DE69004842T2 - Strahlungemittierende Halbleiteranordnung und Verfahren zum Herstellen einer derartigen Halbleiteranordnung. - Google Patents

Strahlungemittierende Halbleiteranordnung und Verfahren zum Herstellen einer derartigen Halbleiteranordnung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine strahlungemittierende Halbleiterdiode mit einem Halbleiterkörper, der ein Halbleitersubstrat eines ersten leitungstyps hat und aus Galliumarsenid (GaAs) besteht, das an der Unterseite mit einer leitenden Schicht versehen ist und auf dem sich nacheinander mindestens eine erste Abdeckschicht des ersten leitungstyps, eine aktive Schicht, eine zweite Abdeckschicht eines dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyps und eine aus Galllumarsenid ((GaAs) bestehende Kontaktschicht des zweiten Leitungstyps befinden, wobei der Halbleiterkörper einen an seine Oberfläche grenzenden mesaförmigen Streifen enthält, der mindestens die Kontaktschicht umfaßt und auf dem eine leitende Schicht angebracht ist, die sich über den mesaförmigen Streifen hinaus erstreckt und außerhalb mit einer unter der leitenden Schicht liegenden Halbleiterschicht einen eine Barriere formenden Übergang bildet.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer strahlungemittierenden Halbleiterdiode, bei dem auf einem Halbleitersubstrat aus Galliumarsenid (GaAs) nacheinander mindestens eine erste Abdeckschicht des ersten leitungstyps, eine aktive Schicht, eine zweite Abdeckschicht des zweiten Leitungstyps und eine aus Galliumarsenid (GaAs) bestehende Kontaktschicht des zweiten leitungstyps angebracht werden, wobei mit Hilfe von Photolithographie und Ätzen ein mesaförmiger Streifen gebildet wird, der mindestens die Kontaktschicht enthält, woraufhin eine leitende Schicht auf dem Substrat angebracht wird und eine leitende Schicht über dem und außerhalb des mesaförmigen Streifens angebracht wird, die außerhalb des mesaförmigen Streifens mit einer unter der zweiten leitenden Schicht liegenden Halbleiterschicht einen eine Barriere formenden Übergang bildet.
  • Derrrtige strahlungemittierende Dioden, insbesondere in Form eines Lasers, bilden Strahlungsquellen für unter anderem Datenverarbeitungssysteme, wie Drucker, mit denen Information geschrieben wird, und solchen, wie "optische Platten"- Systeme, aus denen Information ausgelesen wird - beispielsweise sogenannte Compact Disc-Spieler und VLP-Bildplattensysteme (VLP: Video Long Play) - oder in die eingeschrieben und aus denen ausgelesen wird - beispielsweise digitale optische Speicherung (DOR: digital optical recording). Auch wenn solche Dioden die Form von LEDs haben, gibt es zahlreiche Anwendungen in optoelektronischen Systemen.
  • Eine derartige strahlungemittierende Diode und ein solches Verfahren, um sie herzustellen, sind aus dem Beitrag von M.C. Amann, "New stripe-geometry laser with simplified fabrication process ", veröffentlicht in Electron. Letters, Bd. 15, Nr. 14, vom 5. Juli 1979, S. 441-442, bekannt. In diesem Beitrag wird eine strahlungemittierende Halbleiterdiode beschrieben, bei der auf einem n-GaAs-Substrat eine n-AlGaAs- Abdeckschicht, eine aktive Schicht aus GaAs, eine n-AlGaAs-Abdeckschicht und einen GaAs-Kontkktschicht vorhanden sind. Sowohl das Substrat als auch die Kontaldschicht sind mit einer leitenden Schicht versehen. Die strahlungemittierende Diode enthält einen mesaförmigen Streifen, der mindestens die GaAs-Kontaktschicht umfaßt, die außerhalb weggeätzt ist, wodurch in diesen Gebieten ein eine Barriere formender Übergang zwischen der oberen leitenden Schicht und der zweiten Abdeckschicht gebildet wird. Die strahlungemittierende Diode umfaßt einen streifenförmigen Bereich, zu dem der mesaförmige Streifen gehört, in dem beim Stromdurchgang in der Durchlaßrichtung wegen eines vorhandenen pn-Übergangs elektromagnetische Strahlung erzeugt werden kann. Wegen des Vorliegens des eine Barriere formenden Übergangs wird im Betrieb der Strom hauptsächlich auf den mesaförmigen Streifen begrenzt.
  • Ein Nachteil der bekannten Halbleiterdiode ist, daß die Eigenschaften des eine Barriere formenden Übergangs nicht unabhängig von beispielsweise den Eigenschaften der Abdeckschicht eingestellt werden können. Der Nachteil liegt hierbei in der Tatsache, daß die Eigenschaften der Abdeckschicht für das Erfüllen verschiedener Funktionen gleichzeitig optimal sein sollten. Tatsächlich hat die Abdeckschicht mehrere Funktionen: optisches und elektrisches Einschließen von Photonen bzw. Ladungsträgern in der aktiven Schicht, Stromdurchgangsschicht und Barriereformer. Bei dem bekannten Verfahren tritt außerdem ein weiterer Nachteil auf, falls der mesaförniige Streifen auch einen Teil der Abdeckschicht umfassen soll, um die sogenannte Indexführung zu erhalten. In diesem Fall sollte die zweite Abdeckschicht außerhalb des mesaförmigen Streifens auf eine geringe Dicke zurückgeätzt werden, was nur unter Schwierigkeiten gesteuert werden kann. Wenn außerdem die Dicke der zweiten Abdeckschicht über die Oberfläche des Substrats nicht konstant ist, was in der Praxis - insbesondere bei Verwendung großer Substrate - meistens der Fall ist, führt der Ätzprozeß zu einer relativ großen Streuung in der Dicke der zweiten Abdeckschicht außerhalb des mesaförmigen Streifens. Demzufolge werden strahlungemittierende Dioden mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten, beispielsweise unterschiedliche Grade an Indexführung, was unerwünscht ist. Ein großer Nachteil der bekannten Halbleiterdiode ist - wie vorstehend bereits erwähnt - daß die Eigenschaften der Abdeckschicht für das Erfüllen verschiedener Funktionen gleichzeitig optimal sein sollten.
  • Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine im sichtbaren Teil des Spektrums emittierende Halbleiterdiode zu verschaffen sowie ein Verfahren, diese herzustellen, wobei beide nicht den genannten Einschränkungen unterliegen sollten, so daß sichtbare Strahlung emittierende, preisgünstige Dioden mit günstigen Eigenschaften, wie beispielsweise einer wirksamen Strombegrenzung, erhalten werden.
  • Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß die genannte Aufgabe durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Schicht, die mehrere Funktionen erfüllen kann, gelöst werden kann.
  • Eine strahlungemittierende Halbleiterdiode der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschichten Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) oder Indiumaluminiumphosphid (InAlP) enthalten, daß die aktive Schicht Indiumgalliumphosphid (InGaP) oder Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) mit einem geringeren Aluminiumgehalt als die Abdeckschichten enthält, und daß eine Zwischenschicht zwischen der leitenden Schicht und der zweiten Abdeckschicht vorhanden ist, wobei die Zwischenschicht mit der leitenden Schicht den eine Barriere formenden Übergang bildet, vom zweiten Leitungstyp ist und ein Halbleitermaterial enthält, dessen Bandabstand zwischen dem der zweiten Abdeckschicht und dem der KontaIetschicht liegt. Die Eigenschaften der Zwischenschicht können bis zu einem ge wissen Maße freier gewählt werden als die Eigenschaften der zweiten Abdeckschicht. Die Zwischenschicht ist weiter von der aktiven Schicht entfernt als die Abdeckschicht und wirkt daher weniger auf die aktive Schicht ein: Diffusion aus dieser Zwischenschicht heraus erreicht die aktive Schicht nicht sehr schnell, wodurch, selbst wenn die Dotierung der Zwischenschicht hoch gewählt wird, die Gefahr, daß sich der pn-Übergang von der aktiven Schicht fortbewegt, gering bleibt. Außerdem erfordert die Zwischenschicht hinsichtlich der Abdeckschicht zur Formung einer Barriere mit der leitenden Schicht nur eine verhältnismäßig geringe Dicke, wodurch die Zwischenschicht einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf beispielsweise den Stromdurchgang parallel und senkrecht zur Schichtstruktur hat. Ein Verfahren zur Herstellung einer erfmdungsgemä. ßen strahlungemittierenden Halbleiterdiode ist dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) oder Indiumaluminiumphosphid (InAlP) für die Abdeckschichten gewählt wird und für die aktive Schicht Indiumgalliumphosphid (InGaP) oder Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) mit einem geringeren Aluminiumgehalt als die Abdeckschichten, daß eine Zwischenschicht zwischen der zweiten Abdeckschicht und der Konttttschicht angebracht wird, wobei die Zwischenschicht aus Halbleitermaterial besteht, dessen Bandabstand zwischen dem der zweiten Abdeckschicht und dem der Kontaktschicht liegt, und daß beim Ätzen des mesaförmigen Streifens der Ätzvorgang auf dieser Schicht gestoppt wird. Da beim Ätzen der Kontaktschicht die Zwischenschicht als Ätzstoppschicht verwendet werden kann, wird die Dicke der zweiten Abdeckschicht außerhalb des mesaförmigen Streifens genau gleich der Dicke, mit der diese Abdeckschicht angebracht worden war. Infolgedessen ist der erfindungsgemäße Prozeß, insbesondere wenn index-geführte Laser erwünscht sind, im Vergleich zu dem bekannten Prozeß in bezug auf Unterschiede in der Dicke der Abdeckschicht weniger empfindlich. Ein wichtiger zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es sehr einfach ist: Nach dem Aufwachsen einer Halbleiterschichtstruktur in einem einzigen ununterbrochenen Aufwachsprozeß, nach dem Mesaätzen und nach einer zweiseitigen Metallisierung können die einzelnen Halbleiterdioden aus dem Substrat gelöst werden. Dies gilt sowohl für strahlungemittierende Halbleiterdioden des sogenannten "gain-geführten" als auch für Dioden des "index-geführten" Typs, die daher beide in einfacher Weise und preisgünstig gefertigt werden können. Die verwendeten Halbleitermaterialien erlauben es, Dioden mit sehr kleiner Emissionswellenlänge, d.h. ungefähr 600 nm, herzustellen, beispielsweise mittels einer aktiven Schicht mit ungefähr 15 Atom-% Aluminium.
  • Es sei bemerkt, daß DE-A-3234389 einen Diodenlaser mit einer zwischen einer zweiten Abdeckschicht und einer einen mesaförmigen Streifen bedeckenden leitenden Schicht liegenden Zwischenschicht beschreibt, die mit der leitenden Schicht eine Barriere formt. Der Diodenlaser des obigen Dokuments ist nach einer Ausführungsform ein Infrarotstrählung emittierender Diodenlaser, bei dem das Substrat und die Abdeckschichten InP enthalten, die aktive Schicht InGaAsP enthält und die Zwischenschicht InGaAsP (wie die aktive Schicht) und die Kontaktschicht InGaAsP enthält.
  • In einer ersten Ausführungsform enthält die Zwischenschicht Indiumgalliumphosphid (InGaP) oder Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) mit einem geringeren Aluminiumgehalt als die Abdeckschichten. Eine Zusammensetzung der Zwischenschicht, die In0,49G0,51P entspricht - eine Zusammensetzung, deren zugehörige Gitterkonstante der von GaAs entspricht - ist zur Nutzung der von dieser Schicht gebotenen Möglichkeiten sehr geeignet: eine solche Zwischenschicht formt mit der leitenden Schicht eine Barriere, die genügend groß ist, um bei der Betriebsspannung der Halbleiterdiode den durch die strombegrenzenden Bereiche fließenden Strom nahezu zu Null zu machen, sie teilt die Bandabstandstufe zwischen der zweiten Abdeckschicht (Eg = 2,3 eV) und der Kontaktschicht (Eg = 1,4 eV) nahezu in zwei gleiche Teile (Eg = 1,9 eV) und kann gut als Ätzstoppschicht dienen. Die Abdeckschichten enthalten im allgemeinen rund 20 bis 50 Atom-% Al, während die aktive Schicht und die Zwischenschicht im allgemeinen von 0 bis 15 Atom-% Al enthalten. Bei einem gegebenen Al- Gehalt liegen der In- und der Ga-Gehalt der quaternären aluminiumhaltigen Schichten fest, wenn angenommen wird, daß: die Summe der Gehalte der III-Elemente Eins ist und alle Schichten nahezu die gleiche Gitterkonstante haben wie das Substrat.
  • In einer anderen Ausführungsform einer effmdungsgemäßen strahlungemittierenden Diode enthält die Zwischenschicht AlGaAs. Eine leitende Schicht kann auch mit diesem Material sehr gut einen eine Barriere formenden Übergang bilden, wodurch eine wirksame Strombegrenzung realisiert werden kann. Eine solche Schicht hat den Vorteil, daß die Gitterkonstante für jede Zusammensetzung nahezu gleich der von GaAs ist, wodurch eine sehr genaue Regelung der Zusammensetzung nicht erforderlich ist. Wenn der Al-Gehalt der Schicht ungefähr 40 Atom-% ist, ist der Bandabstand ungefähr 1,9 eV, was, wie vorstehend dargelegt, ein günstiger Wert ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Diode weist die Zwischenschicht eine Dotierung von 5 10¹&sup7; bis 4 10¹&sup8; Atome/cm³ und die zweite Abdeckschicht eine Dotierung von 1 10¹&sup7; bis 5 10¹&sup7; Atome/cm³ auf. Diese Dotierungen haben sich als sehr günstig erwiesen. Eine hohe Dotierung der Zwischenschicht begünstigt die Strom-Spannungs-Charakteristik. Eine niedrigere Dotierung der zweiten Abdeckschicht verhindert, daß bei Diffusion während des Aufwachsens der Schichten der pn-Übergang zu weit von der aktiven Schicht entfernt wird, besonders, wenn die zweite Abdeckschicht einen Dotierstoff vom p-Typ enthält, der im allgemeinen verhältnismäßig schnell diffundiert.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Diode hat die Zwischenschicht einen derartigen Dotierungsgradienten, daß die Dotierung an der Seite der zweiten Abdeckschicht höher und an der Seite der Kontaktschicht niedriger ist. Hierdurch wird eine optimale Wirkung der Zwischenschicht möglich: einerseits begünstigt eine niedrigere Dotierung die Formung einer großen Barriere zwischen der Zwischenschicht und der leitenden Schicht, wodurch die Strombe grenzung verbessert wird, und andererseits begünstigt eine höhere Dotierung die Strom-Spannungs-Charakteristik.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform einer effindungsgemäßen Strahlungemittierenden Diode hat die Zwischenschicht einen derartigen Gradienten in der Zusammensetzung, daß der Bandabstand an der Seite der zweiten Abdeckschicht größer und an der Seite der Kontaktschicht kleiner ist. Hierdurch wird eine optimale Wirkung der Zwischenschicht möglich: einerseits begünstigt ein kleiner Bandabstand auf der Seite der leitenden Schicht die Formung einer großen Barriere zwischen der Zwischenschicht und der leitenden Schicht, wodurch die Wirkung der Strombegrenzung verbessert wird, und andererseits begünstigt ein Gradient im Bandabstand die Strom-Spannungs-Charakteristik.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Diode hat die Zwischenschicht eine Dicke, die zwischen 20 nm und 200 nm (200 Å und 2000 Å) liegt. Die obere Grenze wird durch das Auftreten unerwünschter Stromstreuung in der Zwischenschicht bestimmt, insbesondere wenn letztere einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand hat, während die untere Grenze von der gewünschten Strom-Spannungs-Charakteristik bestimmt wird. In der Praxis wird vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 80 nm (800 Å) verwendet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Diode umfaßt die leitende Schicht eines oder mehrere der Metalle Pt, Cr oder Ti. Diese Metalle haben sich als sehr geeignet erwiesen, um eine Schottky-Barriere genügender Höhe (Größe) zu realisieren, besonders wenn die Zwischenschicht vom p- Typ ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Diode enthält der Halbleiterkörper in dem mesafönnigen Streifen zwischen der Zwischenschicht und der Kontaktschicht eine dritte Abdeckschicht und eine weitere, darauf liegende Zwischenschicht, für die der Wert des Bandabstands zwischen dem der dritten Abdeckschicht und dem der Kontaktschicht liegt. Somit wird, wenn die Diode als Laserdiode ausgeführt ist, d.h. daß der streifenförmige Bereich zwischen den beiden Spiegelflächen einen Resonator bildet und die Stromstärke für die Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung ausreicht, die Möglichkeit der Herstellung eines index-geführten Lasers erhalten. In diesem Falle wird die zweite Abdeckschicht ziemlich klein (beispielsweise ungefähr 0,2 um) gemacht, so daß die erzeugte Strahlung außerhalb des mesaförmigen Streifens einer anderen Brechzahl unterliegt als innerhalb des Streifens, wodurch daher in der effektiven Brechzahl eine Stufe auftritt. Da die zweite und die dritte Abdeckschicht meisten den gleichen Bandabstand haben, ist es in diesem Fall nicht notwendig, daß die Zwischenschicht eine Stufe im Bandabstand in zwei mehr oder weniger gleiche Teile teilt. Die dritte Abdeckschicht dient dazu, innerhalb des mesaförmigen Streifens ein effektives Einschließen der Strahlung zu erhalten, während die weitere Zwischenschicht nur dazu dient, die Bandabstandstufe zwischen der dritten Abdeckschicht und der Kontaktschicht, in Hinblick auf eine günstige Strom-Spannungs-Charakteristik, in zwei ungefähr gleiche Teile zu teilen. Im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform umfaßt eine zweite Ausführungsform eines erfmdungsgemaßen Verfahrens die Schritte des Verschaffens einer dritten Abdeckschicht und einer weiteren Zwischenschicht zwischen der zweiten Abdeckschicht und der Kontakt schicht und des Formens des mesaförmigen Streifens bis hin zur Zwischenschicht. Auf diese Weise wird eine index-geführte Diode erhalten, die gleichzeitig den Vorteil einer geringen Stromstreuung aufweist. Die Herstellung ist im wesentlichen gleich der Herstellung der Dioden nach den vorhergehenden Ausführungsformen.
  • Zur weiteren Erläuterung sind zwei Ausführungsformen der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterdiode im Querschnitt;
  • Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterdiode im Querschnitt;
  • Fig. 3 die Strom-Spannungs-Charakteristik der Halbleiterdiode von Fig. 1 und zum Vergleich die Strom-Spannungs-Charakteristik einer vergleichbaren Diode, bei der die Kontaktschicht vollständig entfernt worden ist;
  • Fig. 4 und 5 die strahlungemittierende Halbleiterdiode von Fig. 1 bei aufeinanderfolgenden Schritten der Herstellung, im Querschnitt.
  • Die Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu, wobei insbesondere die Abmessungen in Richtung der Dicke der Deutlichkeit halber stark vergrößert dargestellt sind. Gleiche Teile haben in den verschiedenen Ausführungsformen im allgemeinen gleiche Bezugszeichen. Halbleiterbereiche des gleichen Leitungstyps sind im allgemeinen in der gleichen Richtung schraffiert.
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterdiode im Querschnitt. Die Halbleiterdiode umfaßt einen Halbleiterkörper mit einem Substratbereich 1 eines ersten Leitungstyps, in diesem Fall n, der mit einem Anschlußleiter 8 versehen ist und in dieser Ausführungsform aus einkristallinem Galliumarsenid besteht. Auf diesem Substrat ist eine Halbleiterschichtstruktur vorhanden, die unter anderem eine Pufferschicht 11 des gleichen Leitungstyps, in diesem Fall n, enthält. Auf dieser Struktur sind aufeinanderfolgend eine erste Abdeckschicht 2 des n-Typs, eine aktive Schicht 3 und eine zweite Abdeckschicht 4 des entgegengesetzten Leitungstyps, in diesem Fall also p, angebracht. Über dieser Struktur liegen innerhalb eines mesaförmigen Streifens 12 eine dritte Abdeckschicht 9 des entgegengesetzten Leitungstyps, in diesem Fall also p, eine weitere Zwischenschicht 10 des entgegengesetzten Leitungstyps, in diesem Fall also p, und eine Kontaktschicht 6, ebenfalls vom entgegengesetzten Leitungstyp, hier also p. Über diesem mesaförmigen Streifen ist eine leitende Schicht 7 vorhanden, die mit einer darunterliegenden Schicht außerhalb des mesaförmigen Streifens 12 einen eine Barriere formenden Übergang bildet. Infolgedessen werden in dem Halbleiterkörper zwei streilenförmige Bereiche 13 und 15 gebildet, durch die unterhalb einer gegebenen Spannung kein oder nahezu kein Strom fließt, wenn die leitenden Schichten 7 und 8 in einem Stromkreis enthalten sind. Innerhalb des Halbleiterkörpers befindet sich ein mesaförmiger Bereich 13, zu dem der mesaförmige Streifen 12 gehört, in dem ein pn-Übergang liegt, der bei genügend hoher Stromstärke in Durchlaßrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung führt. Da die leitende Schicht 7 einen guten elektrischen Kontakt mit der Kontaktschicht 6 bildet, stellt der Bereich 13 einen Vorzugspfad für den elektrischen Strom dar. In dieser Ausführungsform ist die strahlungemittierende Halbleiterdiode als Diodenlaser ausgeführt, und zwar vom index-geführten Typ. Das heißt, daß bei genügend hoher Stromstärke die Emission kohärent ist. Im Zusammenhang mit der Ausführung als Diodenlaser ist der mesaförmigen Streifen 12 rechtwinklig zur Ungsrichtung durch zwei in der Zeichenebene liegende, parallele Spiegelflächen begrenzt, die mit den natürlichen Spaltflächen des Kristalls, aus dem der Halbleiterkörper gebildet ist, zusammenfallen. Somit wird in dem streifenförmigen Bereich 13 in der aktiven Schicht 3 für die erzeugte Strahlung ein Resonator gebildet. Erfindungsgemäß liegt zwischen der leitenden Schicht 7 und der zweiten Abdeckschicht 4 eine Zwischenschicht 5, die mit der leitenden Schicht 7 den eine Barriere formenden Übergang bildet, vom zweiten Leitungstyp, in diesem Fall also p, ist und aus Halbleitermaterial mit einem Bandabstand besteht, der zwischen dem der zweiten Abdeckschicht 4 und dem der Kontaktschicht 6 liegt. Die Eigenschaften dieser Zwischenschicht 5 sind mehr oder weniger unabhängig von den Eigenschaften der zweiten Abdeckschicht 4 und werden erfindungsgemäß so gewahlt, daß eine Anzahl Vorteile erhalten wird. Wie der folgenden Tabelle zu entnehmen ist, enthält die zweite Abdeckschicht 4 ebenso wie die übrigen Abdeckschichten Indiumaluminiumgalliumphosphid und enthält die Kontaktschicht 6 Galliumarsenid. In diesem Beispiel enthält die Zwischenschicht 5 Indiumgalliumphosphid, dessen Bandabstand zwischen dem der zweiten Abdeckschicht 4 und dem der Kontaktschicht 6 liegt. Somit kann die Zwischenschicht 5 bei der Bildung des mesaförmigen Streifens 12 als Ätzstoppschicht wirken. Außerdem bilden die leitende Schicht 7 und die Zwischenschicht 5 in dem Gebiet, wo sie aneinander grenzen, einen eine Barriere formenden Übergang, der bei der Betriebsspannung der Halbleiterdiode, welche in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 2,5 V beträgt, sehr günstige Stromsperreigenschaften hat. Außerdem ist, wie ebenfalls der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen ist, die Dotierung der Zwischenschicht, die in diesem Ausführungsbeispiel 1 10¹&sup8; Atome/cm³ beträgt, so gewählt, daß innerhalb des mesaförmigen Streifens 12 ein guter Stromdurchgang von der dritten Abdeckschicht 9 zur zweiten Abdeckschicht 4 möglich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die folgenden Zusammensetzungen, Dotierungen und Dicken für die verschiedenen Halbleiterschichten gewählt worden. Schicht Halbleiter Typ Dotierungs-Konzentration (Atome/cm³) Dicke (um) Bandabstand (eV) GaAs(Substrat) GaAs (Pufferschicht) GaAs (Kontaktschicht)
  • Die von dieser Halbleiterdiode emittierte Strahlung hat eine Wellenlänge von ungefähr 680 nm. Die Breite des mesaförmigen Streifens 12 beträgt ungefähr 3 um. Die leitende Schicht 8 auf dem Substrat 1 ist bei dieser Ausführungsform eine Gold- Germanium-Nickel-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 100 nm (1000 A). Die leitende Schicht 7 enthält bei dieser Ausführungsform Platin-, Gold- und Tantalschichten mit Dicken von ungefähr 100 nm (1000 Å), ungefähr 50 nm (500 Å) bzw. ungefähr 250 nm (2500 Å).
  • Die beschriebene strahlungemittierende Halbleiterdiode wird erfindungsgemäß in der folgenden Weise hergestellt (vgl. Fig. 4 und 5). Das Ausgangsmaterial ist ein Substrat 1 aus einkristallinem n-Galliumarsenid mit einer Dotierungskonzentration von 2 10¹&sup8; Atome/cm³ und einer Dicke von beispielsweise 350 um. Nachdem die Oberfläche, die vorzugsweise eine Fehlorientierung von höchstens 6º in bezug auf die (001)-Orientierung hat, poliert und geätzt worden ist, werden auf diese Oberfläche nacheinander, beispielsweise aus der Gasphase mit Hilfe von OMVPE (OrganoMetlllic Vapour Phase Epitaxy), eine 0,5 um dicke Schicht 11 aus GaAs vom n-Typ mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 2 10¹&sup8; Atome/cm³, eine 0,8 um dicke Schicht 2 aus In0,5A0,30Ga0,20P vom n-Typ mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 2 10¹&sup8; Atome/cm³, eine 0,08 um dicke Schicht 3 aus In0,49Ga0,51P, eine 0,2 um dicke Schicht 4 aus In0,5Al0,30G0,20P vom p-Typ mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 4.10¹&sup7; Atome/cm³, eine 0,08 um dicke Schicht 5 aus In0,49Ga0,51P vom p- Typ mit einer Dotierungskonzentration von 1 10¹&sup8; Atome/cm³, eine 0,7 um dicke Schicht 9 aus In0,5Al0,30Ga0,20P vom p-Typ mit einer Dotierungskonzentration von 4 10¹&sup7; Atome/cm³, eine 0,08 um dicke Schicht 10 aus In0,49G0,51P vom p-Typ mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 1 10¹&sup8; Atome/cm³ und eine 0,5 um dicke GaAs-Schicht vom p-Typ mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 1 10¹&sup8; Atcme/cm³. Ein schematischer Querschnitt der auf diese Art hergestellten Struktur wird in Fig. 4 dargestellt. Diese Mehrschichtstruktur kann auch mit Hilfe anderer Aufwachstechniken als den hier verwendeten aufgewachsen werden, so wie Aufwachsen aus der Flüssigphase mittels LPE (Liquid Phase Epitaxy), in welchem Fall die Orientierung des Substrats 1 vorzugsweise nahezu gleich der (001)-Orientierung ist, obwohl aus praktischen Gründen der Einsatz dieser Technik bei dem gegebenen Materialsystem nicht sehr naheliegend ist. Dies gilt auch für das Aufwachsen aus der Gasphase mittels der sogenannten VPE-Technik (VPE: Vapour Phase Epitaxy). Eine näherliegende Alternative für die Aufwachstechnik ist für das gegebene Materialsystem die sogenannte Molekularstrahlepitaxie MBE (Molecular Beam Epitaxy). Für andere Materialsysteme als das hier gewählte können jedoch die vorstehend genannten LPE- und VPE-Techniken besonders gut geeignet sein. Zu Einzelheiten zu der hier verwendeten OMVPE-Technik sei auf den Ubersichtsrrtikel von M.J. Ludowise "Metal-Organic Vapour Deposition of III-V Semiconductors" in Journal of Applied Physics, 58 (1985), 31 verwiesen. Nachdem die so erhaltene Halbleiterschichtstruktur aus der Aufwachsapparatur entfernt und in üblicher Weise gereinigt worden ist, wird mit Hilfe von Photolithographie und allgemein üblichen Ätzmitteln ein mesaförmiger Streifen 12 geätzt (vgl. Fig. 5). Zunächst wird die GaAs-Kontaktschicht 6 mit Hilfe eines NH&sub3;, H&sub2;O&sub2; und H&sub2;O im Verhältnis 2:1:50 enthaltenen Ätzmittels, dessen Ätzrate bei Raumtemperatur ungefähr 0,7 um/h beträgt, entfernt, und die In0,49G0,51P-Schicht 10 wird mit Hilfe eines konzentrierte Schwefelsäure enthaltenden Ätzmittels entfernt, dessen Ätzrate bei 70 ºC ungefähr 35 nm/min (350 Å/min) beträgt. Anschließend wird die In0,50Al0,30Ga0,20P-Schicht mit Hilfe eines konzentrierte Phosphorsäure enthaltenden Ätzmittels, dessen Ätzrate bei 60 ºC ungefähr 0,7 um/min beträgt, selektiv geätzt. Die darunterliegende In0,50Ga0,50P- Zwischenschicht 5 wirkt dann als Ätzstoppschicht. Nachdem die so erhaltene Struktur erneut in üblicher Weise gereinigt worden ist, wird, beispielsweise mittels Sputtern, auf das Substrat 1 eine leitende Schicht 8 aus beispielsweise einer Gold-Germanium-Nickel- Schicht mit einer Dicke von etwa 100 nm (1000 Å) aufgebracht (vgl. Fig 1). Schließlich wird eine leitende Schicht 7 aus beispielsweise einer Platinschicht, einer Tantalschicht und einer Goldschicht mit Dicken von ungefähr 100 nm (1000 Å), ungefähr 50 nm (500 Å) bzw. ungefähr 250 nm (2500 Å), beispielsweise mit der gleichen Technik, auf die Oberseite der Struktur aufgebracht. Nach Spalten des Substrats in üblicher Weise sind die einzelnen strahlungemittierenden Halbleiterdioden - in diesem Fall index-geführte Diodenlaser - bereit für die Endbearbeitung.
  • Es sei hier bemerkt, daß die Halbleiterschichten auch andere Zusammensetzungen als die hier erwähnten haben können. Dies hängt unter anderem von der gewünschten Wellenlänge der zu erzeugenden Strahlung ab. Außerdem kann insbesondere der Aluminiumgehalt der Abdeckschichten variiert werden, um das Einschließen und damit das Ausmaß an Index-Führung (besonders bezüglich der zweiten Abdeckschicht) zu beeinflussen. Die Zusammensetzung und die Dotierungskonzentration der Zwischenschicht können ebenfalls variiert werden, um eine optimale Abstimmung der verschiede nen Funktionen dieser Schicht zu erhalten. Beispielsweise kann diese Schicht einen Gradienten hinsichtlich beider Größen haben, so daß die Formung einer möglichst wirksamen Barriere mit einer günstigen Strom-Spannungs-Charakteristik kombiniert werden kann. Die Zusammensetzung und die Dotierung der weiteren Zwischenschicht 10 können so gewählt werden, däß für den Diodenlaser eine möglichst günstige Strom-Spannungs-Charakteristik erhalten wird. Insbesondere ist es hierzu wünschenswert, daß die Zusammensetzung so gewählt wird, daß die verhältnismäßig große Stufe im Bandabstand zwischen der dritten Abdeckschicht und der Kontaktschicht von dieser weiteren Zwischenschicht in zwei nahezu gleiche Stufen geteilt wird.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterdiode im Querschnitt. Bei dieser Ausführungsform enthält die Halbleiterdiode die gleichen Schichten wie bei der vorstehenden Ausführungsform, bis auf zwei Schichten, nämlich die dritte Abdeckschicht 9 und die weitere Zwischenschicht 10, die weggelassen sind. Wie die nachfolgende Tabelle zeigt, sind die Zusammensetzungen, Dicken und Dotierungen der übrigen Schichten, bis auf eine, gleich denen des vorstehenden Ausführungsbeispiels. Schicht Halbleiter Typ Dotierungs-Konzentration (Atome/cm³) Dicke (um) Bandabstand (eV) GaAs (Substrat) GaAs(Pufferschicht) GaAs(Kontaktschicht)
  • Die strahlungemittierende Halbleiterdiode dieses Ausführungsbeispiels ist ebenfalls als Diodenlaser ausgeführt, aber jetzt vom galn-geführten Typ. Hierzu sind die Dicke und die Zusammensetzung der zweiten Abdeckschicht 4 nahezu gleich denen der ersten Abdeckschicht 2. Auch in diesem Fall befindet sich erfindungsgemäß zwischen der leitenden Schicht 7 und einer darunterliegenden Schicht, in dieser Ausführungsform der zweiten Abdeckschicht 4, eine Zwischenschicht 5, die mit der leitenden Schicht 7 den eine Barriere formenden Übergang bildet, vom zweiten Leitungstyp, also in diesem Fall p, ist und ein Halbleitermaterial mit einem Bandabstand enthält, der sich von dem der zweiten Abdeckschicht 4 und der Kontaktschicht 6 unterscheidet. Die Eigenschaften dieser Zwischenschicht 5 sind mehr oder weniger unabhängig von den Eigenschaften der zweiten Abdeckschicht 4 und erfindungsgemäß so gewählt, daß eine Anzahl Vorteile erhalten wird. Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, enthält die zweite Abdeckschicht 4, ebenso wie die übrigen Abdeckschichten, Indiumaluminiumgalliumphosphid, und enthält die Kontaktschicht 6 Galliumarsenid. Bei dieser Ausführungsform enthält die Zwischenschicht 5 Indiumgalliumphosphid, dessen Bandabstand sich von dem der zweiten Abdeckschicht 4 und der Kontkktschicht 6 unterscheidet. Daher kann die Zwischenschicht 5 bei der Bildung des mesaförmigen Streifens 12 als Ätzstoppschicht dienen.
  • Außerdem bilden bei dieser Zusammensetzung der Zwischenschicht 5 die leitende Schicht 5 und die Zwischenschicht 5 in dem Gebiet, wo sie aneinander grenzen, einen eine Barriere formenden Übergang, der bei der Betriebsspannung einer Halbleiterdiode, die bei diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 2,5 V beträgt, sehr günstige Stromsperreigenschaften hat. Außerdem ist, wie sich auch aus der obigen Tabelle ergibt, die Dotierung der Zwischenschicht 5, die in diesem Ausführungsbeispiel 1 10¹&sup8; Atome/cm³ beträgt, so gewählt worden, daß innerhalb des mesaförmigen Streifens 12 ein guter Stromdurchgang von der Kontaktschicht 6 zur zweiten Abdeckschicht 4 möglich ist. Die Breite des mesaförmigen Streifens 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 7 um. Die von diesem Halbleiterdiodenlaser emittierte Strahlung hat eine Wellenlänge von ungefähr 680 nm. Das oben hinsichtlich der Zusammensetzung der Halbleiterschichten Gesagte gilt auch für diese Ausführungsform. Die Herstellung des strahlungemittierenden Halbleiterdiodenlasers erfolgt für diese Ausführungsform nahezu in gleicher Weise wie die Herstellung der vorhergehenden Ausführungsform.
  • Fig. 3 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik der Halbleiterdiode von Fig. 2 und zum Vergleich die Strom-Spannungs-Charakteristik einer vergleichbaren Diode, bei der die Kontaktschicht 6 vollständig entfernt worden ist. Die Abmessungen beider Diodentypen betragen ungefähr 300 x 300 um². Bei einer Durchlaßspannung von beispielsweise 2,5 V fließt durch den erfindungsgemäßen Halbleiterdiodenlaser, bei dem der mesaförmigen Streifen eine Breite von ungefähr 8 um hat, ein Strom von ungefähr 80 mA, und durch die Halbleiterdiode, bei der die Kontaktschicht vollständig entfernt worden ist, fließt ein Strom von nur 0,6 mA. Dieser Vergleich zeigt, daß auf diese Weise sehr einfache, preisgünstig herzustellende gain-geführte Halbleiterdiodenlaser erhalten werden können, bei denen der Strom sehr effektiv auf einen mesaförmigen Streifen begrenzt werden kann.
  • Andere Abwandlungen dieser Ausführungsform sind auch möglich. Zum Beispiel kann die Zwischenschicht 5 auch aus AlGaAs bestehen. Bei einem Aluminiumgehalt von ungefähr 40% wird mit der leitenden Schicht 7 eine sehr effektive Barriere geformt, kann die GaAs-Kontaktschicht 6 ausgezeichnet selektiv geätzt werden und wird die Bandabstandstufe zwischen der zweiten Abdeckschicht 4 und der Kontaktschicht 6 in zwei nahezu gleich große Stufen geteilt, wodurch eine ausgezeichnete Strom-Spannungs- Charakteristik erhalten wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, denn für den Fachkundigen sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abwandlungen und Variationen möglich. Beispielsweise können andere Halbleitermaterialien oder andere Zusammensetzungen der gewählten Halbleitermaterialien, als bei den Ausführungsbeispielen genannt sind, verwendet werden.
  • Auch können die Leitungstypen alle (gleichzeitig) durch die entgegengesetzten Leitungstypen ersetzt werden. Weiterhin kann je nach der Anwendung eine LED-Ausführung oder eine Laserausführung einer erfindungsgemäßen strahlungemittierenden Halbleiterdiode gewählt werden. Bei der Laserausführung kann sowohl eine gain-geführte als auch index-geführte Struktur gewählt werden, wobei die Erfindung vorteilhaft genutzt werden kann. Schließlich sei bemerkt, daß die in den Ausführungsbeispielen verwendeten Verfahren zum Verschaffen der Halbleiterschichten und der leitenden Schichten teilweise von dem Materialsystem, in dem die Halbleiterdiode hergestellt wird, abhängen und durch andere als die hier genannten Techniken ersetzt werden können: beispielsweise kann anstelle von OMVPE auch LPE, VPE oder MBB verwendet werden, während anstelle von Sputtern beispielsweise auch Abscheidung aus der Dampfphase verwendet werden kann.

Claims (11)

1. Strahlungemittierende Halbleiterdiode mit einem Halbleiterkörper, der ein Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitungstyps hat und aus Galliumarsenid (GaAs) besteht, das an der Unterseite mit einer leitenden Schicht (8) versehen ist und auf dem sich nacheinander mindestens eine erste Abdeckschicht (2) des ersten Leitungstyps, eine aktive Schicht (3), eine zweite Abdeckschicht (4) eines dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyps und eine aus Galliumarsenid (GaAs) bestehende Kontaktschicht (6) des zweiten Leitungstyps befinden, wobei der Halbleiterkörper einen an seine Oberfläche grenzenden mesaförmigen Streifen (12) enthält, der mindestens die Kontkktschicht (6) umfaßt und auf dem eine leitende Schicht (7) angebracht ist, die sich über den mesaförmigen Streifen (12) hinaus erstreckt und außerhalb mit einer unter der leitenden Schicht (7) liegenden Halbleiterschicht einen eine Barriere formenden Übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschichten (2,4) Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) oder lndiumaluminiumphosphid (InAlP) enthalten, daß die aktive Schicht (3) Indiumgalliumphosphid (InGaP) oder Indiumaluminiumgallium phosphid (InAlGaP) mit einem geringeren Aluminiumgehalt als die Abdeckschichten (2,4) enthält, und daß eine Zwischenschicht (5) zwischen der leitenden Schicht (7) und der zweiten Abdeckschicht (4) vorhanden ist, wobei die Zwischenschicht (5) mit der leitenden Schicht (7) den eine Barriere formenden Übergang bildet, vom zweiten Leitungstyp ist und ein Halbleitermaterial enthält, dessen Bandabstand zwischen dem der zweiten Abdeckschicht (4) und dem der Kontaktschicht (6) liegt.
2. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (5) Indiumgalliumphosphid (InGaP) oder Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) mit einem geringeren Aluminiumgehalt als die Abdeckschichten (2,4) enthält.
3. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, däß die Zwischenschicht (5) Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) enthält und dessen Zusammensetzung von der Unterseite zur Oberseite von 10 Atom-% bis 0 Atom-% Aluminium variiert, wobei der Bandabstand zwischen 2,1 eV und 1,9 eV liegt.
4. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (5) Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) enthält.
5. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abdeckschicht (4) eine Dotierung von 1 10¹&sup7; bis 5 10¹&sup7; Atome/cm³ und die Zwischenschicht (5) eine Dotierung von 5 10¹&sup7; bis 4 10¹&sup8; Atome/cm³ aufweist.
6. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der Zwischenschicht (5) von der Unterseite bis zur Oberseite von 10¹&sup8; Atome/cm³ bis 10¹&sup7; Atome/cm³ variiert.
7. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht (5) zwischen 20 nm und 200 nm liegt.
8. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (7) an der Oberseite des Halbleiterkörpers Platin (Pt), Chrom (Cr) oder Titan (Ti) enthält.
9. Strahlungemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in dem mesaförmigen Streifen (12) zwischen der Zwischenschicht (5) und der Kontaktschicht (6) eine dritte Abdeckschicht (9) und eine weitere, darauf liegende Zwischenschicht (10) enthält, für die der Wert des Bandabstands zwischen dem der dritten Abdeckschicht (9) und dem der Kontaktschicht (6) liegt.
10. Verfahren zur Herstellung einer strahlungemittierenden Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem auf einem Halbleitersubstrat (1) aus Galliumarsenid (GaAs) nacheinander mindestens eine erste Abdeckschicht (2) des ersten Leitungstyps, eine aktive Schicht (3), eine zweite Abdeckschicht (4) des zweiten Leitungstyps und eine aus Galliumarsenid (GaAs) bestehende Kontaktschicht (6) des zweiten Leitungstyps angebracht werden, wobei mit Hilfe von Photolithographie und Ätzen ein mesaförmiger Streifen (12) gebildet wird, der mindestens die Kontaktschicht (6) enthält, woraufhin eine erste leitende Schicht (8) auf dem Substrat (1) angebracht wird und eine zweite leitende Schicht (7) über dem und außerhalb des mesaförmigen Streifens (12) angebracht wird, die außerhalb des mesaförmigen Streifens (12) mit einer unter der zweiten leitenden Schicht (7) liegenden Halbleiterschicht einen eine Barriere formenden Übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, däß als Halbleitermaterial Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) oder Indiumaluminiumphosphid (InAlP) für die Abdeckschichten (2,4) gewählt wird und für die aktive Schicht (3) Indiumgalliumphosphid (In-GaP) oder Indiumaluminiumgalliumphosphid (InAlGaP) mit einem geringeren Aluminiumgehalt als die Abdeckschichten (2,4), daß eine Zwischenschicht (5) zwischen der zweiten Abdeckschicht (4) und der Kontaktschicht (6) angebracht wird, wobei die Zwischenschicht (5) aus Halbleitermaterial besteht, dessen Bandabstand zwischen dem der zweiten Abdeckschicht (4) und dem der Kontaktschicht (6) liegt, und daß beim Ätzen des mesaförmigen Streifens (12) der Ätzvorgang auf dieser Schicht (5) gestoppt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Abdeckschicht (9) und eine weitere Zwischenschicht (10) zwischen der Zwischenschicht (5) und der Kontaktschicht (6) angebracht werden, und daß der mesaförmige Streifen (12) bis hin zur Zwischenschicht (12) gebildet wird und die dritte Abdeckschicht (9) und die weitere Zwischenschicht (10) enthält.
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