DE19918647A1 - Verfahren zur Herstellung eines ZnSe-Volumeneinkristalls und lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit einem solchen ZnSe-Volumeneinkristall - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines ZnSe-Volumeneinkristalls und lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit einem solchen ZnSe-VolumeneinkristallInfo
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Abstract
Bisher stehen lediglich n-dotierte ZnSe-Volumeneinkristall als Substrate zur Verfügung. Der Nachteil beim Aufbau eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements auf einem solchen Substrat besteht darin, daß eine p-leitende ZnSe-Epitaxieschicht elektrisch kontaktiert werden muß, die in unmittelbarer Nähe der aktiven Schicht/Schichtenfolge liegt, was nur sehr aufwendig möglich ist und Auswirkungen auf das Degradationsverhalten hat. DOLLAR A Es wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem ein p-dotierter Volumeneinkristall in Substratqualität hergestellt werden kann. Zuerst wird im Rahmen einer Gasphasenzüchtung unter Zusatz von z. B. Antimon ein p-dotierter ZnSe-Volumeneinkristall gezüchtet. Dieser wird anschließend einer thermischen Nachbehandlung unterzogen und abschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. DOLLAR A Bei einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement, das auf diesem Substrat aufgebaut ist, kann die p-Seite großflächig kontaktiert werden. Da die gesamte Substratfläche als Kontaktfläche genutzt wird, kann die Stromdichte und damit die Temperaturerhöhung relativ gering gehalten werden. Weiterhin wirkt sich eine Temperaturerhöhung im Bereich der Kontaktfläche, wegen der relativ großen Entfernung zur aktiven Schicht, nicht negativ auf die aktive Schicht aus. Die n-Seite dagegen kann problemlos mit der zweiten Eletrode kontaktiert werden, für die auch schmale Kontaktstreifen verwendet werden können.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ZnSe-
Volumeneinkristalls, der als Substrat für ein lichtemittierendes
Halbleiterbauelement verwendet wird.
Lichtemittierende Halbleiterbauelemente finden als Leucht- oder Laserdioden
breite Anwendung. Auf ZnSe basierende Laserdioden sind bisher die einzigen,
die in einem Wellenlängenbereich von ca. 520 nm grünes Licht emittieren. Der
besondere Vorteil des grünen Spektralbereiches besteht in der maximalen
Sensitivität des menschlichen Auges (um 550 nm) in diesem Bereich, d. h. es
wird eine gute Sichtbarkeit bei geringer Ausgangsleistung erreicht, wodurch
u. a. Augenschäden z. B. bei der Benutzung grüner Laser-Pointer aus
geschlossen werden können.
Bei der ZnSe-Epitaxie stand zunächst die Heteroepitaxie auf GaAs im
Vordergrund, da GaAs-Substrate großflächig und in hervorragender Qualität
kostengünstig und kommerziell hergestellt werden. Derartige Anordnungen mit
II-VI-Halbleiter-Material auf GaAs-Substratbasis sind beispielsweise in der
WO 98/37 585 A1 und der WO 97/08 740 beschrieben. Ein wesentlicher Nachteil
dieser Verfahren besteht darin, daß zusätzliche Schichten (z. B. III-V-
Pufferschichten) aufgebracht werden müssen und somit einen zusätzlichen
technologischen und apparativen Aufwand erfordern. Weiterhin werden bei der
Heteroepitaxie wegen des Gittermisfits und des deutlichen Unterschieds in der
thermischen Ausdehnung im Bereich der Grenzfläche zum Substrat höhere
Baufehlerdichten und biaxialen Spannungen erzeugt.
Diese Probleme können naturgemäß bei einer Homoepitaxie auf ZnSe-
Substraten umgangen werden. Die Herstellung von leitfähigen ZnSe-
Volumeneinkristallen wird beschrieben in der EP 0 826 800 A1 sowie in
"Variable High Conductivity in Homogeneously Iodine Doped ZnSe Bulk
Substrates with Simultaneous High Crystallographic Perfection" (Prokesch et.
al. In 2nd Intern. Symp. On Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba, Japan,
Sept. 29-Oct. 2.1998 Seite 624-627). Bei den genannten Verfahren wird durch
Züchtung über chemischen Transport mit Jod ein Volumeneinkristall mit
homogener n-Dotierung hergestellt, der zunächst extrem hochohmig ist. Durch
eine thermische Nachbehandlung kann die Raumtemperatur-
Ladungsträgerkonzentration im Bereich von wenigen 1016 cm-3 bis auf die für
Homoepitaxiesubstrate praktisch relevante Konzentration auf Werte um
1018 cm-3 reproduzierbar eingestellt werden.
Der Nachteil beim Aufbau eines lichtemittierenden Halbleiterbauelementes auf
einem n-dotierten ZnSe-Volumeneinkristall besteht darin, daß in diesem Fall
eine p-leitende ZnSe-Epitaxieschicht elektrisch kontaktiert werden muß, die
unmittelbar über der aktiven Schicht/Schichtenfolge liegt. Dies ist nur mit
zusätzlichem technologischen Aufwand möglich, z. B. durch Aufwachsen von
speziellen Kontaktschichten, da kein Metall ohmsche Kontakte zu p-ZnSe
liefert. Die zusätzlichen Schichten können durch deutliche Abweichungen in der
Gitterkonstanten zusätzlich Baufehler induzieren, und die entstehenden
Kontakte weisen immer noch relativ hohe Übergangswiderstände auf, was zu
einer Erwärmung führen kann, die sich aufgrund der Nähe des
Kontaktbereiches zur aktiven Schicht negativ auf die Lebensdauer des
Bauelementes auswirkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines
ZnSe-Volumeneinkristalls, das als Substrat für ein ZnSe-basiertes
lichtemittierendes Halbleiterbauelement verwendet wird, zu beschreiben und ein
solches Halbleiterbauelement anzugeben, bei dem bei einer einfacheren
Schichtenfolge eine gute Kontaktierung sowohl der n-Seite als auch der p-Seite
möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und
5 gelöst.
Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 wird mittels einer Gasphasenzüchtung
unter Zusatz eines Elements der Gruppe V des Periodensystems der Elemente
ein p-dotierter ZnSe-Volumeneinkristall gezüchtet. Dieser wird anschließend
einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur < 800°C unter
Einwirkung eines Se-Partialdrucks von < 1.105 Pa über einen Zeitraum von
einigen Stunden unterzogen. Abschließend wird der p-dotierte ZnSe-
Volumeneinkristall auf Raumtemperatur abgekühlt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Ansprüchen 2 bis 4 entnommen
werden. So hat sich als Akzeptor zur p-Dotierung des ZnSe-Volumeneinkristalls
Antimon als besonders geeignet herausgestellt.
Weiterhin wird eine besonders hohe Raumtemperatur-Ladungsträger
konzentration erreicht, wenn die Abkühlung des p-dotierten ZnSe-Volumen
einkristalls im Anschluß an die thermische Nachbehandlung möglichst innerhalb
weniger Minuten erfolgt.
Eine verbesserte Kontaktierung zur ersten großflächigen Elektrode läßt sich
erreichen, wenn an der zu kontaktierenden Fläche des p-dotierten ZnSe-
Volumeneinkristalls durch einen, zusätzlich zu den im Hauptanspruch
genannten Verfahrensschritten, durchgeführten Diffusionsprozeß eine höher
p-dotierte Übergangsschicht erzeugt wird.
Bei dem ZnSe-basierten lichtemittierenden Halbleiterbauelement gemäß
Anspruch 5 wird als Substrat ein p-dotierter ZnSe-Volumeneinkristall
verwendet, der großflächig mit der ersten Elektrode kontaktiert wird. Auf diesem
Substrat, der p-Seite des Bauelements, ist die aktive Schicht bzw.
Schichtenfolge angeordnet. Auf dieser Schicht bzw. Schichtenfolge ist eine n-
dotierte ZnSe-basierte Halbleiterschicht angeordnet, die ihrerseits mit der
zweiten Elektrode kontaktiert ist. Zwischen dem p-dotierten ZnSe-
Volumeneinkristall und der n-dotierten ZnSe-basierten Halbleiterschicht können
neben der aktiven Schicht bzw. Schichtenfolge weitere Schichten angeordnet
sein.
Dieses Halbleiterbauelement verbindet den Vorteil, daß es homoepitaktisch
aufgebaut ist mit dem weiteren Vorteil, daß eine problemlose Kontaktierung mit
den Elektroden auf der p-Seite wie auf der n-Seite des Halbleiterbauelements
möglich ist. Der p-dotierte ZnSe-Volumeneinkristall weist zwar einen hohen
Kontaktwiderstand gegenüber der ersten Elektrode auf, da aber die gesamte
Substratfläche als Kontaktfläche genutzt wird, kann die Stromdichte relativ
gering gehalten werden. Weiterhin wirkt sich eine Temperaturerhöhung im
Bereich der Kontaktfläche, wegen der relativ großen Entfernung zur aktiven
Schicht, nicht negativ auf die aktive Schicht aus. Vorteilhafterweise kann die
große Kontaktfläche der ersten Elektrode zusätzlich auf einer Wärmesenke
angeordnet werden.
Die n-dotierte ZnSe-Schicht kann dagegen problemlos mit der zweiten
Elektrode kontaktiert werden. Dadurch ist es möglich, daß eine kleinflächige
Kontaktierung möglich ist bzw. als zweite Elektrode auch schmale
Kontaktstreifen verwendet werden können. Als besonders geeigneter Werkstoff
für diese Elektrode hat sich z. B. Indium bewährt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert werden. Die zugehörige Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau eines
lichtemittierenden Halbleiterbauelementes auf der Basis eines p-dotierten
ZnSe-Volumeneinkristalls.
Zuerst soll ein Verfahren zur Herstellung des p-dotierten ZnSe-
Volumeneinkristalls mit ausreichend hoher Ladungsträgerkonzentration bei
Raumtemperatur beschrieben werden, da dieser als geeignetes Substrat für
das lichtemittierende Halbleiterbauelement dient.
Das Verfahren zur Herstellung eines ZnSe-Volumeneinkristalls als Substrat für
den Aufbau eines ZnSe-basierten lichtemittierenden Halbleiterbauelementes,
weist drei Phasen auf. In der ersten Phase wird mittels einer
Sublimationstechnik unter Zusatz von Antimon ein p-dotierter ZnSe-
Volumeneinkristall gezüchtet. In einer sich anschließenden Phase erfolgt eine
thermische Nachbehandlung des p-dotierten ZnSe-Volumeneinkristalls bei einer
Kristalltemperatur von ca. 890°C und einer Selen-Temperatur von ca. 880°C
unter Einwirkung eines Se-Partialdrucks von ca. 7,7.105 Pa. Diese thermische
Nachbehandlung wird über einen Zeitraum von ca. 12 Stunden durchgeführt. In
einer dritten Phase wird abschließend der p-dotierte ZnSe-Volumeneinkristall
auf Raumtemperatur abgekühlt, wodurch die während der thermischen
Nachbehandlung erzeugten und für die elektrischen Eigenschaften
wesentlichen Punkt-Defektgleichgewichte im Kristall fixiert werden. Die
Abkühlung des p-dotierten ZnSe-Volumeneinkristalls im Anschluß an die
thermische Nachbehandlung auf Raumtemperatur erfolgt vorteilhafterweise
innerhalb weniger Minuten. Um eine bessere Kontaktierung des p-dotierten
ZnSe-Volumeneinkristalls zu ermöglichen, wird an der zu kontaktierenden
Fläche des p-dotierten ZnSe-Volumeneinkristalls durch einen Diffusionsprozeß
eine höher p-dotierte Übergangsschicht erzeugt.
Anhand der Figur wird der prinzipielle Aufbau eines lichtemittierenden
Halbleiterbauelementes auf der Basis eines p-dotierten ZnSe-
Volumeneinkristalls 1 beschrieben. Das Substrat besteht aus einem p-dotierten
ZnSe-Volumeneinkristall 1, auf dem eine ZnSe-basierte p-leitende
Halbleiterschicht 2 aufgebracht ist. Zwischen dieser und einer n-dotierten ZnSe-
basierten Halbleiterschicht 4 befindet sich die aktive Schicht bzw.
Schichtstruktur 3. Neben dieser aktiven Schicht bzw. Schichtenfolge 3 können
weitere Schichten, in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall,
beispielsweise Wellenleiter- und Claddingschichten angeordnet sein. Die
n-dotierte ZnSe-basierte Halbleiterschicht 4 wird mit der zweiten Elektrode 5
(n-Kontakt) kontaktiert. Da sich die n-dotierte ZnSe-basierte Halbleiterschicht 4 gut
mit Kontaktwerkstoffen kontaktieren läßt, können die Elektroden auch
kleinflächig, beispielsweise als schmale Kontaktstreifen ausgebildet sein. Als
Elektrodenmaterial wird vorteilhafterweise Indium eingesetzt. Der ZnSe-
Volumeneinkristall 1 weist an der zu kontaktierenden Fläche eine höherdotierte
Übergangsschicht 6 auf, die mit der ersten Elektrode 7 (p-Kontakt) großflächig
kontaktiert wird. Um zu gewährleisten, daß die infolge des großen
Übergangswiderstandes zwischen der Übergangsschicht 6 und der ersten
Elektrode 7 auftretende Temperaturerhöhung keinen negativen Einfluß auf die
aktive Schichtenfolge 3 hat, wird die erste Elektrode 7 auf einer Wärmesenke 8
angeordnet. Als Kontaktwerkstoff für die erste Elektrode wird vorzugsweise Gold
bzw. eine Goldlegierung verwendet. Die Wärmesenke wird üblicherweise aus
Kupfer gefertigt.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines ZnSe-Volumenkristalls als Substrat für
den Aufbau eines ZnSe-basierten lichtemittierenden
Halbleiterbauelementes,
dadurch gekennzeichnet, daß
mittels einer Gasphasenzüchtung unter Zusatz eines Elements der
Gruppe V des Periodensystems der Elemente ein p-dotierter ZnSe-
Volumeneinkristall gezüchtet wird, anschließend eine thermische
Nachbehandlung bei einer Temperatur < 800°C in einer abgeschlossenen
Atmosphäre unter Einwirkung eines Se-Partialdrucks von < 1.105 Pa über
einen Zeitraum von einigen Stunden durchgeführt wird und abschließend
der p-dotierte ZnSe-Volumeneinkristall auf Raumtemperatur abgekühlt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Element der Gruppe V des Periodensystems der Elemente Antimon
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abkühlung des p-dotierten ZnSe-Volumeneinkristalls auf
Raumtemperatur innerhalb weniger Minuten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
an der zu kontaktierenden Fläche des p-dotierten ZnSe-
Volumeneinkristalls durch einen Diffusionsprozeß eine höher p-dotierte
Übergangsschicht erzeugt wird.
5. ZnSe-basiertes lichtemittierendes Halbleiterbauelement, aufweisend
mindestens eine aktive Schicht/Schichtenfolge zwischen einem dotierten
Substrat und einer ZnSe-basierten Halbleiterschicht mit zum Substrat
entgegengesetzter Dotierung und zwei Elektroden,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus einem p-dotierten ZnSe-Volumeneinkristall (1) gebildet ist und die ZnSe-basierte Halbleiterschicht (4) n-dotiert ist,
der p-dotierte ZnSe-Volumeneinkristall (1) großflächig mit einer ersten Elektrode (7) und die n-dotierte ZnSe-basierte Halbleiterschicht (4) mit einer zweiten Elektrode (5) kontaktiert ist.
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus einem p-dotierten ZnSe-Volumeneinkristall (1) gebildet ist und die ZnSe-basierte Halbleiterschicht (4) n-dotiert ist,
der p-dotierte ZnSe-Volumeneinkristall (1) großflächig mit einer ersten Elektrode (7) und die n-dotierte ZnSe-basierte Halbleiterschicht (4) mit einer zweiten Elektrode (5) kontaktiert ist.
6. ZnSe-basiertes lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der p-dotierte ZnSe-Volumeneinkristall (1) eine höher p-dotierte
Übergangsschicht (6) als Kontaktfläche auf der p-Seite aufweist.
7. ZnSe-basiertes lichtemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die höher p-dotierte Übergangsschicht (6) des p-dotierten ZnSe-
Volumeneinkristalls (1) großflächig mit der ersten Elektrode (7) kontaktiert
ist.
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE3123234A1 (de) * | 1980-06-16 | 1982-06-16 | Jun-Ichi Sendai Miyagi Nishizawa | "verfahren zur herstellung eines pn-uebergangs in einem halbleitermaterial der gruppe ii-vi" |
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1999
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Patent Citations (1)
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| DE3123234A1 (de) * | 1980-06-16 | 1982-06-16 | Jun-Ichi Sendai Miyagi Nishizawa | "verfahren zur herstellung eines pn-uebergangs in einem halbleitermaterial der gruppe ii-vi" |
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