Электролюминесцентный диод и способ его изготовления Советский патент 1979 года по МПК H01L29/20 H01L21/36 

1

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов на основе соединений типа .

Известны электролгоминесцентные диоды на основе полупроводникового материала типа с излучением в плоскости р-«-перехода .

Известен также способ изготовлен.ия электролюминесцентных диодов методом жидкофазной эпитаксии 2.

Измерения времени задержки между электрическим возбуждением и эмиссией света на обычных применяемых люминесцентных диодах показали, что р - «-переход может иметь разницу задержки времени, измеренной вдоль р - /г-перехода и перпендикулярно к нему, достигающую величины выше с. Местные различия времени задержки подобного порядка величины исключают, например, возможность применения люминесцентных диодов в устройствах измерения дальности высокой точности, которые работают по методу оптической локации. Большая местная разница задержки времени существенно снижает точность измерения. Схемы со связанными

эмиттерами, которые выполняют оптимальным способом логические операции, могут накапливать оптические сигналы и создавать собственные колебания интенсивности

эмиттируемого излучения. Однако при подобных местных погрешностях в задержке времени могут создавать предельную (критическую) частоту только ниже 10 Гц. Поэтому нельзя использовать основное

преимущество модулирующей способности вплоть до очень высоких частот. Величина разницы местной задержки времени, из-за которой происходит установленный недостаток применимости существующих люминесцентиых диодов, зависит от различных условий инжекции и поглощения в активном слое. Этот недостаток свойственен как люминесцентным диодам с боковым излучением, так и с поверхностным излучением.

Цель изобретения - получение постоянства времени задержки.

Поставленная цель достигается тем, что, на подложку с концентрацией доноров см нанесены два слоя с различными градиентами легирования, причем градиент одного слоя имеет значение см а градиент легированного слоя.

прилегающего к р-зопе, имеет значение ем-, коэффициент поглощения легированной структуры в области р - п-перехода является постоянным и увеличивается в сторону л+- н р+-области в 10-1000 раз.

Ширина светящейся зоны не превышает 20 мкм.

По способу изготовления диода на подложку n GaAs с диапазоном легирования см из нестсхиометричсского расплава с составом GaAs:Ga:Al:Zn l: :4,60-4,76:0,015-0,028:0,03 наносят р+-слой при скорости охлаждення 0,5-10°С/мин, который затем отжигают в частично замкнзтой системе в атмосфере На при 900- 1000°С в теченне 0,1-3,0 ч.

Местную разницу временн задержки сокращают тем, что выполняют симметрично поглощающий профиль (сечение поглощения) электролюминеснентного диода со структурой Р+-Р-П+. Этот абсорбционный профиль (сечение поглощения) еоздают перпендикулярно к излучающему слою таким образом, чтобы коэффициент поглощения был бы малым и приблизительно постоянным выше зоны максимума излучения в пределах полуширины ослабления и симметрично возрастал с увелнчением р+ и п+ выше диапазона ширины полосы пропускания на уровне 0,5.

Наиболее благоприятная ширина полосы нропускания на уровне 0,5 для достижения высокой яркости у подобных электролюминесцентных диодов с постоянным временем задержки (меньше 1%) может составлять вплоть до максимального значения 10 мк. Общая шнрина активно светящейея полосы может достигать тогда около 20 мк. Согласно изобретению возможно иредеказать характеристику коэффициеита поглощения по форме и положению максимума главного лепестка диаграммы направленности поля видимости относительно оптической оси. Симметричная диаграмма излучения соответствует тогда, когда ее максимум лежит в плоскости р - ге-перехода (которая представляет собой оптическую ось) и имеет плавное возрастание вблизи максимума, незначительной разнице коэффициентов поглощения в пределах ширины полосы пропускания на уровне 0,5 излучаемого дианазона. Вследствие зависимости от числа свободных носителей зарядов, а также возмущающего влияния термической зависимости коэффициента поглощения можно преобразовать симметричный поглощающий профиль в соответствующий профиль примесей.

Электролюминесцентный диод изготавливают путем жидкостной эпитаксии или по методу диффузии с надлежащей последующей обработкой (отжигом) для более детальной юстировки симметричного поглощающего профиля. Если исходным материалом является арсер:ид галлия, то требуются основные при меси rt 5-10 см вплоть до концентрации выпадения. В качестве п-основной примеси могут быть свинец, кремний, теллур, в качестве акцептора служит цинк.

Изобретение описано на двух примерах выполнения для изготовления двойного слоя р+ на субстрат (нодложку) или в самом субстрате на основе арсенида галлия. На фиг. 1 показана структура элементов; на фиг. 2 изображен профиль примесей; на фиг. 3 - поглощающий профиль; на фиг. 4 приведены интенсивность и однородность времени задержки в зависимости ширины полосы свечения; на фиг. 5 дано поле диода.

Изготовление структуры р+ - р - л+ посредством жидкостной эпитаксии осуществляют в модифицированной опрокидывающейся аппаратуре по Нельсону с расположенной внутри закрывающейся кварцевой ампулой, в которой находится графитовая лодочка с расплавом и которая препятствует отгонке цинка. Требуемой структуры

диода (симметричного поглощающего профиля) достигают в результате соответствующего нестехиометрического состава расплава и надлежащего выбора температурного режима. При общем количестве 5 г

расплав распределяется в следующих соотношениях масс GaAS:Ga:Al:Zn 1:4,7: : 0,02:0,03. Алюминий предназначен для модификации иоглощающей характеристики. Максимальную температуру перед выращиванием кристаллов нельзя повышать больше 960°С. Выращивание кристаллов происходит в температурном интервале между 930 и 780°С при скорости охлаждения 3°С/мин. Для создания требуемого симметричного поглощающего профиля произ- . водят отжиг при температуре 960°С и водородной атмосфере в течение 90 мин в кварцевой трубке, которую закрывают при 400°С. Параметры температуры и времени,

т. е. температурный режим, изменяют следующнм образом от переменного состава

расплава и основных примесей субстрата:

CaAs:Ga:Al 1:4,6:0,15 до 1:4,76:0,028;

скорость охлаждения 0,5 до 10 мин, отжиг

в течение 0,1 до 3 ч при температуре от 900 до 1000°С.

Другую возможность реализации изобретения представляет собой метод диффузии. Этот снособ осуществляют в ампулах, емкостью 5 мл в однопечной системе. Берут навеску цинкомышьяковистого соединения из 50 ат. % мышьяка и цинка в количестве 5% относительно навески основного материала арсенида галлия. Диффузию осуществляют при температурах от 950 до 1050°С в течение от 30 до 5 мин при скорости .нагрева и охлаждения приблизительно 10°С/мин. При глубине проникновения до 40 мк (в зависимости от основной примеси) созданный диффузионный профиль показывает по способу пробоя р - /г-перехода незначительную разницу концентрации примерно в зоне длиной 8 мк, причем эта разница концентрации приобретает значение около 2 ND и в последующем к зоне р+ в пределах от 2 до 3 мк круто возрастает до значения концентрации ЛА 8-10 см-. Эти соотношения примесей могут быть получены также при более низких температурах и более длительном времени диффузии.

Технологическое предельное условие определяют введением примесного атома без его выделения. Требуемый симметричный поглощающий профиль, который характеризуется вышеизмеренным примесным профилем, можно также изготовить посредством двухступенчатой диффузии, для чего сначала создают очень плавный примесный профиль (диффузия из источника цинка - галлия с частотой 1%), а затем - крутой профиль р+ (диффузия из источника Zns- As2ZnAs2).

Электролюминесцентный диод, изготовленный поспособу с модулированным излучением, благодаря повышению верхнего предела частот может быть использован в более широкой области применения. Кроме того, существенно снижается, например, предел погрешности измерения (оптическое совпадение).

Формула изобретения

1. Электролюминесцентный диод на основе полупроводникового материала типа

дшву с излучением в плоскости р - п-церехода, отличающийся тем, что, с целью получения постоянства времени задержки, на подложку с концентрацией доноров см-з нанесены два слоя с различными градиентами легирования, причем градиент одного слоя имеет значение см- а градиент легированного слоя, прилегающего к р-зоне, имеет значевне lO см, при этом коэффициент поглощения легированной структуры в области р - л-перехода является постоянным и увеличивается в сторону п+ и р+-области в в 10-1000 раз.

2. Диод по п. I, отличающийся тем, что ширина светящейся зоны не превышает 20 мкм.

3. Способ изготовления диода по п. 1 методом жидкофазной эпитаксии, отличаю щ и и с я тем, что на подложку n-GaAs с диапазоном легирования см- из нестехиометрического расплава с составом GaAs : Ga:Al:Zn 1 : 4,60 - 4,76:0,015 - 0,028:0,03 наносят р+-слой при скорости охлаждения 0,5-10°С/мин, который затем отжигают в частично замкнутой системе в атмосфере На при 900-1000°С в течение 0,1-3,0 ч.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Сб. Физика полупроводниковых приборов. М. Энергия, 1973, с. 78.

2.Proceed IEEE v 55, № 8, 1967, p. 1415.

P - -/Э/7.7

n/cm

(puz.l

X/fi/f

X/M