DE69008931T2 - Verbindungshalbleitervorrichtung und Methode zu deren Oberflächenbehandlung. - Google Patents

Verbindungshalbleitervorrichtung und Methode zu deren Oberflächenbehandlung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung aus Verbindungselementen der Gruppen III und V des Periodensystems und ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines solchen Halbleiters.
  • Als eine Licht emittierende Diode (LED) zur Lichtemission mit hoher Leuchtkraft, die aus einem AlGaAs-Halbleiter besteht, wurde bisher herkömmlicherweise eine LED einer einfachen, Heteroübergangsstruktur oder einer Doppelheteroübergangsstruktur verwendet, die eine hohe Ladungsträgerinjektionseffizienz, eine höhere Ausgangsleistung und eine höhere Ansprechgeschwindigkeit als eine LED mit einer Homoübergangsstruktur hat.
  • Diese LEDs mit einer Heteroübergangsstruktur sind dadurch gekennzeichnet, daß AlxGa1-xAs mit einem hohen AlAs-Kristallmischungsverhältnis auf der Licht emittierenden Seite verwendet wird. Beispielsweise wird beim Epitaxialwachstum des Substrats für eine rotes Licht emittierende LED mit hoher Leuchtkraft eine zinndotierte Al0,75Ga0,25As-Schicht mit 200 um Dicke (p-Typ) auf einem p-Typ GaAs-Substrat [(100)-Oberfläche] als eine p-Deckschicht durch ein Flüssigwachstumsverfanren gebildet. Dann wird eine zinndotierte Al0,35Ga0,65As-Schicht mit 2-3 um Dicke (p-Typ) als eine aktive p-Schicht ausgebildet. Weiter wird eine Te-dotierte Al0,75Ga0,25A5-Schicht mit ungefähr 50 um Dicke als eine n-Deckschicht gebildet. Unter Verwendung einer für das GaAs-Substrat selektiven Ätze wird das Licht absorbierende GaAs-Substrat entfernt, um einen LED-Typ mit hoher Leuchtkraft zu erhalten. Das Kristallmischungsverhältnis der chip-oberfläche beträgt bis zu 0,75. Eine AlxGa1-XAs-Schicht mit einem derart hohen AlAs-Kristallmischungsverhältnis wird jedoch sehr leicht oxidiert. Das fühft dazu, daß die Lichtemissionscharakteristik sich sehr leicht verschlechtert und die Lebensdauer des Elements verkürzt wird. Dasselbe trifft auch für die in Kunstharz versiegelten Elemente zu.
  • Um dieses Problem zu lösen, wurde das Ausbilden eines SiNx- Films vorgeschlagen.
  • Es wurde weiterhin vorgeschlagen, eine Oberflächenrauhigkeit zu schaffen, um die externe Quantenwirksamkeit durch Verhindern der Totalreflexion an der Oberfläche zu erhöhen.
  • In der Vergangenheit hat es sich jedoch als zweckmäßig herausgestellt, entweder nur die Oberflächenrauhigkeit (vgl. beispielsweise DE-A-3310373) oder den SiNx-Film (vgl. beispielsweise D.H. Lee et al., Jap. J. of Appl. Phys. 27(12), Teil 2, Seiten L2404-L2407 (1988)) zu bilden. Wenn nur die Oberflächenrauhigkeit geschaffen wird, entstehen die Probleme der Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit und der kürzeren Lebensdauer des Elements aufgrund der Oberflächenoxidation. Wenn nur ein SiNx-Film als der Schutzfilm vorgesehen wird, ist die Haftstärke schwach und der Film ist einfach ablösbar. Durch die vorliegende Erfindung wird vorgeschlagen, die obigen Probleme zu lösen oder zumindest zu verringern.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die externe Quantenwirksamkeit zu erhöhen, indem die Totalreflexion der Verbindungshalbleitervorrichtung verhindert wird.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Ablösen eines Schutzfilms durch Erhöhen der Haftstärke des Films auf der Verbindungshalbleitervorrichtung zu verhindern.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die
  • Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit der Verbindungshalbleitervorrichtung zu erhöhen und die Lebensdauer des Elements durch Verhindern der Oxidation auszudehnen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Verbindungshalbleitervorrichtung geschaffen, die eine Verbindung von Elementen der Gruppen III und V des Periodensystems umfaßt, wobei eine Rauhigkeit auf der Oberfläche des Verbindungshalbleiters geschaffen wird und ein SiNx-Film auf der rauhen Oberfläche gebildet wird.
  • Weiter schafft diese Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung des Halbleiters, bei dem eine Rauhigkeit auf der Oberfläche durch ein physikalisches oder chemisches Verfahren geschaffen wird und ein SiNx-Film auf der rauhen Oberfläche durch ein CVD-Verfahren mit verringertem Druck, ein Plasma- CVD-Verfahren oder ein Sputter-Verfahren gebildet wird.
  • Vorzugsweise hat der Halbleiter ein Kristallmischungsverhältnis von 0 < AlAs < 1.
  • Die Dicke des SiNx-Films beträgt vorzugsweise 20 nm - 500 nm.
  • Vorzugsweise beträgt die Dicke des SiNx-Films ein ungeradzahliges Vielfaches von &lambda;/4n, wobei Ä die Wellenlänge des emittierten Lichts und n der Brechnungsindex des Films ist.
  • Weiter wird vorzugsweise ein Plasma-CVD-Verfahren zum Bilden des SiNx-Films nach dieser Erfindung verwendet.
  • In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
  • Fig.1 einen Querschnitt, der ein Beispiel eines Aufbaus für eine LED mit einer Lichtemission hoher Leuchtstärke nach dieser Erfindung zeigt;
  • Fig.2 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Wasserstoffanteil und dem Silizium/Stickstoff-Verhältnis des Schutzfilms zeigt;
  • Fig.3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Waserstoffgehalt und der Ätzgeschwindigkeit;
  • Fig.4 die Beziehung zwischen dem Brechungsindex und dem Silizium/Stickstoff-Verhältnis;
  • Fig.5 ein Leuchtstärkehistogramm einer erfindungsgemäßen LED;
  • Fig.6 ein Leuchtstärkenistogramm einer LED von herkömmlicher Art;
  • Fig. 7 und 8 Leuchtstärkehistogramme einer LED, wenn deren Brechungsindex verändert wird;
  • Fig.9 eine erläuternde Darstellung für die Berechnung des Reflexionsgrades;
  • Fig.10 eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen dem Dicke- und dem Reflexionsgrad einer LED zeigt; und
  • Fig.11 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Filmdicke des Siliziwnoxids und dem Reflexionsgrad zeigt.
  • Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen LED mit Heteroübergangslichtemission hoher Leuchtstärke, wobei 1 eine rückseitige Elektrode bezeichnet, 2 eine p-Deckschicht, 3 eine aktive p-Schicht, 4 eine n-Deckschicht, 5 eine frontseitige Elektrode, 6 eine Oberflächenrauhigkeit und 7 einen SiNx-Film.
  • Die in der Fig. 1 gezeigte, Licht emittierende Diode, die aus einem AlGaAs-Halbleiter besteht, umfaßt eine aktive p-Schicht 3, die zwischen den Deckschichten 2 und 4 in Sandwich-Art angeordnet ist, und die Elektroden 1 und 5 sind jeweils an der Vorderseite und an der Rückseite der Schicht 3 angeordnet. Dies wird dadurch erzielt, daß die Übergangsschicht mit dem Halbleiter in eine Legierung durch eine Wärmebehandlung nach der Vakuumabscheidung der Elektroden umgewandelt wird. Als nächstes wird die Rauhikeit 6 auf der gesamten Oberfläche der LED mit Ausnahme der Elektroden durch ein physikalisches Verfahren, wie Sandstrahlen oder Anblasen mit feinen Teilchen, oder durch ein chemisches Verfahren, die Ätzen, gebildet. Nach dem Ausbilden der Rauhigkeit wird der SiNx-Film als ein Schutzfilm auf der Oberfläche ausgebildet, beisPielsweise durch das Plasma-CVD- Verfahren.
  • In dem SiNx-Film weisen der Wasserstoffgehalt (Atomverhältnis) und das Silizium/Stickstoff-Verhältnis (Atomverhältnis) geeignete Werte auf, wie durch den straffierten Bereich in der Fig. 2 gezeigt ist. Die Kurve A der Fig. 2 stellt den Fall dar, bei dem alle Wasserstoffatome in dem SiNx an Silizium gebunden sind, und die Kurve B zeigt den Fall, bei dem die Wasserstoffatome an das Stickstoff gebunden sind. Normalerweise liegt der Wert für SiNx zwischen diesen Kurven A und B. Aufgrund der Eigenschaften als Schutzf ilm ist es wünschenswert, den Wasserstoffgehalt in solcher Art auszuwählen, daß das Atomverhältnis bei ungefähr 20-40% liegt und ein Brechungsindex 1,8-2,0 beträgt, um den Schutzfilm mit der in dem schraffierten Bereich der Figur gegebenen Zusammensetzung auszustatten, ohne daß die vorliegende Erfindung jedoch darauf beschränkt ist.
  • Wie in der Fig. 3 gezeigt wird, wird der Wasserstoffgehalt in dem SiNx durch die Geschwindigkeit bestimmt, wenn das Ätzen bei der Temperatur von 35º C unter Verwendung einer Ätzlösung mit einem Verhältnis von Ammoniumfluorid (NH&sub4;F) zu Fluorwasserstoffsäure von 13:2 ausgeführt wird. Somit weist der Schutzfilm eine ideale Eigenschaft auf, wenn er innerhalb eines Bereichs der Ätzgeschwindigkeit von 10-600 nm/min liegt, wobei die Filmdicke mit einem Ellipsometer gemessen wird.
  • Die Beziehung zwischen dem Brechungsindex des Schutzfilms und dem Stickstoff/Silizium-Verhältnis ist in der Fig. 4 angegeben. Durch Auswählen des Atomverhältnisses von Silizium/Stickstoff ist es möglich, den Brechungsindex zu 1,8-2,0 einzustellen.
  • Wenn die Filmdicke zu dünn ist, kann sie nicht die ideale Eigenschaft als Schutzfilm aufweisen, wenn sie dagegen zu dick ist, wird zuviel Zeit zur Herstellung des Films benötigt und es besteht weiter die Möglichkeit der Ablösung aufgrund von in dem Film selbst vorhandenen Spannungen. Eine Dicke von ungefähr 20-500 nm ist günstig.
  • Als Verfahren zur Herstellung des SiNx-Films eignet sich das Plasma-CVD-Verfahren am besten. Andere verwendbare Verfahren umfassen ein CVD-Verfahren bei verringertem Druck und das Sputter-Verfahren. Beispielsweise gibt es ein thermisches CVD-Zerfallsverfahren, durch das Si&sub3;N&sub4; auf einem Substrat durch eine thermische Zerfallsreaktion durch Einspeisen von Silan (SiH&sub4;) und Ammonium (NH&sub3;) in die Kammer abgeschieden wird. Durch dieses Verfahren ist es möglich, einen Film zu erhalten, der näher bei einem stöchiometrischen Film (mit einem Si/N- Verhältnis von 3:4) liegt und einen niedrigeren Wasserstoff gehalt hat. Dieser weist Vorteile darin auf, daß die Ätzrate verringert werden kann und ein harter Film erzeugt wird. In diesem Fall wird eine Temperatur von 600º C und mehr zur Herstellung des Films benötigt.
  • Bei dem reaktiven Sputterverfahren wird Silizium durch Sputtern durch eine Entladung in einer Atmosphäre (Druck: 1,3-133 Pa (1 x 10&supmin;² Torr bis 1 Torr)) bearbeitet, die durch Mischen einer kleinen Menge Stickstoff mit Argon und mit Silizium als dem Anodenmaterial (target) erzeugt wird, und SiHx wird dann auf dem Substrat abgeschieden. Dieses Verfahren kann für Verbindungshalbleiter verwendet werden, da es hier keine Notwendigkeit zum Erwärmen des Substrats gibt, wogegen besondere Sorgfalt zur Kontrolle der Stöchiometrie und von Spannungen in dem Film aufgewendet werden sollte.
  • In einer Licht emittierenden Diode, in der das Atomverhältnis von Silizium zu Stickstoff zum Erhalt eines Brechungsindex von 1,82 eingestellt war und ein Schutzfilm mit einer Dicke von 270 nm (intraplanare Homogenität +/- 5 %) ausgebildet war, wurde ein Leuchtstärkehistograim für Licht der Leuchtwellenlänge von 660 nm erhalten und die in der Figur 5 dargestellten Ergebnisse wurden erzielt. Beim Durchführen von Messungen in den Vergleichsfällen, bei denen nur die Rauhigkeit oder nur ein SiNx-Film vorgesehen waren, wurden die in der Figur 6 gezeigten Ergebnisse erhalten. In diesen Figuren ist die Leuchtkraft auf der Abszisse (in beliebiger Einheit) und die Menge auf der Ordinate (auf das Maximum für Vergleichszwecke genormt) aufgetragen.
  • Die mittlere Leuchtkraft von 1929 wurde in dem erfindungsgemaßen Erzeugnis erhalten, während sie in einem Erzeugnis nach herkömmlicher Art bei 1373 lag, so daß die Leuchtkraft offensichtlich durch diese Erfindung verbessert wird.
  • Als nächstes wurden Tests für die Dauerhaftigkeit in drei Fällen ausgeführt: für eine mit nur einem SiNx-Film versehene LED, für eine mit einer Oberflächenrauhigkeit ausgestattete LED, und für eine erfindungsgemäße LED. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt: nur SiNx-Film nur Oberflächenunregelmäßigkeiten vorliegende Erfindung Test A Test B
  • In der Tabelle stellt A einen Test dar, bei dem Schritt 1 und Schritt 2 jeweils dreimal wiederholt werden. (Schritt 1: Betrieb für 12 Stunden bei 85º C und relativer Feuchtigkeit (RH) von 95 %; Schritt 2: Betrieb für 12 Stunden bei -20º C und RH von 100 %.) Test B stellt einen Test dar, bei dem nach Ausführen des Tests A Schritt 3 und 4 jeweils 30 mal wiederholt werden. (Schritt 3: Betrieb für 4 Stunden bei 85º C und RH von 95 %; Schritt 4: Betrieb für 4 Stunden bei -20º C und RH von 100 %.) In jedem Schritt war der Betriebsstrom ein Gleichstrom von 20 mA. Die Prozentangaben in der Tabelle zeigen das Restleuchtkraftverhältnis an (Verhältnis zu dem Wert bei der anfänglichen Messung).
  • Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, hat das erfindungsgemäße Erzeugnis ein höheres Restleuchtstärkeverhältnis und seine Lebensdauer ist beträchtlich ausgedehnt.
  • Wenn die Rauhigkeit größer ist, wird mehr Licht gestreut, und deshalb gibt es keine Einschränkung für den Grad dieser Rauhigkeit, da es ausreicht, wenn die Haftstärke des SiNx-Films aufrechterhalten wird. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen zwei Senken oder zwei Spitzen der Rauhigkeit 0,1 um oder mehr.
  • Bei einem ähnlichen Verfahren wie nach dem Fall der Fig. 5 wurde das Atomverhältnis von Si/Ni so eingestellt, daß ein Brechungsindex von 1,53 und 2,21 erhalten wurde, und ein Schutzfilm mit einer Dicke von 270 nm (intraplanare Homogenität +/- 5 %) ausgebildet war. In dieser Licht emittierenden Diode wurde ein Leuchtstärkehistogramm für das Licht mit einer Leuchtwellenlähge von 660 nm erhalten und die in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ergebnisse wurden erzielt. Wenn der Brechungsindex 1,53 betrug, war die mittlere Leuchtkraft bei 1754, und für einen Brechungsindex von 2,21 war sie 1758.
  • Als nächstes wird in bezug auf die Fig. 9 in der Beschreibung auf den Brechungsindex und die Dicke des Schutzfilms und den Reflexionsgrad eingegangen.
  • Unter der Annahme, daß der Brechungsindex einer n-Al0,75Ga0,25As-Schicht, eines Schutzfilms und der Luft jeweils n&sub0;, n&sub1; und n&sub2; sind, gilt: (ungerade Zahl) für ungerade Zahl.
  • Wenn die Änderung des Reflexionsgrades für die vertikale Richtung in bezug auf die Filmdicke d bei beim Brechungsindex von 1,9 unter Verwendung der obigen Beziehungen ermittelt wird, wird das in der Fig. 10 dargestellte Ergebnis erhalten.
  • Aus dieser Figur geht hervor, daß der Reflexionsgrad 0,2 % beträgt, wenn die Filmdicke ein ungeradzahliges Vielfaches von
  • 86 nm ist, und eine hohe Ausgangsleistungscharakteristik kann bei einem Reflexionsgrad in dieser Größenordnung erhalten werden. Wenn sich der Brechungsindex in dem Bereich von 1,8-2,0 bewegt, kann diese Bedingung erfüllt werden.
  • Beispiel 1
  • Nachdem die Elektroden vakuumabgeschieden wurden, wurden Legierungselektroden durch eine Wärmebehandlung hergestellt. Danach wurde der AlGaAs-LED-Wafer in eine Mischungslösung mit wässrigem Wasserstoffperoxid und Ammonium (1:1) für eine Minute eingetaucht und für 30 Sekunden mit Wasser abgewaschen. Er wurde weiter in 3%ige wässrige HCl-Lösung eingetaucht, um seine Oberfläche zu ätzen. Dann wurde er mit Wasser für 15 Minuten abgewaschen und mit Methylalkohol neutralisiert und getrocknet.
  • Auf der so gebildeten aufgerauhten Wafer-Oberfläche wurde ein SiN&sub3;-Film durch ein Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden. Als Bedingung zum Herstellen des Films wurde die Gasflußrate für SiH&sub4; (20 %/N&sub2;) unter Verwendung einer verdünnten Lösung auf 15 sccm (cm³ /min; bei 0º C; 1 Atmosphärendruck), für Ammonium (NH&sub3;) zu 60 sccm und für Stickstoff zu 11 sccm gesetzt. Bei vollem Druck von 6,6 Pa (5 x 10&supmin;² Torr), einer Substrattemperatur von 280º C und einer Mikrowellenleistung von 50 W wurde durch das Plasma-CVD-Verfahren der Film gebildet, wobei die Filmherstellungszeit 28 Minuten betrug. Als Folge wurde ein Film mit einer Dicke von ungefähr 270 nm und einem Brechungsindex von 1,9 erhalten. Durch Erzeugen der Oberflächenrauhigkeit wurde die externe Quantenwirksamkeit um ungefähr 40 % verbessert. Da ein SiNx-Film gebildet wurde, wurde keine Verringerung in der Leuchtkraft in dem Dauerhaftigkeitstest über 300 Stunden bemerkt.
  • Vergleichsbeispiel
  • Wenn ein Siliziumoxidfilm (SiO&sub2;) als Schutzfilm verwendet wurde, ergibt sich, wie in der Fig. 11 gezeigt, die Veränderung im Reflexionsgrad in bezug auf die Filmdicke d, wenn n&sub1; = 1,5.
  • Wie aus der Figur hervorgeht, erreicht der Reflexionsgrad ein Minium, wenn die Filmdicke 110 nm beträgt. Er beträgt immer noch 3,6 %, und es ist offensichtlich, daß eine hohe Ausgangsleuchtkraft nicht erhalten werden kann.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, den Lichtentnahmewirkungsgrad durch Ausbilden einer Rauhigkeit auf der Oberfläche eines III-V Verbindungshalbleiters zu erhöhen, und die Haftstärke des Films durch Bilden eines SiNx-Films auf der unregelmäßigen Oberfläche zu erhöhen. Dies macht es möglich, das Ablösen des Films zu verhindern, die Feuchtigkeitswiderstandskraft in hohem Maße zu verbessern und die Lebensdauer zu verlängern, weil die Verschlechterung der LED-Chips aufgrund der Oxidation des AlGaAs verringert ist. Bei der Verwendung des SiNx -Films als Schutzfilm ist die Feuchtigkeitswiderstandseigenschaft in großem Maße erhöht im Vergleich zu einem anderen Passivierungsfilm, wie einem natürlichen Oxidationsfilm oder einem Siliziumoxidfilm. Die Lebensdauer ist verlängert und die Lichtemissionsausgangsleistung kann um ungefähr 25 % erhöht werden.

Claims (7)

1. Eine Verbindungshalbleitervorrichtung mit einer Verbindung von Elementen aus den Gruppen III-V des Periodensystems, wobei eine Rauhigkeit auf der Oberfläche des Verbindungshalbleiters und ein SiNx-Film auf der rauhen Oberfläche ausgebildet sind.
2. Eine Verbindungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der III-V Verbindungshalbleiter ein AlGaAs-Halbleiter mit einem Kristallmischungsverhältnis von 0 < AlAs < 1 ist.
3. Eine Verbindungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der SiNx-Film eine Dicke von 20 bis 500 nm aufweist.
4. Eine Verbindungshalbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke des SiNx-Films ein ungeradzahliges Vielfaches von &lambda;/4n ist, wobei &lambda; die Wellenlänge des emittierten Lichts und n der Brechungsindex des Films ist.
5. Eine Verbindungshalbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der SiNx -Film durch ein Plasma-CVD- Verfahren gebildet ist.
6.- Ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Verbindungshalbleiters mit einer Verbindung von Elementen der Gruppe III-V des Periodensystems, wobei eine Rauhigkeit auf der Oberfläche des Halbleiters durch ein physikalisches oder chemisches Verfahren gebildet wird, und ein SiNx-Film anschließend auf der rauhen Oberfläche durch ein CVD-Verfahren bei reduziertem Druck, ein Plasma-CVD-Verfahren oder ein Sputterverfahren gebildet wird.
-
7. Ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung gemäß Anspruch 6, wobei der Verbindungshalbleiter ein AlGaAs-Halbleiter mit einem Kristallmischungsverhältnis von 0 < AlAs < 1 ist.
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