TW442980B - Gap-semiconductor arrangement and method to produce the same - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 4429 8 Ο Α7 _Β7__ 五、發明說明（f ) 本發明傜關於一種依據申請專利範圍第1項前言部份 之半導體配置。此外，本發明亦渉及申請專利範圍第7 項前言部份之半導體配置之製造方法。

由Gap所構成之發光二極體（LED: Light Emitting Diodes)長久以來已為人所知且已發展成一種最常應用 之 LEDC

GaP是一種間接之半導體材料，其中主要是一種非發光 性之組合。雖然以純GaP-半導體材料為主之LED可正常 工作且具有實際上之應用範圍，但GaP- LED由於間接之 能帶結構而大部份是適合以晶格缺陷來進行摻雜。藉由 此種晶格缺陷（其亦稱為等電位中心）之構迪可使絶大部 份之電苘載體在發光之情況下重M,這樣可形成一種發 光極強之LED。以GaP:N表示之二極體使用由N所構成之 晶格缺陷來作為等電位中心且發出一種由綠色至黃色之 頻譜範圍。於是此種在pn-接面之p侧所注入之電子會 被等電位之N所局部化，其中現在已充電之N_ 複合體 可吸引一種電洞。電子和電洞形成一種相結合之Exciton ，此種Exciton然後發光而蛻變。 此外，此種GaP- LED (其含有一種中性之Ζη-0複合體 作為等電位之晶格缺陷且在紅色頻譜範圍中發光）已為 人所知。發光現象此處亦由於Excito η之蛻變所造成， Exciton是在Ζη-0複合醱中形成β 此外，此種LED(其光學活化之磊晶層是由一種 GaAsi-χΡχ準（quasi)三元ffl - V混合晶體所構成）亦已為

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------- --------訂---------線 y (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4429 8 0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（>) 人所知。在磷含董x >0*45時此種半導體材料亦具有一 種間接之能帶轉移區（^bergang)，於是就輻射之重組而 言N -晶格缺陷是裔要的。在x= 0.6時可達成—種橘红之 彩色。為了製造—種發出黃色光之LED ，則混合晶體中 之磷含量可提高至85%· 由於間接之能帶結構，則GaP- LED就晶賭結構之污染 和干擾而言是特別敏成的》為了達成一種發光較強之二 極體，因此需蓮取一棰镉位（dislocation)密度盡可能 低之GaP基體。此種GaP-LED之其它缺點是：所觀察到之 GaP-LED之亮度會随着操作時間之增加而大置地減少。 已有之建議是：藉由液相磊晶中特殊之溫度傳導外型 (profile),或使用盡可能純淨之原始材料或設置電性 活化之摻雜匾以便有利地影堪上述亮度之減小。在美國專 利文件US4, 303,464中已描逑一種6aP晶體所用之 Czochralsfci-製造方法，其中此晶體設有一種在GaP中 是電性活化之摻雜物質。於是此晶饍可逢成一種較低之 缺陷度以及較佳之光學特性。 由公開文件"Pree-exciton radiation fron p-i-n diodes o f 6aP doped with indiu· and oxygen" , A. Tanaka et a 1 . .Applied Physics Letters, Band 28 No.3(1976),第129-130頁中已知有一種GaP-LED，其可 發出很強之缘光及弱的紅光》本質（intrinsic)區是由 氣-施體（d ο n a t 〇 r )所産生旦所發出之光線之強度是由 絪（In)摻雜區所放大β 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------fll--裏·· — ·! — —訂·--------線 Y <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4429 8 0 A7 _ B7 _ 五、發明說明） S lit# "Halbleiter-Optoelektronik", von Maximilian B1 eicher, Dr . Alfred Hu thing Verlag GmbH, Heidelberg, 1986，第 152-161 頁，持別是第 155 頁中已描述一種GaP:N-LED(其是依據申請專利範圍第1 項之前言部份）及此種LED之製造方法（其是依據第7項 之前言部份）。 本發明之目的是提供一種本文開頭所述技藝之以GaP-基體為主之半導體配置，其在電流負載下顯示一種長時 間之良好之穩定性且具有較少之亮度減少現象而特別是 可用作LED 。此外，本發明亦提供此種半導體配置之製 造方法。 上述目的是由申請專利範圍第1和第7項之特擻來達 成。 本發明之原理是籍由添加一種由m及/或V族（group) 所構成之與K不相同之外來物質而適當地使磊晶生長之 晶格拉緊。疽樣就可逹成晶格穩定性，於是可使GaP -基 體上所存在之偏位現象較目前在磊晶層中造成干擾現象 者更不明顯{卽，可逹成一種屏蔽效應），且由於電流負 載所造成之轉換程序在已生長之晶格（其説明了光強度 之減弱現象（degradation))中至少一部份是不會發生的 。以此種方式除了可使上述減弱現象降低之外亦可提高 LED之壽命。 依據本發明，以一種晶格缺陷複合體（例如，N或Ζ η - 0 ，其在GaP-磊晶層中是用作等電位中心）來對GaP-磊 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------^--------訂---------線 y <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 4.29 8 0 A7 决年"月丨$ $正充 B7 五、發明說明（^ ) 晶層進行一種摻雜作用，則LED可具有較大之高度。 上逑外來物質之濃度不可超過某種值> 因此添加這種 外來物質不會産生偏位現象或其它晶體缺陷。最大濃度 值可依據所使用之外來物質而改變且在此情況中小於 1 0 20 c nr3 〇 基本上可使用冚及/或V族之所有外來元素（除了作 為等罨位中心用之N (即，B,Al，In,Ti，As，Sb,Bi)以外） 來作為外來物質。但依據本發明之較佳實施形式在此種 外來物質中是與絪（In)有關的。 本發明之方法中所使用之磊晶步驟最好是藉由液相磊 晶（LPE: Liquid Phase Epitaxy)來進行，這是因為 LPE 可生長一種待別是很少缺陷之晶體結構〇 本發明以下將以舉例方式依據實施例而參考各圖式來 作描述。 圖式簡單說明如下： 第〗.圖在 GaP-基體上對摻雜之GaF-磊晶層進行 LPE時所用之移動設備之圖解。 第2a圖本發明之LED之層結構之横切面圖。 第2b圖在第2a圖中所示之LED中之摻雜物質晶 格缺陷-及外來物質濃度曲線 第3圖三個L E D之亮度減弱現象對操作時間之關俗 圖〇 第1圖顯示一種移動設備1,其使用在LPE範圍中以製 造本發明之L E B。此種移動設備1具有一個基板2 (其上 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公芨） -------^--------訂---------線，w (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) r* 4429 8 Ο 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7_ 五、發明說明（Γ ) 有一個凹口 3 ), GaP-基體4置放於凹口 3中。GaP- 基體4之表面是與基板2之表面齊平。基板2上方配置 一個下（lower)石墨板5和一個上（upper)石墨板6 ,此 二個石墨板可互相移動，亦可相對於基板2而移動。此 二個石墨板5，6是與一個軸向操作器相連接，軸向操作 器是由一値移動管7及一個可在移動管7中以共軸方式 而引導之移動桿8所構成。在移動管7與上述之下石墨 板5相連接時，則移動桿8在操作上是與上石墨板6相 連接。軸向操作器7, 8是安裝在一種位置固定之中空圖 柱形外殼9中，外殼9是固定地與基板2相連接。 為了製造GaP: N-LED,則GaP-基體須嵌入凹口 3中且 為此種磊晶步驟所預備之GaP -晶格材料11須填入下石墨 板5之凹口 10中。此種預備之GaP -磊晶材料11是由一種 純G a P -材料（例如，相對於G a是0 · 0 1重量百分比（G e w - % ) 之I η須添加至此6 a P -材料中）所構成β在引進此種以I η 來作添加劑之GaP -磊晶材料11於下石墨板5之凹口 10中 時，須使下石墨板5對準基板2 ,使凹口 10不與凹口 3 相重叠，即，GaP -磊晶材料11仍然是與GaP-基體4相隔 離。 整個配置於是放置在溫度大約7 0 0至1 0 0 0°C中，然後 以適當之方式添加一種電性活化之摻雜物質至此種以In 作為添加劑之GaP-磊晶材料11中。在一種η-預（pre-)摻 雜之GaP-基體4中此種摻雜物質是H2S(硫化氫），其經 由上石墨板6中之第一開口 12而導入磊晶材料11中。然 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注竟華項再填寫本頁) --------訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4429 8 Ο Α7 _____Β7 _ 五、發明說明（b ) 後此下石墨板5與上石墨板6 —起在基板2上移動，使 GaP-磊晶材料11抵達GaP -基體4上且與之相接觸。在基 體表而上現在進行磊晶式之層沈槙。S原子於是用作此 種首先在GaP-基體4上長成之磊晶層之η-摻雜物。 為了産生所期望之摻雜外型，則可以未顯示之方式連 缠地監視及控制H2 S之混合過程。 此外，在上石墨板6中設置第二開口 13,藉由開口 13 而由暫時性之ΝΗ3導管導入此種等電位中心所用之氮。 所生長之磊晶層之P-摻雜作用可由第一開口 12例如添加 Ζ η -蒸氣來達成β 在第2a圖中顯示一種例如藉由第1圖中所示之移動設 備而以磊晶方式産生之層結構。第2b圖是S-或Zn-摻雜 物質，N -外來物質以及目前例子中所使用之In-外來物 質可能的濃度曲線，其是相對於摻雜層厚度而繪出。 依據第2a圖，此種在η-摻雜之GaP-基體4上所生長之 磊晶層是由2値部份層14和15所構成，其中基體側之下 (]〇 w e r )部份層1 4是以S來進行η -摻雜且位於上方之部 份層15具有一種由Ζ η所形成之ρ-接雜區。在此二個部份 層14, 15之間形成一種ρη -接面16。 第2 b圖顯示：在第一磊晶-部份層14中基體側所設置 之例如濃度是 7. 10 17 cur3之濃度17 a之η-摻雜匾朝向 ρπ -接而16以步级之形式下降至大約3.10拉（：1^-5 · 1 0 π c r3 (此處是1 · 1 0 ie C矿3 )。第一部份層1 4所具 有之靥厚度大約是45/i I*。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------—11. --------訂---ί — —線 y (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4429 8 Ο Α7 Β7 五、發明說明（？） '3 較濃層 以之之 中質15 圍物層 範雜份 之揍部 中二 15第 18層 。 10份示 . 部表 2二來 在第 b 是 。17 5 隹 β 層慘符 份Ρ-者 部行參 二進以 第來是 ，度圖 之濃線 反之曲 高度 子 例 之 示 所 在 度 厚 組示 位18 電號 等符 成考 形參 以 ο 2 是 約 大 中中 是 ， 線型 Sl·— 夕 度形 濃矩 之種 陷一 缺有 格具 晶線 N-曲 之度 需濃 所種 心此 面 接 約 大 出 突 pn内 過向 越中 » 4 其 1 伸 延 而

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加H 添層 而晶 Ga裔 於在 對度 相濃 間η- I! I 期 琢> 步 晶 磊 為% 即-· 僙ew lfce(G 況 情 之 比以 分可 百中 最度 重厚 ------------ I - I i I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 所性 在定 下穩 況之 情述 種上 此成 在逹 〇 可 示中 所域 子區 例値 之整 中之 I 5 圖 1 b 90 ， 0 4 負 1 如層 ， 晶 的磊 信之 定長 是生 1 搏 線這 曲 C 度雜 濃摻 - 來 η η I I 之以 化域 變區 可份 中部 度之 -< 5 厚 1 層 ， 在14 種層 一 晶 整磊 調對 可只 亦或 但 / 0 及 i ®主 1 ΐ· 4- 在ί發 5Ψ二 1 才 ，㈤中 14·造域 會 ® t ^ 曰-Ϊ S 罾其❾ 為(ί之 因程15 ，過4’ 矶®晶 « « ^ ^ ^ ^ m整只 夠可化 足下退 是載之 負 流 對 或 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS)A4規格（210 x 297公爱） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4429 8 Ο Α7 __Β7_五、發明說明（$ ) 亮度之減弱是很重要的。 眈外，就已生長之GaP-磊晶層14,15之良好的品質而 言，所使用之GaP -基體4不可超過一種盡可能小之大約 是2. IQ5 cnr2之偏位密度。最好使用一種偏位密度較 1 * 1 0 5 c nr2還小之高品質之G a P -基體4 。 第3圖顯示三個L E D (測量點2 0，2 1 , 2 2 )所測得之亮度 相對於操作時間之關係圖。為了可較佳地比較，則L E D 之亮度值是以相對於起始亮度值（第一次起動時之亮度） 之相對值（百分bb)來表示，因此對所有三値LED而言在 時間點t = Q h時都具有100%值。所填入之菱形形式之2G 及正方形之測量點21是本發明之二値GaP: N-LED之亮度 層 晶 磊 其 倌 第 據 依 是 ηα G 於 對 相 以 分 圖

示 顯 2 2 形 角 三 之 式 白 空 0 雜 摻 行 進 來 Π I 之 % I W 6 G 傳作 之操 成在 形是 所量 式測 方種 之此 應 。 對者 相得 以測 在所 是時 點In 量合 測混 些未 這中 D Ϊ FU 點-L 量考 測參 些統 的-行考 進參 時及 ec以 lO %fr 2 1 i 2 為 ， 度20 溫點 及量 mA測 ο ( 4 D LJ E 為 L 流之 電明 顯 明 艮 Λ1

點 量 測 /V D 發度 本亮 :之 是2) S/.J 的 〇 起 象其 現至 少降 減下 之後 認之 辨時 可小 顯25 明約 種大 I 在 有經 而已 加度 增亮 之之 B D 時-L 作考 操參 著在 隨但 然 仍個 時二 點此 間之 時明 此發 在本 D ο E L 值 之度 明亮 發之 本% υ ο 貝 9 ，乎 時幾 % 之 o L 6 值 之始 倌起 度其 亮有 始具 線 曲 度 亮 之 來 S 用 不 若 用 使 Ο 可 性亦 致如 一 例 之則 好 -很雜 種摻 in-有之 具述 此所 因處 21此 o’行 進 使 可 亦 則 陷 缺 格 。 晶心 N-中 用位 不電 若等0-.為-1 外作 此體 。 合 質複 肖n-0 雑 Z 摻之 為述 作上 e T 用 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------^:--------訂---------線 ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 4429 8 Ο Α7 ______Β7_ 五、發明說明（9 ) 參考符號說明 1 .....移動設備 2 .....基板 3 .....凹口 4 .....GaP-基體 5 .....下石墨板 6 .....上石墨板 7 .....移動管 8 .....移動桿 9 .....中空圚柱形外殼 I 0.....凹口 II .....Gap-晶晶層 12.....第一開口 1 3.....第二開口 14 .....第一部扮層 15 .....第二部份層 1 6.....Pn-接面 17a, 17b.....捞雜物質濃度曲線 18 .....濃度曲線 19 .....In-濃度曲線 20 .....本發明之LED之亮度 2 1.....本發明之LED之亮度 22.....參考-LSD之亮度 -1 1 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------I -----------訂 ---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. 第88108828號「GaP-半導體配置及其製造方法」専利案 (89年11月修正) 六，申請専利範園： 一種半導《配匿，包括 --個由GaP所構成之基饋（4)， -一種配*於基體上方之GaP-磊晶層（14,15)，其包 含η-摻雜和p-摻雜之部份層， --在此二個部份層（14,15)之間的邊界區中形成一種 ρη-接面（16)， --此GaP-磊晶層（14,15)之含有上述ρη-接面（16)之 光學活化之層區域是以一種用作等電位中心之晶格 缺陷複合體來進行摻雜，此種半導體配匿之特黴爲 -GaP·磊晶餍（14,15)含有一種外來物質，其是與一 種由m族及/或由V族所構成之元素有關，此種元 素是與N不同的，其在GaP-磊晶層（14,15)中之最 大濃度小於10i()cm_3 β 經濟部智慧时是局員工消費合作社印製 修煱 jE請 本奏 有爵 無 變示 更叫 籑年 内 容 4月 予曰 修所 正提 0之 (請先閱讀背面之注意再填寫本頁) 2. 如申請専利範園第1項之半導體配匿，其中GaP-磊晶 層（14,15)中上述外來物質之最大濃度小於1019<：1^3且 特別是大約1018 cm·3 · 3. 如申請専利範圔第1或第2項之半導體配匿，其中上 述外來物質之潢度在GaP-磊晶® (14,15)之厚度中基 本上是定値的。 本紙張尺度適用中國國家揉芈（CNS > Α4规格（210Χ297公t ) ABCD 六、申请專利耗圍' 4. 如申請專利範圍第1或第2項之半導體配置，其中上 述之外來物質是銦（In)。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5. 如申請專利範圍第3項之半導體配置，其中上述之外 來物質是銦（I η )。 6. 如申請専利範圍第1或第2項之半導體配置，其中（5 aP- 磊晶餍（14, 15)之光學活化之®區域中之晶格缺陷複 合髖之澳度（18)是介於1017和5 * 1018cnT3之間，特 別是介於5· 1017和1018cnf3之間β 7. 如申請専利範園第3項之半導體配置，其中GaP-磊晶 層（14,15)之光學活化之層區域中之晶格缺陷複合體 之澳度（18)是介於1017和5 · 10“ cm 3之間，特別是 介於5 . 1017和1018 cnf3之間* 8. 如申請専利範圔第1項之半導體配置，其中晶格缺陷 複合體是N。 9. 如申請専利範園第6項之半導體配置，其中晶格缺陷 複合體是N。 10.—種半導體配置之製造方法，包括以下各步驟： -製備一種GaP-基體（4); 經濟部智慧財是局員工消費合作社印製 -磊晶生長一種GaP·磊晶層（14,15)，其包含二個不 同摻雜度之部份層， --在此二個部份餍之間的邊界區域中形成一個pn-接 面（16)， --此GaP-磊晶層（14 ,15)之含有此pn-接面（16)之光 本紙張尺度適用中國β家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） Λ8 B8 C8 D8 442980 yv 丨，FU和扑Υ，f ΐ /補龙 六、申請專利範圍 學活化之層區域是以一種用作等電位中心之晶格缺 陷複合體來摻雜： 其特徵爲： -在GaP-磊晶層<14，15)中引進一種外來物質，其是 一種由瓜族及/或由V族所構成之元素，此種元 素是與N不同的且其在GaP-磊晶層（14,15)中之最 大漉度小於101° era'3。 11. 如申請専利範圍第10項之半導體配置之製造方法，其 中磊晶步驟（14,15)是藉由液相磊晶<LPE>來達成。 12. 如申請專利範围第11項之半導體配置之製造方法，其 中一種在磊晶步驟之前相對於Ga而言數量最大是1重 S百分比（Gew.-%)(特別是最大爲〇.〇7Gew.·*)之銦 (In)須添加至液相磊晶中所使用之Ga-溶液中。 13. 如申請専利範園第10至12項中任一項之半導體配置 之製造方法，其中所使用之GaP-基體（4)具有一種小 於2 · 1〇5 cm·2之偏位密度，特別是小於1 · 1〇5 cm·2 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財4局員工消費合作社印製 本紙張足度適用中鬮國家標準（CNS) A4规格<2lOX29"7公釐）