DE2420741C2 - Herstellungsverfahren für eine Leuchtdiode - Google Patents

Herstellungsverfahren für eine Leuchtdiode

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Description

v Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Leuchtdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Herstellungsverfahren ist aus »Fis*ka 1 Technika Poluprowodnikow« (Physik und Technik der Halbleiter) 6 (1972) 11, S. 2289 bis 2291 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird auf einem p+-leitenden Substrat aus GaAs (p = 2-5· 10" cm"3, mit Zn dotiert) übereinander eine p-leltende Schicht Al0-35Ga06SAs, dotiert mit Zn (p = 5 · ΙΟ17 cm3), und eine n-leltende Schicht Al038Ga062As (n = 5 - 7· 1017Cm3) sowie eine n+ -leitende Schicht AIc37Ga0163As (n = 2 · 1O18Cm"3), die beide mit Te dotiert sind, epitaktisch aufgewachsen.
Es 1st nunmehr Aufgabe der Erfindung, dieses bekannte Herstellungsverfahren so zu verbessern, daß die Lichtausbeute der dadurch hergestellten Leuchtdioden höher wird.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.
Durch das Belassen eines Films kontrollierter Dicke der ersten Schmelze wird nämlich zusätzlich eine kompensierte Schicht ausgebildet, die eine hohe Lichtausbeute der insgesamt hergestellten Leuchtdiode sichert.
Die Erfindung wird vorteilhaft weitergebildet durch die Lehre nach dem Patentanspruch 2.
Demgegenüber ist lediglich noch eine Leuchtdiode mit kompensierter Schicht zwischen zwei Schichten aus hoch p- bzw. n-dotlertem Material bekanntgeworden (vgl. DE-OS 18 00 734), wobei die Dicke der kompensierten Schicht höchstens gleich, vorzugsweise aber etwas kleiner, als die Diffusionslänge der In sie injizierten Ladungsträger ist und wobei die kompensierte Schicht mit Zn und Te derart dotiert Ist, daß die durch Zn verursachte hohe Störstellendichte durch eine hohe n-Störstellendichte von Te teilweise »kompensiert« Ist.
Die Zeichnung stellt Leuchtdioden dar, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden.
Die Fig. 1 bis 11 zeigen Längsschnitte durch 11 verschiedene Leuchtdioden. Die Flg. 12 1st eine perspektivische Darstellung der Leuchtdiode nach Flg. 10.
Alle Leuchtdioden enthalten zunächst ein Substrat 1 aus P+-GaAs sowie ein p-Epitaxialschlcht 2 aus GaAlAs und eine n-Epltaxlalschlcht 3 aus GaAlAs. Die Epitaxlalschlchten 2 .und 3 weisen vorzugsweise Dotierungskonzentrationen von annähernd gleicher Größenordnung auf. Die p-Epltaxlalschicht 2 weist eine Zn-Konzentratlon von 0,4 ■ bis 2 · 1018 cnr3 und eine Dicke von 16 bis 38 μητ auf, die n-Epltaxialschlcht 3 weist eine Te-Konzentration von 0,6 bis 5 · 1018 cnr3 und eine Dicke von 12 bis 26 um auf. Die Leuchtdioden haben ohmsche Metallkontakte 6 und 7.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erhalten die Leuchtdioden zusätzlich eine kompensierte Schicht 5 aus GaAlAs, bei der die Zn- und Te-Konzentratlon In gleicher Größenordnung wie bei den benachbarten Epltaxialschichten 2 und 3 Hegt. Die kompensierte Schicht 5 liegt zwischen den Epltaxialschichten 2 und 3 und weist eine mit der Diffusionslänge von in diese Schicht Injizierten Ladungsträgern vergleichbare Dicke auf.
Die kompensierte Schicht 5 trägt zur Vergrößerung der Strahlenrekombination bei, was auf das Vorhandensein von »Schwänzen« der Zustandsdlchten in der kompensierten Schicht zurückzuführen 1st, wo die injizierten Ladungsträger rekombinieren.
Fig. 1 bis 3, 5, 8 und 9 zeigen die n-Epitaxialschicht 3 auf der gesamten Fläche der kompensierten Schicht 5, während in der Ausführung nach Flg. 4, 6, 7, 10 und 12 die n-Epitaxialschicht 3 nur auf einem Teil der kompensierten Schicht 5 liegt.
Bei einigen Ausführungsformen Ist auf der n-Epltaxlalschlcht 3 eine n+-Epitaxia!schlcht 9 aus GaAlAs mit einer Te-Konzentratlon von 0,8 · 1018 bis «,0 · 1018cnr3 und einer Picke von 4 bis 8 um angeordnet.
Die F1 g. 2 und 3 zeigen die n+-Epitaxlalschlcht 9 auf der ganzen Oberfläche der n-Epltaxlalschicht 3, die ihrerseits gleichfalls auf der ganzen Oberfläche der kompensierten Schicht 5 liegt, während In Fig. 5, 8 und 9 die n+-Epitaxialschicht 9 nur auf einem Teil der Oberfläche der n-Epitaxlalschicht 3 liegt. In Flg. 6, 7, 10, 11 und 12 sind Leuchtdioden gezeigt, bei denen die n-Epltaxlalschicht 3 auf einem Teil der kompensierten Schicht 5 angeordnet ist und bei denen die n+-Epitaxlalschicht 9 entweder die gesamte Oberfläche der n-Epltaxialschicht 3 (Fig. 6) oder nur einen Teil der Oberfläche der n-Epltaxlalschicht 3(FIg. 7, lü, 11 und 12) bedeckt. Mit der if-Epltaxialschlcht 9 weisen die Leuchtdioden einen niedrigen Reihenwiderstand auf, darüber hinaus wird eine gute Stromverteilung ermöglicht.
Bei den Ausführungsformen nach den F1 g. 3 und 8 bis 12 enthalten die Leuchtdioden eine n^-Epltaxlalschlcht 11 aus GaAlAs auf der n+-Epltaxlalschicht 9. Die Schicht 11 weist eine Te-Konzentratlon von 0,3 ■ 10" 1,0 · 10" cnr' und eine Dicke von 10 bis 20 \xm auf. Die n«-EpltaxlalschIcht 11 erstreckt sich entweder über die gesamte Oberfläche der n+-Epitaxialschlcht 9, wie dies In den Fig. 3, 9, 10 und 12 dargestellt 1st, oder nur über einen Teil der Oberfläche der n'-Epltaxlalschlcht 9 (Flg. 8 und 11). Der ohmsche Kontakt 6 Ist den vorgenannten Ausführungsformen auf die n^-Epltaxlalschlcht 11 aufgetragen, deren Vorhandensein die Zuverlässigkeit des Kontaktes 6 erhöht und dessen Auftragen vereinfacht.
Das Herstellungsverfahren kann folgendermaßen ablaufen:
Man nimmt ein GaAs-Substrat und zwei mit Arsen gesättigte Schmelzen von Ga mit Al. Der Prozeß wird In einem offenen System In einem Strom reinen Wasserstoffs durchgeführt. Als Behälter wird ein das Substrat aus GaAs und die Schmelzen zum Aufwachsen der Epltaxialschichten aufnehmender Graphitbehälter verwendet. Das GaAs-Substrat wird In eine Behälteraussparung eingebracht.
Die Zusammensetzung der ersten Schmelze beträgt:
Ga = 5,0 ± 0,1 g
GaAs = 480 40 mg
Al = 11,6 ± 0,4 mg
Zn = 22 4 mg
Te = 0,07 0,01 mg
10
15
30
Die Zusammensetzung der zweiten Schmelze beträgt:
Ga = 5,0 ± 0,1 g
GaAs= 580 ± 40 mg
Al = 15,6 ± 0,6 mg
Tc = 2,2 ± 0,3 mg.
Der Behälter mit dem Substrat und mit den Schmelzen wird in ein Quarzrohr gebracht, durch das gereinigter Wasserstoff strömt Der Behälter und dessen Inhalt befinden sich auf einer Temperatur von 960 ± 5° C.
Zur Erreichung einer Sättigung in den Schmelzen wird eine Haltezeit von 30 bis 40 min. eingehalten, worauf durch eine Verschiebung im Behälter die erste Schmelze in Berührung mit dem Substrat gebracht und anschließend eine programmgesteuerte, eine AbKühlungsge- ^chwlndlgkelt von 0,3 bis 0,5° C/mln. gewährleistende Kühlvorrichtung eingeschaltet wird. Mit einer Abkühlung um 12 bis 20° C wächst die p-Epitaxialschlcht 2 auf. Gegen Ende dieses Aufwachsvorganges beläßt man auf dem Substrat einen Teil der ersten Schmelze als Film mit einer Höhe von 300 bis 500 μίτι und gießt auf diesen die zweite Schmelze. Hierbei wächst die kompensierte p-Schicht 5 spontan auf.
Indem man das System um 16 bis 34° C weiter abkühlt, läßt man auf der kompensierten p-Schicht 5 die n-Epitaxialschicht 3 aufwachsen, wonach man "ile Abkühlungsgeschwindigkeit des Systems um das 15- bis 30fache erhöht, was vom Aufwachsen der n+-Epitaxlalschicht 9 begleitet wird, und anschließend erhöht man nochmals die Kristallisationsgeschwindigkeit um das 2-bls 3fache zum Aufwachsen der n^-Epitaxialschicht 11.
Weitere Details eines Verfahrensablaufs werden im Folgenden beispielsweise angegeben:
Als Substrat wird p-GaAs genommen.
Die Zusammensetzung der ersten Schmelze beträgt:
Ga = 5,06 g
GaAs= 485 mg
Al = 11,5 mg
Zn = 20 mg
Te = 0,06 mg.
Die Zusammensetzung der zweiten Schmelze beträgt:
Ga = 5,1 g
GaAs= 600 mg
Al = 15,6 mg
Te = 2,0 mg
Die Leuchtdiode wird wie oben beschrieben unter folgenden Bedingungen gezüchtet:
Der Prozeß beginnt bei einer Temperatur von 963° C, die Haltezelt des Behälters mit dessen Inhalt beträgt 30 min. Die Abkühlungsgeschwindigkeit des Systems Ist nach der Kontaktierung der ersten Schmelze mit dem Substrat 0,3° C/min. Das Kühlintervall für das Aufwachsen der p-Epltaxlalschlcht 2 beträgt 963 bis 945° C. Die belassene Filmdicke der ersten Schmelze auf dem Substrat macht 450 μπι aus. Bei einer Temperatur von 945° C bringt man die zweite Schmelze In Berührung mit dem belassenen Film der ersten Schmelze unter anschließender Abkühlung des Systems mit einer Geschwindigkeit von 0,3° C/mln um 240C, wobei die n-Epltaxlalschicht 3 gezüchtet wird. Das Aufwachsen der Epitaxialschlchten 9 und 11 erfolgt wie zuvor beschrieben. Hierbei sind für das Aufwachsen dieser zwei letzten Epitaxialschlchten 9 und 11 lediglich wenige Minuten erforderlich.
Nachstehend werden die Eigenschaften von Leuchtdlodep angegeben, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden:
Beispiel 1
Die Leuchtdiode enthält folgende Schichlen:
1. Ein p*-GaAs-Substrat 1 mit einer Ladungsträgerkonzentration np = 8 · ΙΟ18 cm3, Orientierung [100] ± 5', Löcherbeweglichkeit μρ = 120 cm2/V · s.
2. Eine p-Epitaxialschicht 2 mit einer Ladungsträgerkonzentration η,, = ΙΟ18 cm3, Dicke d = 24 μπι und AlAs-Gehall = 34 Atom-%.
3. Eine kompensierte p-Schicht 5 mit einer Ladungsträgerkonzentration η,, = 5 · ΙΟ17 cm·3, Dicke = 2 μΐη und AlAs-Gehalt = 34 Atom-%.
4. Eine n-Epilaxiaischicht 3 mit einer Elektronenkonzentration n,. = 2 · 1018 cm"3, Dicke = 14 μπι und AlAs-Gehalt = 43 Atom-%.
Parameter dieser Leuchtdiode:
Strahlungsenergie E= K85 eV, äußerer Quanlenwirkungsgrad r = 1,2%, Leuchtdichte B = 5000 cd/m2 bei einer Stromdichte j = 10 A/cm2.
Beispiel 2
1. p*-GaAs-Substrat 1, rip = 2 · ΙΟ19 cnr-\ Orientierung [100] ± 30', Mp = 80 em-7V ■ s.
2. p-Epitaxialschicht 2, r\, = 1018 cm"3, Dicke 18 μπι, AlAs-Gehalt = 32 Atom-%.
3. Kompensierte p-Schichi 5, r\, = 5 · 1017 cm"3, Dicke = 2 μηι, AlAs-Gehalt = 32 Atom-%.
4. n-Epitaxialschicht 3, nc = 2 · 1018 cnr3, Dicke 16 μτη, AlAs-Gehalt = 45 Atom-%.
Parameter: E= 1,83 eV, r = 0,8%, B = 3200 cd/m2 bei j = 10 A/cm2.
Beispiel 3
1. p*-GaAs-Substrat 1, r\, = 4 · 1019 cmJ, Orientierung [100] ± 1°, μρ = 65 cm2/V · s.
2. p-Schlcht 2, Πρ = 2 ■ 1018 cm"3, Dicke d = 24 μηι, AlAs-Gehalt = 34 Aloni-%.
Kompensierte p-Schicht
d= 1,5 μηι, AlAs-Gehalt
5, IT1, = 3 ·
= 34 Atom-V
1017 cm"3.
4. n-Schicht 3, n,. = 7 ■ 1017 cm"3, d = 12 μηι, AlAs-Gehalt = 45 Atom-%.
Parameter. E= 1,85 eV, r = 0,5%, B = 2600 cd/m2 bei j = 10 A/cm2.
Beispiel 4
1. p*-GaAs-Substrat 1, np = 2 ■ 10" cm3, Orientierung [100] ± 30', μρ= 105 cm2/V ■ s.
2. p-Schlcht 2, np = 3 · 1018 cm3, d = 32 μιη, AlAs-Gehalt = 32 Atom-%.
3.
Kompensierte p-Schicht
d = 2 μΐη, AlAs-Gehalt
5, np = 4 · 1017 cm·3, = 34 Atom-%.
4. n-Schlchl 3, t\, = 1018 cm"3, d = 18 μηι, AlAs-Gehalt = 44 Atom-%.
Parameter: E= 1,83 eV, r = 0,796, B = 2900 cd/m2, bei j = 10 A/cm2.
Beispiel 5
1. p+-GaAs-Substrat 1, ηρ = 10" cm"3, Orientierung [100] ± 5', μρ = 140 cm2/V · s.
2. p-Schicht 2, np = 3 · 1018 cm0, d = 18 μπι, AlAs-Gehalt 3
35 Atom-96.
3. Kompensierte p-Schicht 5, np = 7 ■ 1017 cm"3, d = 2 μπι, AlAs-Gehalt = 35 Atom-96.
4. n-Schlcht 3, η, = 7 · 1017 cm"3, d = 14 μπι, AlAs-Gehalt = 42 Atom-96.
Parameter: E ~ 1,85 eV, r = 0,896, B = 4200 calm2 bei j = 10 A/cm2.
Beispiel 6
Substrat 1 p-Schicht 2, kompensierte Schicht 5 und n-Schicht 3 wie im Beispiel 3. Zusätzlich:
5. eine n+-Epltaxlalschicht 9 mit einer Dicke von 4 μ in und einer Ladungsträgerkonzentration n£ = 1018 cm"3.
6. Eine n"-Epitaxialschicht 11 mit einer Dicke von 12 Rm und einer Ladungsträgerkonzentration n^ = 4 · 1018 cm"3.
7. Die n+- und die n^-Epitaxialschicht 9 bzw. Il werden zum Teil mit Hilfe eines Ätzmittels H2SO4 : H2O2 : H2O = 3 : 1 : 1 weggeätzt.
Die ohmschen Kontakte 6 und 7 werden aus Nickel
7. Die n^-Epitaxialschlcht 11 wird zum Teil mit Hilfe eines Ätzmittels H2SO4: H2O2 : H2O = 3:1:1 weggeätzt.
Die Rekombinationsstrahlung wird über die n- und die n^Epitaxlalschicht herausgeführt.
8. Die ohmschen Kontakte 6 und 7 sind aus Zinn hergestellt.
Parameter: E = 1,83 eV, r = 0,8%, B = 3100 cd/m2 bei j = 10 A/cm2.
hergestellt.
Die Parameter der Leuchtdiode sind die gleichen wie im Beispie! 3.
Beispiel 7
1. p*-GaAs-Substrat 1, np = 4 ■ 1019 cm"3, Orientierung [100] ± 5', μρ = 100 cm2/V - s.
2. p-Schicht 2, np = 1018 cm"3, d = 26 μπι, AlAs-Gchalt = 34 Atom-96.
3. Kompensierte Schicht 5 : n,, = 5 ■ 1017 cm"3, d = 2 Rm, AlAs-Gehalt = 34 Atom-96.
4. n-Schicht 3, n,. = 2 · 1018 cm"3, d = 12 μπι, AlAs-Gehalt = 43 Atom-%.
5. n+-Epitaxialschicht 9, Dicke d = 6 μπι, n* = 4 · 1018 cm-
6. Die n+-Schicht wird zum Teil mit Hilfe eines Ätzmittels H2SO4: H2O2 =1:1 weggeätzt.
7. Die ohmschen Kontakte 6 und 7 sind aus Gold hergestellt.
Beispiel 8
Substrat 1, p-Schicht 2, kompensierte Schicht 5 und n-Schicht 3 sind die gleichen wie im Beispiel 4. Zusätzlich:
5. 4 μπι dicke n*-Epitaxialschicht 9, nt = 3 ■ 1018 cm"3.
6. n"-Epitaxialschicht 11, d = 10 μπι, n" = 6 - 1018
Beispiel 9
Substrat 1, p-Schicht 2, kompensierte Schicht 5, n- und n^Epitaxialschlcht 3 bzw. 9 sind die gleichen wie im Bei- * spiel 6. Zusätzlich:
6. n"-EpItaxiaischicht 11, d = 16 Rm, nf = 6 · 1018 cm"3.
7. Die n+- und die n^-Epitaxialschicht 9 bzw. 11 werden zum Teil mit Hilfe eines Ätzmittels (H2SO4 : H2O2 = 1 : 1) weggeätzt
8. Die ohmschen Kontakte 6 und 7 sind aus Aluminium hergestellt
Parameter: E » 1,85 eV, r = 0,6 96, B = 2900 cd/m2 bei j = 10 A/cm2.
Beispiel
Substrat 1, p-Schicht 2, kompensierte Schicht 5 und n-Schicht 3 sind die gleichen wie im Beispiel 5. Zusätzlich:
5. rf-Schicht 9, d = 8 Rm, n,. = 1018 cm"3.
Die Rekombinationsstrahlung wird über die n- und die n+-Epitaxialschlcht herausgeführt.
6. Die ohmschen Kontakte 6 und 7 aus einer Legierung Au: Ge = 97:3 sind bei einer Temperatur von 560° C eingebrannt.
Parameter: E= 1,85 eV, r = 0,9%, B = 4400 cd/m2 bei j = 10 A/cm2.
Beispiel 11
1. p+-GaAs-Substrat 1, np = 5 · 1019 cm"3, Orientierung
[100] ± 30', μ, = 130 cm2/V ■ s.
2. p-Schicht 2, n„ = 2 · 1018 cm"3, d = 22 Rm, AlAs-Gehalt == 34 Atom-96.
3. Kompensierte Schicht 5, np = 6 · 1017 cm"3, d = 2 μπι, AlAs-Gehalt = 34 Atom-96.
4. n-Schicht 3, U6 = 4 · 1018 cm"3, d = 16 Rm, AlAs-Gehalt = 47 Atom-96.
5. n*-Schicht 9, d = 8 μπι, n: = 8 · 1018 cm"3.
6. Die n+-Schicht 9 wird zum Teil mit Hilfe eines Ätzmittels (H2SO4: H2O2 = 3:1) weggeätzt.
7. Die ohmschen Kontakte 6 und 7 sind aus Gold hergestellt.
Parameter: E= 1,84 eV, r = 0,996, B = 3900 cd/m2 bei j = 10 A/cm2.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Herstellungsverfahren für eine Leuchtdiode durch epitaktisches Aufwachsen einer mit Zn dotierten GaAlAs-Schicht aus einer ersten Schmelze und einer mit Te dotierten zweiten GaAlAs-Schicht aus einer zweiten Schmelze auf ein Substrat aus GaAs, gekennzeichnet durch Belassen eines Films kontrollierter Dicke der auch mit Te dotierten ersten Schmelze nach Aufwachsen der ersten Schicht und Zugabe der zweiten Schmelze auf den Film.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filmdicke von 300 bis 500 μΐη belassen wird.
DE2420741A 1973-05-28 1974-04-29 Herstellungsverfahren für eine Leuchtdiode Expired DE2420741C2 (de)

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