DE2732808A1

DE2732808A1 - Licht emittierende einrichtung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2732808A1
Application number: DE19772732808
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Ito; Masahiko Kawata; Kazuhiro Kurata; Mitsuhiro Mori; Makoto Morioka; Yuichi Ono
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-07-21
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1978-01-26
Also published as: NL7708047A; CA1078949A; JPS5312288A; GB1581768A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Licht emittierende Einrichtungen mit hoher Strahlungsdichte für optische Übertragungssysteme sowie auf Verfahren zur Herstellung solcher Einrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung Licht emittierende Einrichtungen, die so aufgebaut sind, daß sie eine Ankopplung von Lichtleitfasern mit hohem Wirkungsgrad gestatten.

Stand der Technik sowie bevorzugte Ausführungsbeispiole der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Figur 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Licht emittierende Einrichtung nach dem Stand der Technik; Figur 2 einen senkrechten Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Einrichtung;

Figur 3 einen senkrechten Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Einrichtung;

Figur 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise in der Begrenzung des Strahlungsbereichs bei der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Einrichtung; Figur 5a bis 5e Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrynsschritte bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Einrichtung;

Figur 6a und 6b die Bauelemente, die erforderlich sind, um die erfindungsgemäße Licht emittierende Einrichtung als Leuchtdiode aufzubauen, bzw. den Aufbau der for\:>. zusammengebauten Leuchtdiode; und Figur 7 einen senkrechten Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Einrichtung.
Aus "Material of the Society for Researches in Light

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BAD ORIGINAL

Quantum Electronics, OQE 75-71", veröffentlicht vom Institute of Electrical Communication, 1975, Japan, ist eine Licht emittierende Einrichtung inform einer Leuchtdiode für optische Ubertragungszwecke bekannt. Wie in Figur 1 veranschaulicht, wird bei dieser bekannten Einrichtung auf einem Halbleitersubstrat 11, dessen Bandabstand größer ist als der eines Strahlungsbereichs, eine Epitaxialschicht 12 gezüchtet, die den entgegengesetzten Leitungstyp v/ie das Substrat aufweist. Danach wird zur Stromeingrenzung eine Glasschicht 13 derart aufgebracht, daß im Mittelbereich der Epitaxialschicht 12 ein Loch verbleibt. An der Unterseite des Substrats 11 wird ein Ohm'scher Kontakt 14, auf der Glasschicht 13 ein Ohm'scher Kontakt 15 angeordnet. Das Substrat 11 bildet mit der Epitaxialsohicht 12 einen pn-übergang 16. Dabei wird das in dem pn-übergang 16 erzeugte und abgestrahlte Licht durch ein Lichtaustrittsfenstor 17 in Richtung des Pfeiles L in eine (nicht gezeigte) Lichtleitfaser eingeleitet.

Eine weitere Einrichtung nach dem Stand der Technik ist in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr.

159 688/1975 offenbart. Diese Einrichtung uiufaßt ein Halbleitersubstrat aus einem Material, das einen ersten Bandabstand aufweist, sowie eine Epitaxialschjcht aus einem Halbleitermaterial, das einen gegenüber dem ersten Bandabstand größeren zweiten Bandabstand hat. Das Substrat und die Epitaxialschicht weisen den gleichen Loitungstyp auf. Durch Eindiffundieren von Zn von der Außenfläche der Epitaxialschicht ist dabei ein pn-übergang derart ausgebildet, daß er über die Epitaxialschicht hinaus in das Halbleitersubstrat hineinreicht.

Von diesen Einrichtungen nach dem Stand der Technik ist die erstere insofern nachteilig, als die Fläche, die von der Glasschicht zur Strotaeingrenzung bestimmt wird, nicht mit der Fläche des tatniiohlichen Strahlungsbereichs übereinstimmt, sondern daß .sich der Strahluiu.öberoich aufgrund des "Stromausbroitungs-Fhänoniar):?" rusdfhjrh. Da der pn-übergang 16 bis zu der seit'üohsn Schnittfläche IG reicht, gelangt er in

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Berührung mit der Außenluft und bewirkt infolge des Oberflächen-Rekombinationsstroms eine nicht-strahlende Rekombination, weshalb der äußere Wirkungsgrad gering ist. Ferner hat das Halbleitersubstrat 11, das den größeren Bandabstand aufweist, aufgrund der Herstellung des Kristalls eine niedrige Ladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von 1 R —^?

10 cm , und der spezifische Widerstand dar Ohm'sehen Kontakte mit den Elektrodenschichten 14, 15 ist verhältnismäßig groß, wodurch sich der Energie-Wirkungsgrad bei der Ankopplung der Lichtleitfaser vermindert.

Bei der zweiten Einrichtung nach dem Stand der Technik wird zwar der Oberflächen-Rekombinationsstrom durch den infolge der Eindiffundierung von Zn lokalisierten pn-Ubergang unterdrückt. Generell ist jedoch ein cindiffundierter Ubergang gegenüber einem gewachsenen LPE-Ubcrgang hinsichtlich der Perfektheit im Kristallaufbau des Strahlungsbereichs unterlegen. Daher ist auch bei dieser Einrichtung der äußere Wirkungsgrad niedrig. Ein weiterer Nachteil besteht bei dieser Einrichtung darin, daß die Lebensdauer kürzer ist als bei der Einrichtung mit gewachsenem Übergang.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Einrichtungen nach dem Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise zu beseitigen. In Anbetracht des oben geschilderten Standes der Technik kann eine speziellere Aufgabe der Erfindung darin gesehen werden, eine Licht emittierende Einrichtung zu schaffen, bei der infolge ihres Aufbaus das Phänomen beseitigt ist, gemäß dem die Fläche des Strahlungsbereichs größer wird als die von einer Glasschicht zur Stromeingrenzung bestimmte Fläche, so— wie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Einrichtung anzugeben.

Die erfindungsgemäße Licht emittierende Einrichtung umfaßt dazu ein Halbleitersubstrat aus einer Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppen des Periodensystems mit einem Bandabstand, der größer ist als der eines Strahlungsbereichs sowie mit einem gewissen Leitungstyp, eine auf die obere Fläche

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des Halbleitersubstrats aufgebrachte Halbleiterschicht aus einer zweiten III-V—Verbindung, die den entgegengesetzten Leitungstyp wie das Substrat aufweist, eine auf die obere Fläche der Halbleiterschicht aufgebrachte Stromsteuerschicht, die ein Loch für den Stromfluß aufv/eist, eine hohe Ladungsträgerkonzentration oder einen geringen spezifischen Widerstand und den gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat hat, einen auf den oberen Flächen der Stromsteuerschicht und der Halbleiterschicht aufgebrachten Ohm'sehen Kontakt sowie einen an der unteren Seite des Halbleitersubstrats vorgesehenen Ohm'sehen Kontakt. Eine derartige Licht emittierende Einrichtung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch epitaktisches Wachstum aus der Flüssig- oder Dampfphase hergestellt, wobei die Stromsteuerschicht durch Diffusion gebildet wird.

Erfindungsgemäß ist also der Übergang für die Strahl\mg nicht durch Diffusion sondern durch epitaktisches Wachstum aus der Flüssig- oder Dampfphase gebildet; außerdem erfolgt die bereichsmäßige Eingrenzung für den Übergang durch den Gegenspannungseffekt des pn-Übergangs. Ferner ist der Ohm'sche Kontaktbereich der Halbleiterverbindung mit dem größeren Bandabstand auf eine genügend hohe Ladungsträgerkonzentration eingestellt, so daß sein Kontaktviderstand verringert ist. Der ein Lichtaußtrittsfenster bildende Bereich ist nicht mit Stör-Stoffen dotjert und auf einer niedrigen Ladungsträgerkonzentration belassen, wodurch sich die innere Lichtabsorption verringert. Somit läßt sich eine Licht emittierende Einrichtung erzielen, die insbesondere als Leuchtdiode für tjbertragungszwecke unter Verwendung einer Lichtleitfaser hervorragende Eigenschaften aufv/eist.

Im folgenden sind bevorzugte AusfUhrungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1

In Figur 2 ist mit 21 eine lichtdurchlässige Kristallschicht bezeichnet, die aus einer p-leitenden Schicht mit einem Bandabstand besteht, der größer ist als der Bandabstand

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eines Strahlungsbereichs. Mit 22 und 23 sind η- bzw. n⁺- Kristallschichten bezeichnet, die auf eier Kristall^chicht 21 nacheinander und kontinuierlich aufgev/achsen sind. Mit 24 und 25 sind selektiv erzeugte Zn-Diffusionsschichten bezeichnet, die in der p-leitenden Kristallschicht 21 bzv/. in der η-leitenden Kristallschicht 22 und der n⁺-leitenden Kristallschicht 23 ausgebildet sind. Die Zn-Diffusionsschicht 2h weist gegenüber einer Elektrodenschicht 26 einen niedrigen Kontaktwiderstand auf. Ähnlich hat die Zn-Diffusionsschicht 25 einen geringen Kontaktwiderstand gegenüber einer v/eiteren Elektrodenschicht 27 und wirkt, wie im folgenden beschrieben wird, auf einen pn-übergang 29 derart, daß der pn-Übergangsstrom eingegrenzt wird. Die Elektrodenschichten 26 und 27 für den Ohm'sehen Kontakt mit den p- bzw. η-leitenden Schichten bestehen aus Metall. Bei 28 ist ein Fenster gezeigt, durch das die Strahlung in Richtung des Pfeiles L austritt, wobei an diesem Teil eine (nicht gezeigte) Lichtleitfaser angebracht ist. Der pn-Uborgang 29 v/ird durch epitaktisches Aufwachsen aus der flüssigen Phase erzeugt. Durch Steuerung der Diffusionstiefe der Zn-Diffusionsßchicht in der η-leitenden Kristallschicht 22 und der n⁺-leitenden Kristallschicht 23 läßt sich der Strahlungsbereich mit Abmessungen erzeugen, die den Abmessungen des Strahlungsaustrittsfensters 28 entsprechen. Erfindungsgemäß v/ird also die Zn-Schicht 25 in die nleitende Kristallschicht 22 und die n⁺-leitende Kristallschicht 23 unter Steuerung der Diffusionstiefe eindiffuniert, wodurch derStrahlungsbereich auf eine geringe Fläche des pn-Übergangs 29 begrenat wird, wie dies in folgenden erlüutcrt vorden soll. Dadurch wird es möglich, Lichtemission mit sehr hoher Strahlungsdichte zu erzielen. Die Oberfläche der Elektrodenschicht 27 für den Ohm'sehen Kontakt mit der η-leitenden Kristalischichi wird so gebildet, daß er eben wird und über der n⁺-leitenden Kristallschicht 23 und der Zn-Diffusionsschicht 25 keinerlei Unebenheiten aufweist, so daß die Elektrodenschicht 27 durch engen Kontakt mit einem (nicht gezeigten) Kühlkörper Warne mit gutem Wirkungsgrad abstrahlen kann.

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3d! der Licht emittierenden Einrichtung nach dem vorliegende;, AusIührungLjbeispiel kann die ülektrodenschicht 26, wie in Figur 3 gezeigt, auch ohne die Zn-Diffusionsschicht 24 direkt an der Unterseite der p-leitenden Kristallschicht 21 angeordnet sein.

Im folgenden soll erläutert werden, daß bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau der Stromflußbereich auf lediglich einen speziellen Teil begrenzt ist, v/obei die Strahlung von einer geringen Fläche des pn-Übergangs aus erfolgt. Figur h zeigt dazu die Strompfade bei Anlegen einer Spannung an die in Figur 2 gezeigte Licht emittierende Einrichtung. Dabei lassen sich drei Fälle denken, gemäß denen Elektronen von der Elektrodenschicht 27 für den Ohm'sehen Kontakt mit der η-leitenden Kristallschicht ausgehen und sich längs den gestrichelten Teilen Λ, B bzw. C bewegen. Fließen die Elektronen über eine lange Strecke durch die n-leitende Kristallschicht 22, was durch den Pfeil B angedeutet ist, so ist der '/Widerstand viel höher als in dem Fall, daß die Elektronen längs des Pfeiles Λ fließen. Daher ist die Anzahl von Elektronen, die sich längs des Pfeiles B bewegen, nahezu Null. Da der pn-übergang D zwischen der η-leitenden Kristallschicht 22 und der p-leitenden Zn-Diffusionsschicht 25 in Sperrichtung vorgespannt ist, können die Elektronen nicht längs des Pfeils C fließen. Somit bewegen sich die Elektronen ausnahmslos längs des Pfeiles A, wobei sich innerhalb des pn-Ubergangs 29 in dein durch eine dicke Linie markierten Teil E die Ströme zusammendrängen, so daß von diesem Teil E aus Licht mit hoher Strahlungsdichte gemäß dem ausgezogenen Pfeil L emittiert wird.

Es ist auch möglich, die gemäß Figur 2 und 3 auf der nleitenden Kristallschicht 22 vorgesehene n⁺-Kristallschicht wegzulassen und den entsprechenden Teil als η-leitenden Teil auszubilden.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, löst die erfindungsgemäße Licht emittierende Einrichtung gleichzeitig die beim Stand der Technik auftretenden Probleme, nämlich des

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Stromausbreitungs-Phänomens des Strahlungsbereichs, der dem Oberflächen-Rekorr.Mrationsstrcn zuzuschreibenden Vereine¹ arv.v.j des äußeren Wirkungsgrads, der kurzen Lebensdauer, der geringen Zuverlässigkeit usw.
Ausführun/rsbeisplel 2

Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Licht emittierenden Einrichtung wird im folgenden anhand der Figuren 5a bis 5e beschrieben.

Wie in Figur 5a dargestellt, wird auf einem III-V-Halbleitersubstrat,der mit einem einen vorgegebenen Leitungstyp erzeugenden Störstoff dotiert ist, beispielsweise auf einem n- oder p-leitenden (1 0 O)-GaAs-Substrat 30 mit ein^i¹ Ladungs-

17 —3 trägerkonzentration in der Größenordnung von 10 cm , eine Schicht 31 aus Ga₁ Al As (mit 0 < χ ^ 1) durch epitaktisches Wachstum aus der flüssigen Phase in einer Dicke von etwa 200 uPi derart gezüchtet, daß beispielsweise der Wert κ von der Substratoberfläche nach oben hin von 0,4 auf 0,1 kontinuierlich abnimmt. Anschließend wird die epitaktische Schicht 31 poliert, bis die AlAs-Zusammensetzung an der oberen Fläche einen Anteil von mehr als *\5 % (x > 0,15) annimmt und die Fläche spiegelnd wird. Bei einer Kapazitäts-Spannungs-Messung ergab sich eine Ladungsträgerkonzentration der Kristallschicht 31 zu

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5 x 10 ciii . In dem nächsten Verfahrensschritt werden auf der Kristallschicht 31 als Träger unter Anwendung eines Gleit-Verfahrens mit Hilfe eines Graphit-Schüttlers (jig) eine erste Schicht 32 (aus p-leitendem Ga₁ Al As mit 0 < χ = 1), eine zweite Schicht 33 (aus η-leitendem Ga₁ „Al„As mit 0 < χ = 1) und eine dritte Schicht 3'+ (aus η -leitendem Ga-j__xAl_xAs mit 0 < χ = 1) nacheinander und kontinuierlich durch Kristallwachsturn aus einer Ga-Lösung gezüchtet (wobei in der Lösung GaAs oder Al als gelöstes Material sowie Zn oder Si als Störstoff zur Erzeugung einer p-Leitung oder Te als Störstoff zur Erzeugung einer η-Leitung verwendet werden).

Die Dicken betrugen dabei für die erste Schicht 32 etwa 30 _um, für die zweite Schicht 33 etv/a 2 _um und für die dritte

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Schiel«' 3^ etwa 1 _um. Die Ladungsträgerkonzentration der einzelnen Schichten wird durch die Zugabemenge der Jeweiligen Störstoffe Zn, Si und Te gesteuert und betrug in dem gewählten Ausführungsbeispiel 2 bis 3x10 cm bzw. 1 χ 10¹⁸ cm"³ bzw. 5 χ 10 ⁸ cm"³.

Anschließend werden gemäß Figur 5b Teile des Substrat:; 30 und der Kristallschicht 31 poliert und entfernt, so daß die Gesamtdicke auf etwa 150 _ura gebracht wird, und die freiliegende Oberfläche der Kristallschicht 31 wird spiegelpoliert.

Auf der vorderen und der rückwärtigen Fläche des so gebildeten Aufbaus werden sodann ein 1000 A dicke Al₂O^-FiIm 35 sowie eine 2000 A dicke PSG-Scbicht 36 ( Phosphosilikatglas) auf getragen. Sodann v/erden die äußeren Randteile der Schichten 35 und 36 entfernt (bei Herstellung der in Figur 3 gezeigten j2i »richtung v;erden die Schichten 35 und 36 auf dor gesamten Bodenfläche aufgetragen), wodurch auf der Seite der dritten Schicht J>k eine Diffusionsmaske mit einem Durchmesser von Uo _um und auf der Seite der Kris Lallschicht 31 eine Diffusionsrnasko mit einem Durchmesser von 150 _um erzeugt v/crden.

Dar so erhaltene Aufbau v/ird dann gemeinsam mit einer ZnASp-Qunllo in eine Quarzampulle vakuumdicht eingeschlossen, und durch V/ärmebehandlung bei 650° C während einer Dauer voi 120 Minuten v/erden die in Figur 5c gezeigten Zn-Diffusionsschichten 37 und 32 mit einer Dicke von etwa 2,5 um ausgebildet. (Bei Herstellung der Einrichtung nach Figur 3 wird die Glasschicht mit Ausnahme des Lichtaustrittsteils an der Unterseite des Substrats vorher entfernt.) Der Abstand zwischen der Diffusionsfläche Λ der Zn-Diffusionsschicht 37 und der ersten Schicht 32, d.h. die Dicke der zweiten Schicht an diesem Teil beträgt dabei etwa 0,5 u^m·

Anschließend wird gemäß Figur 5d unter Verwendung der Schichten 35 und 36 als Verdampfungsmanke AuZn oder AuSbZn in oinor Dicke von etv/a 2 _um aufgedampft, wodurch die Elcktrodenschicht 39 als 0hm'scher Kontakt gegenüber der p-leitenden Schicht gebildet wird.

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Wie ferner in Figur 5e gezeigt, werden derjenige Teil der Elektrodenschicht 39, der dem Lichtaustrittsfenster 42 entspricht, sowie die Schichten 35 und 36, die als Diffusicnsmaske verwendet v/orden sind, fotolithografisch entfernt. Vorher wird die Diffusionsmaske (die Schichten 35 und 36) an der η-Seite bzw. an der in der Darstellung oberen Seite mit Apiezon (Hahnenfett) überzogen. Nach Abschluß der fotolithografischen Behandlung wird das Apiezon mit Trichloräthylen entfernt, woraufhin die als Diffusionsmaske auf der n-Seite verwendeten Schichten 35 und 36 entfernt werden. Anschließend wird auf die obere Fläche des sich ergebenden Aufbaus eine AuGe-Ni-Au-Schicht 40 mit einer Dicke von etwa 1 _um aufgedampft, die eine Elektrodenschicht als Ohm'sehen Kontakt für die η-Seite bildet. Auf die Elektrodenschicht 40 v/ird ferner durch elektrolytisches Plattieren eine Au-Schicht 41 mit einer Dicke von etwa 9 um aufgetragen.

Der so erhaltene Plättchenaufbau wird durch Anreißen zu einem Chip mit etva 600 _um χ 600 _um geschnitten. Auf dieise Weise wird ein Leuchtdiodenchip ( der im folgenden als LED-Chip abgekürzt wird) als erfindungsgemäße Licht emittierende Einrichtung gewonnen.

In einem konkreten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform wird als Ausgangssubstrat ein GaAs-Substrat verwendet, und die aufgewachsene Substanz wird dadurch erzeugt, daß mit dem Substratmaterial eine Mischkristallschicht gezüchtet wird, die einen größeren Bandabstand aufweist, als das Substratmaterial. Der Verfahrensschritt, bei dem die n⁺-leitende Mischkriatallschicht erzeugt wird, braucht bei einigen Bauformen nicht durchgeführt zu werden.

Die Schnittdarstellung der Figur 6a veranschaulicht die einzelnen Bauelemente, die zur Herstellung einer Leuchtdiode gemäß dem oben beschriebenen LED-Chip erforderlich sind, während in Figur 6b die fertige Leuchtdiode dargestellt ist. In diesen beiden Figuren ist mit 61 ein Fuß mit einem Isolierteil 61a gezeichnet, mit 62 eine Unterlage, mit 63 der erfindungsgemäße LED-Chip, mit 64 ein Anschlußstück und mit

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eine Lichtleitfaser.

Die Vorrichtung wird folgendermaßen zu r> a mm en gebaut. Zunächst werden die Unterlage 62 und der LED-Chip 63 zu einem einheitlichen Gebilde verklebt oder in sonstiger Weise verbunden. Dieses Gebilde wird sodann mit der unteren Fläche des AnschlußstUcks 64 verklebt oder in sonstiger Weise verbunden. Der sich so ergebende Aufbau wird innerhalb des Fußes 61 über eine Schicht 66 aus niedrig schmelzendem Metall wie etv/a Indium angebracht, woraufhin der Fuß 61 und das Anschlußstück 64 durch ein Epoxyharz 67 hermetisch fixiert werden. Daraufhin wird die Lichtleitfaser 65 durch das Anschlußstück 64 geführt, mit ihrer unteren Stirnfläche in dichten Kontakt mit dem Lichtaustrittsfenster des LED-Chips 63 gebracht und mittels Epoxyharz 68 an dem AnschlußstUck 64 fixiert.

Nach der Montage wurden Messungen vorgenommen. Dabei wurden die im folgenden angegebenen charakteristischen Werte erzielt. Die Lichtleitfaser 65 hatte eine rumerische Apertur von 0,16, einen Kerndurchmesser von 85 um und eine Länge von 50 cm. Bei einem Gleichstrom von 100 mA betrug die Ausgangsleistung der optischen Faser im Durchschnitt 350 _UW, die Mitten-Wellenlänge der Lichtemission 8300 A und die Halbwertsbreite der Spektralverteilung 270 A. Als Lichtausgangsleistung des Chips ohne eingesetzte Lichtleitfaser wurde der erhebliche V/ert von 4 bis 7 mW erzielt. Der thermische Widerstand betrug nur 30 bis 50 °/W.

Im vorliegenden Fall war der thermische V/iderstand so gering wie oben angegeben, und die Wärmestrahlung war günstig, so daß nur geringe Sättigung der Lichtausgangsleistung über der Zunahme des Vorspannstroms auftrat. Betrugen der Vorspannstrcm 1·?0 ^Aq und der Modulationsgrad 40 %, so lag die Modulationsverzerrung der Lichtausgangsleistung nur bei -50 dB. Die Strom-Spannungs-Kennlinie wurde ebenfalls untersucht. Dabei zeigte sich, daß kein Leckstrom auftrat und die Einrichtung die guten Eigenschaften einer Durchlaßspannung von 1 ,65 V (Ip = 100 mA Gleichstrom) und einer Durchschlagspannung

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von etwa 10V aufwies.

■'..rner wurde der Strahlungsbereich gemessen. Dabei ergab sich, daß der Strahlungsdurchmesser sehr klein war, nämlich etv/a 45 um betrug, und es erwies sich, daß der Strahlungsbereich gegenüber dem durch die selektiv eingebrachte Zn-Diffusionsschicht 25 in Figur 2 begrenzten Bereich kaum verbreitert war. Erfindungsgemäß läßt sich also eine Lichtemission außerordentlich hoher Strahlungsdichte von einer sehr kleinen Fläche erzielen.

Ausführungsbeispiel 3

Bei dem in Figur 7 im Schnitt gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Lichtaustrittsfenster 51 so gebildet, daß ein dem Lichtaustrittsfenster 28 in Figur 2 entsprechender Teil durch Masken-Ätzen unter Verwendung eines Ätzmittels aus H₂SO^ - H₂O₂ - H₂O entfernt wird. Bei diesem Aufbau braucht ein p⁺-leitender Bereich 47 in dem p-loitenden Teil nicht durch selektive Diffusion gebildet zu werden; vielmehr kann er dadurch erzeugt werdon, daß noch Diffusion über den gesamten Bereich der Plä'ttchenoberflache ein Entfernen durch Maskenätzung bis zu einer Tiefe erfolgt, die etwas größer ist als die Diffusionstiefe, wobei also der mit Hilfe einer Maske ausgeätzte Teil etv/as tiefer wird als die Diffusionsschicht 47. Die übrigen Fertigungsschritte können ähnlich wie nach Figur 5a bis 5e durchgeführt v/erden.

Ein Vorteil des vorliegenden Aunführungnbeispjols besteht darin, daß durch geeignete Wahl des Durchmessers für das auszuätzende und zu entfernende Lichtaustrittsfenster 51 die Ankopplung der Einrichtung on eine Lichtleitfaser unter sehr guter Bedingung erfolgt, so daß der mühsame Arbeitsgang,Masken in Fluchtung zu bringen, entfallen kann. Dabei besteht der zusätzliche Vorteil, daß durch ein derartig tiefes Ausätzen und Entfernen die Lichtausgangsleistung um den Betrag erhöht v/ird, der dem Anteil an Lichtabsorption durch den ausgeätzten Teil entspricht.

In Figur 7 ist mit 43 eine p-leitende Schicht, mit 44 eine η-leitende Schicht, mit 45 eine n⁺-leitende Schicht mit

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46 und 47 Gleichzeitig erzeugte Zn-Diffusionsschichten, mit 40 ein pn-übergang, mit 49 eine Elektrodenschicht zum Ohm¹ sehen Kontakt an der η-Seite und mit 50 eine Elektrodenschicht zum Ohm'sehen Kontakt an der p-Seite bezeichnet. In den obigen Ausführungsbeispielen ist nur der Fall angegeben v/orden, daß als Halbleitermaterial Ga₁ Al_vAs ( mit 0 < χ = 1) verwendet wird. Ähnliche Effekte werden jedoch auch mit Mischkristallen anderer IIJ-V-Halbleiter erzielt, beispielsweise mit GaAs₁^_xP_x (mit 0 < χ = 1), In_xGa₁^_xAs (mit 0 < χ = 1), GaAs₁ Sb (O = χ < 1) und Ga₁ In P (0=x < 1) oder mit Hetero-Ubei'gängen unter Verwendung von jeweils unterschiedlichen III-V-Halbleitermaterialien. Der Vorgang dos Kristallwachstums beschränkt sich nicht auf ei3?. Aufwachsen aus der flüssigen Phase; vielmehr können durch Züchtung aus der Dampfphase ähnliche HersteHverfahren angewendet und ähnliche Effekte erzielt werden.

Ferner sind in der obigen Beschreibung zur einfacheren ErILVu le rung ^ ie erfindungogCiViUncn Ausiuhrungsboispiele für denjenigen Fall dargestellt worden, daß einzelne Licht emittiertmde Einrichtungen erzeugt werden; die Erfindung läßt sich jedoch in gleicher V/eise auch zur Herstellung eines Funktioncelemnnts armonden, bei dem eine große Anzahl von Leuchtdi cclen in einem einzigen geroeinsamen Halbleitersubstrat integriert sind.

V/ie ο!"cn angegeben, ist orfinriungsgemäß der Strahlungsbereich eines pn-Übergangs auf eine sehr kleine Fläche begrenzt, wodurch Lichtemission mit hoher Strahlungsdichte und hohem '.virkuu/vsgrad erzielt wird. Dabei ist an einem Kontaktteil mit einer Elektrodenschicht eine Diffusionsschicht hoher Ladungsträgerkonzentration vorgesehen, um den Kontaktwiderstand zu verringern, während ein Lichtdurchlaßteil mit niedriger Ladungsträgerkonzentration belassen ist, um die Lichtabsorption zu verringern,und außerdem läßt sich die Ankopplung einer Lichtleitfaser leicht durchfuhren, so daß die e rf in dung ε geinäße Einrichtung als Licht emittierende Einrichtung sehr effektiv ist.

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Leerseife

Claims

ρVTENTANW/lt- it /32808

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MÖNCHEN ΘΟ
POSTADRESSE: POSTFACH 95Ο16Ο, Ο-8000 MÖNCHEN BS

HITACHI, LTD. 20. Juli 1977

DA-5A89

Licht emittierende Einrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

PATENTANSPRÜCHE

/iΛ Licht emittierende Einrichtung, gekennzeichnet durch ein III-V-Halbleitersubstrat, dessen Bandabstand größer ist als der eines Strahlungsbereichs, eine auf der oberen Flüche des Halbleitersubstrats angeordnete zweite III-V~Halbleiterschicht, deren Leitungstyp von dem des Substrats verschieden ist, eine die obere Fläche der Halbleitorschicht (22) bedeckende Stromsteuerschicht (25) mit einem Stromflußloch, eine auf der Stromsteuerschicht (25) angeordnete erste Elektrode (27), die in Ohm'schem Kontakt mit der Halbleiterschicht (22) steht, sov/ie eine mit der unteren Flüche dos Halbleitersubstrat.'^ (21) in Ohm'sches Kontakt stehende zweite Elektrode (26), die in ihrem mittleren Teil ein Lichtaustrittsfenster (28) aufweist, wobei die Strornsteuerschicht (25) eine höhere Ladungsträgerkonzentration wie die Halbleiterschicht (22) und den entgegengesetzten Leitungstyp wie diese aufweist.. (Figur 3)

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der unteren Fläche des Halbleitersubstrats (21) und der zweiten Elektrode (26) eine Schicht (24) mit hoher Ladungsträgerkonzentration angeordnet ist. (Figur 2)
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innerhalb des Stromflußloches der Stromsteuerschicht (25) liegende obere Teil der Halbleiterschicht (22) aus einer Schicht (23) besteht, die eine Überschußdotierung mit einem einen Leitungstyp bestimmenden Störstoff aufweist. (Figur 2, 3)
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren Fläche des Halbleitersubstrats (43) ein dem Lichtaustrittsfenster der zv/eiten Elektrode (50) entsprechender Bereich durch Ausbildung einer Nut (51) erzeugt ist, die bis zu einer Stelle der Schicht (47) hoher Lndungsträgerkonzentration reicht. (Figur 7)
5. Verfahren zur Herstellung der Licht emittierenden Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(a) es wird ein IIT-V-Halbleiternubstrat gebildet, auf dein ein III-V-Halbleiter epitaxial gezüchtet wird, der einen größeren Bandabstand hat als das Substrat sowie einen vorgegebenen Lcitimgstyp, und zwar derart, daß das Verhältnis

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in der Zusammensetzung der III- und V-Elemente von der oberen Flache des Substrats aus sich ändert;

(b) die epitaxiale III-V-Halbleiterschicht wird von ihrer oberen Fläche aus bis zu einem Bereich, in der sie eino bestimmte Zusammensetzung hat, poliert und entfernt, und es werden drei Schichten übereinander epitaxial gezüchtet, deren Bandabstände größer sind als der eines vorgegebenen Strahlungsbereichs und die den entgegengesetzten I.oitimj'.ßtyp aufweisen;

(c) ein Teil des Substrats an der Unterseite des so gebildeten Halbleiteraufbaus sowie ein Teil der epitaxial gezüchteten Schicht an der Oberseite werden polj crt und entfernt.;

(d) die obere Fläche und die untere Fläche des so gebildeten Ilalbleiter.vüfbnus vciJen !»it Glus.'jchicht'jn ("ccr^cgoi:, w— bei derjenige Teil der.Ginsschicht an der oberen Flache entfernt wird, der nicht dem Bereich der Stromzuführung in das Halbleitersubstrat entspricht;

(c) in den so gebildeten Halbleitcraufbau wird ein Störstoff eindiffundiert, der den gleichen Leitimgstyp wie d?.e zvoi·- te epitaktische Schicht erzeugt;

(f) die Glasschichten an der oberen und an der unteren FjKcIh! des Halbleiteraufbaus werden entfernt; und

(g) mit denjenigen Teilen der oberen und der unteren Fläche des so gebildeten Ilalbleiteraufbaus, die nicht einem Lichtaustrittsteil entsprechen, vnrrion I-fot-jLlleloktroden in Ohm'sehen Kontakt r;o"Or^richt.

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6. _t Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung der Licht emittierenden Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Schritt (d) derjenige Teil der Glasschicht an der unteren Fläche entfernt wird, der nicht dem Lichtaustrittsteil entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung der Licht emittierenden Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e kennze ichnet , daß im Anschluß an den Schritt (b) auf der letzton Epitaxialschicht eine Epitaxialschicht ange-

5 ordnet wird, die mit einem Störstoff, der den gleichen Leitungstyp wie in der letzten Epitaxialschicht erzeugt, im Überschuß dotiert wird, und daß im Anschluß an den Schritt (d) derjenige Teil der im Überschuß dotierten iipitaxialschicht entfernt wird, der nicht mit einer Glasschicht versehen ist.

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