DE69737340T2

DE69737340T2 - Herstellungsverfahren für eine LED

Info

Publication number: DE69737340T2
Application number: DE69737340T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiko. 7-12 Toranomon 1-chome Ogihara; Yukio 7-12 Toranomon 1-chome Nakamura; Masumi 7-12 Toranomon 1-chome Taninaka; Hiroshi 7-12 Toranomon 1-chome Hamano
Original assignee: Oki Data Corp
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: US6054724A; EP0836235A3; JPH10117014A; EP0836235A2; JP3268731B2; EP0836235B1; DE69737340D1; US6271051B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode und eines Licht emittierenden Diodenarrays.
Eine herkömmliche Licht emittierende Diode ist in einer Publikation „design of an optical printer" Trizeps WS 6, 1985, S. 121–126 offenbart. Der Aufbau der herkömmlichen LED und das Verfahren ihrer Herstellung wird zunächst mit Bezug auf 7 beschrieben.
Die dargestellte herkömmliche LED 50 wird durch ein N-artiges GaAs-Substrat 51 und eine auf dem GaAs-Substrat geformte N-artige GaAsP-Schicht 52 und eine Diffusionsmaske 54 gebildet, wobei die Diffusionsmaske 54 eine auf der GaAsP-Schicht 52 geformte Ausnehmung hat. Die LED 50 ist mit einem P-artigen Diffusionsbereich 56 auf der Oberfläche der N-artigen GaAsP-Schicht 52 versehen.
Eine P-artige Elektrode 58 ist vorgesehen und erstreckt sich über die Oberfläche der Diffusionsmaske 54 und des P-artigen Diffusionsbereiches 56. Eine N-artige Elektrode 60 ist auf der unteren Oberfläche des Substrates 51 vorgesehen.
Normalerweise wird eine Dampfphasendiffusion zum Bilden der Diffusionsschicht 56 in der N-artigen GaAsP-Schicht 52 benutzt.
Bei der herkömmlichen LED 50 wird das GaAs-Substrat 51 als das Substrat 51 benutzt und auf dem Substrat 51 ist eine relativ dicke N-artige GaAsP-Schicht 52 gebildet. Aus diesem Grunde kann der Diffusionsbereich 56 durch Dampfphasendiffusion tief in die N-artige GaAsP-Schicht 52 hineingebildet werden.
Die herkömmliche LED hat bezüglich des Substrates die folgenden Probleme.
Da ein GaAs-Substrat als das Substrat 51 benutzt wird, zerbricht es leicht während des Zerteilens und es ist sehr leicht abgebrochen bzw. ausgerissen während des Zerteilens, so dass das Zerteilen langsam durchgeführt werden muss.
Weiterhin sind die Dimensionen des Wavers derzeit höchstens drei Inches (ungefähr 7,62 cm) und ein Waver mit einem Durchmesser größer als drei Inches (beispielsweise 8 Inches (ungefähr 20,32 cm)) ist nicht benutzbar. Zusätzlich sind die Kosten des Substrates höher als die eines Silikonsubstrates oder dergleichen.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wurde der Ansatz gewählt eine zusammengesetzte Halbleiterschicht auf einem Silikon(Si)-substrat zu bilden. Dennoch bringt dies aber die folgenden Probleme.
Wenn eine zusammengesetzte Halbleiterschicht mit einer großen Dicke auf einem Silikonsubstrat gebildet wird, kann wegen des Unterschiedes der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien des Substrates und der zusammengesetzten Halbleiterschicht eine Bruchstelle in der zusammengesetzten Halbleiterschicht erzeugt werden und keine nutzvolle Anordnung wird erhalten. Die Erfinder dieser Erfindung haben bestätigt, dass Bruchstellen in der zusammengesetzten Halbleiterschicht grundsätzlich erzeugt werden, wenn die Dicke der zusammengesetzten Halbleiterschicht 3,5 μm oder mehr ist. Aus diesem Grunde hat es eine Beschränkung gegeben, dass die zusammengesetzte Halbleiterschicht auf dem Si-Substrat nicht verdick gemacht werden kann.
Wenn die zusammengesetzte Halbleiterschicht auf dem Substrat dünn gemacht wird und wenn eine Diffusionsschicht durch eine Dampfphasendiffusion gebildet wird, dann kann die Dicke des Diffusionsbereiches die Dicke der zusammengesetzten Halbleiterschicht übersteigen und kein PN-Anschluss kann gebildet werden. Aus diesem Grunde war es sehr schwierig eine LED oder ein LED-Array unter Benutzung des Si-Substrates mit einem größeren Durchmesser zu bilden.
Aus der US-A-4,644,342 ist ein Array von ansprechbaren, elektrisch isolierten, Licht emittierenden Dioden bekannt, welche im Substrat einer monolithischen Einrichtung hergestellt werden. Einzelne Bereiche des Arrays stellen jeweilige Pixel des Arrays dar. Jedes Arraypixel hat mindestens drei Dioden. Zwei Dioden sind zusammen ansprechbar und eine dritte Diode, welche zwischen den zwei gemeinsam ansprechbaren Dioden eingeschlossen ist, ist separat ansprechbar. Jede Diode eines Arraypixels wird beim Ansprechen in Vorwärtsrichtung vorgespannt und erzeugt Ausgangslicht, welches von seinem Pixel emittiert wird und bildet ein Lichtbild auf einem korrespondierenden Pixel auf einer Bildzone. Das selektive Ansprechen der LEDs der Arraypixel veranlasst die angesprochenen LEDs Licht zu emittieren und bildet verschiedene Grauskalalichtbilder auf korrespondierenden Bildzonenpixeln.
In der US-A-4,897,699 wird eine optoelektronische Einrichtung offenbart, welche auf einem Silikonsubstrat implantiert ist und insbesondere auf diesem Substrat einen Satz Anpassungsschichten umfasst, auf welchen eine erste Haftschicht basierend auf Indiumphosphit, eine aktive Schicht basierend auf Ga_xIn_1-xAs_1-y, und eine zweite aktive Schicht aus Indiumphosphit gemacht sind.
Die EP 072 3 285 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Elementes in einem zusammengesetzten Halbleitersubstrat, umfassend die Schritte des Bildens eines Aluminiumnitritfilmes auf dem zusammengesetzten Halbleitersubstrat; Ausgestalten des Aluminiumnitritfilmes um eine Diffusionsmaske mit Fenstern zu erzeugen; Bilden eines Diffusionsquellenfilmes umfassend eine Störstelle auf der Diffusionsmaske und Fenstern; Diffundieren der Störstelle von dem Diffusionsquellenfilm durch die Fenster durch Tempern in das zusammengesetzte Halbleitersubstrat und vollständiges Entfernen des Diffusionsquellenfilmes von der Diffusionsmaske und Fenstern durch Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure oder gepufferter Fluorwasserstoffsäure.
Zusammenfassung der Erfindung
Aus der Sicht des Obigen ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer LED oder eines LED-Arrays bereitzustellen ohne Zerbrechen oder Abbrechen, auch wenn eine zusammengesetzte Halbleiterschicht auf einem Waver mit großem Durchmesser gebildet wird, und welche bessere Lichtemissionsintensitätscharakteristiken hat.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode bereitgestellt mit einer zusammengesetzten Halbleiterschicht aus einem ersten Leitfähigkeitstyp auf einem Substrat, wobei zumindest ein Teil dessen Oberfläche aus Silikon gebildet ist, und mit einem Störstellendiffusionsbereich aus einem zweiten Leitfähigkeitstyp, welcher als Licht emittierende Schicht in der zusammengesetzten Halbleiterschicht vorgesehen ist, wobei diese Diffusionsschicht eine Festephasediffusionsschicht ist.
Mit der obigen Anordnung wird der Diffusionsbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, welcher durch die Festephasediffusion in der zusammengesetzten Halbleiterschicht gebildet wird, bereitgestellt, so dass die Tiefe des Diffusionsbereiches reduziert werden kann. Weiterhin kann die Störstellenkonzentration im Diffusionsbereich erhöht werden verglichen mit der herkömmlichen Dampfphasendiffusion. Dementsprechend kann auch wenn die Tiefe der Diffusionsschicht einer LED reduziert wird, die emittierte Lichtenergie, welche zum Drucken in einem Drucker geeignet ist, erhalten werden.
Der Diffusionsbereich wird von der Oberfläche der zusammengesetzten Halbleiterschicht bis zu einer Tiefe von 20 bis 60% der Tiefe der zusammengesetzten Halbleiterschicht gebildet.
Wenn die Tiefe des Diffusionsbereiches von der Oberfläche der zusammengesetzten Halbleiterschicht bis zur Tiefe von 20 bis 60% der Dicke der Schicht reicht, dann kann die emittierte Lichtenergie auf einem Level aufrechterhalten werden, welches zum Drucken in einem Drucker geeignet ist. D. h. auch wenn die Tiefe auf einen derartigen Wert beschränkt ist, ist es möglich, die Erhöhung des Flächenwiderstandes zu hemmen und die Reduktion der emittierten Lichtenergie zu hemmen und es ist möglich, die Tiefe von dem Annähern der Dicke der zusammengesetzten Halbleiterschicht zu bewahren und dadurch eine Situation zu vermeiden, in welcher die Bewegung der Träger am PN-Anschluss oder die Rekombination der lichtemissionsbedingten Träger verhindert wird und in welcher die Lichtemission der LED gestoppt ist. Die untere Grenze der Diffusionsstörstellenkonzentration in dem Diffusionsbereich kann 5·10¹⁹ Atome/cm³ sein.
Wenn die Diffusionsstörstellenkonzentration in dem Diffusionsbereich 5·10¹⁹ Atome/cm³ ist, dann ist es möglich, eine hohe emittierte Lichtenergie zu erreichen – auch wenn der Diffusionsbereich flach ist.
Vorzugsweise ist eine zusätzliche zusammengesetzte Halbleiterschicht als Pufferschicht zwischen dem Substrat und der erstgenannten zusammengesetzten Halbleiterschicht, in welcher der Diffusionsbereich gebildet ist, vorgesehen.
Die Pufferschicht mindert die Spannung, welche durch den Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Gitterkonstantenversatz zwischen dem Silikonsubstrat und der erstgenannten zusammengesetzten Halbleiteschicht hervorgerufen ist, und die Erzeugung von Bruchstellen in der erstgenannten zusammengesetzten Halbleiterschicht und die Fehlstellenkonzentration kann reduziert werden.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode vorgeschlagen wie in den Ansprüchen dargelegt.
Mit der obigen Anordnung wird der Diffusionsbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps in der ersten zusammengesetzten Halbleiterschicht durch ein Festephasediffusionsverfahren gebildet, so dass die Tiefe des Diffusionsbereiches von der Oberfläche der zusammengesetzten Halbleiterschicht schmal ist und es möglich ist, einen Störstellendiffusi onsbereich mit einer höheren Konzentration zu bilden verglichen mit der herkömmlichen Dampfphasendiffusion. Demgemäß kann eine emittierte Lichtenergie von einer LED erhalten werden, die zum Drucken in einem Drucker geeignet ist.
Weiterhin umfasst das Verfahren vor dem Schritt des Bildens des Diffusionsbereiches,

a) den Schritt des Bildens einer Diffusionsmaske, welche eine Ausnehmung auf der ersten zusammengesetzten Halbleiterschicht hat;
b) den Schritt des Temperns danach zum Entfernen von Kristallfehlstellen in dem Teil der zusammengesetzten Halbleiterschicht, welcher durch die Ausnehmung der Diffusionsmaske belichtet wird.

Daher wird das Tempern in einem Schritt vor dem Bilden des Diffusionsbereiches auf die Struktur einschließlich der Diffusionsmaske angewandt, so dass die Kristallfehlstellen in dem Teil der zusammengesetzten Halbleiterschicht, die durch die Ausnehmung der Diffusionsmaske belichtet wird, eliminiert werden können oder auf ein derartiges Level reduziert werden können, welches die Herstellung einer LED oder den Betrieb einer LED nicht beeinflusst.
Ein Aluminiumnitritfilm wird als Diffusionsmaske benutzt.
Die Nutzung eines Aluminiumnitritfilmes als Diffusionsmaske ist deshalb vorteilhaft, weil Aluminiumnitrit gute adhäsive Eigenschaften mit der zusammengesetzten Halbleiterschicht hat und es einen derartigen Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten gibt, dass eine geeignete Spannung auf das Substrat ausgeübt wird und auch wenn die Temperatur des Temperprozesses hoch ist, die Erzeugung von Bruchstellen in der Diffusionsmaske verhindert werden kann.
Der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem SiN-Film und dem zusammengesetzten Halbleiter ist größer als zwischen dem AlN-Film und dem zusammengesetzten Halbleiter. Dennoch wurde bestätigt, dass falls der SiN-Film nicht dicker als 5000 Å ist, keine Bruchstellen in der SiN-Diffusionsmaske auftreten. Die Adhäsion des SiN-Filmes zum Halbleiter ist ebenfalls befriedigend.
Der Spannungsunterschied zwischen dem Teil der durch den Diffusionsmaskenfilm abgedeckt ist und dem durch den Diffusionsmaskenfilm unabgedeckten Teil (belichtet durch die Ausnehmung im Diffusionsmaskenfilm) ist größer mit einem größeren Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Diffusionsmaskenfilm und dem Substrat.
Demgemäß ist der Spannungsunterschied größer sofern der SiN-Film benutzt wird als wenn der AlN-Film benutzt wird. Der größere Spannungsunterschied resultiert in einem größeren Effekt der Entfernung von Fehlstellen aus dem Ausnehmungsteil (der Teil welcher durch die Ausnehmung belichtet wird). In anderen Worten resultiert die Benutzung des SiN-Filmes in einem größeren Effekt des Entfernens der Fehlstellen.
Kurzbeschreibung der Figuren
1a ist eine Draufsicht, welche einen Teil eines LED-Arrays eines ersten Beispiels zeigt;
1b ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 1a;
2a ist eine Draufsicht, die einen Teil eines LED-Arrays eines zweiten Beispiels zeigt;
2b ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 2a;
3 ist eine Schnittansicht, die ein LED-Array eines dritten Beispiels zeigt;
4 ist eine Schnittansicht, die ein LED-Array eines vierten Beispiels zeigt;
5 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der (Diffusionsstörstellenkonzentration) × (Tiefe der Diffusion) und der emittierten Lichtenergie zeigt;
6a–6c sind Diagramme, welche die Schritte der Herstellung des LED-Arrays gemäß der Erfindung zeigen;
7 ist ein Querschnitt, der den Aufbau der LED aus dem Stand der Technik zeigt.
Nun soll eine Licht emittierende Diode (LED) und ein LED-Array und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben werden. 1a, 1b, 2a, 2b, 3, 4 und 6a–6c zeigen lediglich schematisch den Umriss, die Größe und die Anordnung der jeweils angeordneten Teile, und zwar so, dass ein Verständnis der Erfindung erleichtert wird.
1. Beispiel:
Im Folgenden soll ein erstes Beispiel eines Licht emittierenden Dioden(im Folgenden als „LED" bezeichnet)-Arrays mit Bezug zu 1a und 1b beschrieben werden. 1a und 1b zeigen ein LED-Array mit einer Vielzahl von LEDs. 1a ist eine Draufsicht des LED-Arrays, während 1b eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 1a ist. Die Schraffur in 1a ist zur Erleichterung der Wahrnehmung und kennzeichnet keinen Abschnitt.
Ein LED-Array 10 des ersten Beispiels umfasst ein Substrat 12, welches durch ein N-artiges Silikon (Si) gebildet wird. Eine zusammengesetzte Halbleiterschicht 16 aus einem ersten Leitfähigkeitstyp ist auf dem Silikonsubstrat 12 gebildet und eine Diffusionsmaske mit Ausnehmungen 20 ist auf der zusammengesetzten Halbleiterschicht 16 gebildet. Die zusammengesetzte Halbleiterschicht 16 ist aus einer N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht gebildet, während x das Zusammensetzungsverhältnis wiedergibt, wobei 0 < x < 1.
Die Diffusionsbereiche 26 des zweiten Leitfähigkeitstyps, d. h. P-artig, sind gebildet um Licht in Teilen der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16, die durch die Ausnehmung 20 belichtet wird, zu emittieren. Zum Beispiel wird Zink (Zn) als P-artige Störstelle benutzt. Die Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 ist ungefähr 2,5 μm dick und die Tiefe des P-artigen Diffusionsbereiches (ebenfalls auch die Tiefe des PN-Anschlusses genannt) ist ungefähr 1 μm. Es wurde experimentell bestätigt, dass die Erzeugung von Bruchstellen verhindert werden kann, wenn die Dicke der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 ungefähr 3,5 μm oder weniger ist wenn die N-artige Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 auf dem N-artigen Si-Substrat 12 gebildet wird. Aus diesem Grund wird die Dicke der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 in dieser Ausführungsform auf 2,5 μm gesetzt.
Die P-artigen Diffusionsbereiche 26 sind feste Phasenstörstellendiffusionsbereiche und die Diffusionsstörstellenkonzentration ist zumindest 5·10¹⁹ Atome/cm³. Durch Durchführen der Diffusion derart, dass die Diffusionsstörstellenkonzentration der Störstelle für beispielsweise Zink in dem Diffusionsbereich zumindest 5·10¹⁹ Atome/cm³ ist, kann der Flächenwiderstand des P-artigen Diffusionsbereiches 26 wesentlich und ausreichend herabgesetzt werden, so dass eine extreme Reduktion der Lichtausgabeeffizienz (Lichtemissionseffizienz) verhindert werden kann.
Ferner sind die Diffusionsbereiche 26 von der Oberfläche der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 bis hin zu einer Tiefe von 20 bis 60% der Tiefe der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 gebildet. Der Grund zum Setzen eines derartigen Bereiches ist, dass falls die Tiefe des PN-Anschlusses innerhalb des Bereiches der Oberfläche 0,5 bis 1,5 μm ist, die emittierte Lichtenergie der LED dann nicht wesentlich reduziert wird und die für einen Drucker erforderliche emittierte Lichtenergie des LED-Arrays nicht erhalten wird.
In diesem Beispiel wird die Tiefe des PN-Anschlusses auf 1 μm gesetzt, während die Dicke der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 2,5 μm ist.
Das LED-Array 10 ist mit P-artigen Elektroden 28 versehen (ebenfalls individuelle Elektroden genannt), welche an einer oberen Oberfläche des Substrates 12 vorgesehen sind und mit dem P-artigen Diffusionsbereich 26 in Kontakt stehen und sich über die Oberfläche der Diffusionsmaske 18 erstrecken, und ist mit einer N-artigen Elektrode 30 versehen (auch gemeinsame Elektrode genannt), welche an der unteren Oberfläche des Substrates 12 vorgesehen ist.
2. Beispiel:
Ein zweites Beispiel eines LED-Arrays wird nun folgend bezüglich 2a und 2b beschrieben. 2a ist eine Draufsicht dieses Beispiels. 2b ist ein Querschnitt entlang der Linie X-X in 2a.
Im zweiten Beispiel umfasst das Substrat für das LED-Array eine Isolierschicht 11 und eine Silikonschicht 13, welche auf der Isolierschicht 11 gebildet ist. Der Rest der Anordnung gleicht der aus dem 1. Beispiel.
Hier ist die Isolierschicht 11 zum Beispiel eine Saphirschicht. Die Kombination der Isolierschicht 11 und der Silikonschicht 13, welche auf der Isolierschicht 11 gebildet ist, wird auch ein SOI (Silicon On Insulator) genannt. Wenn ein SOI-Substrat benutzt wird, dann müssen die N-artigen Elektroden 30 in derselben Ebene wie die P-artigen Elektroden 28 vorgesehen sein. Die N-artige Elektrode 30 ist mit der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 (als solche nicht gezeigt) verbunden.
Die Silikonschicht 13, welche auf der Isolierschicht 11 gebildet ist, kann eine N-artige Si-Schicht, eine P-artige Silikonschicht oder eine hochbeständige Silikonschicht sein. Das gebildete Substrat aus der ersten oder zweiten Ausführungsform zerbricht nicht leicht während des Zerteilens und die Verarbeitung des Wavers im Herstellungsprozess wird erleichtert. Weiterhin kann der Prozess automatisiert werden, weil das Substrat flach ist und nicht leicht zerbricht. Weiterhin kann der Durchsatz wesentlich verbessert werden, weil die Geschwindigkeit des Zerteilens erhöht werden kann. Das Erzeugen von Brüchen während des Zerteilens wird reduziert und dadurch ein genaues Schneiden ermöglicht. Weiterhin kann ein großer Durchmesser des Substrates realisiert werden, wenn SOI oder Si als Substrat benutzt wird, was in der Vergangenheit nicht möglich war und dadurch kann die Chiplänge erhöht werden. Weiterhin können die Kosten des LED-Arraychips durch Nutzung eines Großdurchmessersubstrates reduziert werden verglichen mit dem Stand der Technik.
3. Beispiel:
Ein drittes Beispiel der LED wird nun folgend bezüglich 3 beschrieben. Eine Draufsicht der dritten Ausführungsform gleicht der aus 1a. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 1a.
Das dritte Beispiel ist identisch zur ersten Ausführungsform, aber eine Pufferschicht 14 ist zwischen das Substrat 12 und die N-artige Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 zwischengestellt.
Die Pufferschicht 14 ist beispielsweise aus einer N-artigen GaAs-Schicht gebildet und dient zum Mindern des Spannungseffektes, welcher wegen des Unterschiedes der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und des Gitterkonstantenversatzes zwischen dem Si-Substrat 12 und der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 auftritt. Demgemäß kann die Erzeugung von Bruchstellen und die Fehlstellenkonzentration in der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 reduziert werden.
4. Beispiel:
Ein viertes Beispiel der LED wird nun bezüglich 4 beschrieben. Eine Draufsicht der vierten Ausführungsform ist die gleiche wie 2a. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 2a.
Das vierte Beispiel ist identisch zum zweiten Beispiel, jedoch ist eine Pufferschicht 14 zwischen die Silikonschicht 13 und die N-artige Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 zwischengesetzt.
Die Pufferschicht 14 ist beispielsweise aus einer N-artigen GaAs-Schicht gebildet und dient der Verminderung des Spannungseffektes, welcher durch den Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Gitterkonstantenversatz zwischen dem SOI (Kombination aus der Silikonschicht 13 und der Isolierschicht 11) und der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 hervorgerufen wird. Demgemäß kann die Erzeugung von Bruchstellen und die Fehlstellenkonzentration in der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 reduziert werden.
Die Beziehung zwischen der Diffusionsstörstellenkonzentration im Störstellendiffusionsbereich im LED-Array und der emittierten Lichtenergie wird nun mit Bezug auf 5 beschrieben. In 5 (die Diffusions-Zn-Konzentration(Atome/cm³)) × (die Diffusionstiefe (cm)) ist auf die Abszisse gelegt, mit einer logarithmischen Skala und die emittierte Lichtenergie (μW) ist auf die Ordinate gelegt. Die Diffusions-Zn-Konzentration ist in Atome/cm³ angegeben und die Diffusionstiefe ist in cm angegeben. Die für die Messung benutzten Proben sind die LED-Arrays des dritten Beispiels. Die Diffusions-Zn-Konzentration im Diffusionsbereich wird durch Spektroskopie der zweiten Ionenmasse gemessen. Zur Messung der emittierten Lichtenergie wird eine Spannung zwischen der P-artigen Elektrode 28 und der N-artigen Elektrode 30 der Probe angelegt und ein Strom von ungefähr 5 mA fließt durch das LED-Element und die emittierte Lichtenergie wird mit einem Fotosensor in einer Position gemessen, die 30 mm von der Probe entfernt ist.
Wie aus 5 ersichtlich, ist die emittierte Lichtenergie Null, wenn die Diffusions-Zn-Konzentration pro Fläche des Diffusionsbereiches ungefähr 2·10⁵ Atome/cm³ beträgt. Wenn die Diffusions-Zn-Konzentration ungefähr 5·10¹⁵ Atome/cm³ beträgt, dann ist die emittierte Lichtenergie ungefähr 15 μW. Wenn die Diffusions-Zn-Konzentration ungefähr 1·10¹⁶ Atome/cm³ beträgt, dann beträgt die emittierte Lichtenergie 17 bis 23 μW. Wenn die emittierte Lichtenergie 15 μW oder mehr beträgt, dann ist dies ausreichend für eine Druckerlichtquelle.
Die Tiefe des Diffusionsbereiches ist ungefähr 1 μm von der Oberfläche der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16, so dass, sofern die Diffusionsstörstellenkonzentration pro Fläche des Diffusionsbereiches in die Diffusions-Zn-Konzentration pro Volumen umgewandelt wird, diese ungefähr 5·10¹⁹ Atome/cm³ sein wird. Um eine emittierte Lichtenergie zu erhalten, die zum Drucken in einem Drucker geeignet ist, sollte die Zinkkonzentration im Diffusionsbereich im LED-Array ungefähr 5·10¹⁹ Atome/cm³ oder mehr betragen.
Das LED-Array, welches einen Zinkdiffusionsbereich aufweist, ist nicht schlechter als das konventionelle Array, welches ein GaAsP-/GaAs-Substrat benutzt und eine im wesentlichen gleiche emittierte Lichtenergie kann erhalten werden.
Verfahren zur Herstellung des LED-Arrays
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung eines LED-Arrays gemäß der Erfindung beschrieben, Bezug nehmend auf das dritte Beispiel und die 6a bis 6c, welche die Verfahrensschritte der Herstellung des LED-Arrays zeigen.
Zur Herstellung des LED-Arrays des dritten Beispiels wird ein N-artiges Si-Substrat 12 benutzt. Eine N-artige GaAs-Schicht 14 wird auf dem Substrat 12 gebildet, beispielsweise „Metal Organic Chemical Vapor Deposition" (MOCVD-Verfahren).
Dann wird eine N-artige Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 auf der N-artigen GaAs-Schicht 14 gebildet, beispielsweise unter Benutzung des MOCVD-Verfahrens.
Eine Diffusionsmaske 18 mit Ausnehmungen 20 wird auf der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 gebildet und zwar unter Nutzung von Fotolithographie (6a). Im berücksichtigten Beispiel besteht die Diffusionsmaske 18 aus Aluminiumnitrit (AlN) oder Silikonnitrit (SiN).
Der Waver, welcher die Diffusionsmaske aufgeprägt bekommen hat (gezeigt in 6a), wird sodann in einen Ofen eingeführt und der Waver wird einer Hochtemperaturtemperung unterworfen, um Kristallfehlstellen in den Teilen der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 zu vermeiden oder zu reduzieren, welche zum atmosphärischen Gas hin durch die Ausnehmungen 20 der Maske 18 offen sind. Die Bedingungen des Temperns werden nun fortgesetzt.
Die Atmosphäre: AsH₃-Gas
Die Temperatur der Anordnung (insbesondere der Schicht 16): 800 °C bis 900 °C
Das AsH₃-Gas wird benutzt, um ein Herausdiffundieren des As aus der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 während des Hochtemperaturtemperns zu vermeiden.
Ein Diffusionsquellenfilm 22, welcher Zinkstörstellen enthält, und ein Abdeckfilm 24 sind aufeinander folgend auf der Oberfläche der Anordnung von 6a gebildet. Im berücksichtigten Beispiel ist der Diffusionsquellenfilm 22 ein ZnUSiO₂-Film und der Abdeckfilm 24 ist ein AlN-Film. Zum Bilden des Diffusionsquellenfilmes 22 wird die folgende Vorrichtung benutzt und die Bedingungen zum Bilden des Filmes sind wie folgt:
Film-Bilde-Vorrichtung: Sputtervorrichtung
Staket: ein gesintertes Material aus ZnUSiO₂
Temperatur des Substrates: Raumtemperatur (ungefähr 25 °C)
Atmosphärisches Gas in der Kammer: Argon-Gas
Druck innerhalb der Kammer: 3 Pa
RF-Energie: 500 Watt
Die Anordnung, auf welcher der Diffusionsquellenfilm 22 und der Abdeckfilm 24 gebildet wurden, wird nun in einen Diffusionsofen (nicht gezeigt) eingeführt und P-artige Diffusionsbereiche 26 werden in der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 gebildet und zwar durch ein Festephasediffusionsverfahren. Die Bedingungen für die Festephasediffusion sind wie folgt:
Atmosphäre im Ofen: Stickstoffgas (Atmosphärendruck)
Temperatur der Anordnung (insbesondere der Schicht 16): ungefähr 700 °C
Anstatt von Stickstoffgas können auch andere Edelgase benutzt werden. Hier ist die Temperatur der Anordnung 700 °C (optimale Temperatur). Aber eine geeignete Temperatur bewegt sich im Bereich von 600 bis 800 °C. Durch die Festephasediffusion kann die Konzentration des Zinkes im Zinkdiffusionsbereich 26 auf 10²⁰ Atome/cm³ gesetzt werden.
Durch das Durchführen des Diffusionsverfahrens bei einer derartigen Temperatur wird das Zink, welches im Diffusionsquellenfilm 22 enthalten ist, in die N-artige Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 diffundiert. Die Tiefe des Diffusionsbereiches 26 sollte kleiner sein als die Dicke der N-artigen Al_xGa_1-xAs-Schicht 16 (6b). In dieser Ausführungsform ist die Diffusionszeit derart gewählt, dass die Tiefe des Diffusionsbereiches ungefähr 1 μm beträgt.
Nun wird ein beliebiges und geeignetes Verfahren benutzt, um den Diffusionsquellenfilm 22 und den Abdeckfilm 24 zu entfernen. Die P-artigen Elektroden 28 werden dann durch Aufbringen von Aluminium (Al) auf den Waver durch Elektronenstrahl Evaporation und anschließende Fotolithographie und Nassätzen gebildet.
Die P-artigen Elektroden 28 werden gesintert, um einen ohmschen Kontakt (nicht gezeigt) mit einem geringen Kontaktwiderstand unter der Elektrode 28 zu bilden.
Beispielsweise Aluminium wird auf die untere Oberfläche des Si-Substrates 12 durch Elektronenstrahl Evaporation aufgebracht um eine N-artige Elektrode 30 (6c) zu bilden. Ein LED-Array wird durch die oben beschriebenen Verfahrensschritte vervollständigt.
Wie aus der obigen Beschreibung verstanden wird, stellt das LED-Array eine emittierte Lichtenergie zur Verfügung (ungefähr 20 μW in dem bezüglich 5 beschriebenen Beispiel), so dass es zum Drucken in einem Drucker benutzt werden kann, auch wenn die Tiefe des Diffusionsbereiches, d. h. des PN-Anschlusses, flach gehalten ist.
Auch wenn die Diffusionsbereiche flach sind, kann die Diffusionsstörstellenkonzentration gesteigert werden verglichen mit dem Stand der Technik. Demgemäß kann die Diffusionsstörstellenkonzentration erhöht werden und eine emittierte Lichtenergie erhalten werden, die zum Drucken in einem Drucker geeignet ist, auch wenn die Diffusionsbereiche flach gehalten sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Diode umfassend die Schritte: Bilden einer zusammengesetzten Halbleiterschicht (16) aus einem ersten Leitfähigkeitstyp auf einem Substrat (12), wobei zumindest ein Teil dessen Oberfläche aus Silikon gebildet ist; und Bilden eines Diffusionsbereiches (26) aus einem zweiten Leitfähigkeitstyp in der zusammengesetzten Halbleiterschicht (16) als eine lichtemittierende Schicht; wobei der Diffusionsbereich (26) durch eine Feste-Phase-Diffusion gebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengesetzte Halbleiterschicht (16) aus AlGaAs besteht und eine Dicke von 2,5 bis 3,5 μm, der Diffusionsbereich (26) durch die Oberfläche der zusammengesetzten Halbleiterschicht (16) bis zu einer Tiefe von 20 bis 60% der Tiefe der zusammengesetzten Halbleiterschicht (16) gebildet wird, weiterhin vor dem Schritt des Bildens des Diffusionsbereiches (26) umfassend die Schritte: Bilden einer Diffusionsmaske, wobei die Diffusionsmaske auf der zusammengesetzten Halbleiterschicht (16) Ausnehmungen (20) aufweist; und danach Tempern zum Entfernen von Kristallfehlern in einem Teil der zusammengesetzten Halbleiterschicht (16) welche durch die Ausnehmungen belichtet wird, und wobei ein Aluminium-Nitrid-Film als die Diffusionsmaske (20) benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Feste-Phase-Diffusion in einer Edelgas-Atmosphäre durchgeführt wird, und bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches von 600 bis 800 Grad Celsius.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Diffusionsbereiche (26) in Linie gebracht sind, um ein Array zu bilden.