DE19943405B4 - A method of fabricating a laterally monolithically integrated light emitting semiconductor device and light emitting semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Herstellung eines eine sichtbare mischfarbige Strahlung aussendenden
Halbleiterchips, bei dem
a) auf ein Halbleitersubstrat (1)
eine Maskenschicht (100) aufgebracht wird,
b) in die Maskenschicht
(100) eine Anzahl von Fensteröffnungen
(200) unterschiedlicher Größe geformt
wird,
c) die Maskenschicht (100) und die Fensteröffnungen
(200) durch metallorganische Gasphasenepitaxie derart mit metallorganischen
Verbindungen beaufschlagt werden, daß in den Fensteröffnungen
(200) jeweils eine aktive Halbleiterschichtenfolge (2) aus ternärem oder
quarternärem
Material enthaltend einen pn-Übergang
(21) aufgewachsen wird, wobei die Halbleiterschichtenfolgen (2)
in den Fensteröffnungen
(200) jeweils mit denselben Materialkomponenten aber mit unterschiedlichen
Zusammensetzungen des ternären
oder quarternären
Materials gebildet werden, wobei die im Verfahrensschritt a) aufgebrachte
Maskenschicht (100) eine Mehrzahl von Teilbereichen (A–D) aufweist,
in denen jeweils eine Gruppe von gleich großen Fensteröffnungen (200) ausgebildet
wird und die Teilbereiche untereinander verschieden große Fensteröffnungen
(200) aufweisen, so daß die
aktiven Halbleiterschichtenfolgen der verschiedenen Gruppen mit
unterschiedlichen Wellenlängen
emittieren.Method for producing a visible mixed-color radiation emitting semiconductor chip, in which
a) a mask layer (100) is applied to a semiconductor substrate (1),
b) forming a number of differently sized window openings (200) in the mask layer (100),
c) the mask layer (100) and the window openings (200) are subjected to organometallic compounds by organometallic vapor phase epitaxy such that an active semiconductor layer sequence (2) of ternary or quaternary material contains a pn junction (21) in the window openings (200). is grown, wherein the semiconductor layer sequences (2) in the window openings (200) are each formed with the same material components but with different compositions of the ternary or quaternary material, wherein the applied in step a) mask layer (100) has a plurality of subregions (A-D ), in which in each case a group of equally large window openings (200) is formed and the partial areas have different sized window openings (200), so that the active semiconductor layer sequences of the different groups emit at different wavelengths.
Description
Verfahren zur Herstellung eines lateral monolithisch integrierten Lichtemissions-Halbleiterbauelements und Lichtemissions-Halbleiterbauelementmethod for producing a laterally monolithically integrated light-emitting semiconductor component and light emission semiconductor device
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lateral monolithisch integrierten, bei unterschiedlichen Wellenlängen elektrolumineszierenden Lichtemissions-Halbleiterbauelements. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtemissions-Halbleiterbauelements, dessen einzelne Bauelemente auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat lateral monolithisch integriert sind. Das Verfahren beruht im wesentlichen darauf, daß durch metallorganische Gasphasenepitaxie in Fensteröffnungen unterschiedlicher Größe, die in eine Maskenschicht geformt sind, ternäre oder quarternäre Halbleiterverbindungen je nach Größe der Fensteröffnung in unterschiedlicher Zusammensetzung aufgewachsen werden.The The invention relates to a method for producing a laterally monolithic integrated, electroluminescent at different wavelengths Light-emitting semiconductor device. In particular, the Invention A Method of Manufacturing a Light Emitting Semiconductor Device its individual components on a common semiconductor substrate are integrated laterally monolithic. The process is essentially based on that by organometallic gas phase epitaxy in window openings different Size that are formed in a mask layer, ternary or quaternary semiconductor compounds depending on the size of the window opening in grown in different composition.
Die zunehmend breitere Anwendung von Lichtemissions-Halbleiterbauelementen läßt es als wünschenswert erscheinen, einen monolithischen LED-Chip zu entwickeln, der elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren kann. Eine solche Entwicklung würde bedeutende Fortschritte insbesondere in der Display-Technologie mit sich bringen, denn damit könnte jedenfalls im Prinzip eine Integration aller drei Grundfarben auf einem einzigen LED-Chip gelingen. Aber auch andere Anwendungen, wie Anzeige- und Kontrolllampen, könnten kostensparend bezüglich Herstellung, Verarbeitung, etc. auf einem einzigen Halbleitersubstrat monolithisch integriert werden.The increasingly broad application of light emitting semiconductor devices leaves it as desirable appear to develop a monolithic LED chip, the electromagnetic radiation with different wavelengths can emit. Such a development would make significant progress especially in display technology, because with it could In any case, in principle, an integration of all three primary colors succeed in a single LED chip. But also other applications, like display and control lamps, could save costs in terms of production, Processing, etc. on a single semiconductor substrate monolithic to get integrated.
Mehrfarbig emittierende LED-Chips werden derzeit jedoch überwiegend noch aus drei individuellen, einfarbig emittierenden Halbleiterbauelementen zusammengesetzt, die in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut werden. Bisher ist es lediglich bekannt, aus beispielsweise Galliumphosphid (GaP) Lichtemissi ons-Halbleitereinrichtungen mit einstellbarer Farbe durch Mischung von zwei emittierten Wellenlängen herzustellen. In dem Buch "Halbleiter-Optoelektronik" von M. Bleicher, erschienen im Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg, 1986, ist auf den Seiten 157, 158 eine derartige Zwei-Farben-Lichtemissionsdiode (LED) beschrieben. Sie enthält zwischen ihrer Vorderseite, die die Lichtaustrittsseite ist, und ihrer Rückseite zwei oberflächenemittierende Lichtemissionsdioden. Diese werden durch epitaktisches Aufwachsen von p-leitenden, unterschiedlich störstellendotierten GaP-Schichten auf ein n-leitendes GaP-Substrat hergestellt, wodurch zwei an Vorder- und Rückseite des Substrats gebildete pn-Übergänge entstehen. Die obere p-leitende GaP-Schicht ist mit Stickstoff dotiert, während die untere p-leitende GaP-Schicht mit Sauerstoff und Zink dotiert ist. Der durch die obere GaP-Epischicht gebildete pn-Übergang emittiert somit bei elektrischer Anregung im grünen Spektralbereich, während der durch die untere GaP-Epischicht gebildete pn-Übergang im roten Spektralbereich emittiert. Die auf diese Weise geformten Dioden werden mit zwei Spannungsquellen betrieben, deren gemeinsamer Minuspol mit der n-Seite beider pn-Übergänge, also mit dem n-leitenden GaP-Substrat, verbunden ist. Durch getrenntes Einstellen der Diodenströme kann somit das Farbspektrum von rot über orange und gelb bis grün variiert werden. Die rote Strahlung durchdringt den gesamten Kristall und tritt durch die gleiche Fläche wie die grüne Strahlung aus, wodurch eine gute räumliche Mischung erzielt wird.multicolored However, emitting LED chips are still predominantly made up of three individual, composed of monochrome emitting semiconductor devices, in a common housing be installed. So far, it is only known, for example Gallium phosphide (GaP) light emission on semiconductor devices with adjustable color by mixing two emitted wavelengths to produce. In the book "Semiconductor Optoelectronics" by M. Bleicher, appeared in the Dr. Alfred Huthig Verlag, Heidelberg, 1986, is on pages 157, 158 such a Two-color light emitting diode (LED) described. It contains between its front, which is the light exit side, and its back two surface emitting light emitting diodes. These are formed by epitaxial growth of p-type, differently impurity-doped GaP layers produced on an n-type GaP substrate, thereby two at the front and back the substrate formed pn junctions arise. The upper p-type GaP layer is doped with nitrogen, while the lower p-type GaP layer is doped with oxygen and zinc. Of the thus formed by the upper GaP epi layer pn junction thus emitted electrical stimulation in the green Spectral range while through the lower GaP epilayer formed pn junction emitted in the red spectral range. The shaped in this way Diodes are operated with two voltage sources whose common Negative pole with the n-side of both pn junctions, ie with the n-type GaP substrate, is connected. By separately adjusting the diode currents can thus the color spectrum of red over orange and yellow to green be varied. The red radiation penetrates the entire crystal and passes through the same area like the green one Radiation, whereby a good spatial mixture is achieved.
Der Aufbau und die Struktur einer derartigen Anordnung bringt jedoch mit sich, daß lediglich elektromagnetische Strahlung zweier Wellenlängen emittiert werden kann. Da zudem die elektromagnetische Strahlung beider pn-Übergänge durch ein- und dieselbe Fläche aus dem Halbleiterbauelement austritt, wird stets eine räumliche Mischung der beiden Wellenlängen herbeigeführt. Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Halbleiterbauelements liegt darin, daß ein pn-Übergang auf der Rückseite angeordnet ist und die von diesem pn-Übergang emittierte Strahlung den gesamten Kristall durchdringen muß. Die Hälfte der Strahlung wird zudem in Richtung auf die Rückseite des Halbleiterbauelements abgestrahlt und kann somit im allgemeinen nicht für eine Vorderseitenemission genutzt werden.Of the Structure and structure of such an arrangement, however, brings with that only electromagnetic radiation of two wavelengths can be emitted. Since in addition the electromagnetic radiation of both pn transitions by one and the same area exits the semiconductor device is always a spatial Mixture of the two wavelengths brought about. Another disadvantage of the semiconductor device described is in that one pn junction on the back side is arranged and the radiation emitted by this pn junction must penetrate the entire crystal. Half of the radiation will also towards the back of the semiconductor device and thus can generally not for a front emission can be used.
In
der
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines lateral monolithisch integrierten, bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen elektrolumineszierenden Lichtemissions-Halbleiterbauelements anzugeben. Ein derartiges Lichtemissions-Halbleiterbauelement soll insbesondere dazu in der Lage sein, elektromagnetische Strahlung bei zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen vorderseitig zu emittieren.It It is an object of the present invention to provide a process for the preparation a laterally monolithic integrated electroluminescent at several different wavelengths Specify light emitting semiconductor device. Such a light emitting semiconductor device should in particular be able to electromagnetic radiation emit at two or more different wavelengths front.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. durch ein Bauelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.This task is performed by a procedure or solved by a device according to the independent claims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines bei einer Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen elektrolumineszierenden Lichtemissions-Halbleiterbauelements wird demgemäß
- a) auf ein Halbleitersubstrat eine Maskenschicht aufgebracht,
- b) in die Maskenschicht eine Anzahl Fensteröffnungen unterschiedlicher Größen geformt, und
- c) die Maskenschicht und die Fensteröffnungen durch metallorganische Gasphasenepitaxie mit metallorganischen Verbindungen derart beaufschlagt, daß in den Fensteröffnungen jeweils eine aktive, elektrolumineszierende Halbleiterschichtenfolge aus ternärem oder quarternärem Material enthaltend einen pn-Übergang aufgewachsen wird, wobei die Halbleiterschichtenfolgen in den Fensteröffnungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen des ternären oder quarternären Materials gebildet werden. Die im Verfahrensschritt a) aufgebrachte Maskenschicht weist bei dem Verfahren eine Mehrzahl von Teilbereichen auf, in denen jeweils eine Gruppe von gleich großen Fensteröffnungen ausgebildet wird und die untereinander verschieden große Fensteröffnungen aufweisen, so daß die aktiven Halbleiterschichtenfolgen der verschiedenen Gruppen mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.
- a) a mask layer is applied to a semiconductor substrate,
- b) formed in the mask layer a number of window openings of different sizes, and
- c) the metal-organic vapor phase epitaxy with organometallic compounds so acted upon by the mask layer and the window openings, that in the window openings in each case an active, electroluminescent semiconductor layer sequence of ternary or quaternary material containing a pn junction is grown, the semiconductor layer sequences in the window openings with different compositions of the ternary or quaternary material. In the method, the mask layer applied in method step a) has a plurality of partial areas, in each of which a group of equally large window openings is formed and which have window openings of different sizes, so that the active semiconductor layer sequences of the different groups emit at different wavelengths.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird somit selektive Epitaxie und metallorganische Gasphasenepitaxie
(MOCVD oder MOVPE) miteinander kombiniert. Das allgemeine Prinzip
der selektiven Epitaxie ist in J. J. Coleman, Metalorganic Chemical Vapor
Depostion for Optoelectronic Devices, Proceedings of the IEEE, Vol.85,
No.11, November 1997, S. 1715–1729,
und in B. Korgel, R.F. Hicks, A diffusion model for selective-area
epitaxy by metalorganic chemical vapor deposition, J. of Crystal
Growth 151 (1995) 204–212,
beschrieben. Aus der
Bekanntermaßen lassen sich durch selektive Epitaxie vordefinierte Strukturen herstellen. Zu einer selektiven Schichtabscheidung kommt es dann, wenn die Substratoberfläche bereichsweise mit Materialien unterschiedlicher Elektronegativität belegt ist. Um selektive Schichtabscheidung zu erzielen, wird auf einem Halbleitersubstrat eine Maskenschicht abgeschieden, die beispielsweise aus SiO2 oder einer Silicium-Nitrid-Verbindung SiXN1-X besteht. In diese Maskenschicht werden Fens teröffnungen zum Substrat geformt, in denen die vordefinierten Strukturen hergestellt werden sollen. Diese Fensteröffnungen werden vorzugsweise durch einen Ätzschritt erzeugt. Somit wird eine strukturierte Substratoberfläche erzeugt, die bereichsweise mit dem Maskenmaterial und bereichsweise mit dem Halbleitersubstrat belegt ist. Wenn nun ein Halbleiterwachstumsprozeß durchgeführt wird, bei dem ein geeignetes Halbleitermaterial epitaktisch auf diese Substratoberfläche aufgewachsen wird, so kommt es zu selektiver Schichtabscheidung, die bevorzugt in den Fensteröffnungen der Maskenschicht abläuft. Form und Größe der gewünschten, vordefinierten Strukturen hängen somit im wesentlichen von den Strukturen der Fensteröffnungen in der Maskenschicht sowie den Epitaxieparametern ab.As is known, predefined structures can be produced by selective epitaxy. Selective layer deposition occurs when the substrate surface is partially covered with materials of different electronegativity. In order to achieve selective layer deposition, a mask layer consisting of, for example, SiO 2 or a silicon nitride compound Si x N 1-X is deposited on a semiconductor substrate. In this mask layer Fens teröffnungen are formed to the substrate in which the predefined structures are to be produced. These window openings are preferably produced by an etching step. Thus, a structured substrate surface is generated, which is partially covered with the mask material and partially with the semiconductor substrate. Now, when a semiconductor growth process is performed in which a suitable semiconductor material is epitaxially grown on this substrate surface, selective layer deposition occurs, which preferably proceeds in the window openings of the mask layer. The shape and size of the desired predefined structures thus depend essentially on the structures of the window openings in the mask layer and on the epitaxy parameters.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Epitaxieverfahren die metallorganische Gasphasenepitaxie angewandt. Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die Maskenöffnung, d.h. das Verhältnis von offener Substratfläche zu maskierter Fläche, maßgeblich die Abscheidebedingungen der metallorganischen Gasphasenepitaxie bestimmt. Dies führt dazu, daß bei ternären oder quarternären Halbleiterverbindungen das Zusammensetzungsverhältnis der aufgewachsenen Halbleiterschicht bei gegebenen Epitaxieparametern von der Größe der Fensteröffnung abhängt. Somit kann durch die Größe der Fensteröffnung die Emissionswellenlänge eines in der Fensteröffnung aufzuwachsenden pn-Übergangs eingestellt werden. Die strukturgrößenabhängige Variation in der Zusammensetzung des Halbleitermaterials beruht letztlich auf einer Variation in der Wachstumsrate der verschiedenen Komponenten der ternären oder quarternären Halbleiterverbindung, die von den unterschiedlichen Diffusionsverhältnissen der einzelnen Komponenten in dem MOVPE-Prozeß auf dem Maskenmaterial bestimmt wird. Die chemischen Potentiale an der Oberfläche des Maskenmaterials bestimmen die Bindung dieser einzelnen Komponente, wie beispielsweise Ga und/oder In an eben dieser Maskenoberfläche. Durch einfache Variation der Maskenöffnungsgröße lassen sich auf diesem Wege alle durch die gewählte ternäre oder quarternäre Halbleiterverbindung erreichbaren Wellenlängen einstellen.In the method according to the invention becomes as epitaxy the organometallic gas phase epitaxy applied. An essential feature of the method according to the invention lies in the fact that the Mask opening, i.e. The relationship of open substrate surface to masked area, decisively the deposition conditions of organometallic gas phase epitaxy certainly. this leads to to that in ternary or quaternary Semiconductor compounds the composition ratio of the grown semiconductor layer for given epitaxy parameters, depends on the size of the window opening. Consequently can by the size of the window opening the emission wavelength of a growing up in the window opening pn junction be set. The structure-size-dependent variation in the composition of the semiconductor material is ultimately based on a variation in the growth rate of the various components of the ternary or quaternary Semiconductor compound that differs from the different diffusion ratios of the individual components in the MOVPE process on the mask material becomes. Determine the chemical potentials on the surface of the mask material the bonding of this single component, such as Ga and / or In on this same mask surface. By simple variation of the mask opening size can be in this way all by the chosen ternary or quaternary Set semiconductor connection achievable wavelengths.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als das Material des Halbleitersubstrats InP gewählt und das Material der Halbleiterschichtenfolgen ist entweder die ternäre Verbindung GaInAs oder die quaternäre Verbindung GaInAsP. Bei diesen Materialkombinationen erweist es sich, daß mit zunehmender, Größe der Fensteröffnungen das Anteilsverhältnis Ga:In in dem abgeschiedenen Halbleitermaterial zunimmt, so daß die Bandlücke entsprechend zunimmt und ein aus diesem Material gebildeter pn-Übergang eine elektromagnetische Strahlung entsprechend kürzerer Wellenlänge emittiert.In an embodiment of the present invention is referred to as the material of the semiconductor substrate InP selected and the material of the semiconductor layer sequences is either the ternary Compound GaInAs or the quaternary compound GaInAsP. at These combinations of materials, it turns out that with increasing size of the window openings the share ratio Ga: In in the deposited semiconductor material increases, so that the bandgap accordingly increases and a formed from this material pn junction emits an electromagnetic radiation correspondingly shorter wavelength.
Es kann ferner vorgesehen sein, daß im Verfahrensschritt a) auf das Halbleitersubstrat zunächst eine Bragg-Reflektor-Schichtenfolge aufgebracht wird, die aus einer Anzahl von Reflektorschichtenpaaren zusammengesetzt ist, deren jedes einzelne Schichtenpaar zwei Schichten mit unterschiedlich hohem Brechungsindex aufweist, und auf dieser Bragg-Reflektor-Schichtenfolge dann die Maskenschicht aufgebracht wird. Dies hat den Vorteil, daß die von der aktiven, elektrolumineszierenden Schichtenfolge in Richtung auf die Substratrückseite emittierte Strahlung von der Bragg-Reflektor-Schichtenfolge in Richtung auf die Substratvorderseite reflektiert wird und somit ebenfalls genutzt werden kann.It may further be provided that in method step a) on the semiconductor substrate first a Bragg reflector layer sequence is applied, which is composed of a number of reflector layer pairs, each pair of individual layers having two layers with different refractive indices, and then the mask layer is applied to this Bragg reflector layer sequence. This has the advantage that the radiation emitted by the active, electroluminescent layer sequence in the direction of the substrate rear side is reflected by the Bragg reflector layer sequence in the direction of the substrate front side and thus can likewise be used.
Ferner können die einzelnen Lichtemissions-Halbleiterbauelemente auch als Vertikalresonator-Laserdioden (VCSELs) ausgebildet sein. In diesem Falle ist außer der bereits erwähnten substratseitigen Bragg-Reflektor-Schichtenfolge noch eine weitere lichtaustrittsseitige, teildurchlässige Bragg-Reflektor-Schichtenfolge vorgesehen. Durch die beiden Bragg-Reflektor-Schichtenfolgen wird ein Laserresonator für in dem pn-Übergang erzeugte Laserstrahlung gebildet.Further can the individual light-emitting semiconductor devices as vertical resonator laser diodes (VCSELs) may be formed. In this case, except the already mentioned substrate-side Bragg reflector layer sequence yet another Light exit side, partially transparent Bragg reflector layer sequence provided. Through the two Bragg reflector layer sequences becomes a laser resonator for in the pn junction generated laser radiation formed.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:in the Following are embodiments of the inventive method closer to the figures explained. Show it:
Nach
Die
Bragg-Reflektor-Schichtenfolge
In
den Fensteröffnungen
Das
Ausführungsbeispiel
eines in
Unter
der Hauptabstrahlrichtung
In
jedem der Zylinder
Die
aktive Schichtenfolge
Auf
der von der aktiven Schichtenfolge
Die
Stromaperturschicht
Auf
der Deckfläche
Ein
wesentliches Element der Erfindung besteht darin, daß in dem
Epitaxieschritt des Aufwachsens der Halbleiterschichtenfolge die
Komponenten der Halbleiterverbindung in Abhängigkeit von der Größe der Fensteröffnung
Der
Einbau der verschiedenen Komponenten der Halbleiterverbindungen
hängt wesentlich
von dem Diffusionsverhalten auf dem Maskenmaterial ab. Wenn dieses
bekannt ist, kann durch Experimente leicht herausgefunden werden,
wie bei einer gegebenen Halbleiterverbindung die Größe der Fensteröffnung
Das
in
In
Wie
dargestellt, enthält
der Quadrant D die Zylinder
- 11
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 22
- aktive Schichtenfolgeactive layer sequence
- 33
- elektromagnetische Strahlungelectromagnetic radiation
- 44
- Emissionszoneemission zone
- 55
- StrahlungsauskoppelelementStrahlungsauskoppelelement
- 5A–D5A-D
- Quadrantenquadrant
- 66
- Zylindercylinder
- 99
- Hauptabstrahlrichtungmain radiation
- 1010
- Deckflächecover surface
- 1111
- Ringkontaktring Contact
- 1414
- Stromaperturschichtcurrent aperture
- 1515
- Stromdurchlaßöffnungcurrent passage
- 1616
- Bragg-Reflektor-SchichtenfolgeBragg reflector layer sequence
- 1717
- Kontaktschichtcontact layer
- 1919
- Kontaktmetallisierungcontact metallization
- 2020
- LED-ChipLED chip
- 2121
- pn-Übergangpn junction
- 100100
- Maskenschichtmask layer
- 200200
- Fensteröffnungwindow opening
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