DE19516629A1

DE19516629A1 - Epitaxie-Wafer für eine lichtemittierende Diode

Info

Publication number: DE19516629A1
Application number: DE19516629A
Authority: DE
Inventors: Shigetaka Murasato; Koichi Hasegawa
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 1996-03-14
Also published as: US5534717A; JPH08139358A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Epitaxie-Wafer eines GaAs-Sy stems hohen Ausgangs für lichtemittierende Infrarotdioden.

Wafer, auf denen auf einem GaAs Substrat ein GaAs oder GaAlAs p-n Kontakt gebildet ist, werden in großen Umfang für lichtemittierende Infrarotdioden (LEDs) verwendet, die als Lichtquellen in Fotokopplern, Fernsteuerungen und anderen derartigen Geräten verwendet werden. Beispiele für die Verwendung von GaAs p-n Kontakten sind beispielsweise in dem National Technical Report, Vol. 18, No. 3, 1972, Seiten 249-258 und in JP-A 59-121830 beschrieben. Beispiele für die Verwendung von GaAlAs p-n Kontakten sind unter anderem in dem Journal of Applied Physics, Vol. 48, No. 6, Juni 1977 und JP-A 6-21507 beschrieben. In einer LED, die GaAlAs aufweist, das durch Zugabe von Al zu dem GaAs p-n Kontakt gebildet wurde, wurde die Emissionswellenlänge zu der kurz welligen Seite des Spektrums hin eingestellt. Unter diesen lichtemittierenden Infrarotdioden gibt es jene - wie sie beispielsweise in der JP-A 59-121830 oder der JP-A 6-21507 beschrieben sind - mit einer Fensterstruktur, die eine hohe Ausgangsleistung zur Verfügung stellen und die in zunehmen dem Maße für Fernsteueranwendungen gebraucht werden. Diese lichtemittierenden Dioden des Fenstertyps umfassen einen p-n Kontakt auf einem GaAs Substrat, der dann mit einer Fenster schicht aus Ga_1-zAl_zAs mit einer größeren Bandlücke überlegt ist, die durch den p-n Kontakt injizierte Elektronen in einer aktiven Schicht des p-Typs begrenzt, in der das Licht erzeugt wird. Die Transparenz der Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht im Hinblick auf das emittierte Licht wird genutzt, um die nach außen weisende Lichtausgangseffizienz zu erhöhen. (Siehe beispielsweise "Fundamentals of Semiconductor Devi ces" by E.S. Yang, 1978, Seiten 168-169, McGraw-Hill.)

Bei solchen lichtemittierenden Dioden wird, um den GaAs oder GaAlAs p-n Kontaktbereich in einem kontinuierlichen Prozeß zu bilden, die einstufige Flüssigphasenepitaxie unter Verwen dung des spontanen Dotierungsmaterials Si verwendet. Wenn nämlich GaAs durch Flüssigphasenepitaxie mit Si als Dotie rungsmaterial gebildet wird, führt eine Bildung bei hoher Temperatur zu einem Kristall des n-Typs und eine Bildung bei niedriger Temperatur zu einem Kristall des p-Typs. Dies bedeutet, daß es mit derselben epitaktischen Lösung möglich ist, eine Schicht des n-Typs und eine Schicht des p-Typs im kontinuierlichen Betrieb wachsen zu lassen, so daß die Produktivität hoch ist und der sich ergebende p-n Kontakt eine gute Kristallinität aufweist. Die Emissionswellenlänge von mit Si dotiertem GaAs hängt von der Konzentration des Si ab, beträgt aber typischerweise 930 bis 950 nm, eine Wellen länge, die besonders geeignet für Fernsteueranwendungen von Lichtquellen ist.

In dem GaAs bildet das Si ein tiefliegendes Akzeptorniveau. Die Lichtemission wird in der p-GaAs aktiven Schicht durch den Rekombinationsprozeß in dem Bereich zwischen dem GaAs Leitungsband und dem Si Akzeptorniveau erzeugt. Folglich ist bei einer Spitzen-Emissionswellenlänge von 930 bis 950 nm die Emissionsenergie von Si-dotiertem p-GaAs kleiner als die der GaAs Bandlücke (1,42 eV, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 870 nm).

Als eine Fensterschicht wird ein Material verwendet, das eine höhere Bandlückenenergie als die aktive Schicht auf weist. Ein GaAlAs Mischkristall, der durch Zugabe von Al zu GaAs gebildet wurde, weist eine größere Bandlückenenergie als GaAs auf, und begrenzt, wenn er als Fensterschicht für eine GaAs aktive Schicht verwendet, wirksam injizierte Elektronen und ist gegenüber emittiertem Licht transparent. Ein Fenstereffekt kann ebenfalls durch Verwendung von GaAlAs mit einem höheren Al Gehalt im Vergleich zu der GaAlAs akti ven Schicht geschaffen werden. Dementsprechend wird eine GaAlAs Fensterschicht mit einem hohen Al Gehalt in GaAs und GaAlAs LEDs verwendet. Wenn eine Fensterschicht den gleichen Leitungstyp wie die aktive Schicht aufweist und die aktive Schicht durch einen Einzelschrittwachstumsprozeß unter Verwendung von Si gebildet ist, wird im großen Umfang eine Fensterschicht, in der Si als Dotierungsmaterial verwendet wird, eingesetzt. Dies liegt daran, daß Si einen niedrigeren Dampfdruck bei einer Temperatur um die epitaktische Wachstumstemperatur aufweist, was bewirkt, daß es relativ einfach zu handhaben ist und die Trägerkonzentration in der Fensterschicht mit guter Präzision gesteuert werden kann.

Eine Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht muß eine Zusammensetzung auf weisen, die das von der aktiven Schicht emittierte Licht nicht absorbiert. In dem Fall einer Ga_1-zAl_zAs Fenster schicht, in der Silizium als Dotierungsmaterial verwendet wird, wird emittiertes Licht zu der kurzwelligen Seite hin von der Wellenlänge, die der Energie zwischen dem Ga_1-zAl_zAs Leitungsband und dem Si Akzeptorniveau entspricht, absor biert. Wenn z gleich 0,1 ist liegt die Wellenlänge, die der Energie zwischen dem Ga_1-zAl_zAs Leitungsband und dem Si Akzeptorniveau entspricht, bei etwa 860 nm. Im Fall einer aktiven Schicht aus GaAs (d. h. Ga_1-yAl_yAs mit y = 0) mit einem z von 0,1 oder mehr absorbiert die Fensterschicht kein Licht, während dann, wenn z kleiner als 0,1 ist, eine Absorp tion von Licht durch die Fensterschicht einsetzt. Wenn eine aktive Schicht aus GaAs verwendet wird ist es somit notwen dig, daß z über die gesamte Fensterschicht zumindest 0,1 beträgt, um eine Absorption durch die Fensterschicht zu vermeiden. In der Praxis wird die Fensterschicht durch das Verfahren der Flüssigphasenepitaxie gebildet, und aufgrund des hohen Ausscheidungskoeffizienten von Al ist z an der Zwischenfläche mit der aktiven Schicht am größten, nimmt zu der Oberfläche der Epitaxieschicht hin allmählich ab und ist an der Oberfläche der Fensterschicht am kleinsten. Deshalb wird der z-Wert nicht kleiner als 0,1 an der Zwischenfläche mit der Epitaxieschicht des p-Typs eingestellt. Basierend auf einer analogen Betrachtung muß, wenn die aktive Schicht aus Ga_1-yAl_yAs (mit y 0) gebildet ist, das Al Mischver hältnis z an der Oberfläche wenigstens 0,1 mehr als y betragen, um Absorption durch die Fensterschicht zu vermeiden.

Wenn das Al Mischverhältnis z an der Oberfläche der Fenster schicht größer als 0,1 gemacht wird, erzeugt dies jedoch einen Anstieg der Durchlaßspannung, die eine der wichtigsten Charakteristiken einer LED ist. Bei einer LED ist eine nie drige Durchlaßspannung bevorzugt. Für LEDs, die als Licht quellen für Fernsteueranwendungen verwendet werden, ist eine niedrige Durchlaßspannung aufgrund der Tatsache, daß sie bat teriebetrieben sind, besonders wichtig. Wenn Si als Dotie rungsmaterial der Fensterschicht verwendet wird ist es extrem schwierig, die Durchlaßspannung zu reduzieren und gleichzeitig jegliche Absorption durch die Fensterschicht zu verhindern.

Wenn Si, das ein amphotäres Dotierungsmaterial ist, wie oben erwähnt als das Dotierungsmaterial in einer p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht verwendet wird, werden epitaktische Wachstumsbedingungen verwendet, um ein Si des p-Typs zu erzeugen. In der Anfangsphase des Bildungsprozesses der Fensterschicht können jedoch kleine, lokale Variationen in den Wachstumsbedingungen bereichsweise eine Leitfähigkeits inversion des n-Typs hervorrufen. Bereiche, bei denen eine n-Typ Leitfähigkeitsinversion aufgetreten ist, sind fehler haft und vermindern die Produktausbeute.

Wenn ein GaAs p-n Kontakt unter Verwendung des Einzelschritt wachstumsprozesses unter Verwendung von Si gebildet wird, er leidet die Trägerkonzentration in der Umgebung einen be trächtlichen Abfall. Infolgedessen kann sogar eine schwache Änderung der Wachstumsatmosphäre zu der Bildung eines Zick zackkontaktes (105) führen, wie dies in Fig. 4 durch den Pfeil (b) angedeutet ist, was die Charakteristiken der Vor richtung verschlechtert. Ein Zickzackkontakt erstreckt sich über den gesamten Wafer und seine Höhe beträgt einige 10 µm, obgleich größere mehrere 100 µm messen können. Ein LED Epita xiewafer wird, nachdem auf jeder Oberfläche des Wafers Elek troden gebildet wurden, in Chips gespaltet. Die Breite der Chips beträgt im allgemeinen 250 bis 350 µm. Ein normaler p-n Kontakt sieht wie der ungestörte p-n Kontakt aus, der in Fig. 4 durch den Pfeil (a) angezeigt ist. Wenn ein Chip einen großen Zickzackkontakt enthält, führt dies zu einem p-n-p-n Kontakt, der sich von der p-GaAs Schicht (103) zu der n-GaAs Schicht (102) erstreckt, wie dies in der Fig. 4 durch den Pfeil (b) gezeigt ist, und ergibt eine Vorrich tung, die nicht ordentlich funktioniert.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Epitaxiewa fer für eine lichtemittierende Diode mit einer Fenster schicht zu schaffen, in der die Si Konzentration niedrig ge halten ist und in der in der Fensterschicht im wesentlichen keine Lichtabsorption durch das Si Dotierungsmaterial auf tritt.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Epitaxiewafer zu schaffen, in der leichte Variationen in den Bedingungen des Epitaxieprozesses, der zur Bildung des p-n Kontaktes verwendet wird, nicht Anlaß zur Entstehung von in vertierten p-n Bereichen gibt, was die Bildung von Zickzack kontakten in der Umgebung des p-n Kontaktes reduziert.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Epitaxiewafer zu schaffen, in dem verhindert ist, daß eine p-GaAlAs Fensterschicht teilweise in einen n-GaAlAs Kristall invertiert wird.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Epitaxiewafer mit einer niedrigen Durchlaßspannung und einer hohen Emissionseffizienz zu schaffen, ohne dabei das Al Mischverhältnis der Fensterschichtoberfläche zu erhöhen.

Zur Erreichung dieser Ziele schafft die vorliegende Erfin dung einen Epitaxiewafer für eine lichtemittierende Diode, der eine Si-dotierte n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht, eine Si-dotierte p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht und eine p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht auf einem n-GaAs Einkristallsub strat umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht eine Si Konzentration aufweist, die 1 × 10¹⁸ cm^-3 nicht überschreitet.

Das Ziel wird auch durch einen wie oben beschriebenen Epita xiewafer erreicht, in dem das Al Mischverhältnis x an der Zwischenfläche zwischen der n-Ga_1-xAl_xAs Schicht und dem GaAs Substrat 0,001 × 0,1 beträgt.

Ferner wird das Ziel erreicht durch einen wie oben be schriebenen Epitaxiewafer, in dem das Al Mischverhältnis y in der p-Ga_1-yAl_yAs Schicht 0 < y 0,02 beträgt.

Das Ziel wird erreicht durch einen wie oben beschriebenen Epitaxiewafer, in dem das Dotierungsmaterial in der p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht Zn ist und die Trägerkonzentra tion zwischen 1 × 10¹⁷ cm^-3 und 1 × 10¹⁹ cm^-3 beträgt.

Das Ziel wird ebenso erreicht durch einen wie oben be schriebene Epitaxiewafer, in dem die Trägerkonzentration in den n-Ga_1-xAl_xAs und p-Ga_1-yAl_yAs Schichten zwischen 1 × 10¹⁵ und 3 × 10¹⁸ cm^-3 beträgt.

Wenn der p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht mit Si eine Si Konzen tration gegeben ist, die 1 × 10¹⁸ cm^-3 nicht überschreitet, wird, wie oben beschrieben, sogar dann, wenn das Al Mischver hältnis z an der Oberfläche der Fensterschicht fast auf Null reduziert ist, kein Licht durch die Si Akzeptoren absor biert. Darüberhinaus erhöht sich die Durchlaßspannung nicht, da ein niedriges Al Mischverhältnis vorliegt. Wenn Zn als das Dotierungsmaterial in der p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht verwendet wird, verhindert Zn, daß ein Bereich der p-GaAlAs Fensterschicht in einen n-GaAlAs Kristall invertiert, da Zn ausschließlich als Dotierungsmaterial des p-Typs arbeitet. Es macht es auch relativ einfach, die Trägerkonzentration zu steuern und die Produktausbeute zu erhöhen.

Wenn GaAs unter Verwendung einer n-zu-p Inversion von Si in dem epitaktischen Einzelschrittwachstumsprozeß epitaktisch gebildet wird, vermindert ferner die Zugabe von Al, derart, daß das Al Mischverhältnis x an der Zwischenfläche zwischen der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht und dem GaAs Substrat nicht kleiner als 0,001 ist, in starkem Maße die Bildung von Zick zackkontakten; und sogar dann, wenn sich ein Zickzackkontakt bildet, ist dieser so klein, daß er im wesentlichen keine Wirkung auf die Funktion der Vorrichtung hat.

Die oben beschriebenen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezug nahme auf die Zeichnungen deutlich, in denen:

Fig. 1 die Anordnung des Epitaxiewafers dieser Er findung zeigt;

Fig. 2 das epitaktische Wachstumstemperaturprofil zeigt, daß in einer ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wurde;

Fig. 3 das Al Konzentrationsprofil in einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Zickzackbildung in der Umgebung eines p-n Kontaktes zeigt, wobei (a) einen norma len Kontakt und (b) einen Zickzackkontakt an gibt; und

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Si Konzentration in der p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht und dem Ausgang des emittierten Lichts zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine Ausführung eines Epitaxiewafers für infra rotlichtemittierende Dioden nach der vorliegenden Erfindung, der ein n-GaAs Einkristallsubstrat 101 umfaßt, auf dem eine Si-dotierte n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht 102, eine Si-do tierte p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht 103 und eine p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht 104 gebildet sind. Als Ergebnis zahlreicher Experimente fanden die Erfinder heraus, daß dadurch, daß die Si Konzentration in der Fensterschicht 104 auf einer sehr geringen Höhe gehalten wird und Zn als das Dotierungsmate rial verwendet wird, ein LED Epitaxiewafer erhalten werden kann, der eine hohe Emissionseffizienz und eine niedrige Durchlaßspannung aufweist. Die Ergebnisse einer Untersuchung der Beziehung zwischen der Si Konzentration und dem Emis sionslichtausgang sind in Fig. 5 dargestellt. Insbesondere zeigt Fig. 5 die Beziehung zwischen dem Lichtausgang und der Konzentration von Si in einer p-Ga_1-zAl_zAs Fenster schicht 104 in dem Fall eines GaAs p-n Kontaktes mit einem Al Mischverhältniswert z von 0,23 an der Zwischenfläche mit der aktiven Schicht 103 und einem Wert z von 0,05 an der Oberfläche der Fensterschicht. Wie in Fig. 5 gezeigt ist betrug der relative Lichtausgang bei einer Si Konzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 etwa 1,2, und bei einer Si Konzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 betrug der Ausgang über 1,3, was bestä tigt, daß im wesentlichen keine Lichtabsorption durch Si Akzeptoren auftrat.

Bei einer Si Konzentration, die 1 × 10¹⁸ cm^-3 nicht über schreitet, wird Emissionslicht sogar dann von Si Akzeptoren nicht absorbiert, wenn das Al Mischverhältnis z an der Ober fläche der Fensterschicht nahezu auf Null reduziert ist. Wenn die gleichen Experimente durchgeführt werden, wenn x 0 und y 0 ist, stellte sich heraus, daß durch Reduzierung der Si Konzentration der Fensterschicht auf unter 1 × 10¹⁸ cm^-3 und vorzugsweise unter 1 × 10¹⁷ cm^-3 fast keine Absorp tion durch Si Akzeptoren auftrat, sogar dann, wenn das Al Mischverhältnis z an der Oberfläche der Fensterschicht auf etwa den gleichen Wert wie y reduziert wurde. Infolgedessen kann durch Reduzierung der Si Konzentration der Fenster schicht auf unter 1 × 10¹⁸ cm^-3 und vorzugsweise auf unter 1 × 10¹⁷ cm^-3 das Al Mischverhältnis an der Oberfläche der Fensterschicht vermindert werden, was die Durchlaßspannung erniedrigt und eine Lichtabsorption durch die Fensterschicht verhindert. Die tatsächlich untere Grenze für die Si Konzen tration beträgt 10¹⁵ cm^-3. Die Si Konzentration bedeutet hier die Konzentration von Si als solchem, nicht die Träger konzentration. Si ist ein amphotärisches Dotierungsmaterial; sowohl Si Donatoren als auch Si Akzeptoren liegen in GaAs oder GaAlAs in einer einander kompensierenden Beziehung vor. Die Differenz zwischen der Konzentration der Akzeptoren und der Konzentration der Donatoren, die Si enthalten, ist die Trägerkonzentration. Es ist folglich die Si Konzentration, die hier angegeben ist, und nicht die Trägerkonzentration. Sie Si Konzentration kann durch SIMS Analyse oder ähnlichen Messungen bestimmt werden.

Zn kann als Dotierungsmaterial der Fensterschicht 104 ver wendet werden. Zn ist vorteilhaft, da Zn anders als Si keine tiefen Accpetorniveaus bildet. Ferner ist es auch relativ einfach, die Trägerkonzentration zu steuern, was eine gute Reproduzierbarkeit einer gewünschten Trägerkonzentration ermöglicht. Während Si wie bereits erwähnt ein amphotäres Dotierungsmaterial ist, gilt dies für Zn nicht und Zn arbeitet somit nur als Dotierungsmaterial des p-Typs, was bedeutet, daß mit Zn keine n-Inversionen auftreten. Bei Verwendung einer Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 bis 1 × 10¹⁹ cm^-3 der Fensterschicht können gute Charakteristiken erzielt werden. Ein guter ohmscher Kontakt kann bei Träger konzentrationen unter 1 × 10¹⁷ cm^-3 nicht erreicht werden, während eine Konzentration, die höher als 1 × 10¹⁹ cm^-3 liegt, einen nachteiligen Effekt auf die Kristallinität der Fensterschicht hat. Auch wenn Si in der p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht nicht als Dotierungsmaterial des p-Typs ver wendet wird kann es während des epitaktischen Bildungs prozesses zugemischt werden, entweder weil die Schmelze, die für die Bildung der p-Ga_1-yAl_yAs aktiven Schicht verwendet wird, nicht vollständig entfernt werden kann, oder weil ein teilweises Rückschmelzen der p-Ga_1-yAl_yAs aktiven Schicht auftritt. Es gibt auch Fälle, in denen Ga Metall hinzutritt, das eine der Komponenten der epitaktischen Lösung ist. Eine strenge Überwachung des Epitaxieprozesses ist deshalb wichtig, um die Si Menge in der Fensterschicht niedrig zu halten.

Infolgedessen wird, wie beschrieben, die Si Konzentration in der Fensterschicht unter 1 × 10¹⁸ cm^-3 und vorzugsweise unter 1 × 10¹⁷ cm^-3 gehalten, Zn als das Dotierungsmaterial verwendet und die Trägerkonzentration auf einen Wert zwi schen 1 × 10¹⁷ cm^-3 und 1 × 10¹⁹ cm^-3 eingestellt. Das Al Mischverhältnis z an der Zwischenfläche mit der p-Ga_1-yAl_yAs aktiven Schicht 103 wird größer als y, vorzugsweise (y + 0,1) < z eingestellt. Das Al Mischverhältnis z an der Oberfläche der Fensterschicht beträgt vorzugsweise y z < (y + 0,1).

Basierend auf umfangreichen Studien zur Ermittlung von Wegen zur Vermeidung der Bildung von Zickzackkontaktbereichen, die während der p-n Kontaktbildung durch n-zu-p Si Inversion her vorgerufen werden, fanden die Erfinder heraus, daß die Zick zackkontaktbildung durch die Zugabe von Al zu GaAs unter drückt werden kann. Insbesondere kann die Bildung von Zick zackkontakten durch Zugabe von ausreichend Al zu der epitak tischen Wachstumslösung, die beim Einzelschrittwachstumspro zeß unter Verwendung von Si zur Bildung von GaAs verwendet wird, um dabei ein Al Mischverhältnis x von nicht weniger als 0,001 an der Zwischenfläche zwischen der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht 102 und dem Substrat 101 sicherzustellen, in starkem Maße vermindert werden, wobei jene Zickzackkontakte, die sich bilden, extrem klein sind. Bei einem Al Mischver hältnis x, das kleiner als 0,001 ist, wird kein eindeutiger Effekt bezüglich der Vermeidung von Zickzackkontakten beob achtet. Mit einem Al Mischverhältnis x von 0,001 oder mehr führt ein hoher Wert von x einen starken Effekt im Hinblick auf die Unterdrückung einer Zickzackbildung herbei. Die Zugabe von Al zu GaAs vergrößert jedoch die Bandlücke, was bewirkt, daß die Spitzenemissionswellenlänge eine Verschie bung hin zu einer kürzeren Wellenlänge erleidet. Dies stellt kein Problem im Falle von Anwendungen dar, die durch eine kürzere Wellenlänge unbeeinflußt sind. Eine Verkürzung der Wellenlänge ist jedoch nachteilig, wenn die lichtemittie rende Diode als Lichtquelle einer Fernsteuerung oder der gleichen verwendet wird, und deswegen ist es notwendig, das Al Mischverhältnis so einzustellen, daß die bereits be schriebene Wellenlänge erreicht wird.

Um eine Spitzenemissionswellenlänge von 930 bis 950 nm zu er zielen muß das Al Mischverhältnis y in der p-Ga_1-yAl_yAs akti ven Schicht 103 0,02 oder weniger betragen. Wenn das Flüssig phasenverfahren in dem epitaktischen Wachstumsprozeß verwen det wird, verkleinert sich das Al Mischverhältnis ständig in der Wachstumsrichtung, da Al einen hohen Ausscheidungskoeffi zienten aufweist. Wenn Si Inversion verwendet wird, um die n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht 102 und die p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht 103 in einem kontinuierlichen Prozeß zu bilden, ist es notwendig, das Al Mischverhältnis x zu Beginn der Bildung der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht so einzustellen, daß die an gestrebte Al Zusammensetzung für die p-Ga_13-yAl_yAs aktive Schicht erreicht wird. Verschiedene Bedingungen wurden stu diert, und es stellte sich heraus, daß dann, wenn ein Al Mischverhältnis x von 0,1 oder mehr zu Beginn der Bildung der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht eingestellt wurde, d. h., in der Umgebung der Zwischenschicht mit dem n-GaAs Substrat, es schwierig war, das Mischverhältnis y der p-Ga_1-yAl_yAs akti ven Schicht auf 0,02 oder weniger zu steuern.

Basierend auf diesen Ergebnissen stellte sich heraus, daß bei Verwendung eines Al Mischverhältnis x von 0,001 < x 0,1 im Hinblick auf die Umgebung der Zwischenschicht zwi schen der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht und dem n-GaAs Sub strat und einem Al Mischverhältnis y von 0 < y 0,02 für die p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht eine Spitzenemissionswellen länge von 930 bis 950 nm erreicht wurde und es ermöglicht wurde, einen Epitaxiewafer mit einem p-n Kontakt von guter Qualität mit sehr wenigen Zickzackbereichen zu erhalten. Für Anwendungen, bei denen es nicht erforderlich ist, die Spit zenemissionswellenlänge zwischen 930 und 950 nm zu halten, kann ein Epitaxiewafer mit einem p-n Kontakt von guter Quali tät mit sehr wenigen Zickzackbereichen allein durch die Fest legung 0,001 < x 0,1 erhalten werden.

Im folgenden werden andere Erfordernisse beschrieben.

Das Substrat ist aus einem GaAs Einkristall gebildet. Auf normale Weise Si-dotiertes n-GaAs wird verwendet. Zusätzlich können Si, Te, Sn, Se, S oder irgendwelche anderen derarti gen Substanzen mit einer Donatorfunktion in GaAs als Dotie rungsmaterial verwendet werden. Eine Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 bis 3 × 10¹⁸ cm^-3 ist geeignet. In Bildungs richtung wird eine Kristallebene der Orientierung (100) oder (111) verwendet.

Die n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht ist eine Pufferschicht, die die Wirkung von Kristalldefekten in dem Substrat eliminiert, die weiche Bildung der aktiven Kristallschicht erleichtert und darüberhinaus dazu dient, Elektronen in den p-n Kontakt zu injizieren, und deshalb 20 bis 100 µm dick sein muß. Die verwendete Trägerkonzentration liegt zwischen 1 × 10¹⁵ cm^-3 zu 3 × 10¹⁸ cm^-3 und vorzugsweise zwischen 1 × 10¹⁷ cm^-3 und 1 × 10¹⁸ cm^-3. Die n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht kann unter Verwendung von GaAs ohne Zugabe von Al (x = 0) oder unter Verwendung von Ga_1-xAl_xAs unter Verwendung Al (x 0) gebil det werden. Wie bereits erwähnt hat die Zugabe von Al die Wirkung, daß die Bildung von Zickzackkontakten unterdrückt wird, um jedoch in den angestrebten Werten für die aktive Schicht zu bleiben, sollte das Al Mischkristallverhältnis x an der Zwischenfläche mit dem GaAs Substrat zwischen 0,001 und 0,1 gehalten werden.

Die p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht bildet einen p-n Kontakt mit der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht. Die p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht kann ebenfalls unter Verwendung von GaAs ohne Zugabe von Al (y = 0) oder unter Verwendung von Ga_1-yAl_yAs unter Zugabe von Al (y 0) gebildet werden. Wenn Al zugegeben wird und die vorgesehenen Anwendungen auf eine Emissions wellenlänge von 930 bis 950 nm beschränkt sind ist es not wendig, ein Al Mischkristallverhältnis y zu verwenden, das 0,02 nicht überschreitet. Nach der Bildung der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht setzt sich der Bildungsprozeß mit der Bil dung der p-Ga_1-yAl_yAs Schicht fort, so daß das Al Mischver hältnis an der Zwischenfläche mit dem GaAs Substrat auf 0,001 × 0,1 eingestellt werden sollte. Es sollte eine Trägerkonzentration verwendet werden, die im Bereich von 1 × 10¹⁵ cm^-3 bis 3 × 10¹⁸ cm^-3, vorzugsweise zwischen 1 × 10¹⁷ cm^-3 und 1 × 10¹⁸ cm^-3 liegt und fast die gleiche ist wie jene der n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht.

Wenn keine Fensterschicht vorhanden ist werden durch zentra le Rekombination in der Oberfläche die meisten injizierten Träger eingefangen, sofern die Dicke der p-Ga_1-yAl_yAs akti ven Schicht kleiner als die Diffusionslänge der injizierten Ladungsträger ist, und dies ergibt einen Abfall der internen Quanteneffizienz und der Lichtausgang nimmt ebenfalls ab. Deshalb wird eine Dicke verwendet, die die Diffusionslänge der injizierten Träger übertrifft. Wenn Si als das Dotie rungsmaterial in der p-Ga_1-yAl_yAs aktiven Schicht verwendet wird, liegt die Trägerdiffusion im Bereich von 80 µm, was bedeuten sollte, daß die p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht wenig stens 80 µm dick sein muß. Ein wesentlicher Teil dieser Erfindung ist jedoch eine Fensterschicht, und da diese Fensterschicht eine Eingrenzungswirkung (confinement effect) aufweist, kann eine p-Ga_1-yAl_yAs Schicht verwendet werden, die dünner als 80 µm ist. Infolgedessen kann eine p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schichtdicke von 5 bis 80 µm und vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 30 µm verwendet werden.

In dem LED Epitaxiewafer dieser Erfindung, der eine n-Ga_1-xAl_xAs Schicht und eine p-Ga_1-yAl_yAs Schicht mit einer p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschichtstruktur aufweist, wobei in der p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht eine Si Konzentration von unter 1 × 10¹⁸ cm^-3 verwendet wird, ist ausgeschlossen, daß das emittierte Licht durch das Si absorbiert wird. Dies macht es möglich, einen Epitaxiewafer für lichtemittierende Dioden zu erhalten, in dem das Al Oberflächenmischverhältnis z der p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht reduziert werden kann, wobei eine hohe Emissionseffizienz und eine niedrige Durchlaßspan nung geschaffen wird. Bei Verwendung von Zn als Dotierungsma terial für die Fensterschicht anstelle des amphotären Si wird darüberhinaus ermöglicht, p-zu-n Inversionen in der Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht des p-Typs zu verhindern. Bezüg lich des unter Verwendung der n-zu-p Inversion von Si gebil deten GaAs p-n Kontakts wurde - obwohl nicht klar ist, wo durch die Bildung von Zickzackkontakten hervorgerufen wird - erkannt, daß die Zugabe kleiner Mengen von Al zu dem GaAs die Bildungen einer Zickzackfunktion reduziert.

Beispiel 1

N-zu-p Inversion von Si wurde verwendet, um eine n-GaAs Epi taxieschicht auf einem n-GaAs Substrat zu bilden, welche von einer p-GaAs aktiven Schicht unter Verwendung von Einzel schrittflüssigphasenepitaxie gefolgt wurde a Flüssigphasenepi taxie wurde dann verwendet, um eine p-Ga_1-zAl_zAs Fenster schicht auf der aktiven Schicht zu bilden. Das n-GaAs Einkri stallsubstrat wurde dann mit Si dotiert und mit einer Träger konzentration 3 × 10¹⁷ cm^-3 und einer (100) Orientierung der Kristallebene versehen. Eine Standard-Schiebeboot-Bildungs technik wurde verwendet. Ein erster Schmelzbehälter wurde mit einer Lösung des benötigten GaAs Polykristalls für das Ga Metall unter Zugabe von Si gefüllt, um die n-GaAs Epi taxieschicht und die p-GaAs aktive Schicht zu bilden. Für die p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht wurde ein zweiter Schmelzbe hälter mit einer Lösung des benötigten GaAs Polykristalls für das Ga Metall gefüllt, zu der Al und Zn zugegeben wur den. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der Lösung.

Das Schiebeboot wurde in den Ofen eingesetzt und die Tempera tur gemäß dem Profil in Fig. 2 gesteuert, und das Substrat wurde in Kontakt mit der ersten Lösung gebracht während zur gleichen Zeit hochreines Wasserstoffgas hindurchgeblasen wurde, um die n-GaAs Epitaxieschicht und die p-GaAs aktive Schicht in einem kontinuierlichen Einzelschrittwachstumspro zeß zu bilden.

Nachfolgend wurde das Substrat in Kontakt mit der zweiten Lö sung gebracht und die p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht wurde unter Verwendung des Temperaturprofils der Fig. 2 gebildet. Die Eigenschaften des auf diese Weise durch den oben be schriebenen Epitaxieprozeß gebildeten Wafers wurden ermit telt. Die Trägerkonzentration wurde durch das CV-Verfahren gemessen. SIMS wurde zur Messung der Si Konzentration verwen det. Eine Spaltfläche des Wafers wurde geätzt und angefärbt und der Wafer wurde mikroskopisch auf die Bildung von Zick zackkontakten hin untersucht. Die Ergebnisse waren wie folgt.

Dicke der n-GaAs Epitaxieschicht: 46 µm
Dicke der p-GaAs Epitaxieschicht: 20 µm.

Die p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht hatte eine Dicke von 53 µm, eine Trägerkonzentration von 2 × 10¹⁸ cm^-3; das Al Mischver hältnis z betrug 0,23 an der Zwischenfläche mit der p-GaAs Epitaxieschicht und 0,05 an der Schichtoberfläche. Die Si Konzentration war 2 × 10¹⁶ cm^-3. Die Eigenschaften einer jeden Schicht sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Dann wurden Au ohmische Kontakte auf jeder Oberfläche gebil det, der Wafer wurde mit einer Teilung von 300 µm gespalten und die Eigenschaften wurden in Bezug auf die Verwendung als LED Vorrichtung ermittelt. Der relative Lichtausgang ist re lativ zu dem Lichtausgang einer als Vergleichsbeispiel 1 aufgelisteten LED mit einer Si-dotierten Fensterschicht, der als 1,00 gesetzt wurde, angegeben. Die Durchlaßspannung (V_F) wurde bei I_F = 20 mA gemessen. Als Ergebnis wurde eine Emissionswellenlänge von 946 nm und ein relativer Lichtaus gang von 1,32 bestimmt. Die Eigenschaften der LEDs sind in Tabelle 3 aufgelistet. Die auf Zickzackkontakte zurück gehende Fehlerrate der Vorrichtung ist relativ zu einer Fehlerrate von 1 für den Fall des Vergleichsbeispiels 1 ausgedrückt.

Beispiel 2

Mit der Ausnahme, daß die Lösung in dem ersten Schmelzbehäl ter auch Al enthielt, wurde unter Verwendung des gleichen Prozesses wie im Beispiel 1 ein Epitaxiewafer gebildet. Die Zusammensetzung des Wafers ist in Tabelle 1 angegeben, die Wafereigenschaften in Tabelle 2 und die LED Eigenschaften in Tabelle 3. Die Zugabe von Al zu dem Teil der Epitaxie schicht, in der der p-n Kontakt gebildet wird, führte zu einer beträchtlichen Verminderung der auf Zickzack-Kontakt bildung zurückzuführenden Defektrate der Vorrichtung.

Beispiele 3 bis 5

Mit der Ausnahme, daß der Lösung in dem ersten Schmelzbehäl ter wie in Tabelle 1 gezeigt mehr Al zugegeben wurde, wurden unter Verwendung des gleichen Prozesses wie im Beispiel 1 Epitaxiewafer gebildet, wodurch die in Tabelle 2 aufgeliste ten Wafereigenschaften erzielt wurden. Wie in Beispiel 1 wur den die LED Eigenschaften ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgelistet.

Vergleichsbeispiel 1

Der zweite Schmelzbehälter wurde mit einer Lösung des erfor derlichen GaAs Polykristalls für das Ga Metall gefüllt, zu der Al und Si zugegeben wurden. Das Epitaxiewachstum wurde dann in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 bewirkt. Die Ei genschaften des auf diese Weise mit einer Si-dotierten Fen sterschicht gebildeten Epitaxiewafers und die diesbezügli chen LED Eigenschaften sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeli stet.

Vergleichsbeispiel 2

Der zweite Schmelzbehälter wurde mit einer Lösung des erfor derlichen GaAs Polykristalls für das Ga Metall gefüllt, zu der Al in einer größeren Menge als der zugegebenen Menge von Al im Vergleichsbeispiel 1 und Si zugegeben wurden, und das Epitaxiewachstum wurde dann durch die gleiche Verfahrenswei se bewirkt. Die Eigenschaften des auf diese Weise mit einer Si-dotierten Fensterschicht gebildeten Epitaxiewafers und die diesbezüglichen LED Eigenschaften sind in den Tabellen 2 und 3 aufgelistet.

Unter Bezugnahme auf Tabelle 3 zeigt ein Vergleich von Bei spiel 1 und Vergleichsbeispiel 1, daß in dem Fall von Bei spiel 1 die Verwendung einer Si Fensterschichtkonzentration, die 1 × 10¹⁷ cm^-3 nicht übertraf zu einem Emissionslichtaus gang führte, der etwa 1,3 mal höher war. Ferner zeigt ein Vergleich von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2, daß durch Erhöhung des Al Mischverhältnisses in der Fensterschicht von 0,05 auf z = 0,12 an der Oberfläche der Fensterschicht beim Vergleichsbeispiel 2 sogar bei einer Si Konzentration von über 1 × 10¹⁷ cm^-3 eine Verbesserung des Emissionslichtaus ganges vergleichbar zu jenem von Beispiel 1 erzielt wurde, wobei jedoch die Durchlaßspannung (V_F) 0,05 V größer als jene von Beispiel 1 ist, was es in der Praxis für Vorrich tungszwecke nachteilig macht. Obgleich Beispiel 1 die gleiche Ausbeute wie Vergleichsbeispiel 1 aufweist bedeutet seine niedrige Durchlaßspannung, daß es für Vorrichtungs zwecke verwendet werden kann.

Wie aus einem Vergleich von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2, in dem die Epitaxieschicht des n-Typs und die aktive Schicht des p-Typs kein Al enthalten, mit den Beispielen 2 bis 5, in denen die Epitaxieschicht des n-Typs und die aktive Schicht des p-Typs Al enthalten, er kennbar ist, zeigt sich, daß die durch Zickzackkontaktbildun gen hervorgerufene Fehlerrate in den Beispielen 2 bis 5 mit dem Al sehr viel geringer ist. Die Erhöhung des Al Mischver hältnisses y in der p-Ga_1-yAl_yAs aktiven Schicht verschiebt die Spitzenemissionswellenlänge zu der kurzwelligen Seite des Spektrums. Da jedoch die Wellenlänge in dem Bereich zwi schen 930 und 950 nm liegt ist dies in der Praxis kein Pro blem.

Infolgedessen wird gemäß dieser Erfindung ein Epitaxiewafer für Infrarot LEDs hohen Ausgangs und niedriger Durchlaßspan nung mit einem niedrigen Vorkommen von Zickzackkontaktbildun gen erhalten, was eine hohe Ausbeute schafft, und der in dem Wellenlängenbereich zwischen 930 und 950 nm arbeitet, der für die Verwendung als Lichtquelle für Fernsteuerungsanwen dungen besonders geeignet ist.

Claims

1. Epitaxiewafer für eine lichtemittierende Diode, der eine Si-dotierte n-Ga_1-xAl_xAs Epitaxieschicht, eine Si-dotier te p-Ga_1-yAl_yAs aktive Schicht und eine p-Ga_1-zAl_zAs Fen sterschicht auf einem n-GaAs Einkristallsubstrat umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht eine Si Konzentra tion aufweist, die 1 × 10¹⁸ cm^-3 nicht überschreitet.

2. Epitaxiewafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht eine Si Konzentra tion von unter 1 × 10¹⁷ cm^-3 aufweist.

3. Epitaxiewafer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Al Mischverhältnis x an einem Zwischenflächenbe reich zwischen der n-Ga_1-xAl_xAs Schicht und dem GaAs Substrat 0,001 × 0,1 beträgt.

4. Epitaxiewafer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Al Mischverhältnis y in einer p-Ga_1-yAl_yAs Schicht 0 < y 0,02 beträgt.

5. Epitaxiewafer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zn ein Dotierungsmaterial in einer p-Ga_1-zAl_zAs Fensterschicht ist und daß eine Trägerkonzentration davon im Bereich von 1 × 10¹⁷ cm^-3 bis 1 × 10¹⁹ cm^-3 liegt.

6. Epitaxiewafer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkonzentration der n-Ga_1-xAl_xAs Schicht und der p-Ga_1-yAl_yAs Schicht zwischen 1 × 10¹⁵ cm^-3 und 3 × 10¹⁸ cm^-3 liegt.

7. Epitaxiewafer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der p-Ga_1-yAl_yAs Schicht 10 bis 30 µm beträgt.

8. Epitaxiewafer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der p-Ga_1-zAl_zAs Schicht 5 bis 60 µm beträgt.

9. Epitaxiewafer nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Al Mischverhältnis z der p-Ga_1-zAl_zAs Fenster schicht größer als y an der Zwischenfläche mit der p-Ga_1-yAl_yAs aktiven Schicht ist und an einer Fenster schichtoberfläche y z < (y + 0,1) ist.