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DE10306309A1 - Simple and cost effective process for preparation of a radiation emitting semiconductor chip based on AlGaInP useful in production of light emitting diodes (LED) - Google Patents

Simple and cost effective process for preparation of a radiation emitting semiconductor chip based on AlGaInP useful in production of light emitting diodes (LED) Download PDF

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DE10306309A1
DE10306309A1 DE2003106309 DE10306309A DE10306309A1 DE 10306309 A1 DE10306309 A1 DE 10306309A1 DE 2003106309 DE2003106309 DE 2003106309 DE 10306309 A DE10306309 A DE 10306309A DE 10306309 A1 DE10306309 A1 DE 10306309A1
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DE
Germany
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layer
substrate
algainp
transparent coupling
out layer
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DE2003106309
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German (de)
Inventor
Klaus Dr. Streubel
Peter Dr. Stauss
Christian Karnutsch
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
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Abstract

Preparation of a radiation emitting semiconductor chip based on AlGaInP by the steps: preparation of substrate (12), application of a semiconductor on the substrate, which contains a photon emitting active layer (22), and application of a transparent decoupling layer (16) which includes compounds of given formula containing Ga, In, Al, and P, where substrate (12) is formed from germanium and layer (16) is applied at a maximum temperature of 800 [deg] C. An independent claim is included for the above radiation emitting semiconductor as described.

Description

Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchips und elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchips auf AlGaInP-Basis mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Substrats; Aufbringen einer Halbleiterschichtfolge auf das Substrat, welche eine Photonen emittierende aktive Schicht enthält; und Aufbringen einer transparenten Auskoppelschicht, die GaX(InyAl1-y)1-xP mit 0 < x ≤ 0,2 und 0 ≤ y ≤ 1 umfaßt. Die Erfindung betrifft auch ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Halbleiterchip auf AlGaInP-Basis mit einem Substrat, einer auf dem Substrat aufgebrachten Halbleiterschichtfolge mit einer Photonen emittierenden aktiven Schicht und einer auf der aktiven Schicht angeordneten transparenten Auskoppelschicht, die GaP umfaßt.The invention relates to a method for producing an electromagnetic radiation-emitting semiconductor chip based on AlGaInP, comprising the steps of: providing a substrate; Applying a semiconductor layer sequence to the substrate which contains a photon emitting active layer; and applying a transparent coupling-out layer comprising Ga X (In y Al 1-y ) 1-x P with 0 <x ≤ 0.2 and 0 ≤ y 1 1. The invention also relates to an AlGaInP-based semiconductor radiation-emitting semiconductor chip with a substrate, a semiconductor layer sequence applied to the substrate with a photon-emitting active layer and a transparent coupling-out layer arranged on the active layer and comprising GaP.

Vorliegend zählen zu den Materialien auf Basis von InGaAlP alle Mischkristalle mit einer Zusammensetzung, die unter die Formel InXGaYAl1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1,0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 fällt. Zu den elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchips auf AlGaInP-Basis zählen alle Halbleiterchips, bei denen die Halbleiterschichtfolge, in der sich eine elektromagnetische Strahlung erzeugende Schicht befindet, zumindest zu einem wesentlichen Anteil Material auf Basis von InGaAlP aufweist und die Eigenschaften der vom Halbleiterchip emittierten Strahlung von dem auf InGaAlP basierenden Material zumindest wesentlich bestimmt sind.In the present case, the materials based on InGaAlP include all mixed crystals with a composition that falls under the formula In X Ga Y Al 1-xy P with 0 ≤ x ≤ 1.0 ≤ y ≤ 1 and x + y ≤ 1. The AlGaInP-based semiconductor chips emitting electromagnetic radiation include all semiconductor chips in which the semiconductor layer sequence in which an electromagnetic radiation-generating layer is located has at least a substantial proportion of material based on InGaAlP and the properties of the radiation emitted by the semiconductor chip from the latter material based on InGaAlP are at least essentially determined.

Das AlGaInP Materialsystem ist für die Anwendung in Leuchtdioden sehr interessant, da seine Bandlücke durch die Variierung des Al-Anteils über einen weiten Bereich von 1,9 eV bis 2,2 eV einstellbar ist. Das bedeutet, daß Leuchtdioden aus diesem Material im Farbbereich von Rot bis Grün hergestellt werden können.The AlGaInP material system is for the application very interesting in light emitting diodes, because its band gap due to the variation of the Al share over one wide range from 1.9 eV to 2.2 eV is adjustable. That means, that light emitting diodes made from this material in the color range from red to green can.

Zur Herstellung solcher Leuchtdioden mittels Epitaxie wird ein Substrat benötigt, auf dem die verschiedenen Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge möglichst einkristallin abgeschieden werden können. Ein Substrat für die Epitaxie von auf AlGaInP basierenden Leuchtdioden sollte dabei die folgenden Bedingungen erfüllen:

  • – Es muß eine Gitterkonstante besitzen, die es ermöglicht, die Materialsysteme AlGaInP und AlGaAs einkristallin abzuscheiden,
  • – es muß bei den verwendeten Prozeßtemperaturen noch ausreichend fest sein, und
  • – es muß in ausreichend guter Qualität kommerziell erhältlich sein.
In order to produce such light-emitting diodes by means of epitaxy, a substrate is required on which the various semiconductor layers of the semiconductor layer sequence can be deposited as single-crystal as possible. A substrate for the epitaxy of AlGaInP-based LEDs should meet the following conditions:
  • - It must have a lattice constant that enables the AlGaInP and AlGaAs material systems to be deposited in single crystals,
  • - It must still be sufficiently firm at the process temperatures used, and
  • - It must be commercially available in sufficiently good quality.

Alle genannten Bedingungen werden von GaAs-Substraten erfüllt. Daher wird GaAs weltweit als Substrat für AlGaInP Leuchtdioden eingesetzt. Unter dem Gesichtspunkt einer wirtschaftlichen Herstellung der Leuchtdioden haben GaAs Substrate allerdings den Nachteil, daß sie sehr teuer sind. Andere Substratmaterialien weisen entweder eine große Gitterfehlanpassung auf oder sind für die gängigen Prozeßschritte nicht hinreichend geeignet.All the conditions mentioned will of GaAs substrates. Therefore, GaAs is used worldwide as a substrate for AlGaInP light emitting diodes. Under the point of view of economical manufacture of the light-emitting diodes However, GaAs substrates have the disadvantage that they are very expensive. Other Substrate materials either have a large lattice mismatch or are for the common process steps not suitable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine technisch einfache und kostengünstige Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips auf AlGaInP-Basis erlaubt.The invention is therefore the object to provide a method of the type mentioned at the outset, which is a technically simple and inexpensive manufacture of a radiation-emitting AlGaInP-based semiconductor chips allowed.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltun gen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 und 9.This task is accomplished through a process solved with the features of claim 1. Further advantageous Ausgestaltun conditions and further developments of the invention result from subclaims 2 to 7 and 9.

Ein elektromagnetische Strahlung emittierender Halbleiterchip, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist, ist Gegenstand des Anspruches 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterchips sind Gegenstand des Unteranspruches 9.An electromagnetic radiation emitting semiconductor chip according to the inventive method is producible, is the subject of claim 8. Advantageous embodiments and developments of the semiconductor chip according to the invention are the subject of subclaim 9.

Erfindungsgemäß ist bei einem Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, daß das Substrat im Wesentlichen Germanium aufweist und daß die transparente Auskoppelschicht bei niedriger Temperatur aufgebracht wird. Germanium weist eine mit den Materialsystemen AlGaInP und AlGaAs gut verträgliche Gitterkonstante auf und ist in hoher Qualität kommerziell erhältlich. Darüber hinaus beträgt der Preis für ein Germaniumsubstrat nur etwa die Hälfte des Preises für ein GaAs-Substrat, so daß beim Herstellungsprozeß ein großes Einsparungspotential entsteht.According to the invention in a manufacturing process of the type mentioned in the introduction that the substrate essentially Germanium exhibits and that the transparent coupling-out layer applied at low temperature becomes. Germanium has one with the material systems AlGaInP and AlGaAs well tolerated Lattice constant and is commercially available in high quality. About that addition is the price for a germanium substrate only about half the price of a GaAs substrate, so that at Manufacturing process great Saving potential arises.

Der geringeren thermischen Stabilität von Germanium im Vergleich zu GaAs wird dadurch Rechnung getragen, daß der besonders kritische Schritt des Aufwachsens der Galliumphosphid umfassenden transparenten Auskoppelschicht bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird, bei der das Germaniumsubstrat noch eine ausreichende Festigkeit aufweist.The lower thermal stability of germanium compared to GaAs, this takes account of the fact that the critical step of growing the gallium phosphide comprehensive transparent coupling-out layer is carried out at a low temperature, where the germanium substrate is still of sufficient strength having.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die transparente Auskoppelschicht unter Verwendung von Tertiärbutylphosphin (TBP, (C4H9)PH2) als Phosphorquelle aufgebracht wird. Bei herkömmlichen Leuchtdioden auf AlGaInP-Basis wird typischerweise eine Lichtauskoppelschicht aus GaP verwendet, die unter Verwendung von Phosphin (PH3) bei einer Temperatur oberhalb von 800°C epitaktisch abgeschieden wird. Derartige Temperaturen im Reaktor sind für Germaniumsubstrate zu hoch. Dagegen ermöglicht es die Verwendung von Tertiärbutylphosphin als Phosphor-Quelle, eine Lichtauskoppelschicht hoher Qualität bei deutlich niedrigeren Prozeßtemperaturen abzuscheiden.In a preferred embodiment of the method according to the invention it is provided that the transparent coupling-out layer is applied using tertiary butylphosphine (TBP, (C 4 H 9 ) PH 2 ) as the phosphorus source. Conventional AlGaInP-based light-emitting diodes typically use a light coupling-out layer made of GaP, which is deposited epitaxially using phosphine (PH 3 ) at a temperature above 800 ° C. Such temperatures in the reactor are too high for germanium substrates. In contrast, the use of tertiary butylphosphine as a phosphorus source enables a high quality light decoupling layer to be deposited at significantly lower process temperatures.

Insbesondere ist es besonders zweckmäßig, die transparente Auskoppelschicht bei einer Temperatur unterhalb von 780°C, bevorzugt unterhalb von 750°C aufzubringen.In particular, it is particularly expedient to use the transparent coupling-out layer at a temperature temperature below 780 ° C, preferably below 750 ° C.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die transparente Auskoppelschicht bei einer Temperatur von etwa 700°C aufgebracht wird.It is particularly preferred if the transparent coupling-out layer at a temperature of about 700 ° C applied becomes.

Ebenso ist es oft zweckmäßig, die transparente Auskoppelschicht unter Verwendung von Trimethylgallium als Galliumquelle aufzubringen.Likewise, it is often convenient to transparent coupling-out layer using trimethyl gallium as a source of gallium.

Bei einer typischen lateralen Abmessung der aktiven Schicht von A = 250 μm wird dann die Dicke der Auskoppelschicht zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm bevorzugt zwischen etwa 2 μm und etwa 10 μm gewählt.With a typical lateral dimension the active layer of A = 250 μm the thickness of the coupling-out layer between about 1 μm and about 10 μm is then preferred between about 2 μm and about 10 μm selected.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die transparente Auskoppelschicht mittels organometallischer Dampfphasen-Epitaxie (OMVPE) aufgewachsen.In an expedient embodiment of the method according to the invention becomes the transparent coupling-out layer by means of organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE) grew up.

Das V/III-Verhältnis wird bei dem Aufwachsen der transparenten Auskoppelschicht mit Vorteil auf einen Wert von 5 bis 20, bevorzugt von etwa 10 eingestellt.The V / III ratio is growing up the transparent coupling-out layer advantageously to a value of 5 to 20, preferably set from about 10.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und der Zeichnung.Further advantageous configurations, Features and details of the invention emerge from the dependent claims Description of the embodiment and the drawing.

Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispieles in Zusammenhang mit der Zeichnung. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.Further advantages, preferred embodiments and further developments of the invention result from the following explanation of an embodiment in connection with the drawing. It is only for understanding the invention essential elements shown.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.The only figure shows a schematic representation a sectional view of a radiation-emitting semiconductor chip according to an embodiment the invention.

1 zeigt in Schnittansicht einen allgemein mit 10 bezeichneten auf AlGaInP basierenden Leuchtdiodenchip 10 in schematischer Darstellung. 1 shows a sectional view with a general 10 designated LED chip based on AlGaInP 10 in a schematic representation.

Der Leuchtdiodenchip 10 umfaßt ein Germaniumsubstrat 12, auf dem eine Halbleiterschichtfolge 14 ausgebildet ist. Die Halbleiterschichtfolge 14 ist im Ausführungsbeispiel eine Doppelheterostruktur, die eine aktive, Photonen emittierende auf AlGaInN basierende n-Typ Schicht 22 aufweist, die von einer auf AlGaInN basierenden n-Typ Mantelschicht unterhalb der aktiven Schicht und einer auf AlGaInN basierenden p-Typ Mantelschicht oberhalb der aktiven Schicht eingeschlossen wird. Derartige Strukturen und Schichtfolgen sind dem Fachmann bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Die genannten Schichten sind, wie im Stand der Technik bekannt, mit geeigneten p-Dotierstoffen wie Zn, C oder Mg bzw. mit geeigneten n-Dotierstoffen wie Te, Se, S und Si auf den gewünschten Fremdstoffgehalt dotiert.The LED chip 10 comprises a germanium substrate 12 on which a semiconductor layer sequence 14 is trained. The semiconductor layer sequence 14 is a double heterostructure in the exemplary embodiment, which is an active, photon-emitting AlGaInN-based n-type layer 22 which is enclosed by an AlGaInN-based n-type cladding layer below the active layer and an AlGaInN-based p-type cladding layer above the active layer. Such structures and layer sequences are known to the person skilled in the art and are therefore not explained in more detail here. As is known in the prior art, the layers mentioned are doped to the desired impurity content with suitable p-dopants such as Zn, C or Mg or with suitable n-dopants such as Te, Se, S and Si.

Die aktive Halbleiterschichtenfolge 14 kann alternativ eine Multiquantentopfstruktur aufweisen, wie sie beispielsweise ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind.The active semiconductor layer sequence 14 can alternatively have a multi-quantum well structure, as are also known, for example, from the prior art.

Auf die p-Typ AlGaInP-Mantelschicht ist eine dicke Lichtauskoppelschicht 16 aus GaX InyAl1-y)1-xP mit 0 < x ≤ 0,2 und 0 ≤ y ≤ 1 aufgebracht. Da die Bandlücke der Auskoppelschicht ist größer als die der aktiven Schicht ist, ist die Lichtauskoppelschicht 16 für eine in der aktiven Schichtenfolge 14 erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig.On top of the p-type AlGaInP cladding layer is a thick light decoupling layer 16 from Ga X In y Al 1-y ) 1-x P with 0 <x ≤ 0.2 and 0 ≤ y ≤ 1. Since the band gap of the coupling-out layer is larger than that of the active layer, the light coupling-out layer is 16 for one in the active layer sequence 14 generated electromagnetic radiation permeable.

Der für den Betrieb des Leuchtdiodenchips notwendige Strom wird der aktiven Schicht des Leuchtdiodenchips 10 vorliegend über einen Vorderseitenkontakt 18 und einen Rückseitenkontakt 20 zugeführt. Alternativ können die Kontakte aber auch anders als im Ausführungsbeispiel explizit gezeigt angeordnet sein.The current required for the operation of the LED chip is the active layer of the LED chip 10 in the present case via a front contact 18 and a back contact 20 fed. Alternatively, the contacts can also be arranged differently than shown in the exemplary embodiment.

Die Lichtauskoppelschicht 16 ist mittels organometallischer Dampfphasen-Epitaxie (OMVPE) aufgebracht. Dabei wird als Phosphor-Quelle Tertiärbutylphosphin (TBP, (C4H9)PH2) und als Gallium-Quelle Trimethylgallium verwendet, und es ist ein V/III Flußverhältnis von etwa 10 gewählt. Die Wachstumstemperatur beträgt im Ausführungsbeispiel 720°C, eine Temperatur, bei der das Germaniumsubstrat im Reaktor noch ausreichend fest ist .The light decoupling layer 16 is applied by means of organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE). Tertiary butylphosphine (TBP, (C 4 H 9 ) PH 2 ) is used as the phosphorus source and trimethylgallium is used as the gallium source, and a V / III flow ratio of about 10 is selected. In the exemplary embodiment, the growth temperature is 720 ° C., a temperature at which the germanium substrate in the reactor is still sufficiently solid.

Im Ausführungsbeispiel hat die Schichtenfolge 14 einen Querschnitt von 250 μm × 250 μm und eine Schichtdicke zwischen 2 und 10 μm.In the exemplary embodiment, the layer sequence has 14 a cross section of 250 μm × 250 μm and a layer thickness between 2 and 10 μm.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The in the description above, in the drawing and in the claims disclosed features of Invention can both individually and in any combination for the realization of the Invention to be essential.

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterchips auf AlGaInP-Basis mit den Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines Substrats (12); – Aufbringen einer Halbleiterschichtfolge auf das Substrat, welche eine Photonen emittierende aktive Schicht (22) enthält; und – Aufbringen einer transparenten Auskoppelschicht (16), die GaX(InyAl1-y)1-xP mit 0 < x ≤ 0 , 2 und 0 ≤ y ≤ 1 umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß – das Substrat (12) im Wesentlichen aus Germanium gebildet ist und – die transparente Auskoppelschicht (16) in einem Temperaturbereich bis maximal 800°C aufgebracht wird.Method for producing a radiation-emitting semiconductor chip based on AlGaInP with the method steps: - provision of a substrate ( 12 ); - Applying a semiconductor layer sequence to the substrate, which has a photon emitting active layer ( 22 ) contains; and - applying a transparent coupling-out layer ( 16 ), which comprises Ga X (In y Al 1-y ) 1-x P with 0 <x ≤ 0, 2 and 0 ≤ y ≤ 1, characterized in that - the substrate ( 12 ) is essentially made of germanium and - the transparent coupling-out layer ( 16 ) is applied in a temperature range up to a maximum of 800 ° C. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Auskoppelschicht (16) unter Verwendung von Tertiärbutylphosphin als Phosphorquelle aufgebracht wird.Method according to claim 1, characterized in that the transparent coupling-out layer ( 16 ) is applied using tertiary butylphosphine as a source of phosphorus. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Auskoppelschicht (16) bei einer Temperatur unterhalb von 780°C, bevorzugt unterhalb von 750° C aufgebracht wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the transparent coupling-out layer ( 16 ) is applied at a temperature below 780 ° C, preferably below 750 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Auskoppelschicht (16) bei einer Temperatur von etwa 700°C aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent coupling-out layer ( 16 ) is applied at a temperature of about 700 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Auskoppelschicht (16) unter Verwendung von Trimethylgallium als Galliumquelle aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent coupling-out layer ( 16 ) is applied using trimethyl gallium as the gallium source. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Auskoppelschicht (16) mittels organometallischer Dampfphasen-Epitaxie (OMVPE) aufgewachsen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent coupling-out layer ( 16 ) is grown using organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Auskoppelschicht (16) bei einem V/III-Verhältnis von 5 bis 20, bevorzugt von etwa 10 aufgewachsen wird.A method according to claim 6, characterized in that the transparent coupling-out layer ( 16 ) is grown at a V / III ratio of 5 to 20, preferably about 10. Strahlungsemittierendes Halbleiterchip auf AlGaInP-Basis mit – einem Substrat (12); – einer auf dem Substrat aufgebrachten Halbleiterschichtfolge (14) mit einer Photonen emittierenden aktiven Schicht (22); und – einer auf der Halbleiterschichtfolge (14) angeordneten transparenten Auskoppelschicht (16), die Gax(InyAl1-y)1-xP mit 0 < x ≤ 0,2 und 0 ≤ y ≤ 1 umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß – das Substrat (12) aus Germanium gebildet ist.Radiation-emitting semiconductor chip based on AlGaInP with - a substrate ( 12 ); A semiconductor layer sequence applied to the substrate ( 14 ) with a photon emitting active layer ( 22 ); and - one on the semiconductor layer sequence ( 14 ) arranged transparent coupling-out layer ( 16 ), which comprises Ga x (In y Al 1-y ) 1-x P with 0 <x ≤ 0.2 and 0 ≤ y ≤ 1, characterized in that - the substrate ( 12 ) is formed from germanium. Strahlungsemittierendes Halbleiterchip nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Auskoppelschicht (16) eine Dicke zwischen 1 μm und 10 μm, insbesondere zwischen 2 μm und 10 μm aufweist.Radiation-emitting semiconductor chip according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent coupling-out layer ( 16 ) has a thickness between 1 μm and 10 μm, in particular between 2 μm and 10 μm.
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