EP1084514A1 - GaP-HALBLEITERANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN - Google Patents

GaP-HALBLEITERANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN

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EP1084514A1
EP1084514A1 EP99936321A EP99936321A EP1084514A1 EP 1084514 A1 EP1084514 A1 EP 1084514A1 EP 99936321 A EP99936321 A EP 99936321A EP 99936321 A EP99936321 A EP 99936321A EP 1084514 A1 EP1084514 A1 EP 1084514A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gap
epitaxial layer
semiconductor arrangement
gap epitaxial
doped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99936321A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald Neumann
Günther GRÖNNINGER
Peter Heidborn
Gerald Schemmel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1084514A1 publication Critical patent/EP1084514A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/305—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table characterised by the doping materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/0008—Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities

Definitions

  • GaP semiconductor device and method of manufacturing the same
  • the invention relates to a semiconductor arrangement according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing a semiconductor arrangement according to the preamble of claim 7.
  • LED gallium arsphide
  • GaP is an indirect semiconductor material in which non-radiative recombination dominates.
  • LEDs based on a pure GaP semiconductor material are also functional and have practical areas of application, GaP LEDs are mostly deliberately doped with impurities due to the indirect band structure.
  • impurities which are also referred to as isoelectric centers, it is achieved that a much larger part of the charge carriers recombine with light emission, which enables much more luminous LEDs.
  • Diodes labeled GaP.N use impurities from N as isoelectric centers and emit in the green to yellow spectral range.
  • the electrons injected on the p side of the pn junction are localized by the isoelectric N, the now charged N " complex attracting a hole.
  • the electron and hole form a bound exiton, which then decays with radiation.
  • GaP LEDs are also known which contain a neutral Zn-0 complex as an isoelectric impurity and shine in the red spectral range.
  • the emission results from the decay of an exiton that forms on the Zn-0 complex.
  • LEDs are already known, their optically active epitaxial layer is composed of a GaAs ⁇ _ x P x quasi-ternary III-V mixed crystal ⁇ . With a phosphorus content x> 0.45, this semiconductor material also has an indirect band transition, so that N-
  • GaP LEDs Due to the indirect band structure, GaP LEDs are particularly sensitive to contamination and disturbances in the crystal structure. To achieve bright diodes, GaP substrates with the lowest possible dislocation density should be selected. Another disadvantage of the GaP LED is that a relatively strong decrease in the brightness of the GaP LED can be observed with increasing operating time.
  • the invention has for its object to provide a semiconductor arrangement based on a GaP substrate of the type specified at the outset which exhibits good long-term stability behavior and, in particular as an LED, shows a slight decrease in brightness under current load.
  • the invention also aims to provide a method for producing such a semiconductor arrangement.
  • the invention is based on the idea of specifically tensioning the epitaxially grown crystal lattice by adding a foreign substance from the III and / or V main group that is not identical with N. It is believed that this achieves lattice stabilization which causes dislocations present on the GaP substrate to be less pronounced than before as disturbances in the epitaxial layer (i.e., a shielding effect is achieved) and by
  • LEDs according to the invention can be created with high brightness.
  • concentration of impurity must not exceed a certain height so that the Fremdstoffzugäbe not turn leads her ⁇ to the formation of dislocations or other crystal defects.
  • the maximum concentration value can vary depending on the foreign substance used and is in any case less than 10 20 cm -3 .
  • all foreign elements of the 3 and / or 5 main group can be used as foreign substance with the exception of N (i.e. B, AI, In, Ti, As, Sb, Bi) acting as an isoelectric center.
  • N i.e. B, AI, In, Ti, As, Sb, Bi
  • the foreign substance is In.
  • the epitaxy step of the method according to the invention is preferably carried out by means of liquid phase epitaxy (LPE: Liquid Phase Epitaxy), since the LPE enables the growth of a particularly defect-free crystal structure.
  • LPE liquid phase epitaxy
  • Figure 1 is a schematic representation of a sliding apparatus for LPE of doped GaP epitaxial layers on a GaP substrate.
  • FIG. 2a shows a schematic cross-sectional representation of the layer structure of an LED according to the invention
  • Fig. 2b is a diagram of the dopant, impurity and
  • Fig. 3 is a diagram showing the decrease in brightness of three LEDs depending on the operating time.
  • Fig. 1 shows a sliding apparatus 1, which is used in the context of an LPE for producing an LED according to the invention.
  • the sliding apparatus 1 has a base plate 2 with a recess 3, in which a GaP substrate 4 is inserted.
  • the surface of the GaP substrate 4 is flush with the surface of the base plate 2.
  • a lower and an upper graphite plate 5, 6 are arranged, which are displaceable both relative to one another and relative to the base plate 2.
  • the two graphite plates 5, 6 are coupled to an axial manipulator, which consists of a
  • the axial manipulator 7, 8 is accommodated in a fixed hollow cylinder housing 9, which is firmly connected to the base plate 2.
  • the GaP substrate is inserted into the recess 3 and a GaP epitaxial material 11 prepared for the epitaxial step is filled into a recess 10 in the lower graphite plate 5.
  • the prepared GaP epitaxial material 11 consists of a pure GaP material, to which, for example, 0.01% by weight of In based on Ga was added.
  • this GaP epitaxial material 11 enriched with In is introduced into the recess 10 of the lower graphite plate 5, the lower graphite plate 5 is aligned with respect to the base plate 2 such that the recess 10 does not overlap with the recess 3, i.e. the GaP epitaxial material 11 is still separated from the GaP substrate 4.
  • An electrically active dopant is then suitably added to the GaP epitaxial material 11 enriched with In.
  • An n-pre-doped GaP substrate 4 can be H 2 S (hydrogen sulfide), which passes through a first opening 12 in the upper graphite plate 6 is fed to the epitaxial material 11. Subsequently, the lower graphite plate 5 together with the upper graphite plate 6 on the base plate 2 strigo ⁇ ben so that the GaP epitaxial material 11 via the clock and in con- with the GaP substrate 4 passes. Epitaxial layer deposition now takes place on the substrate surface. The S atoms cause n-doping of the epitaxial layer initially growing on the GaP substrate 4.
  • the admixture of H 2 S can be continuously monitored and controlled in a manner not shown in order to generate a desired doping profile.
  • a second opening 13 is provided in the upper graphite plate 6, through which the nitrogen used here for the isolectrical centers is fed in by temporary supply of NH 3 (ammonia).
  • the doping epitaxial layer can be p-doped by adding, for example, Zn vapor through the first opening 12.
  • FIG. 2a shows a layer structure generated epitaxially, for example by means of the sliding apparatus shown in FIG. 1.
  • 2b shows possible associated concentration profiles of the S or Zn dopants, the N impurities and the In foreign substance used in the present example plotted against the epitaxial layer thickness.
  • the epitaxial layer grown on the n-doped GaP substrate 4 consists of two partial layers 14 and 15, of which the lower partial layer 14 on the substrate side is n-doped and the partial layer 15 arranged above it has Zn p-doping .
  • a pn junction 16 is formed between the two sublayers 14, 15.
  • the first sub-layer 14 has a layer thickness of approximately 45 ⁇ m.
  • the second sub-layer 15 is p-doped with a relatively high concentration in the range of 2-10 18 cm "3.
  • the corresponding course of the dopant concentration in the second sub-layer 15 is identified by the reference symbol 17b.
  • the layer thickness of the second sub-layer 15 is carries about 20 microns in the example shown.
  • the reference character 18 shows the concentration curve of the N impurities to form the isoelectric recombination centers.
  • the concentration curve has a rectangular profile that extends over the pn junction 16. The rectangular profile projects into the first sub-layer 14 over a length of about 25 ⁇ m and into the second sub-layer 15 of the epitaxial layer over a length of about 10 ⁇ m.
  • the concentration of the N-impurities is 3-10 17 cm "3 .
  • the maximum of the emission wavelength shifts to longer wavelengths in the yellow spectral range due to the occurrence of an interaction between the N impurities.
  • the course of the concentration of foreign matter is identified by reference numeral 19.
  • a value of approximately 2-10 17 cm “3 was set, which corresponds to an addition of 0.01% by weight of In based on Ga during the epitaxial step.
  • the In concentration can be determined via the thickness of the epitaxial layer 14 , 15, as shown in an exemplary manner in Fig. 2.
  • the already mentioned stabilization of the grating is achieved over the entire area of the grown epitaxial layer 14, 15.
  • the GaP substrate 4 used should not exceed a dislocation density as small as possible of about 2-10 5 cm "2.
  • High quality GaP substrates 4 with dislocation densities of less than 1-10 5 cm "2 should preferably be used
  • FIG. 3 shows a diagram in which the measured brightness of three LEDs (measuring points 20, 21, 22) is plotted against the operating time.
  • the filled diamond-shaped 20 and the filled square 21 measuring points reflect the brightness of two GaP: N-LEDs according to the invention, the epitaxial layers 14, 15 of which were doped with 0.01% by weight In based on Ga according to FIGS. 2a, b .
  • the open triangles 22 show measuring points which were recorded in a conventional reference LED formed in a corresponding manner without addition.
  • Te can also be used as the dopant, for example.
  • the Zn-0 complexes already mentioned can also be used as isoelectric centers instead of N-impurities.

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Abstract

Eine Halbleiteranordnung weist ein Substrat aus GaP und eine über dem Substrat angeordnete, eine n-dotierte und eine p-dotierte Teilschicht umfassende Epitaxieschicht auf. In einem Grenzbereich zwischen den beiden Teilschichten ist ein pn-Übergang ausgebildet. Die Epitaxieschicht enthält einen Fremdstoff, bei dem es sich um ein Element aus der 3. und/oder aus der 5. Hauptgruppe handelt, das nicht mit N identisch ist, und dessen maximale Konzentration in der GaP-Epitaxieschicht kleiner als 1020 cm-3 ist.

Description

Beschreibung
GaP-Halbleiteranordnung und Verfahren zur Herstellung derselben
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Lichtemittierende Dioden (LED: Light Emitting Diods) aus GaP sind bereits seit langem bekannt und haben sich zu einen der am meisten verwendeten LED entwickelt.
GaP ist ein indirektes Halbleitermaterial, in dem die nichtstrahlende Rekombination dominiert. Obgleich auch auf einem reinen GaP-Halbleitermaterial basierende LED funktionsfähig sind und praktische Anwendungsbereiche aufweisen, werden GaP- LED aufgrund der indirekten Bandstruktur zumeist gezielt mit Störstellen dotiert. Durch den Einbau solcher Störstellen, die auch als isoelektrische Zentren bezeichnet werden, wird erreicht, daß ein wesentlich größerer Teil der Ladungsträger unter Lichtemission rekombiniert, was wesentlich leuchtstärkere LED ermöglicht. Mit GaP.N bezeichnete Dioden verwenden als isoelektrische Zentren Störstellen aus N und emittieren im grünen bis gelben Spektralbereich. Dabei werden die auf der p Seite des pn-Ubergangs injizierten Elektronen von dem isoelektrischen N lokalisiert, wobei der nunmehr geladene N" Komplex ein Loch anzieht. Elektron und Loch bilden ein ge- bundenes Exiton, das sodann strahlend zerfällt.
Ferner sind GaP-LED bekannt, die als isoelektrische Störstelle einen neutralen Zn-0 Komplex enthalten und im roten Spektralbereich leuchten. Auch hier resultiert die Emission aus dem Zerfall eines Exitons, das sich an dem Zn-0 Komplex bildet. Darüber hinaus sind bereits LED bekannt, deren optisch aktive Epitaxieschicht aus einem GaAsι_xPx quasiternären III-V Misch¬ kristall aufgebaut ist. Bei einem Phosphorgehalt x > 0,45 weist auch dieses Halbleitermaterial einen indirekten Band- Übergang auf, so daß für eine strahlende Rekombination N-
Störstellen benötigt werden. Bei x = 0,6 wird eine orangerote Farbe erzielt. Zur Herstellung von gelbleuchtenden LED kann der Phosphorgehalt, im Mischkristall bis auf 85% angeho¬ ben werden.
Aufgrund der indirekten Bandstruktur sind GaP-LED gegenüber Verunreinigungen und Störungen der Kristallstruktur besonders empfindlich. Zur Erzielung leuchtstarker Dioden sind daher GaP-Substrate mit möglichst geringer Versetzungsdichte zu wählen. Ein weiterer Nachteil der GaP-LED besteht darin, daß mit wachsender Betriebsdauer eine relativ starke Abnahme der Helligkeit der GaP-LED zu beobachten ist.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Helligkeitsabnahme durch spezielle Temperaturführungsprofile bei der Flüssigpha- senepitaxie, durch die Verwendung möglichst reiner Ausgangsstoffe und durch das Vorsehen einer elektrisch aktiven Dotierung günstig zu beeinflussen. In der US-Patentschrift US 4,303,464 ist ein Czochralski-Herstellungsverfahren für ein GaP-Kristall beschrieben, bei dem der Kristall mit einem in GaP elektrisch aktiven Dotierstoff versehen wird. Dabei werden Kristalle mit einer niedrigen Defekthäufigkeit und guten optischen Eigenschaften erzielt.
Aus der Publikation "Free-exciton radiation from p-i-n diodes of GaP doped with indium and oxygen", A. Tanaka et al . , Applied Physics Letters, Band 28 Nr. 3 (1976), Seiten 129-130 ist eine GaP-LED bekannt, die intensives grünes und schwaches rotes Licht emittiert. Der intrinsische Bereich wird durch die Sauerstoff-Donatoren erzeugt und die Intensität des emittierten Lichts wird durch die In-Dotierung verstärkt. In dem Buch "Halbleiter-Optoelektronik", von Maximilian Bleicher, Dr. Alfred Hüthing Verlag GmbH, Heidelberg, 1986, Seiten 152-161, insbesondere Seite 155, ist eine GaP:N-LED nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf einem GaP- Substrat basierende Halbleiteranordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die ein gutes Langzeit-Stabilitäts- verhalten und insbesondere als LED eine geringe Helligkeitsabnahme unter Strombelastung zeigt. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch Zugabe eines nicht mit N identischen Fremdstoffes aus der III und/oder V Hauptgruppe das epitaktisch aufgewachsene Kristallgitter gezielt zu verspannen. Es wird angenommen, daß dadurch eine Gitterstabilisierung erzielt wird, die bewirkt, daß sich an dem GaP-Substrat vorhandene Versetzungen weniger ausgeprägt als bisher als Störungen in der Epitaxieschicht fortsetzen, (d.h. ein Abschirmungseffekt erzielt wird) und daß durch
Strombelastung bewirkte Umwandlungsprozesse im aufgewachsenen Kristallgitter, die für die Abnahme der Leuchtintensität (Degradation) verantwortlich sind, zumindest teilweise unterbunden werden. Neben der Verringerung der Degradation wird auf diese Weise auch eine Lebensdauererhöhung der LED erreicht.
Durch die Dotierung der GaP-Epitaxieschicht mit einem Störstellenkomplex, beispielsweise N oder Zn-O, welcher in der GaP-Epitaxieschicht als isoelektrisches Zentrum wirkt, können erfindungsgemäße LED mit hoher Helligkeit geschaffen werden. Die Konzentration des Fremdstoffes darf eine gewisse Höhe nicht überschreiten, damit die Fremdstoffzugäbe nicht ihrer¬ seits zu der Entstehung von Versetzungen oder anderen Kristalldefekten führt. Der maximale Konzentrationswert kann je nach verwendetem Fremdstoff variieren und ist in jedem Fall kleiner als 1020 cm-3.
Grundsätzlich können als Fremdstoff alle Fremdelemente der 3 und/oder 5 Hauptgruppe mit Ausnahme des als isoelektrischen Zentrums wirkenden N (d.h. B, AI, In, Ti, As, Sb, Bi) eingesetzt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Fremdstoff jedoch um In.
Der Epitaxieschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise mittels Flüssigphasenepitaxie (LPE: Liquid Phase Epitaxie) durchgeführt, da die LPE das Aufwachsen einer besonders defektarmen Kristallstruktur ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schiebeapparatur zur LPE von dotierten GaP-Epitaxieschichten auf einem GaP-Substrat;
Fig. 2a eine schematische Querschnittdarstellung des Schichtaufbaus einer erfindungsgemäßen LED;
Fig. 2b ein Diagramm der Dotierstoff-, Störstellen- und
Fremdstoffkonzentrationsverläufe in der in der Fig. 2a gezeigten LED; und
Fig. 3 ein Diagramm, das die Helligkeitsabnahme von drei LED in Abhängigkeit von der Betriebsdauer zeigt. Fig. 1 zeigt eine Schiebeapparatur 1, die im Rahmen einer LPE zur Herstellung einer erfindungsgemäßen LED eingesetzt wird. Die Schiebeapparatur 1 weist eine Grundplatte 2 mit einer Vertiefung 3 auf, in die ein GaP-Substrat 4 eingelegt ist. Die Oberfläche des GaP-Substrats 4 ist bündig mit der Oberfläche der Grundplatte 2. Oberhalb der Grundplatte 2 sind eine untere und eine obere Graphitplatte 5, 6 angeordnet, die sowohl gegeneinander als auch relativ zu der Grundplatte 2 verschieblich sind. Hierfür sind die beiden Graphitplatten 5, 6 mit einem Axialmanipulator gekoppelt, der aus einem
Schieberohr 7 und einer in dem Schieberohr 7 koaxial geführten Schiebestange 8 besteht. Während das Schieberohr 7 mit der unteren Graphitplatte 5 gekoppelt ist, steht die Schiebestange 8 mit der oberen Graphitplatte 6 in Betätigungsver- bindung. Der Axialmanipulator 7, 8 ist in einem lagefesten Hohlzylindergehäuse 9 untergebracht, das fest mit der Grundplatte 2 verbunden ist.
Zur Herstellung einer GaP :N-LED wird das GaP-Substrat in die Vertiefung 3 eingelegt und ein für den Epitaxieschritt vorbereitetes GaP-Epitaxiematerial 11 in eine Aussparung 10 der unteren Graphitplatte 5 eingefüllt. Das vorbereitete GaP- Epitaxiematerials 11 besteht aus einem reinen GaP-Material, dem beispielsweise 0,01 Gew.-% In bezogen auf Ga zugegeben wurde. Beim Einbringen dieses mit In angereicherten GaP- Epitaxiematerials 11 in die Aussparung 10 der unteren Graphitplatte 5 ist die untere Graphitplatte 5 gegenüber der Grundplatte 2 derart ausgerichtet, daß die Aussparung 10 nicht mit der Vertiefung 3 überlappt, d.h. das GaP- Epitaxiematerial 11 noch von dem GaP-Substrat 4 getrennt ist.
Die gesamte Anordnung wird sodann auf eine Temperatur von etwa 700 bis 1000°C gebracht. Anschließend wird dem mit In angereicherten GaP-Epitaxiematerial 11 in geeigneter Weise ein elektrisch aktiver Dotierstoff zugesetzt. Bei einem n- vordotierten GaP-Substrat 4 kann es sich dabei um H2S (Schwefelwasserstoff) handeln, das über eine erste Öffnung 12 in der oberen Graphitplatte 6 dem Epitaxiematerial 11 zugeleitet wird. Nachfolgend wird die untere Graphitplatte 5 zusammen mit der oberen Graphitplatte 6 auf der Grundplatte 2 verscho¬ ben, so daß das GaP-Epitaxiematerial 11 über das und in Kon- takt mit dem GaP-Substrat 4 gelangt. Auf der Substratoberfläche erfolgt nun die epitaktische Schichtabscheidung. Die S Atome bewirken dabei eine n-Dotierung der zunächst auf dem GaP-Substrat 4 aufwachsenden Epitaxieschicht.
Zur Erzeugung eines gewünschten Dotierprofils kann die Zumi- schung von H2S in nicht dargestellter Weise fortlaufend überwacht und gesteuert werden.
Ferner ist eine zweite Öffnung 13 in der oberen Graphitplatte 6 vorgesehen, durch die der hier für die isolektrischen Zentren verwendete Stickstoff durch temporäre Zuleitung von NH3 (Ammoniak) zugeführt wird. Ein p-Dotierung der aufwachsenden Epitaxieschicht kann durch Zugabe beispielsweise von Zn-Dampf durch die erste Öffnung 12 erfolgen.
In der Fig. 2a ist ein beispielsweise mittels der in Fig. 1 gezeigten Schiebeapparatur epitaktisch erzeugter Schichtaufbau dargestellt. Fig. 2b gibt mögliche zugehörige Konzentrationsverläufe der S- bzw. Zn-Dotierstoffe, der N-Störstellen und des im vorliegenden Beispiels verwendeten In-Fremdstoffes aufgetragen über die Epitaxieschichtdicke wieder.
Gemäß der Fig. 2a besteht die auf dem n-dotierten GaP- Substrat 4 aufgewachsene Epitaxieschicht aus 2 Teilschichten 14 und 15, von denen die substratseitig untere Teilschicht 14 mit S n-dotiert ist und die darüberliegend angeordnete Teilschicht 15 eine Zn p-Dotierung aufweist. Zwischen den beiden Teilschichten 14, 15 ist ein pn-Übergang 16 ausgebildet.
Fig. 2b zeigt, daß die substratseitig vorgesehene n-Dotierung einer Konzentration 17a von beispielsweise 7-1017 cm-3 in der ersten Epitaxie-Teilschicht 14 zum pn-Übergang 16 hin stufen- weise bis auf etwa 3-1015 - 5-1016 cm"3 (hier: MO16 cm"3) ab¬ fällt. Die erste Teilschicht 14 weist dabei eine Schichtdik- ke von etwa 45 μ auf.
Die zweite Teilschicht 15 ist demgegenüber mit einer relativ hohen Konzentration im Bereich von 2-1018 cm"3 p-dotiert. Der entsprechende Verlauf der Dotierstoffkonzentration in der zweiten Teilschicht 15 ist mit dem Bezugszeichen 17b gekennzeichnet. Die Schichtdicke der zweiten Teilschicht 15 be- trägt im dargestellten Beispiel etwa 20 μm.
Mit dem Bezugszeichen 18 ist der Konzentrationsverlauf der N- Störstellen zur Ausbildung der isoelektrischen Rekombinationszentren dargestellt. Der Konzentrationsverlauf weist ein Rechteckprofil auf, das sich über den pn-Übergang 16 hinweg erstreckt. Das Rechteckprofil ragt über eine Länge von etwa 25 μm in die erste Teilschicht 14 und über eine Länge von etwa 10 μm in die zweite Teilschicht 15 der Epitaxieschicht hinein. Die Konzentration der N-Störstellen liegt hier bei 3-1017 cm"3.
Wird eine höhere N-Konzentration gewählt, verschiebt sich das Maximum der Emissionswellenlänge infolge des Auftretens einer Wechselwirkung zwischen den N-Störstellen zu größeren Wellen- längen hin in den gelben Spektralbereich.
Der In-Fremdstoff-Konzentrationsverlauf ist durch das Bezugszeichen 19 gekennzeichnet. Im vorliegenden Fall wurde ein Wert von etwa 2-1017 cm"3 eingestellt, welcher einer Zugabe von 0,01 Gew.-% In bezogen auf Ga während des Epitaxieschrit- tes entspricht. Die In-Konzentration kann über die Dicke der Epitaxieschicht 14, 15 konstant sein, wie dies in Fig. 2b in beispielhafter Weise dargestellt ist. In diesem Fall wird die bereits erwähnte Stabilisierung des Gitters über den ge- samten Bereich der aufgewachsenen Epitaxieschicht 14, 15 erzielt. Es ist jedoch auch möglich, einen über die Schichtdicke variierenden In-Konzentrationsverlauf 19 einzustellen und/oder nur einen Teilbereich der Epitaxieschicht 14, 15 mit In zu dotieren. Dies kann ausreichend und ggf. auch vorteil¬ haft sein, weil die sich in der Epitaxieschicht 14, 15 unter Strombelastung einstellenden Umstrukturierungsprozesse, die letztlich zu der Degradation der LED im Betrieb führen, nur in bestimmten Bereichen der Epitaxieschicht 14, 15 auftreten oder für die Abnahme der Helligkeit von Bedeutung sein können.
Ferner sollte für eine gute Qualität der aufgewachsenen GaP- Epitaxieschicht 14, 15 das verwendete GaP-Substrat 4 eine möglichst kleine Versetzungsdichte von etwa 2-105 cm"2 nicht überschreiten. Hochqualitative GaP-Substrate 4 mit Verset zzuunnggssddichten von weniger als 1-105 cm"2 sind bevorzugt einzu- setzen
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die gemessene Helligkeit von drei LED (Meßpunkte 20, 21, 22) gegenüber der Betriebsdauer aufgetragen ist. Zur besseren Vergleichbarkeit sind die Helligkeiten der LED als relative Größen (in Prozent) bezogen auf die jeweiligen Anfangshelligkeiten (Helligkeiten bei erstmaliger Inbetriebnahme) angegeben und weisen daher für alle drei LED zum Zeitpunkt t=0 h den Wert 100% auf. Die gefüllten rautenförmigen 20 und die gefüllten quadratischen 21 Meßpunkte geben die Helligkeiten von zwei erfindungsgemäßen GaP:N-LED wieder, deren Epitaxieschichten 14, 15 gemäß den Fig. 2a, b jeweils mit 0,01 Gew.-% In bezogen auf Ga dotiert wurden. Die offenen Dreiecke 22 zeigen Meßpunkte, die bei einer in entsprechender Weise gebildeten herkömmlichen Referenz-LED ohne In-Beimischung aufgenommen wurden. Die Messung wurde bei einem Betriebsstrom von 40 mA und einer Temperatur von 25 °C ausgeführt. Es wird deutlich, daß sowohl die erfindungsgemäßen LED (Meßpunkte 20, 21) als auch die Referenz-LED (Meßpunkte 22) eine deutlich erkennbare Ab- nähme der Helligkeit mit wachsender Betriebszeitdauer zeigen. Während jedoch die Helligkeit der Referenz-LED bereits nach etwa 25 Stunden auf 60 % ihrer Anfangshelligkeit abgefallen ist, weisen die erfindungsgemäßen LED zu diesem Zeitpunkt noch eine Helligkeit von nahezu 90% ihres Ausgangswertes auf. Dabei zeigen die Helligkeitsverläufe 20, 21 der beiden erfindungsgemäßen LED eine gute Übereinstimmung.
Anstelle der hier beschriebenen n-Dotierung mit S kann beispielsweise auch Te als Dotierstoff eingesetzt werden. Ferner können statt N-Störstellen auch die bereits erwähnten Zn- 0 Komplexe als isoelektrische Zentren Verwendung finden.
Bezugszeichen:
1 Schiebeapparatur
2 Grundplatte
3 Vertiefung
4 GaP-Substrat
5 untere Graphitplatte
6 obere Graphitplatte
7 Schieberohr
8 Schiebestange
9 Hohlzylindergehäuse
10 Aussparung
11 GaP-Epitaxiematerial
12 erste Öffnung
13 zweite Öffnung
14 erste Teilschicht
15 zweite Teilschicht
16 pn-Übergang
17a, 17b Dotierstoff-Konzentrationsverlauf
18 N-Konzentrationsverlauf
19 In-Konzentrationsverlauf
20 Helligkeit einer erfindungsgemäßen LED
21 Helligkeit einer erfindungsgemäßen LED
22 Helligkeit einer Referenz-LED

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiteranordnung, mit
- einem Substrat (4) aus GaP und
- einer über dem Substrat angeordneten, eine n-dotierte und eine p-dotierte Teilschicht umfassenden GaP-Epitaxieschicht (14, 15) , wobei
- - m einem Grenzbereich zwischen den beiden Teilschichten
(14, 15) ein pn-Übergang (16) ausgebildet ist, und
- - ein den pn-Übergang (16) enthaltender optisch aktiver
Schichtbereich der GaP-Epitaxieschicht (14, 15) mit einem als isoelektrisches Zentrum wirkenden Storstellenkomplex dotiert ist d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß die GaP-Epitaxieschicht (14, 15) einen Fremdstoff enthalt, bei dem es sich um ein Element aus der 3 und/oder ein Element aus der 5 Hauptgruppe handelt, das nicht mit N identisch ist, und dessen maximale Konzentration m der GaP-Epitaxieschicht (14, 15) kleiner als 1020 cm"3 ist
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß die maximale Konzentration des Fremdstoffes m der GaP- Epitaxieschicht (14, 15) kleiner als 1019 cm"3 ist und insbesondere etwa 1018 cm"3 betragt.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß die Konzentration des Fremdstoffes über die Dicke der GaP-Epitaxieschicht (14, 15) im wesentlichen konstant ist.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß es sich bei dem Fremdstoff um In handelt.
5. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - daß die Konzentration (18) des Störstellenkomplexes in dem optisch aktiven Schichtbereich der GaP-Epitaxieschicht (14, 15) zwischen 1017 und 5-1018 cm"3, insbesondere zwischen 5-1017 und 1018 cm"3 liegt.
6. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß es sich bei dem Störstellenkomplex um N handelt.
7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, das die Verfahrensschritte aufweist:
- Bereitstellen eines GaP-Substrats (4) ;
- Epitaktisches Aufwachsen einer zwei Teilschichten unter- schiedlicher Dotierung umfassenden GaP-Epitaxieschicht (14, 15) , wobei
- - im Grenzbereich zwischen den beiden Teilschichten ein pn-
Übergang (16) gebildet wird, und
- - ein den pn-Übergang (16) enthaltender optisch aktiver Schichtbereich der GaP-Epitaxieschicht (14, 15) mit einem als isoelektrisches Zentrum wirkenden Störstellenkomplex dotiert wird; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß m die GaP-Epitaxieschicht (14, 15) ein Fremdstoff ein- gebracht wird, bei dem es sich um ein Element aus der 3 und/oder ein Element aus der 5 Hauptgruppe handelt, das nicht mit N identisch ist und dessen maximale Konzentration in der GaP-Epitaxieschicht (14, 15) kleiner als 1020 cm"3 ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß der Epitaxieschritt (14, 15) mittels Flüssigphasenepi- taxie (LPE) erfolgt.
9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach
Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß einer bei der Flüssigphasenepitaxie verwendeten Ga- Lösung vor dem Epitaxieschritt In in einer Menge von maximal 1 Gew.-%, insbesondere maximal 0,07 Gew.-% bezogen auf Ga zugesetzt wird.
10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- daß das verwendete GaP-Substrat (4) eine Versetzungsdichte kleiner als 2-105 cm"2, insbesondere kleiner als 1-105 cm"2 aufweist .
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