DE2825387C2 - Lichtemittierendes Halbleiterelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiterelement der im Oberbegriff des .Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Derartige Halbleiterelemente, bei denen der pn-übergang Licht emittiert, wenn an diesen eine Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, dienen beispielsweise als Lichtquelle zur Erregung von Festkörper-Lasern oder für optische Nachrichtenübertragung.

: Aus der US-Patentschrift 40 17 881 ist ein derartiges lichtemi'.tierendes Halbleiterelement bekannt, das im folgenden anhand von Fig. 1 näher erläutert werden soll. Gemäß Fig. 1 ist auf der ebenen Fläche eines insgesamt kuppeiförmigen Halbleitersubstrats 2, das beispielsweise aus Gai ,AI₁As besteht und einen dementsprechenden Bandabstand aufweist, eine erste Halbleiterschicht 4 und auf dieser eine mit ihr den pn-Übergang bildende zweite Halbleiterschicht 5 angeordnet. Der pn-Übergang wird durch einen ringförmigen Einschnitt 1 begrenzt. Auf der von dem Einschnitt 1 umgebenen zweiten Halbleiterschicht 5 ist eine Elektrode 6, auf dem außerhalb des Einschnitts 1 vorhandenen ringförmigen Teil der ersten Halbleiterschicht 4 eine ringförmige Elektrode W angeordnet. Die Elektroden 6 und 11 liegen in derselben Ebene.

Bei dem bekannten lichtemittierenden Halbleiterelement bewegen sich die Ladungsträger längs unterschiedlichen Leitungswegen, von denen in Fig. 1 zwei verschiedene Leitungswege durch gestrichelte Pfeile als Erläuterungsbeispiele darges HIt sind. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit, daß sich _t · Ladungsträger nahe dem Einschnitt 1 längs des das Widerstandselement 7

enthaltenden Weges bewegen, viel größer, als daß sie sich längs des die Widerstandselemente 8 und 9 enthaltenden Weges bewegen, eben weil der Widerstand dieses zweiten Leitungsweges um das Widerstandselement 9 größer ist. Daher ist die Dichte des in den pn-Übergang HO injizierten Stroms in der Nthe des Einschnitts 1, d, h. am Rande des pn-Übergangs, größer als in der Mitte des pn-Übergangs. Entsprechend ist die Lichiemission in der Ebene des pn-Übergangs ungleichförmig. Dies ist bei der optischen Anwendung nachteilig und führt beispielsweise bei hochpräzisen Entfernungsmessern zu Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem lichtemittierenden Halbleiterelement der eingangs bezeichneten Gattung die Lichtemission über die Fläche des pn-Übergangs möglichst gleichmäßig zu machen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Durch die danach vorgesehene Einschaltung einer hoch-leitfähigen weiteren Halbleiterschicht und die , J.Tatsache, daß der Einschnitt mindestens nahe an diese \ Schicht heranreicht bzw. gemäß Anspruch 2 diese ■ erreicht, wird gewährleistet, daß die verschiedenen , Leitungswege, längs denen sich Ladungsträger von der einen zur anderen Elektrode bewegen können, nur geringfügig unterschiedliche Widerstände aufweisen. Dadurch wird die Stromdichte und mit dieser die 'LichteiTiission über die Fläche des pn-Übergangs "vergleichmäßigt.

;, Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1, auf die oben bereits Bezug genommen wurde, ein lichtemittierendes Halbleiterelement nach dem Stand der Technik.

F i g. 2 und 3 zwei verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung und

Fig.4(a) bis (d) und Fig.5(a) bis (d) schematische !.Darstellungen in aufeinanderfolgenden Stadien bei der ' Herstellung der lichtemittierenden Halbleiterelemente.

In Fig.2 liegt eine Kristallschicht 3 eines ersten Leitfähigkeitstyps (p-Typ), die mit Fremdatomen hochdotiert ist, zwischen einer Schicht 2 eines ersten Leitfähigkeitstyps, die einen breiten Bandabstand aufweist und aus der das Licht austritt, und einer anderen Kristallschicht 4 des ersten Leitfähigkeitstyps. Ein Einschnitt 1 reicht bis zur Kristallschicht 3.

Die Krislallschichl 3 des ersten Leitfähigkeitstyps kann eine Fremdatomkonzentration von etwa 5 χ 10'⁸cm ' bis 5 χ Wem-» haben und mit den üblichen Verfahren des Kristallaufwachsens hergestellt werden. Je dicker die Kristallschicht 3 ist, desto leichter läßt sich der Einschnitt 1 ausbilden. Da ein Kristall, der mit einer hohen Fremdatomkonzentralion dotitü ist, jedoch um eine hohe Lichtabsorption aufweist, ist es vorteilhaft, die Schicht 3 sehr dünn auszubilden. Die Dicke der Schicht 3 muß daher unter Beachtung einer leichten Herstellbarkeit und der Verluste von emittiertem Licht gewählt werden, und sie liegt in einem Bereich von 0,03 μηι bis 30 μπι.

Der Einschnitt 1 umgibt einen pn-Übergang 10, der durch die Kristallschicht 4 des ersten Lei.fähigkeitf,typs und die Kristallschicht 5 des zweiten Leitfähigkeitstyps (η-leitend) gebildet wird, und erstreckt sich bis in die Kristallschicht 3.

Vergleicht man die beiden, die Widerstandselemeiitc T und 8' enthaltenden Leitungswege, so ist der Widerstand des zweiten Leitungswegs um ein Wider-

suindsdcment 9' in der Krislallschicht 3 größer, wie dies aus I- i g. 2 ersichtlich ist. Da die Krislallschicht 3 jeduch eine hohe Konzentration an Fremdatomen aufweist, wie dies /.uvor angegeben wurde, ist jedes Widcrstandselei.ieni /·' in der Kristallschicht 3 im Vergleich zum Widerstandselement /^-in der Kristalischicht 4 vernachlässigbar klein und weist im wesentlichen den gleichen Widersuindswerl wie ein Elektrodenmetall auf. Infolgedessen werden die gesamten Widerstände der beiden genannten Leitungswege einander im wesentlichen gleich, und die Wahrscheinlichkeit, mit der die Ladungsträger durch einen der beiden Leitungswege fließen, isi gieich. Das heißt, die Dichte des in den pn-Übergang injizierten Stroms wird in der Ebene des pn-Übergangs homogen.

Bei dem in Fig.2 dargestellten lichtemittierenden

Element ist der Einschnitt 1 so ausgebildet, daß er die Kristallschicht 3 mit erster Leitfähigkeit und geringem Widerstand erreicht. Wenn der Einschnitt 1 jedoch nur nahe genug an die Kristallschicht 3 mit erster

'^Leitfähigkeit kommt, kann im wesentlichen derselbe

Jfif Effekt erreicht werden.

£, Fig.3 zeigt eine solche Ausführungsform. Der ,'iAbstand zwischen dem Boden des Einschnittes 1 und _tder Kristallschicht 3 beträgt höchstens die Hälfte der Breite ö des Einschnittes 1. Hier bedeutet die »Breite δ - ides Einschnittes« den kleinsten Zwischenraum in der * JKristallfläche, der durch den Einschnitt gebildet wird. ?Bei dem lichtemittierendem Element mit einem {derartigen Aufbau wandern die injizierten Ladungsträfger leichter über den Leitungsweg 18 als über den |Leitungsweg 17 zum pn-übergang. Aus den zuvor |bereits beschriebenen Gründen wird die Stromdichte in ■%er Ebene des pn-Übergangs daher homogen, und für die Lichtemission kann eine gleichförmige Intensitätsverteilung erzielt werden.

Der Abstand zwischen dem Einschnitt 1 und der Kristallschicht 3 des ersten Leitfähigkeitstyps muß —oder darunter sein. Wenn der Abstand größer als

— ist, erhöht sich die Zahl der Ladungsträger, die über

den Leitungsweg 17 fließen, und die Stromdichte im pn-Übergang 10 wird inhomogen.

Die Fig.4(a) bis 4(d) zeigen Querschnitte, anhand denen die Herstellungsschritte bei einem lichtemittie-'_s:renden Element beschrieben werden, das den in Fig.2 ^dargestellten Aufbau aufweist.

Eine Gai-.AUAs-Kristallschicht 2, in der das Mischungsverhältnis χ an der Oberfläche wenigstens 0,2 ist, wird durch ein Flüssigkeits-Aufwachsverfahren ausgebildet. Danach wird eine p⁺-leitende Gai_,Al,As-Schicht 3, die mit hoher Konzentration mit Zn dotiert ist, in einer Dicke von 10 μιτι in entsprechender Weise durch ein Flüssigkeits-Aufwachsverfahren hergestellt. Wenn die p⁺-leitende Gai_jAl,As-Schicht 3 eine Fremdatomkonzentration von 3 bis 4xl0^l9cm-^J aufweist, wird ihr spezifischer Widerstand sehr klein, und sie wird eine Halbleiterschicht mit im wesentlichen metallischer Leitfähigkeit. Auf diese ρ+-leitend.; Schicht wird durch ein Flüssigkeits-Aufwachsverfahren eine mit Zn dotierte und 20 μηι dicke, p-leitende Gai-_vAl»As-Kristallschicht 4 und danach eine mit Te dotierte und 3μπι dicke η-leitende Gai_,AUAs-KristalIschicht 5 aufgebracht. Die Fremdatomkonzentration dieser Kristallschichten 4 und 5 sind IxIO¹⁸Cm-³ bzw. 1 bis 2 XlO'⁸ cm-³.

Die zuvor genannten Verfahrensschritte bzw. die mit diesen Verfahrensschritlen gebildeten Schichten sind in Fig. 4(a) dargestellt.

Nach einem ausreichenden Waschen und Trocknen des sich dabei ergebenden Auf haus wird durch ein > Aufdampfverfahren eine Doppelschichl aufgebracht, die aus einer lOOnm dicken AbO'-Schicht und einer 200 mn dicken PSG (Phosphorsilicjtglas-JSchicht besteht. Unter Verwendung eines bekannten Photolithograph-Verfahrcns wird diese Doppelschicht in einer

in gewünschten Form ausgebildet, um eine Diffusionsmaske 45 zu bilden, wie dies in F i g. 4(b) dargestellt ist.

Unter Verwendung der Difiusionsmaske 4.5 und einer dreistofl'igen Verbindung bzw. Legierung aus Ga-As-Zn als Diffusionsquelle wird eine Ampullen-Diffui' sion von Zn ..A 700⁰C und über einen Zeitraum von 1 Stunde hinweg aufgeführt. Auf diese Weise wird eine p* -leitende Schicht 46 ausgebildet, deren Diffusionstiefeetwii5 μιτι beträgt.

Die Diffusionsmaske 45 wird entfernt, und auf die

-'» gesamte Fläche wird mit einem weiteren Vakuumauf-„dampf-Verfahren eine etwa 500 mn dicke PSG-Schicht

/aufgebracht, in der Löcher für die positive und negative

^Elektrode ausgebildet werden. Danach werden — wie dies Fig.4(c) zeigt, Eleklrodenrnetallschichten durch

-'■'· ein Vakuumaufdampfverfahren in den Löchern ausgebildet, so daß sich ohmsche Elektroden 6 und 11 vergeben.

Die verbleibende PSG-Schicht wird entfernt. Beim nächsten Schritt wird über die gesamte Fläche eine

in PSG-Schicht 48 aufgebracht, die etwa 500 nm dick ist /lind als Schutzschicht für das Nesa-Ätzen verwendet wird. Derjenige Teil der PSG-Schicht, an der der Einschnitt geschaffen werden soll, wird durch Photoätzen entfernt.

i^r> Der freiliegende Bereich wird beispielsweise mit einem Ätzmittel geätzt, bei dem das Verhältnis von Ethylenglykol zu Hydrogenperoxid zu Schwefelsäure

' die Werte 3:5:2 aufweist. Dadurch ergibt sich der 'Einschnitt 1, der sich zur p ⁺ -leitenden Gai ,AI₁As-

4» Schicht 3 erstreckt [vgl. Fig.4(c)]. Obgleich der auf diese Weise gebildete Einschnitt 1 natürlich bis zur ρ'-leitenden Gai-.AI.As-Schicht 3 gehen kann, wie dies in Fig.4(c) dargestellt ist, braucht er diese nicht ,erreichen, sofern der Abstand zwischen dem Boden des ^!Einsch*nitts 1 und der Schicht 3 nicht größer als die Hälfte der Breite des Einschnittes 1 ist, wie dies bereits zuvor erläutert wurde. Da die Ätzgeschwindigkeit im vorliegenden Falle etwa 5 μπΊ/Minuten bei einer Ätztemperatur von 18°C beträgt, ist es leicht, die Tiefe

■50 des Einschnittes zu steuern.

Nachdem die PSG-Schichl 48 entfernt worden ist, wird eine etwa 600 nm dicke PSG-Schicht 49 über die gesamte Fläche als Schutzschicht aufgebracht; und diejenigen Bereiche der PSG-Schicht 49, die über den Elektroden liegen, werden durch Photoätzen entfernt.

Danach wird die Gai_,Al,As-Schicht 2 durch ein mechanisch-chemisches Läpp- bzw Schleifverfahren halbkugelförmig ausgebildet. Damit ist das lichtemittierende Element mit dem in Fig.4(d) dargestellten Aufbau fertig.

Die Fig. 5(a) bis 5(d) zeigen Querschnitte, anhand denen die Verfahrensschritte zur Herstellung eines lichtemittierenderi Elements einer anderen Ausbildung beschrieben werden sollen.

Wie F i g. 5(a) zeigt, werden auf eine Gai _,A.I,As-Kristallschicht 2, die durch ein Flüssigkeits-Aufwachsverfahren hergestellt wird, und in der das Mischverhältnis χ an der Oberfläche nicht größer als 0,2 ist, eine etwa

10 μπι dicke und mit Zn dotierte p-leitende Gai -_XAUAs-Kristallschicht 62, sowie eine etwa 3 μηι dicke und mit Zn in hoher Konzentration dotierte p+-leitende Gai_,Al_tAs-Schicht 3 ebenfalls durch das Flüssigkeits-Aufwachsverfahren nacheinander aufgebracht. Die Fremdatomkonzentration der p-leitenden Kristallschicht 62 beträgt 1 XlO¹⁸Cm"³, und die Fremdatomkonzentration der p⁺-leitenden Kristallschicht 3 beträgt 3 bis 4 χ 10¹⁹ cm ~³ oder darüber,

Danach werden auf die ρ+-leitende Schicht 3 eine .10 μηι dicke Und mit Zn dotierte p-leitende Gai _,AI»As- !!Kristallschicht 4 sowie eine etwa 3 μπι dicke und mit Te dotierte Gai_,AUAs-Schicht 5 durch das Flüssigkeits-Aufwachsverfahren nacheinander aufgebracht. Die Fremdatomkonzentration der p-lehenden Kristal!- schicht 4 beträgt 1 χ IO^l8cm-^J, und die der n-leitenden Kristallschicht 5 beträgt 1 bis 2 χ 10'⁰Cm-³.

Nach dem Waschen und Trocknen des sich dabei ergebenden Aufbaus wird eine Doppelschicht, die aus einer etwa 100 nm dicken Al₂Oj-Schicht und einer etwa 200 nm dicken PSG-Schicht besteht, durch ein Aufdampfverfahren auf die Kristallschicht 5 aufgebracht. Durch Photoätzen wird diese Doppelschicht in die gewünschte Form gebracht und bildet eine Diffusionsmaske 45, wie dies in F i g. 5(b) dargestellt ist.

Unter Verwendung einer dreistoffigen Verbindung bzw. Legierung von Ga-As—Zn als Diffusionsquelle wird eine Ampullen-Diffusion von Zn bei einer Temperatur von 700⁰C über einen Zeitraum von 1,5 Stunden hinweg ausgeführt. Dadurch wird eine p⁺-leitende Schicht 46 mit einer Diffusionstiefe von etwa 500 nm gebildet, wie dies F i g, 5(b) zeigt.

Die Diffusionsmaske 45 wird entfernt. Über die gesamte Fläche wird durch ein Aufdampfverfahren eine etwa 500 nm dicke PSG-Schicht aufgebracht und mit Löchern für die positive und negative Elektrode versehen. Danach werden die Elektrodenmetallschichten durch Vakuumaufdampfen in den Löchern ausgebildet, so daß die ohmschen Elektroden in den Löchern ausgebildet, so daß die ohmschen Elektroden 6 und 11 entstehen [vgl. F i g. 5(c)].

Nachdem die verbliebene PSG-Schicht entfernt worden ist, wird über die gesamte Fläche eine etwa 500 nm dicke PSG-Schicht 48 aufgebracht, die als Schutzschicht für das Mesa-Ätzen verwendet wird. Derjenige Bereich dieser PSG-Schicht, an der der Einschnitt ausgebildet werden soll, wird durch Photoätzen entfernt.

Unter Verwendung eines Ätzmittels, bei dem das Verhältnis aus Ethylenglykol zu Wasserstoffperoxid zu Schwefelsäure den Wert 3:5:2 aufweist, wird der freiliegende Bereich geätzt, bis das vordere Ende des Einschnittes die p⁺-leitende Schicht 3 erreicht oder bis der Abstand zwischen dem vorderen Ende des Einschnittes und der p+-leitenden Schicht 3 höchstens halb so groß wie die Breite des Einschnittes ist.

Nachdem die Schutzschicht für das Mesa-Ätzen 48 entfernt worden ist, wird eine etwa 600 nm dicke PSG-Schicht 49 als Oberflächen-Passivierungsschicht aufgebracht, und diejenigen Teile der PSG-Schicht 49, die über den Elektroden 6 und 11 liegen, sowie die Randbereiche werden durch Photoätzen entfernt.

Schließlich wird die Gai-iAliAs-Schicht 2 durch ein mechanisch-chemisches Läpp- bzw. Schleifverfahren halbkreisförmig ausgebildet. Das lichtemittierende Halbleiterelement gemäß F i g. 5(d) ist dann fertig.

Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde der pn-Übergang als Übergang zwischen zwei Gai-tAI,As-Schichten ausgebildet, die durch ein Flüssigkeits-Epitaxial-Aufwachs-Verfahren hergestellt wurden. Statt dessen kann der pn Übergang auch durch ein Diffusionsverfahren hergestellt werden. Die Schichten können ferner anstatt aus Gai _,Al,As auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Ga^-GaI-(In₁P und/ oderGaP—GaAsi-,P₁,gebildet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Lichtemittierendes Halbleiterelement, umfassend

ein das Licht abstrahlendes Halbleitersubstrat (2),
eine erste Halbleiterschicht (4), die den gleichen Leitungstyp hat wie das Halbleitersubstrat (2),
eine an die erste Halbleiterschicht (4) angrenzende zweite Halbleiterschicht (5), deren Leitungstyp zu dem der ersten Halbleiterschicht (4) entgegengesetzt ist, und

mit den beiden Halbleiterschichten (4, 5) in Verbindung stehende Elektroden (6,11),
wobei die zweite Halbleiterschicht (5) und der zwischen dieser und der ersten Halbleiterschicht (4) bestehende pn-Übergang (10) /on einem Einschnitt (1) begrenzt sind.

dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Halbleitersubstrat (2) und der ersten Halbleiterschicht (4) eine weitere 0,03 bis 30 μιτι dicke Halbleiterschicht (3) angeordnet ist, die den gleichen Leitungstyp hat wie die erste Halbleiterschicht (4) und einen geringeren spezifischen Widerstand als die erste Halbleiterschicht (4) und das Halbleitersubstrat (2), und
daß der Abstand zwischen dem Boden des Einschnitts (1) und der weiteren Halbleiterschicht (3) höchstens gleich der halben Breite des Einschnitts (1) ist.

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Einschnitts (1) die weitere Halbleiterschicht (3) erreicht.