DE2030368C3 - PNPN semiconductor element - Google Patents

PNPN semiconductor element

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DE2030368C3 DE19702030368 DE2030368A DE2030368C3 DE 2030368 C3 DE2030368 C3 DE 2030368C3 DE 19702030368 DE19702030368 DE 19702030368 DE 2030368 A DE2030368 A DE 2030368A DE 2030368 C3 DE2030368 C3 DE 2030368C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein pnpn-Halbleiterelement aus vier aufeinanderfolgenden, wechselweise einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisenden Schichten, die aus der gleichen Halbleiterverbindung aus Elementen der Gruppe III bzw. V bestehen und eine Dotierung aufweisen und von denen mindestens eine Schicht durch epitaxiales Wachstum gebildet ist, wobei die Dicke der zwei Zwischenschichten mit der Diffusionslänge der Minoritätsträger in der verwendeten Halbleiterverbindung annähernd identisch ist, mit Mitteln zur Vorspannung der vier Schichten in Leitrichtung.The invention relates to a pnpn semiconductor element composed of four successive layers, alternately having an opposite conductivity type, consisting of the same semiconductor compound of elements of group III or V and having a doping and of which at least one layer is formed by epitaxial growth, the thickness of the two intermediate layers being approximately identical to the diffusion length of the minority carriers in the semiconductor compound used, with means for biasing the four layers in the conduction direction.

Ein bekanntes pnpn-Halbleiterelement (US-PS 32 70 235), welches im wesentlichen von der vorgenannten Art ist, weist als Diode betrieben eine negative Widerstandscharakteristik auf. Das Halbleiterelement erzeugt ein Lichtausgangssignal, welches mittels einer an einer der Zwischenschichten anliegenden Elektrode moduliert werden kann. Das Halbleiterelement besteht aus Galliumphosphid, und zur Dotierung der beiden p-Schichten wird Zink verwendet, während zur Dotierung der beiden η-Schichten Selen verwendet wird. Mindestens eine der Schichten, nämlich eine der beiden Zwischenschichten, wird durch epitaxiales Aufwachsen des Galliumphosphids gebildet.A well-known pnpn semiconductor element (US-PS 32 70 235), which is essentially of the aforementioned type, has a negative when operated as a diode Resistance characteristic on. The semiconductor element generates a light output signal, which by means of a can be modulated on an electrode adjacent to the intermediate layers. The semiconductor element consists made of gallium phosphide, and zinc is used for doping the two p-layers, while for Doping of the two η layers selenium is used. At least one of the layers, namely one of the two intermediate layers, is formed by epitaxial growth of the gallium phosphide.

Es ist ferner eine elektrolumineszierende Halbleiterdiode bekannt (FR-PS 15 29 040), die aus Galliumarsenid besteht und einen einzigen pn-übergang aufweist und deren n- und p-Schicht beide mit Silizium dotiert und durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase gebildet sind. Die Bildung dieser beiden Schichten erfolgt in einem einzigen epitaktischen Prozeß, bei dem die Temperatur der abkühlenden Lösung so gesteuert wird, daß zunächst eine η-Schicht und dann eine p-Schicht aufwächst.There is also an electroluminescent semiconductor diode known (FR-PS 15 29 040) made of gallium arsenide exists and has a single pn junction and the n- and p-layer both doped with silicon and are formed from the liquid phase by epitaxial growth. The formation of these two layers takes place in a single epitaxial process in which the temperature of the cooling solution is so controlled becomes that first an η-layer and then a p-layer grows.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein pnpn-Halbleiterelement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches unter Beibehaltung einer negativen Widerstandscharakteristik und eines Lichtausgangssignals relat.v hoher Intensität in einfacher Weise herstellbar ist.The object of the invention is to create a pnpn semiconductor element of the type mentioned above, which while maintaining a negative resistance characteristic and a light output signal relat.v high intensity can be produced in a simple manner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelostThis object is achieved according to the invention

daß mindestens drei Schichten aus einer flüssigen Phase durch epitaxiales Wachstum gebildet sind und daß die Dotierung dieser drei Schichten aus den gleichen amphoteren Dotieratomen besteht.that at least three layers of a liquid phase are formed by epitaxial growth and that the doping of these three layers of the same amphoteric doping atoms.

Das erfindungsgemäße Halbleiterelement weist insofern eine beträchtlich vereinfachte Herstellbarkeit auf, als mindestens drei seiner Schichten in einem einzigen epitaxialen Prozeß hergestellt werden können, bei demThe semiconductor element according to the invention has to this extent a considerably easier manufacturability than at least three of its layers in a single one epitaxial process can be produced in which

ίο nicht nur Obergänge von η nach p, sondern auch Obergänge von ρ nach η geschaffen werden.ίο not only transitions from η to p, but also Transitions from ρ to η are created.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des die Erfindung aufweisenden Halbleiterelemenls ist im Unteranspruch gekennzeichnetAn advantageous embodiment of the semiconductor element having the invention is in the dependent claim marked

In F i g. 1 ist ein Querschnitt durch eine Diode 10 vom pnpn-vier-Schichten-Aufbau mit negativerIn Fig. 1 is a cross section through a diode 10 of the pnpn four-layer structure with a negative

Widerstandscharakteristik und Lichtemission gezeigtResistance characteristics and light emission shown

Die Diode 10 ist aus einer Halbleiterkristallplatte hergestellt deren Grundkörper ein Si-dotierter GaAs-Einkristall (n 1) 11 vom η-Typ ist Die Halbleiterplatte 11 weist einen hohen Energieabstand zwischen den Bändern und einen niedrigen Widerstandswert auf. Das Element weist eine extrem dünne Si-dotierte GaAs-Schicht (p 2) 12 vom p-Typ und eine GaAs-Schicht (n 3) 13 vom η-Typ und eine weitere Si-dotierte GaAs-Schicht (p4) 14 vom p-Typ auf der Oberfläche der Halbleiterplatte 11 auf. Die Grenzen zwischen den einzelnen Schichten stellen die Verbindungen /12, /23 und /34 dar. Jede der Schichten 12, 13, 14 wird typischerweise durch einen epitaxialen Wachstumsprozeß aus der flüssigen Phase gezüchtet worin eine Schmelze, wie etwa eine Ga-Schmelze, mit einer GaAs-Quelle und Si-Beimengung als sogenannte amphoterische Beimengung auf die Oberfläche der Halbleiterplatte 11 aufgebracht und sukzessive abgekühlt wird. Zwei Zwischenschichten 12 und 13 haben eine solche Dickenabmessung, die identisch ist mit der Diffusionslänge des Minderheitsträgers in GaAs, und sind etwa 1 bis 40 μ dick. Die pnpn-Diode 10 wird unter folgenden Bedingungen hergestellt: Die Dicke der GaAs-Platte vom η-Typ ist etwa 50 μ, die Konzentration der freien Elektronen durch Dotierung mit Si ist 1 · 1018/cm3, die Dicken der Zwischenschichten vom p-Typ und η-Typ sind beide 2 bis 10 μ, die Ladungsträgerkonzentrationen durch Si sind beide etwa 1 · 1018/cm3, die obere p-Typ-Schicht ist etwa 100 μ dick und die Ladungsträgerkonzentration etwa 1 · 1018/cm3. Ein erster ohmscher Kontakt 15 ist mit dem Substrat 11 vom η-Typ verbunden, und ein zweiter ohmscher Kontakt 16 ist mit der oberen p-Typ-Schicht 14 verbunden.The diode 10 is made from a semiconductor crystal plate, the base body of which is a Si-doped GaAs single crystal (n 1) 11 of the η-type. The semiconductor plate 11 has a large energy gap between the bands and a low resistance value. The element has an extremely thin Si-doped GaAs layer (p 2) 12 of the p-type and a GaAs layer (n 3) 13 of the η-type and a further Si-doped GaAs layer (p4) 14 of the p Type on the surface of the semiconductor plate 11 . The boundaries between the individual layers are represented by the connections / 12, / 23 and / 34. Each of the layers 12, 13, 14 is typically grown from the liquid phase by an epitaxial growth process in which a melt, such as a Ga melt, is also grown a GaAs source and Si admixture is applied as so-called amphoteric admixture to the surface of the semiconductor plate 11 and is successively cooled. Two intermediate layers 12 and 13 have a thickness dimension which is identical to the diffusion length of the minority carrier in GaAs, and are approximately 1 to 40 μm thick. The pnpn diode 10 is manufactured under the following conditions: the thickness of the GaAs plate of the η type is about 50 μ, the concentration of the free electrons by doping with Si is 1 · 10 18 / cm 3 , the thickness of the intermediate layers of the p -Type and η-type are both 2 to 10 μ, the charge carrier concentrations through Si are both around 1 · 10 18 / cm 3 , the upper p-type layer is around 100 μ thick and the charge carrier concentration is around 1 · 10 18 / cm 3 . A first ohmic contact 15 is connected to the η-type substrate 11, and a second ohmic contact 16 is connected to the upper p-type layer 14 .

Die Kontakte 15 und 16 dienen zur Zuführung einer Anregungsspannung von der Spannungsquelle 17 zur Vorspannung der Diode zwischen den Zuständen niedriger und hoher Niveaus. Der Spannungsweg schließt weiter eine Signalquelie 18 und einen Belastungswiderstand 19 (RL) ein.Contacts 15 and 16 are used to supply an excitation voltage from voltage source 17 to bias the diode between the low and high levels. The voltage path further includes a signal source 18 and a load resistor 19 (RL) .

Die pnpn-Diode 10 weist eine negative Widerstandscharakteristik vom stromgesteuerten Typ auf.The pnpn diode 10 has a negative resistance characteristic of a current-controlled type.

Fig.2 zeigt ein Spektrum der von der pnpn-Diode ausgesandten Strahlung. Die Wellenlänge der von der pnpn-Diode ausgesandten Strahlung liegt bei Zimmertemperatur etwa bei 940 ηιμ und bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs bei etwa 890 mu~ Die pnpn-Diode arbeitet also bei Zimmertemperatur zufriedenstellend. Die äußere Quantenausbeute der pnpn-Diode liegt bei 2 bis 3%.Fig.2 shows a spectrum of the pnpn diode emitted radiation. The wavelength of the radiation emitted by the pnpn diode is at room temperature around 940 ηιμ and at the temperature of liquid nitrogen at around 890 mu ~ The pnpn diode works satisfactorily at room temperature. The external quantum yield of the pnpn diode is 2 to 3%.

Es wird nun ein Beispiel für die Herstellung einerThere will now be an example of making a

pnpn-Diode der oben beschriebenen Art gegeben. Als Beimengung wird nur Si verwendet. Die drei Schichten pnp 12, 13 und 14 können auf einem Substrat 11 vom η-Typ in einem einzigen Prozeß durch, epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase gebildet werden. Bei GaAs können die Atome der Gruppe IV, wie Si, Ge und Sn, sowohl als Donatoren wie aucii als Akzeptoren wirken und werden deshalb als amphoterische Beimengungen bezeichnet Die Atome der Gruppe IV wirken als Donatoren, wenn sie ein Ga-Atom des GaAs-Giuers ersetzen, und als Akzeptoren, wenn sie As ersetzen. Im allgemeinen wird eine n-Typ-Schicht erhalten, wenn Si-dotiertes GaAs aus der geschmolzenen Phase im stöchiometrischen Zustand wächst, weil das aus der geschmolzenen Phase gewachsene GaAs überflüssiges Ga aus dem stöchiometrischen Zustand erhält infolge der Reduktion der Si-Konzentration im Ga-Gitter und eines Anwachsens der Si-Konzentration im As-Gitter. Das Wachsen der Si-dotierten GaAs-Ephaxialschicht nach dem Verfahren der Züchtung aus der flüssigen Phase bewirkt das Wachsen einer GaAs-Schicht vom n-Typ bei verhältnismäßig hoher Temperatur, während ein Übergang von η nach ρ im Wachsen bei abnehmender Temperatur auftrittGiven pnpn diode of the type described above. Only Si is used as an admixture. The three layers pnp 12, 13 and 14 can be epitaxial on a substrate 11 of the η-type in a single process Growth can be formed from the liquid phase. For GaAs, the group IV atoms such as Si, Ge and Sn, act both as donors and also as acceptors and are therefore as amphoteric admixtures The atoms of group IV act as donors if they are a Ga atom of the GaAs Giuers replace, and as acceptors when they replace As. In general, an n-type layer is obtained when Si-doped GaAs grows from the molten phase in the stoichiometric state because that from the Molten phase grown GaAs excess Ga from the stoichiometric state is obtained as a result the reduction in the Si concentration in the Ga lattice and an increase in the Si concentration in the As lattice. The growth of the Si-doped GaAs ephaxial layer by the method of growth from the liquid Phase causes an n-type GaAs layer to grow at a relatively high temperature while a transition from η to ρ occurs in the growth with decreasing temperature

Die Temperatur dieses Überganges vom n- zum p-Typ hängt von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Kristallorientierung des GaAs und der Art der Beimengung ab. Der Übergang wird auch durch die Temperaturabnahmegeschwindigkeit während des Wachsens beeinflußt. Dieser Übergang zeigt das oben beschriebene Verhalten bei Wachstum der p-Typ-Schicht zu Beginn der Abkühlung, während anschließend mit anwachsender Temperaturabnahmegeschwindigkeit eine n-Typ-Schicht wächst und darauffolgend ein spontaner Übergang zum Wachstum einer p-Typ-Schicht erfolgt Am Anfang sol! die Temperaturabnahmegeschwindigkeit 0,2°C/min betragen, damit eine Schicht vom p-Typ wächst. Schichten vom η-Typ und vom p-Typ wachsen aufeinanderfolgend bei einer hohen Temperaturabnahmegeschwindigkeit von 10°C/min. Das bedeutet, daß drei Schichten vom p-, n-, p-Typ allein durch Steuerung der Temperatur und der Temperaturabnahmegeschwindigke-t wachsen. Die Dicke der entsprechenden Schichten wird bestimmt durch die Temperaturabnahmegeschwindigkeit und die Dauer, und entsprechend kann die Dicke genau bestimmt werden durch richtige Steuerung der Wachstumszeit.The temperature of this transition from n- to p-type depends on various factors, such as the Crystal orientation of the GaAs and the type of admixture. The transition is also made by the Temperature decrease rate influenced during the growth. This transition shows that above described behavior with growth of the p-type layer at the beginning of the cooling, while afterwards with increasing rate of temperature decrease, an n-type layer grows and thereafter a spontaneous transition to the growth of a p-type layer occurs. At the beginning sol! the rate of temperature decrease 0.2 ° C / min to grow a p-type layer. Η-type layers and p-type grow successively at a high temperature decrease rate of 10 ° C / min. That is, three layers of p-, n-, p-type by controlling the temperature and the temperature decrease rate alone grow. The thickness of the corresponding layers is determined by the Temperature decrease rate and duration, and accordingly, the thickness can be accurately determined are made by properly controlling the growing time.

Eine nach dem obigen Verfahren gewachsene Si-dotierte GaAs-lichtemittierende Diode mit negativem Widerstand wird charakterisiert durch eine ausgezeichnete Quantenausbeute der Lichtemission, die etwa zehnmal so groß ist wie bei herkömmlichen Dioden.A Si-doped GaAs light-emitting diode with negative resistance grown by the above method is characterized by an excellent quantum efficiency of light emission, which is about ten times is as large as with conventional diodes.

D;r p-n-Übergang und seine Abhängigkeit von der Temperaturabnahmegeschwindigkeit kann phänomenologisch folgendermaßen erklärt werden: In einem Prozeß epitaxialen Wachstums aus einer Si-dotiertenD; r p-n junction and its dependence on the The rate of temperature decrease can be phenomenologically explained as follows: In one Process of epitaxial growth from a Si-doped

ίο Flüssigkeit wächst gewöhnlich, wenn Ga und As in der geschmolzenen Zone stöchiometrisch ausgeglichen sind, eine GaAs-Schicht vom η-Typ, weil das System dazu neigt, Ga-Leerstellen zu erzeugen, die durch Si-Atome besetzt werden.ίο Fluid usually grows when Ga and As are in the molten zone are stoichiometrically balanced, a GaAs layer of η-type because the system tends to generate Ga vacancies occupied by Si atoms.

Besitzt auf der anderen Seite das flüssige System ein gewisses Übermaß an Ga, dann wird die Situation umgekehrt Der wesentliche Parameter zur Steuerung der Situation ist das Überkühlungsphänomen nahe der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase bei einer gegebenen Temperatur, d. h., daß die Neigung zur Lieferung von Ga-Leerstellen oder As-Leerstellen durch die Differenz der Segregationskonstanten von Ga und As und die Diffusionskonstante von Si-Atomen in die Leerstellen bestimmt wird, die alle temperaturabhängig sind. Gemäß dem Grundexperiment sind bei einem flüssigen System mit einem Übermaß von Ga und niedriger Temperaturabnahmegeschwindigkeit mehr As-Leerstellen als Ga-Leerstellen vorhanden, so daß die Si-Beimengung die As-Leerstellen einnimmt, wodurch die p-Leitfähigkeit entsteht Bei hoher Temperaturabnahmegeschwindigkeit fördert ein Überkühlungsphänomen die Segregation von As-Atomen und ein relatives Anwachsen der Zahl der Ga-Leerstellen gegenüber der Zahl der As-Leerstellen, so daß eine Schicht mit η-Leitfähigkeit wächst.On the other hand, if the liquid system has some excess of Ga, then the situation becomes vice versa. The essential parameter for controlling the situation is the overcooling phenomenon near the Interface between liquid and solid phase at a given temperature, d. that is, the tendency to Delivery of Ga vacancies or As vacancies by the difference in the segregation constant of Ga and As and the diffusion constant of Si atoms into the vacancies is determined, all of which are temperature-dependent are. According to the basic experiment, in a liquid system with an excess of Ga and lower temperature decrease rate, there are more As vacancies than Ga vacancies, so that the Si admixture occupies the As vacancies, creating the p-conductivity at a high rate of temperature decrease a supercooling phenomenon promotes the segregation of As atoms and a relative one Increase in the number of Ga vacancies compared to the number of As vacancies, so that a layer with η conductivity increases.

Die Entwicklung dieser neuen Epitaxialwachstumstechnik ist in großem Maß nützlich beim Herstellen einer GaAs-lichtemittierenden Diode mit negativem Widerstand vom oben beschriebenen Typ.The development of this new epitaxial growth technique is widely useful in manufacturing a negative GaAs light emitting diode Resistance of the type described above.

Die Halbleiter aus den Komponenten der Gruppe III bzw. V außer GaAs sind GaP, InP, GaSb, GaN, AISb, AlAs, (GaAs)Al, Ga(AsP) und (GaAl)P, und die amphoterischen Beimengungen außer Si sind Ge und Sn. Das die Erfindung aufweisende Halbleiterbauelement kann aus allen obigen Halbleitermaterialien hergestellt sein.The semiconductors from the components of group III or V apart from GaAs are GaP, InP, GaSb, GaN, AISb, AlAs, (GaAs) Al, Ga (AsP) and (GaAl) P, and the amphoteric additions other than Si are Ge and Sn. The semiconductor component having the invention can be made from any of the above semiconductor materials be made.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. pnpn-Halbieiterelement aus vier aufeinanderfolgenden, wechselweise einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisenden Schichten, die aus der gleichen Halbleiterverbindung aus Elementen der Gruppe III bzw. V bestehen und eine Dotierung aufweisen und von denen mindestens eine Schicht durch epitaxiales Wachstum gebildet ist, wobei die Dicke der zwei Zwischenschichten mit der Diffusionslänge der Minoritätsträger in der verwendeten Halbleiterverbindung annähernd identisch ist, mit Mitteln zur Vorspannung der vier Schichten in Leitrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Schichten (12—14) aus der flüssigen Phase durch epitaxiales Wachstum gebildet sind und daß die Dotierung dieser drei Schichten (12—14) aus den gleichen amphoteren Dotieratomen besteht1. pnpn semiconductor element of four successive layers, alternately having an opposite conductivity type, which consist of the same semiconductor compound of elements of group III or V and have a doping and of which at least one layer is formed by epitaxial growth, the thickness of the two intermediate layers with the diffusion length of the minority carriers in the semiconductor compound used is approximately identical, with means for biasing the four layers in the conduction direction, characterized in that at least three layers (12-14) are formed from the liquid phase by epitaxial growth and that the doping of these three layers (12-14) consists of the same amphoteric doping atoms 2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterverbindurig GaAs ist und die amphoteren Dotieratome Si sind.2. Semiconductor element according to claim 1, characterized in that the semiconductor compound GaAs and the amphoteric doping atoms are Si.
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