專(zhuān)利名稱(chēng)：制造一種紅外發(fā)射發(fā)光二極管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造一種紅外發(fā)射發(fā)光二極管的一種方法，在一個(gè)優(yōu)先由GaAs構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底上，被涂上當(dāng)發(fā)光二極管運(yùn)行時(shí)能發(fā)射一個(gè)紅外(IR)-射線(xiàn)束的活性層序列，此序列是由半導(dǎo)體襯底一個(gè)第一個(gè)AlGaAs-覆蓋層，含有一個(gè)GaAs和/或AlGaAs的活性層和一個(gè)第二個(gè)AlGaAs-覆蓋層構(gòu)成。
發(fā)光二極管即光發(fā)射的二極管(LED)特別是在光通訊技術(shù)方面被用作為發(fā)射元件。按照所期望的發(fā)射光的波長(zhǎng)使用不同的半導(dǎo)體系統(tǒng)，其各自作為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料也會(huì)由于其各自的技術(shù)問(wèn)題而產(chǎn)生不同的制造方法。在波長(zhǎng)約為400至800nm的可見(jiàn)光譜范圍使用一種AlGaInP-合金系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整它的鋁含量可以確定所期望的光波波長(zhǎng)是在一個(gè)相對(duì)較寬的色譜范圍之內(nèi)。與之相區(qū)別的發(fā)光二極管，它具有在紅外范圍工作的較長(zhǎng)的波長(zhǎng)并且一般來(lái)說(shuō)是以一種AlGaAs-系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，通過(guò)調(diào)整它的約為10％至30％典型范圍內(nèi)的鋁含量發(fā)射光的波長(zhǎng)可以達(dá)到上限約為800nm。本發(fā)明從事于制造一個(gè)以AlGaAs-系統(tǒng)為基礎(chǔ)的紅外-發(fā)光二極管。在迄今為止的紅外-發(fā)光二極管中所有涂在GaAs-襯底上的層序列都是用LPE-(液相外延)-法制造的。用這種方法為了形成一個(gè)外延層將一個(gè)在一定溫度下由所期望的添加材料組成的過(guò)飽和溶液與GaAs襯底晶體相接觸，在隨后的冷卻過(guò)程中在襯底晶體上形成一個(gè)GaAs以及AlGaAs的外延層。用這種方法可以與相曲線(xiàn)相對(duì)應(yīng)地生長(zhǎng)成不同成分的單晶層。液相外延法具有相對(duì)大的成長(zhǎng)率并且因而也適合于制造相對(duì)厚的外延層。恰恰當(dāng)制造這里感興趣的AlGaAs-系統(tǒng)的紅外-發(fā)光二極管的層序列時(shí)被認(rèn)為這是個(gè)缺點(diǎn)，用至今為止的方法沉積的，相對(duì)厚的AlGaAs-LPE-層承受機(jī)械應(yīng)力并且因而導(dǎo)致外延-晶片承受彎曲，它們?cè)谝院蟮墓ば蛑惺呛茈y加工的。由于這個(gè)原因至今所使用的在半導(dǎo)體襯底上用最大晶片直徑為二英寸的晶片組合制造紅外發(fā)射發(fā)光二極管的方法是受到限制的。
在本發(fā)明的進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)中紅外發(fā)射發(fā)光二極管有一個(gè)所謂的耦合層以改善由發(fā)光二極管發(fā)射出光線(xiàn)的光學(xué)耦合效率。在這里光學(xué)耦合效率首先在很大的程度上由基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的層結(jié)構(gòu)所決定。如果原本的光產(chǎn)生是在一個(gè)薄的，綜合成為活性層的被稱(chēng)為層上完成的，和例如如在雙-異-層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管中包含一個(gè)所謂的活性區(qū)或者如在均質(zhì)-pn-發(fā)光二極管中包含一個(gè)圍繞pn-過(guò)渡區(qū)形成的光產(chǎn)生區(qū)，這樣雙面均具有一個(gè)低吸收率的覆蓋層對(duì)于發(fā)射的波長(zhǎng)可以明顯地改善耦合效率。此外在制造層結(jié)構(gòu)時(shí)必須涂上比在光產(chǎn)生區(qū)(活性層)相對(duì)厚的具有較大帶寬的半導(dǎo)體層。當(dāng)前制造這種結(jié)構(gòu)只有用液相外延-法(LPE)或者用各種氣相外延-法的組合而產(chǎn)生，其中后者光產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)一般是用MOVPE-法并且厚的耦合層是用VPE-法制造的。使用MOVPE-方法制造具有如此厚的耦合層的LED-結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是其沉積率相對(duì)比較低。為了制造厚度約大于10nm相對(duì)比較厚的窗層以及優(yōu)先為GaAs的可以非常高地提高耦合效率的耦合層，至今是使用由MOVPE-法和VPE-法組合在一起的方法。依據(jù)本發(fā)明也應(yīng)提供一種新的組合方法，用這種方法應(yīng)能制造具有厚耦合層的LED-結(jié)構(gòu)。但是在這里除了其它以外還有一個(gè)困難，不僅耦合層的成分而且耦合層的制造條件都將影響表面的效率，因?yàn)槊舾械膶咏Y(jié)構(gòu)的損壞程度(一個(gè)活性區(qū)的雙-異-層，以及pn-過(guò)渡區(qū))是由給定的參數(shù)所決定的。
由US 5,233,204以及由K.H.Huang,et.al.Appl.Phys.Lett.61(9),31.8月1992,1045-1047頁(yè)中得知制造波長(zhǎng)為555至620nm的可見(jiàn)光譜范圍的發(fā)光二極管是用一種AlGaInP-合金系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。這種發(fā)光二極管包括一個(gè)層序列，它是由一個(gè)GaAs-襯底，一個(gè)第一個(gè)AlGaInP-覆蓋層為n-型，一個(gè)AlGaInP為n-型的活性區(qū)和一個(gè)第二個(gè)AlGaInP-覆蓋層為p-型所組成。兩個(gè)覆蓋層每個(gè)的厚度約為800nm，活性區(qū)的厚度約為500nm。第一個(gè)AlGaInP-覆蓋層，活性區(qū)，和第二個(gè)AlGaInP-覆蓋層是用一種MOCVD-(金屬組織化學(xué)汽沉積)-法制造的。而且也得知，在第二個(gè)AlGaInP-覆蓋層之上是由一個(gè)用一種VPE-(氣相外延)-法制造的厚度至少為15μm的GaP、AlGaAs和GaAsP透光的耦合層構(gòu)成的。在這里耦合層是通過(guò)減少側(cè)面發(fā)射的光數(shù)量和通過(guò)減少由光吸收襯底吸收的光數(shù)量以增大發(fā)光二極管的有效光輻射。為此耦合層具有一個(gè)至少為0.06×發(fā)光二極管寬度的厚度。此時(shí)耦合層的光折射指數(shù)被這樣選擇，即由全反射角決定的，在發(fā)光二極管內(nèi)吸收的光部分被減少。
本發(fā)明的基本任務(wù)是，提供一種制造一種用一個(gè)GaAs-半導(dǎo)體襯底和一個(gè)以AlGaAs-系統(tǒng)為基礎(chǔ)的層序列的紅外發(fā)射發(fā)光二極管的方法，在這里即使在相對(duì)比較厚的AlGaAs-層沉積時(shí)也可以減少所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，并且因而也適用于毫無(wú)問(wèn)題地大量制造直徑大于2英寸的晶片組合的發(fā)光二極管。
此任務(wù)是通過(guò)在權(quán)利要求1中敘述的方法解決的。
本發(fā)明方法的有利的進(jìn)一步發(fā)展和結(jié)構(gòu)形式是從屬權(quán)利要求2至9的內(nèi)容。
本發(fā)明的內(nèi)容為第一個(gè)AlGaAs-覆蓋層和活性區(qū)是用一種MOVPE-(金屬組織氣相外延)-法以及第二個(gè)AlGaAs-覆蓋層是用一種LPE-(液相外延)-法制造的。依照本發(fā)明用MOVPE和LPE的組合方法在制造一種以AlGaAs-系統(tǒng)為基礎(chǔ)的紅外發(fā)射發(fā)光二極管時(shí)與至今使用的方法比較具有以下優(yōu)點(diǎn)為了得到一個(gè)最佳的光學(xué)結(jié)構(gòu)匹配，它對(duì)于一個(gè)好的放電載體的活動(dòng)性和外延層的高壽命是重要的，對(duì)于機(jī)械應(yīng)力來(lái)說(shuō)特別危險(xiǎn)的第一個(gè)AlGaAs-覆蓋層和活性層是用一種MOVPE-法制造的，這時(shí)所用的金屬是在優(yōu)先用三氯鎵作為氣相載體在低汽壓的氣相內(nèi)傳送的。此時(shí)沉積發(fā)生在GaAs-晶體熔點(diǎn)以下很多的地方，因此由外延-系統(tǒng)產(chǎn)生的不潔物的侵入明顯地被阻止。當(dāng)由覆蓋層和活性區(qū)構(gòu)成的活性層結(jié)構(gòu)的總厚度很典型的大約為10μm時(shí)，用MOVPE-法提供的沉積率還足夠高。為了制作第二個(gè)AlGaAs-覆蓋層選擇了LPE-法，這種方法比較簡(jiǎn)單和便宜并且提供較高的沉積率，因此特別適用于層厚比較大時(shí)。用這種方法制造的外延-晶片比起按照至今已知的方法制造的外延-晶片具有一個(gè)非常小的彎曲。
為了制造厚度約大于10μm的相對(duì)厚的窗層以及耦合層或者甚至厚度約大于70μm的由自身支撐的耦合層時(shí)在第二個(gè)覆蓋層上應(yīng)給于發(fā)明原理以下建議，對(duì)于第一個(gè)覆蓋層和活性層用MO-氣相外延，對(duì)于第二個(gè)覆蓋層和耦合層用液相外延的組合方法，它提供了一種新的，能很好的實(shí)現(xiàn)制造所期望的紅外發(fā)射發(fā)光二極管的方法，此時(shí)對(duì)于液相沉積特別使用了這樣一種LPE-變型方法，這種方法給光產(chǎn)生層結(jié)構(gòu)帶來(lái)一個(gè)盡可能小的熱負(fù)荷，即例如一種溫差-LPE-法。通過(guò)后序的腐蝕以及溶解掉被GaAs吸收的襯底將能達(dá)到，用這種方法制造的IP-發(fā)光二極管具有一個(gè)特別高的耦合效率。
本發(fā)明進(jìn)一步的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和目的將借助附圖的結(jié)構(gòu)示例進(jìn)行如下描述。如附

圖1按照本發(fā)明的一個(gè)第一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)IR-發(fā)光二極管的一個(gè)截面簡(jiǎn)附圖2按照本發(fā)明的一個(gè)第二個(gè)實(shí)施例的一個(gè)IR-發(fā)光二極管的一個(gè)截面簡(jiǎn)圖；和附圖3按照本發(fā)明的一個(gè)第三個(gè)實(shí)施例的一個(gè)IR-發(fā)光二極管的一個(gè)截面簡(jiǎn)圖。
在附圖1中表示的一個(gè)按照本發(fā)明方法制造的紅外發(fā)射發(fā)光二極管的實(shí)施例包括一個(gè)GaAs半導(dǎo)體襯底，在其上涂上一層當(dāng)發(fā)光二極管運(yùn)行時(shí)發(fā)射一束IR-射線(xiàn)的活性層序列，它是由半導(dǎo)體襯底1一個(gè)第一層x=0.35的AlxGa1-xAs-覆蓋層2，一個(gè)活性層3和一個(gè)第二層x=0.35的AlxGa1-xAs-覆蓋層4組成。按照附圖1實(shí)施例的活性層3表示了發(fā)射波長(zhǎng)約為830nmIR-射線(xiàn)的一個(gè)AlGaAs-雙-異結(jié)構(gòu)；另外活性層3也可以由一種均質(zhì)-pn-過(guò)渡區(qū)構(gòu)成。在附圖1中表示的層結(jié)構(gòu)特別適合于制造特別快的紅外發(fā)射發(fā)光二極管。
第一個(gè)AlxGa1-xAs-覆蓋層2和活性層3是用一種MOVPE-(金屬組織氣相外延)-法制造的，而第二個(gè)AlxGa1-xAs-覆蓋層4是用一種LPE-(液相外延)-法制造的。
在附圖2表示的實(shí)施例中在第二個(gè)AlxGa1-xAs-覆蓋層4上附加沉積了一個(gè)x=0.2-0.4的AlxGa1-xAs-耦合層5，這個(gè)AlxGa1-xAs-耦合層5是用一種LPE-(液相外延)-法沉積的并且其總厚度約為10μm至50μm。符號(hào)6和7是導(dǎo)電的電極連接，在附圖1的圖中為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)被省略了。
在附圖3的實(shí)施例中AlxGa1-xAs-耦合層5是由一個(gè)厚度至少約為50μm的自支撐層組成。并且光吸收襯底1是用腐蝕或者類(lèi)似的溶解法被溶解掉了。在這個(gè)實(shí)施例中自支撐耦合層5作為透光的襯底，它支撐著由2、3、4以及6、7層組成的結(jié)構(gòu)。
在附圖2和3中表示的實(shí)施例特別適用于制造特別亮的紅外發(fā)射發(fā)光二極管。
符號(hào)表1半導(dǎo)體襯底2第一個(gè)AlxGa1-xAs-覆蓋層3活性層4第二個(gè)AlxGa1-xAs-覆蓋層5AlxGa1-xAs-耦合層6,7 導(dǎo)電的電極連接
權(quán)利要求
1．制造一種紅外發(fā)射發(fā)光二極管的方法，在一個(gè)優(yōu)先由GaAs構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底(1)上涂上一層當(dāng)發(fā)光二極管運(yùn)行時(shí)發(fā)射一束紅外射線(xiàn)的活性層，其從半導(dǎo)體襯底(1)出發(fā)由一個(gè)第一個(gè)AlGaAs-覆蓋層(2)，一個(gè)含有GaAs和/或AlGaAs的活性層(3)和一個(gè)第二個(gè)AlGaAs-覆蓋層組成，其特征在于，第一個(gè)AlGaAs-覆蓋層(2)和活性層(3)是由一種MOYPE-(金屬組織氣相外延)-法并且第二個(gè)AlGaAs-覆蓋層(4)是由一種LPE-(液相外延)-法制成的。
2．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，第一個(gè)AlGaAs-覆蓋層(2)和/或第二個(gè)AlGaAs-覆蓋層(4)的每個(gè)的Al-含量約為10％至約為35％。
3．按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，如果晶片的直徑大于2英寸時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)大量制造晶片組合的紅外發(fā)射發(fā)光二極管。
4．按照權(quán)利要求1至3之一的方法，其特征在于，在第二個(gè)AlGaAs-覆蓋層(4)上用一種LPE-(液相外延)-法涂上一層導(dǎo)電的、在紅外光譜范圍透光的厚度至少約為10μm的耦合層(5)。
5．按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，耦合層(5)被構(gòu)成為自支撐的并且其厚度至少約為50μm。
6．按照權(quán)利要求5的方法，其特征在于，優(yōu)先由GaAs構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底(1)在自支撐耦合層(5)制造后被去掉。
7．按照權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于，耦合層(5)是由優(yōu)先約為20％至約為35％的Al-含量的AlGaAs構(gòu)成。
8．按照權(quán)利要求5至7之一的方法，其特征在于，耦合層(5)是由多個(gè)LPE-單工序制造而成。
9．按照權(quán)利要求4至8的方法，其特征在于，耦合層(5)是用一種溫差-LPE-法制造的。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造一種紅外發(fā)射發(fā)光二極管的方法，在這種方法中在一個(gè)優(yōu)先由GaAs構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底(1)上被涂上一個(gè)層序列，它是由半導(dǎo)體襯底(1)一個(gè)第一個(gè)AIGaAs－覆蓋層(2)，一個(gè)包含有GaAs和/或AlGaAs的活性層(3)和一個(gè)第二個(gè)AlGaAs－覆蓋層(4)組成的，其中第一個(gè)AlGaAS－－覆蓋層(2)和活性層(3)是用一種MOVPE－(金屬組織氣相外延)－法以及第二個(gè)AlGaAs－覆蓋層(4)是用一種LPE－法制造的。此外在第二個(gè)AlGaAs－覆蓋層上用一種LPE－(液相外延)－法沉積上一個(gè)厚度至少約為10μm的導(dǎo)電的、在紅外光譜范圍透光的耦合層(5)。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1227670SQ97197120
公開(kāi)日1999年9月1日 申請(qǐng)日期1997年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月7日
發(fā)明者R·澤德?tīng)栠~爾, E·尼爾施爾, N·斯塔斯 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司