) von (GaAs)1-x(AlAs)x das Mischkristallverhältnis, durch das Gallium-Aluminiumarsenid ausgedrückt wird.
  • Der Epitaxialwafer, der durch die vorliegende Erfindung hergestellt ist, wird durch ein epitaxiales Wachstum von Gallium-Aluminiumarsenid auf einem Galliumarsenid-Substrat unter Verwendung eines Flüssigphasen- Expitaxie-Wachstumsprozesses hergestellt. Da eine einzelne Kristallschicht mit einer größeren Dicke leicht mit dem Flüssigphasen-Epitaxie-Wachstumsprozeß erhalten werden kann, wird der Wachstumsprozeß gemäß dem Ziel des epitaxialen Wachstums ausgewählt.
  • Wenn ein Epitaxialwafer, der GaAlAs enthält, gewachsen wird, werden eine p-Hüllschicht, eine Aktivschicht und eine n-Hüllschicht gebildet, und zwar in dieser Reihenfolge, auf einem p-Typ GaAs-Substrat. Demgemäß wird, wenn ein p-Typ GaAs-Substrat verwendet wird, da die Differenz zwischen den Gitterkonstanten von p-Typ GaAs und GaAlAs klein ist, keine Bildung von Störstellenverschiebungen festgestellt, und da die p- Typ-Ladungsträgerkonzentration des GaAs-Substrats stark erhöht werden kann, wird die Elektrode leicht gebildet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Hüllschicht auf Substratseite mit einem Brechungsindex kleiner als jener auf der oberseitigen Hüllschicht verwendet. Es wird nämlich eine Hüllschicht auf der Substratseite mit einem Mischkristallverhältnis größer als jenes auf der oberseitigen Hüllschicht verwendet. Folglich tritt das an der Schnittstelle zwischen dem Substrat und der Hüllschicht reflektierte Licht durch die Schnittstelle zwischen der Hüllschicht und der Aktivschicht ohne deren unregelmäßige Reflexion, wodurch die äußere Quanteneffizienz der LED verbessert wird und die Emissionsleistung der LED erhöht wird.
  • Im Falle eines Epitaxialwafers aus Gallium-Aluminiumarsenid-Mischkristall wird eine substratseitige p-Hüllschicht mit einem Mischkristallverhältnis verwendet, das um mindestens 0,02 größer ist als jenes der oberseitigen n-Hüllschicht.
  • In einem III-V-Verbindungsmischkristall ist der Brechungsindex umso kleiner, je größer die Bandbreite ist, welche ein Energieabstand zwischen dem Valenzband und einem Leitungsband ist. Zum Beispiel ist in einem Gallium-Aluminiumarsenid die Bandbreite umso größer und der Brechungsindex umso kleiner, je größer das Mischkristallverhältnis ist.
  • Im Falle eines Epitaxialwafers aus einem Gallium-Aluminiumarsenid- Mischkristall sind eine Schichtdicke und das Mischkristallverhältnis jeder Schicht vorzugsweise wie folgt gewählt.
  • (1) p-Hüllschicht;
  • etwa 5 bis etwa 40 um, etwa 0,6 bis etwa 0,9.
  • (2) Aktivschicht;
  • etwa 0,5 bis etwa 7 um, etwa 0 bis etwa 0,45. Eine leitende Aktivschicht vom p-Typ ist gewählt. Demgemäß variiert die Wellenlänge des Ausgabelichts von etwa 870 nm bis 620 nm.
  • (3) n-Hüllschicht;
  • etwa 5 bis etwa 40 um, etwa 0,5 bis etwa 0,88.
  • Weiterhin ist die Ladungsträgerkonzentration jeder Schicht in einem üblichen Bereich, z.B. etwa 1 x 10¹&sup7; bis 1 x 10¹&sup8;/cm³. Vorzugsweise hat die Aktivschicht eine höhere Ladungsträgerkonzentration als die p-Hüllschicht.
    • Beispiel
  • Der folgende Epitaxialwafer aus einem Gallium-Aluminiumarsenid-Mischkristall wurde für eine rote LED durch einen Flüssigphasen-Epitaxie- Wachstumsprozeß gewachsen.
  • (1) Substrat: Die Oberflächenrichtung war (100). Das Substrat war ein einzelnes Kristallsubstrat aus Galliumarsenid, p-Typ dotiert mit Zink, mit einer Dicke von 0,3 mm.
  • Im folgenden Beispiel der vorliegenden Erfindung und im Vergleichsbeispiel sind jeweils die Schichtdicke, die Ladungsträgerkonzentration und das Mischkristallverhältnis in dieser Reihenfolge beschrieben.
  • (2) p-Hüllschicht (substratseitige Hüllschicht); 20 um, 3,0 x 10¹&sup7;/cm³, 0,81.
  • Der Brechungsindex der p-Hüllschicht beträgt etwa 3,15.
  • (3) Aktivschicht; 2,0 um, 5,2 x 10¹&sup7;/cm³, 0,34.
  • (4) n-Hüllschicht (oberseitige Hüllschicht); 40 um, 2,0 x 10¹&sup7;/cm³, 0,72.
  • Der Brechungsindex der n-Hüllschicht beträgt etwa 3,19.
  • Die Ladungsträgerkonzentration wurde durch einen C-V-Prozeß und ein Van Der Pauw-Verfahren gemessen. Weiterhin wurde das Mischkristallverhältnis gemessen, indem ein durch ein Röntgenstrahl-Mikroanalyseverfahren gemessener Wert erhalten wurde und der Wert durch einen ZAF- Korrekturprozeß korrigiert wurde.
  • LED-Chips mit einem Quadrat mit einer Seitenlänge von 0,3 mm und einer Dicke von 0,25 mm wurden aus dem so erhaltenen Epitaxialwafer hergestellt. Nachdem die so erhaltenen Chips mit einem Epoxy-Harz umhüllt wurden, wurden deren verschiedene Eigenschaften bei einer Bedingung einer Stromdichte von 8 A/cm² gemessen. Die erhaltene LED-Lichtausgabe betrug 1,8 cd (Durchschnittswerte von 100 LEDs), die Emissionswellenlänge betrug 661 nm, und die Vorwärtsspannung betrug 1,85 V (Durchschnitt aus 100 Chips).
  • Auf einem einzelnen Kristall aus Galliumarsenid ähnlich jenem, der im Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, wurde das folgende Gallium-Aluminiumarsenid-Mischkristall durch einen Flüssigphasen-Epitaxie-Wachstumsprozeß aufgewachsen.
  • (1) eine p-Hüllschicht; 18 um, 3,5 x 10¹&sup7;/cm³, 0,65.
  • Der Brechungsindex der p-Hüllschicht betrug etwa 3,21.
  • (2) eine Aktivschicht; 1,8 um, 5,2 x 10¹&sup7;/cm³, 0,34.
  • (3) eine n-Hüllschicht; 45 um, 2,0 x 10¹&sup7;/cm³, 0,72.
  • Der Brechungsindex der n-Hüllschicht betrug etwa 3,18.
  • LED-Chips wurden aus dem so erhaltenen Epitaxialwafer in der gleichen Weise hergestellt, wie es im Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wurde. Die LED-Lichtausgabe, die auf die gleiche Weise wie im Beispiel der vorliegenden Erfindung gemessen wurde, betrug 1,1 cd (Durchschnittswert aus 100 LEDs), und die Spitzenlichtemissionswellenlängen betrug 663 nm.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine starke Lichtausgabe ohne Beseitigen des Substrats erhalten werden. Da es weiterhin nicht notwendig ist, eine große und dicke Epitaxialschicht zu wachsen, um Substrat wegzunehmen, wird keine Ungleichförmigkeit der Zusammensetzung der Epitaxialschicht erzeugt.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen eines Epitaxialwafers vom Doppelheterotyp, welches aufweist:
Bilden der folgenden Schichten durch Flüssigphasen-Epitaxiewachstum auf einem einzelnen p-Typ Galliumarsenid-Kristallsubstrat;
eine Hüllschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine Hüllschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die jeweils aus einem gemischten Gallium-Aluminiumarsenid-Kristall bestehen und eine Bandstruktur vom indirekten Übergangstyp haben; und
eine Aktivschicht vom p-Typ, die aus einem gemischten Gallium-Aluminiumarsenid-Kristall besteht und eine Bandstruktur vom direkten Übergangstyp hat, und zwar zwischen den Hüllschichten,
wobei die Hüllschicht, die näher an dem einzelnen Kristallsubstrat angeordnet ist, vom p-Typ ist und einen kleineren Brechungsindex als die andere Hüllschicht hat.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die p-Typ Hüllschicht aus einem Mischkristall aus Gallium-Aluminiumarsenid der Formel (GaAs)1-x(AlAs)x besteht, wobei X im Bereich von 0,6 bis 0,9 liegt, und eine Dicke im Bereich von 5 bis 40 um hat.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die n-Typ Hüllschicht aus einem Mischkristall aus Gallium-Aluminiumarsenid der Formel (GaAs)1-x(AlAs)x besteht, wobei X im Bereich von 0,5 bis 0,88 liegt, und eine Dicke im Bereich von 5 bis 40 um hat.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die p-Typ Aktivschicht aus einem Mischkristall aus Gallium-Aluminiumarsenid mit der Formel (GaAs)1-x(AlAs)x besteht, wobei X bis zu 0,45 beträgt, und eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 7 um hat.
DE68923765T 1988-11-28 1989-11-27 Verfahren zur Herstellung einer Epitaxialscheibe vom doppelten Heteroübergangs-Typ. Expired - Lifetime DE68923765T2 (de)

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