DE2942508A1 - Lichtemittierende diode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Lichtemittierende diode und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Y.Z.Liu - S.Y.Chiang 5-1
Lichtemittierende Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Kleinflächen- liohUfflittiererxlc· Diode
der oberflächenemittierenden Art mit einer Mehrzahl von epitaktischen
Halbleiterschichten.
Bei verhältnismäßig großen Stromdichten und bei Raumtemperatur strommodulierbare Kleinflächen-Elektrolumineszenzdioden finden
zunehmend Anwendung als Lichtquellen bei Nachrichtenübertragungssystemen mit Multimode-Lichtleitern. Dank der modernen Flüssigphasenepitaxie
und anderer inzwischen hochentwickelter Techniken zur Herstellung von integrierten Schaltungen und Halbleitern
mit diffundierter Sperrschicht können nunmehr lichtemittierende
Dioden ausreichend klein für eine wirksame Ankoppelung an das Ende eines Machrichtenübertragungs-Lichtleiters hergestellt
werden. Der aktive, lichtemittierende Bereich bei diesen Dioden
soll einen sehr kleinen Durchmesser von einigen .u bis etwa 100 ,u aufweisen.
Es sind bereits eine Anzahl von lichtemittierenden Dioden für diesen Zweck entwickelt worden . Eine der zur Verfügung stehenden
Typen ist eine oberflächenemittierende, lichtemittierende Diode mit Doppelheterostruktur, wie sie in dem Aufsatz "Optical Fiber
Technology" in "Optics Communications" Vol. 4, Dezember 1971,
Seiten 307 bis 309 beschrieben ist. Dieser Aufsatz von C.A.Burrus und B.I.Miller der Bell Telephone Laboratories beschreibt
die sogenannte "Burrus-Diode".
Fsei dieser bekannten "Burrus-Diode" ist es jedoch erforderlich,
die umfangreiche Ätzung eines Grabens in einem ziemlich dicken Halbleitersubstrat vorzunehmen, damit die erzeugte Lichtenergie
in der gewünschten Richtung emittieren kann.
030018/0910 ~'~
Y.Z.Liu - S.Y.Chiang 5-1
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine lichtemittierende
Diode zu schaffen, deren Herstellung weniger aufwendig ist und bei der die Stromverteilung gesteuert ist,
damit eine wirksame der Strahlungsrichtung der "Burrus-Diode" entgegengesetzte Lichtstrahlung erzeugt wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch folgenden Aufbau gelöst
:
a) ein Substrat aus dotiertem n- oder p-leitendem, Gallium
und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff, welches einseitig
mit einem metallischen Träger verbunden ist,
b) eine sperrende Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem
Werkstoff, welche eine Struktur mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp bildet und mit einem bis auf die
Oberfläche des Substrats durchgeführten Loch geringen Durchmessers
versehen ist,
c) eine vierschichtige Doppelheterostruktur auf der sperrenden
Schicht bestehend aus:
einer anschließenden Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des gleichen
Leitfähigkeitstyps wie das Substrat,
einer aktiven lichtemittierenden Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps,
einer dritten Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des entgegengesetzen Leitfähigkeitstyps,
und einer Deckelcchicht aus dotiertem, Gallium und Arsen
enthaltenden Halbleiterwerkstoff des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
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Y.Z.Liu - S.Υ.Chiang 5-1
wobei die HeteroStruktur Schichtd Lc ken , Zusammen.;οt zünden
und eine Oberflächenstruktur besitzt, daß bei richtiger Energieversorgung eine im Wesentlichen axiale Lichtstrahlung
durch die Deckelschicht erfolgt,
d) eine metallische Kontaktschicht auf der Deckelschicht, und wenigstens die metallische Schicht besitzt ein weiteres
Loch geringen Durchmessers, das mit dem ersten Loch fluchtet und aus dem das erzeugte Licht austritt.
AusfUhrungsbeispiele und Verfahren zur Herstellung der erfin-
dungsgemäßen Diode sind in den Ansprüchen 2 bis 12 enthalten.
Sie ist nachstehend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
lichtemittierenden Diode,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform der lichtemittierenden Diode gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der lichtemittierenden Diode gemäß Fig. 1.
In allen drei Figuren sind die Schichtdicken und die Dimensionen der Struktur nicht notwendigerweise maßstabsgerecht dargestellt.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden, lichtemittierenden
Diode gemäß Fig.l soll folgendermaßen hergestellt werden:
1) Das Ausgangsmaterial bei der gezeigten Ausführungsform ist ein Substrat 11 von η-leitendem Galliumarsenid (n-GaAs).
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Y.Z.Liu - S. Y.Chiang 5-1
2) Zunächst wird eine relativ dünne sperrende Schicht 12 aus p-leitendem Galliumarsenid (p-GaAs) durch Flüssigphasenepitaxie auf dem Substrat 11 erzeugt. Eine geeignete Dicke
liegt im Bereich von 0,3 bis 5 /U. Die Schichten 11 und
12 werden dann aus dem Plüssigphasenepitaxie-Ofen herausgenommen .
3) Unter Verwendung der bekannten Photoresist-Ä'tztechnik wird
dann ein kleiner Bereich durch die Schicht 12 bis auf die Oberfläche des Substrats 11 weggeätzt. Dieser Bereich kann
ein kleines kreisrundes Loch, wie in Fig. 1 zu erkennen, mit dem Durchmesser A von etwa 50 ,u sein.
l\) Der geätzte Aufbau wird dann wieder in den Ofen gebracht, und
es wird auf ihm eine Doppelheterostruktur erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1 sollen die vier
Schichten folgende Zusammensetzungen und physikalische Eigenschaften besitzen:
a) Die Schicht 13 besteht aus η-leitendem Gallium-Aluminium-
Arsenid, beispielsweise der Formel n-Ga1 Al As mit
' 1-x χ
x ^ 0,3. Eine solche Schicht besitzt eine niedrige Absorption
bei der erwünschten, zu emittierenden Lichtwellenlänge, deren Größe etwa O75 bis 0,9 M beträgt.
b) Die Schicht 1*1 ist die aktive, emittierende Schicht aus
p-leitendem,Gallium und Arsen enthaltenden Halbleiterwerkstoff, beispielsweise p-leitendes Galliumarsenid (p-GaAs)
oder p-leitendes Gallium-Aluminium-Arsenid der Formel P-Ga1 Al As mit y^ 0,05 bis 0,1.
i-y y J * '
c) Die Schicht 15 ist der Schicht 13 ähnlich, jedoch von
entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitendes Gallium-Aluminium-Arsenid der Formel p-Ga„ A] As
1-x χ
mit χ —/ 0,3· Wie bereits unter 3a erwähnt, besitzt eine
solche Schicht eine niedrige Absorption bei der erwünschten, zu emittierenden Lichtwellenlänge. Die Bandlücke der
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29425Γ.8
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Schichten 13 und lH ist wesentlich größer als die der
dazwischen liegenden aktiven Schicht 14. Somit ist die
Schicht 15 bei den gewünschten Wellenlängen im Wesentlichen
transparent.
d) Die Schicht 16 ist die Deckelschicht der HeteroStruktur. In Fig. 1 besteht sie aus p-leitendeiu Galliumarsenid
(p-GaAs).
Damit ist die Herstellung der Halbleiterschichtanordnung und der Sperrschichten mittels Flüssigphasenepitaxie beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 beendet.
5) Der nächste Schritt besteht darin, eine Metallschicht 17 und einen Anschlußdraht 18 auf der Halbleiterschichtenanordnung
anzubringen. Ebenfalls unter Anwendung bekannter Photoresist-Ä'tztechniken wird ein kleiner Bereich unmittelbar oberhalb
des Loches mit dem Durchmesser A aus der Metallschicht herausgeätzt. Dies kann gleichfalls ein kleines kreisrundes
Looh mit dem Durchmesser B sein, das zentrisch zur Längsachse 19 durch den Mittelpunkt des Loches mit dem Durchmesser A angeordnet
ist. Es weist vorzugsweise die gleichen oder geringfügig größere Abmessung wie das Loch mit dem Durchmesser A
auf.
6) Danach wird das Loch in der Schicht 17 weiter durch die p-GaAs Schicht l6 bis zum Erreichen der Oberfläche der Schicht 15 geätzt.
Dabei kann es zwangsläufig zu einer Hinterschneidung der Schicht 17 kommen, welches - wie gezeigt - zu einem Loch
mit dem Durchmesser C führt, jedoch wäre es ideal, wenn der
Durchmesser nicht größer als B wäre.
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ORIGINAL INSPECTED
-Ll-
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7) Bei den üblichen Herstellungsverfahren für lichtemittierende Dioden werden eine große Anzahl der Anordnungen 10 gleichzeitig
auf einem verhältnismäßig großen Substrat erzeugt und gemeinsam geätzt. Diese werden dann in E inzelplättcheri zerschnitten,
von denen jedes eine einzelne lichtemittierende Diode - wie in Pig. I gezeigt - darstellt.
8) Der abschließende Herstellungsschritt besteht darin, die
untere Fläche des Substrats 11 zu metallisieren und mit einem metallischen Träger 20 zu verbinden, beispielsweise durch
die Lötschicht 21. Die untere Fläche des Substrats kann aber auch vor dem Aufbringen der Metallschicht 17 metallisiert
werden. Der Träger 20 dient üblicherweise sowohl als Kühlfläche als auch als elektrischeer Anschluß für die lichtemittierende
Diode 10 und sollte daher entsprechende Abmessungen und Formen besitzen.
Was die Wirkungsweise der lichtemittierden Diode 10 angeht, so wird davon ausgegegangen, daß eine entsprechende Gleichspannung
oder Gleichspannungsimpulse zwischen den Anschlüssen 18 und 20
angelegt werden. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist die von der sperrenden Schicht 12 erzeugte Strombegrenzung, so daß
der Stromfluß auf das Loch A und den Bereich unmittelbar oberhalb des Loches A konzentriert ist. Der aktive lichtemittierende
Rekombinationsbereich in der Schicht 14 liegt daher - wie durch
die Kreuzschraffur 22 kenntlich gemacht - oberhalb des Loches A. Diese Konzentration des Stromflusses gestattet es, die Lochbereiche
B und C ohne wesentliche Beeinflussung des Stromflusses
durch den Bereich 22 und die Deckelschicht 16 auszugestalten. Dieses wiederum gestattet es dem Lichtstrahl, dargestellt
durch die strichlierten Pfeile 23, durch das Dach der lichtemittierenden Anordnung auszutreten.
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- ir -
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Wie bereits erwähnt, ist diese Strahlrichtung der der "Burrus-Diode"
entgegengesetzt. Außerdem entfällt die Notwendigkeit für
einen tief geätzten Graben durch das Substrat. Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt einen besseren Wirkungsgrad und benötigt
einen geringeren Strom für die gleiche Lichtleistung, welches zur Erhöhung der Lebensdauer führt.
Die in Fig. 2 gezeigte, abgeänderte Anordnung 1OA ist bis auf eine Ausnahme mit der in Fig. 1 gezeigten identisch. Entsprechende
Elemente und Abmessungen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Ausnahme ist die Halbleiterschicht l6A,
welche nun die Deckelschicht der HeteroStruktur bildet und kein eingeätztes Loch besitzt. Bei dieser Ausführungsform ist sie eine
p-leitende GaIlium-Aluminium-Arsenidschicht der Formel
p-Ga.._ Al As mit y-^0,1 bis 0,15. Eine solche Schicht besitzt
eine geringe Absorpiton und ist in dem Wellenlängenbereich des emittierenden Lichtes im wesentlichen transparent.
Fig. 3 zeigt eine weitere abgeänderte Anordnung 1OB, welche derjenigen
der Fig. 1 und 2 ähnlich ist, sich jedoch in einem Punkt wesentlich unterscheidet. Die Schichtenstruktur ist der in Fig.2
gezeigten sehr ähnlich mit der Ausnahme, daß die aktive lichtemittierende Schicht wesentlich auf die scheibenförmige Struktur
1ΊΑ begrenzt ist, welche gleichfalls mit einer Kreuzschraffur
versehen ist, um schematisch anzuzeigen, daß sie beinahe in ihrer Gesamtheit lichtemittierend ist. Die Herstellung dieses dünnen,
abgeflachten Spheriods Ik A erfordert eine sorgfältige Steuerung
im Flüssigphasenepitaxie-Ofen, damit der benötigte Werkstoff in einer leichten Senke der Schicht 13 niedergeschlagen wird,
welche von dem Aufwachsen über dem Lochbereich A in der sperrenden
Schicht 12 herrührt. Es ist die Absicht, das Aufwachsen der Schicht I1IA auf etwas mehr als das Gebiet unmittelbar oberhalb
des Lochbereiches A zu begrenzen.
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Die v;eitere Struktur oberhalb der Schicht l'IA besitzt die
gleiche Funktion wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 mit den Schichten 15A und l6B , welche den Schichten 15
und !GA in Fig. 2 entsprechen, ausgenommen eine mögliche
geringfügige Veränderung in der Stärke oberhalb des Bereichs l^A. Als Alternative kann die Schicht l6B die gleiche Zusammensetzung besitzen wie die Deckelschicht 16 in Fig. 1 (nämlich p-GaAs) mit einem durch sie hindurchgeätztes Loch C.
und !GA in Fig. 2 entsprechen, ausgenommen eine mögliche
geringfügige Veränderung in der Stärke oberhalb des Bereichs l^A. Als Alternative kann die Schicht l6B die gleiche Zusammensetzung besitzen wie die Deckelschicht 16 in Fig. 1 (nämlich p-GaAs) mit einem durch sie hindurchgeätztes Loch C.
Eine weitere allgemeine Abänderung, die bei sämtlichen gezeigten Anordnungen 10, 1OA und 1OB anwendbar ist, besteht
darin, daß sämtliche, vorstehend als η-leitend bezeichnete Schichten p-leitend sind und umgekehrt. Die Zusammensetzungen
der Schichten l6A und 16B können auch in Grenzen geändert werden, damit sie als Filter wirken können, um eine schalbandige
Abstrahlung von Licht durch das Loch B zu erzielen.
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L e e r s e i t e
Claims (3)
1) Kleinflächen-Lichtemittierende Diode der oberflächenemittierenden
Art mit einer Mehrzahl von epitaktischen Halbleiterschichten, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau:
a) ein Substrat aus dotiertem n-oder p-leitendem, Gallium
und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff, welches einseitig
mit einem metallischen Träger verbunden ist,
b) eine sperrende Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Werkstoff, welche eine Struktur mit entgegengesetztem
Leitfähigkeitstyp bildet und mit einem bis auf die Oberfläche des Substrats durchgeführten
Loch geringen Durchmessers versehen ist,
c) eine vierschichtige Doppelheterostruktur auf der sperrenden
Schicht bestehend aus:
CS/P3-BÖ7B1
18 .10 . 7 9 - / -
η -: ■ ■" 1 a / o 91 o
ORIGINAL INSPECTED
Y.Z.LIu - S.Y.Chiang 5-1
einer anschließenden Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des gleichen
Leitfähigkeitstyps wie das Substrat, einer aktiven Lichtemittierenden Schicht aus dotiertem,
Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
einer dritten Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps,
einer dritten Schicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps,
und einer Deckelschicht aus dotiertem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps,
wobei die HeteroStruktur Schichtdicken, Zusammensetzungen und eine Oberflächenstruktur besitzt, daß bei richtiger Energieversorgung
eine im Wesentlichen axiale Lichtstrahlung durch die Deckelschicht erfolgt,
d) eine metallische Kontaktschicht auf der Deckelschicht, und wenigstens die metallische Schicht besitzt ein weiteres Loch
geringen Durchmessers, das mit dem ersten Loch fluchtet und aus dem das erzeugte Licht austrittt.
2) Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Loch gleich groß oder nur
geringfügig größer als das Loch in der sperrenden Schicht ist.
3) Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Deckelschicht aus Galliumarsenid
besteht, welches derart dotiert ist, daß es eine andere Leitfähigkeit als das Substrat besitzt, und ein weiteres, mit dem
zweiten Loch fluchtendes Loch besitzt.
Π 3 0 0 1 8 / 0 9 1 0
29425Π8
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Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat aus n-leitendem
Galliumarsenid, die sperrende Schicht aus p-leitendem Gaüliuarsenid,
die anschließende Schicht aus η-leitendem Gallium-Aluminium-Arsenid
der Formel n-Ga1_ Al As, die aktive Schicht
J. ** X X
aus p-leitendem Galliumarsenid, die dritte Schicht aus pleitendem Galliumarsenid, die dritte Schicht aus p-leitendem
Gallium-Aluminium-Arsenid der Formel P-Ga1-Al As und die
Deckelschicht aus p-leitendem, Gallium und Arsen enthaltendem Halbleiterwerkstoff mit χ /»- 0,3 besteht.
5) Diode nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet
, daß die Deckelschicht aus p-leitendem Gallium-Aluminium-Arsenid der Formel p-Ga. Al As mit y r->
0,1
«y y bis 0,15 besteht.
6) Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat aus p-leitendem
Galliumarsenid, die sperrende Schicht aus η-leitendem Galliumarsenid,
die anschließende Schicht aus η-leitendem Gallium-Aluminium-Arsenid
der Formel p-Ga. Al As, die aktive Schicht
* 1-x χ *
aus η-leitendem Galliumarsenid, die dritte Schicht aus nleitendem
Gallium-Aluminium-Arsenid der Formel n-Ga.. _ Al As,
die Deckelschicht aus einem η-leitendem, Gallium und Arsen enthaltenden Halbleiterwerkstoff besteht und x- *s 0,3 ist.
7) Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckelschicht aus n-leitendem
Gallium-Aluminium-Arsenid der Formel n-Ga. Al As mit y ~ 0,1
bis 0,15 besteht.
03C013/091O
Y.Z.Liu - S.Y.Chiang 5-1
8) Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß sich alle Schichten im Wesentlichen über die gesamte Länge und Breite der Anordnung erstrecken.
9) Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet
, daß die aktive, lichtemittierende Schicht eine geringere Ausdehnung besitzt und in einer Linie mit den
beiden Löchern angeordnet ist.
IU) Verfahren zur Herstellung einer Diode nach den Ansprüchen
bis 9, gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensschritte:
a) Auf der Oberfläche einesn- oder p-leitenden Galliumarsenidsubstrats
wird in einem Plüssigphasenepitaxie-Ofen aus
einem dotierten, Gallium und Arsen enthaltenden Halbleiterwerkstoff eine entgegengesetzt leitende Sperrschicht aufgebracht
.
b) Die zweischichtige Anordnung wird aus dem Ofen herausgenommen und das Loch in der Sperrschicht bis zur Oberfläche
des Substrats ausgeätzt.
c) Die Anordnung wird wieder in den Ofen gebracht und auf der Sperrschicht eine aus der dritten bis sechsten Schicht
bestehende Doppelheterostruktur aufgebracht, in der die fünfte Schicht die aktive, lichtemittierende Schicht ist.
d) Die Anordnung wird aus dem Ofen herausgenommen und auf die oberste, sechste Schicht eine metallische Kontaktschicht
aufgebracht.
e) In die metallische Kontaktschicht wird das zweite Loch geätzt und die Kontaktschicht mit einem elektrischen Anschluß
versehen.
0 3 0 0 18/0910
Y.Z.Liu - S. Y. Chiang 5-1
11) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet
, daß das zweite Loch bis auf die Oberfläche der fünften Schicht eingeätzt wird.
12) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet
, daß die fünfte, lichtemittierende Schicht auf einer begrenzten, mit den beiden
Löchern fluchtenden Fläche erzeugt wird.
03 0 018/0910
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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|---|---|---|---|---|
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Also Published As
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| US4220960A (en) | 1980-09-02 |
| GB2033155A (en) | 1980-05-14 |
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