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DE2010745C3 - Method for producing a gallium arsenide single crystal with a pn junction - Google Patents

Method for producing a gallium arsenide single crystal with a pn junction

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DE2010745C3
DE2010745C3 DE19702010745 DE2010745A DE2010745C3 DE 2010745 C3 DE2010745 C3 DE 2010745C3 DE 19702010745 DE19702010745 DE 19702010745 DE 2010745 A DE2010745 A DE 2010745A DE 2010745 C3 DE2010745 C3 DE 2010745C3
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DE
Germany
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zinc
crystal
gallium arsenide
gallium
cadmium
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DE19702010745
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DE2010745B2 (en
DE2010745A1 (en
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Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Touchy
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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Publication of DE2010745B2 publication Critical patent/DE2010745B2/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B31/00Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
    • C30B31/06Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion material in the gaseous state
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor 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

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Description

Menge an Zink- oder Cadmiumarsenid — vorzugsweise zusammen mit freiem Arsen etwa im Verhältnis 1:1 — von entsprechender Reinheit eingeschlossen und die Ampulle auf 850-9500C erhitzt wird. Die Diffusionsdauer beträgt etwa 4 Stunden. Der pn-übergang 3 liegt dann etwa 15-20 μπι tief. Die Dicke des Grundmaterials wird dann auf etwa 100 μιπ reduziertAmount of zinc or cadmium arsenide - preferably together with free arsenic approximately in the ratio 1: 1 - included of equivalent purity and the vial is heated to 850-950 0 C. The diffusion time is about 4 hours. The pn junction 3 is then about 15-20 μm deep. The thickness of the base material is then reduced to about 100 μm

Zur Fertigstellung der Diode wird dann sowohl die η-Zone la als auch die p-Zone 2 mit je einer Elektrode 4 bzw. 5 kontaktiert Da das zu erzeugende Licht zwar in der p-Zone 2 entsteht, den Kristall aber nur durch die n-Zonc la verläßt, ist es zweckmäßig, wenn die die η-Zone kristallisierende Elektrode 4 die Oberfläche der η-Zone möglichst frei IaEi oder in der bei Fotodioden bekannten Weise als strahlungsdurchlässige Metallschicht ausgebildet ist Die die p-Zone kontaktierende Elektrode 5 ist als Trägerelektrode ausgebildet Sie kann mit einem metallischen Gehäuseteil, z. B, einem Sockel, identisch sein. Das Gehäuse ist in bekannter Weise so ausgebildet daß zwar die Anordnung hermetisch abschließt aber die erzeugte Strahlung nach außen treten läßtTo complete the diode, both the η zone 1 a and the p zone 2 are then each provided with an electrode 4 or 5 contacted Since the light to be generated arises in p-zone 2, the crystal only through the Leaves n-zone la, it is useful if the η-zone crystallizing electrode 4 the surface of the η zone as free as possible IaEi or in the case of photodiodes known manner is formed as a radiation-permeable metal layer that makes contact with the p-zone Electrode 5 is designed as a carrier electrode. B, a base, be identical. The housing is designed in a known manner so that the arrangement is hermetically sealed completes but lets the generated radiation pass to the outside

Der Leistungsabfall, der mit den Lumineszenzdioden üblicher Herstellungsart verbunden ist läßt sich auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens weitgehend vermeiden. Die für den Leistungsabfall auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes erforderliche Betriebsdauer kann mindestens um den Faktor 3, z. B. von 3000 Betriebsstunden auf 10 000 Betriebsstunden gesteigert werden.The drop in performance that is associated with conventionally manufactured light-emitting diodes can be reduced to Avoid the reason for the method according to the invention to a large extent. The one for the drop in performance by half The required operating time of the original value can be increased by at least a factor of 3, e.g. B. from 3000 Operating hours can be increased to 10,000 operating hours.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche: Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäßClaims: This object is achieved in a method according to the preamble of claim 1 according to the invention 1. Verfahren zum Dotieren von n-Galliumar- durch die Merkmale von dessen kennzeichnenden Teil senideinkristallen durch Erhitzen zusammen mit gelöst.1. Method of doping n-gallium ar- by the features of its characterizing part Senide monocrystals dissolved by heating together with. Zink- und/oder Cadmiumarsenid in einer Ampulle ϊ Im Gegensatz zu den obengenannten bekannten Verbei einer Temperatur von 850 bis 95O°C und einem fahren wird also der n-Galliumarsenideinkristal! ledig-Arsendruck von mehr als 1 atm, dadurch ge- lieh während vier Stunden erhitzt, so daß ein pn-Überkennzeichnet, daß der n-Galliumarsenidein- gang entsteht, der zur Herstellung einer Lumineszenzkristall zusammen mit dem Zink- b;tw. Cadmiumar- diode erforderlich ist.Zinc and / or cadmium arsenide in an ampoule ϊ In contrast to the known verbi mentioned above a temperature of 850 to 95O ° C and one will drive the n-gallium arsenide single crystal! single arsenic pressure of more than 1 atm, thereby borrowed heated for four hours, so that a pn-over characterizes, that the n-gallium arsenide input is created, which is used to produce a luminescent crystal together with the zinc b; tw. Cadmium diode is required. senid im Verhältnis 1 :1 vier Stunden lang erhitzt io Durch das Ziehen des Einkristalls unter dem wird. angegebenen erhöhten Arsendampfdruck werden zu-Senid in a ratio of 1: 1 heated for four hours by pulling the single crystal under the will. specified increased arsenic vapor pressure are 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nächst Galliumleerstellen in dem entstehenden GaAszeichnet, daß in dem n-Galliumarsenideinkristall Einkristall erzeugt Das eindiffundierende Zink bzw. eine Galliumfehlstellendichte von 1017 bis 10l8/cm3 Cadmium wird dann bei der Herstellung des pn-Obereingestellt wird. < ■> gangs in erster Linie über diese Galliumleerstellen und2. The method according to claim 1, characterized marked next Galliumleerstellen in the resulting GaAszeichnet that in the n-gallium arsenide single crystal produced the diffusing zinc or a Galliumfehlstellendichte of 10 17 to 10 l8 / cm 3 cadmium is then in the manufacture of the pn Is set above. <■> gangs primarily about these gallium vacancies and nicht Ober Gitterzwischenplätze eindiffundiert und auchnot diffused above grid intermediate positions and also diese Leerstellen besetzen, zumal diese Galliumleerstellen durch ein Oberangebot von Arsen bei dem der Herstellung des pn-Überganges dienenden Prozeß nichtoccupy these vacancies, especially since these gallium vacancies through an oversupply of arsenic in the The process serving the pn junction is not produced Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Ober- 2o verlorengehen. In der fertigen Diode sitzen dann die begriff des Patentanspruchs 1. Zink- bzw. Cadmiumatome auf Gitterpiätzen. DamitThe invention relates to a method according to which the upper 2 o is lost. In the finished diode, the terms of patent claim 1 are located. Zinc or cadmium atoms on grid spaces. In order to Bei einem derartigen bekannten Verfahren (US-PS wird der oben dargelegten Leistungsabnahme beim 32 45 847) wird eine Zink- oder Cadmium-Konzentra- Betrieb der schließlich aus einem derart hergestellten tion von 10M Atomen/cm3 zur Herstellung eines homo- GaAs-Kristall erzeugten Lumineszenzdiode wirksam genen p-Galliumarsenideinkristalls angestrebt, was eine 25 entgegengearbeitet Sitzt hingegen das Zink bzw. entsprechend lange Diffusionszeit in der Größenord- Cadmium auf Zwischengitterplätzen des GaAs-Einkrinung von einigen Tagen erfordert Es ist nicht vorge- stalls, so wandern diese erfahrungsgemäß im elektrischen, durch diese Dotierung pn-Obergänge oder Kon- sehen Feld und unter dem Einfluß der emittierten zentrationsprofile herzustellen. Strahlung, so daß sich die elektrischen EigenschaftenIn such a known method (US-PS, the power decrease presented above in 32 45 847) is a zinc or cadmium concentration operation of the finally produced from a tion of 10 M atoms / cm 3 for the production of a homo- GaAs Crystal-generated luminescent diode effectively genes p-gallium arsenide monocrystalline, which is counteracted. On the other hand, zinc or a correspondingly long diffusion time of the order of magnitude requires a few days of cadmium on the interstitial sites of the GaAs encroachment electrical, through this doping pn transitions or Kon- see field and under the influence of the emitted centration profiles to produce. Radiation, so that the electrical properties Es ist weiterhin ein Verfahren zum Züchten eines 30 laufend verändern. Außerdem sind die auf Zwischenmit Zink dotierten Galliumarsenideinkristalls durch Er- gitterpiätzen befindlichen Zink- und Cadmiumatome starrenlassen einer Galliumarsenid und Zink enthalten- Ursache einer nicht strahlenden Rekombination,
den Schmelze bekannt (DE-OS 15 44 243), bei dem man In der DEAN S 39835 VIIIc/21g ist ein Verfahren
It is also a method of growing a 30 continually changing. In addition, the zinc and cadmium atoms located on intermediate zinc-doped gallium arsenide monocrystals due to lattice spaces are contained in a gallium arsenide and zinc - the cause of a non-radiative recombination,
the melt known (DE-OS 15 44 243), in which DEAN S 39835 VIIIc / 21g is a process
die Schmelze unter Arsenaarnpf, dessen Druck min- zum Herstellen von pn-Übergängen in GaAs-Einkristaldestens 1 atm beträgt erstarren IaJt Auch dieses be- 35 len beschrieben, bei dem die pn-Obergänge durch kannte Verfahren ermöglicht also die Herstellung eines Tempern der Kristalle in der Atmosphäre der leichter p-Galliumarsenideinkristalls ohne pn-übergang und flüchtigen Komponente, also in diesem Falle durch ohne Konzentrationsprofil. Tempern in As-Dampf, hergestellt werden. In derthe melt under arsenic, the pressure of which is used to produce pn junctions in GaAs single crystal tests 1 atm is solidification IaJt This is also described, in which the pn transitions through Well-known process thus enables the production of a tempering of the crystals in the atmosphere of the easier p-gallium arsenide single crystal without pn junction and volatile components, so in this case through without concentration profile. Annealing in As steam. In the Zur Herstellung von n-Galliumarsenideinkristallen DE-AS 12 61 831 ist ein Verfahren acm Eindiffundieren kann weiterhin entweder der Kristall aus einer Gallium- 40 von Zink aus der Dampfphase in einen Halbleiterkörper arsenidschmelze unter Verwendung eines Galliumarse- beschrieben, bei dem Zinkarsenid, welches thermisch nideinkristalls als Keim erzeugt oder das Galliumarse- zersetzt wird, als Zinkquelle dient
nid epitaktisch aus einem geeigneten Reaktionsgas auf In der Zeitschrift »Electronics« (Nov. 13, 1967)
For the production of n-gallium arsenide monocrystals DE-AS 12 61 831 is a method acm inward diffusion can furthermore either the crystal from a gallium 40 of zinc from the vapor phase in a semiconductor body arsenide melt using a gallium arsenide described, in the case of zinc arsenide, which thermally nide monocrystalline generated as a nucleus or the gallium arsenic is decomposed, serves as a source of zinc
nid epitaxially from a suitable reaction gas on In the journal "Electronics" (Nov. 13, 1967)
einem solchen erhitzten Kristall niedergeschlagen wer- S. 127-129 ist ein Verfahren zum Herstellen von den. Das auskristallisierende Material enthält dabei Zu- 45 GaAs-Lumineszenzdioden beschrieben, bei dem als sätze eines Donators, wie Schwefel, Selen, Tellur, SiIi- Ausgangsmaterial ein η-leitender GaAs-Einkristall mit cium, Germanium, Zinn. einer Donatorkonzentration von 5 χ lO'Vcm3 undDepositing such a heated crystal. P. 127-129 is a method of making the. The material that crystallizes out contains Zu- 45 GaAs luminescence diodes described in which as a set of a donor, such as sulfur, selenium, tellurium, SiIi starting material an η-conductive GaAs single crystal with cium, germanium, tin. a donor concentration of 5 χ lO'Vcm 3 and Durch Eindiffundieren einer entsprechenden Menge 3 x iot8cm3 verwendet wird, die offensichtlich durch die an Zink und/oder Cadmiumatomen kann in einem der- Anwesenheit von Donatoratomen, jedoch nicht durch artigen Kristall ein pn-übergang erzeugt werden. Der 50 Ga-Fehlstellen bedingt sind. Damit wird auch der von Kristall wird anschließend beidseitig des pn-Übergangs der Erfindung angestrebte Effekt bei den bekannten mit je einer sperrfreien Elektrode versehen und zu einer Dioden nicht so ohne Weiteres erreicht
Lumineszenzdiode weiterverarbeitet Die Wellenlänge Im Folgenden wird ein die Erfindung erläuterndes
By diffusing in a corresponding amount of 3 x io t8 cm 3 is used, which is obviously due to the zinc and / or cadmium atoms, a pn junction can be generated in one of the presence of donor atoms, but not by like crystal. The 50 Ga voids are conditional. In this way, the effect that the crystal is then striving for on both sides of the pn junction of the invention is also provided with a barrier-free electrode in the known ones and is not so easily achieved with a diode
Further processing of the luminescent diode The wavelength The following is an explanation of the invention
des emittierten Lichtes liegt bei 900 nm. Erforderlich ist Ausführungsbeispiel anhand der Figur beschrieben, hierzu eine Donatorkonzentration von 1016 bis 1019 55 Zunächst wird also — entsprechend den obigen Atomen/cm3. Darlegungen — ein Galliumarsenideinkristall 1 vomof the emitted light is 900 nm. An exemplary embodiment is described with reference to the figure, for this purpose a donor concentration of 10 16 to 10 19 55. First of all, corresponding to the above atoms / cm 3 . Discussion - a gallium arsenide single crystal 1 from Bei den in üblicher Weise hergestellten Dioden dieser η-Typ mit Galliumleerstellen und einer Donatorkonzen-Art tritt erfahrungsgemäß ein merklicher Leistungsnb- tration von etwa 10" -10" pro cm3 erzeugt Zur fall der emittierten Strahlung auf. Beispielsweise liegt Erzielung der Fehlstellen wird während der Herstellung bei der üblichen Betriebsstromdichte von 50 A/cm3 60 des Kristalls mit einem Arsendruck von mehr als 1 Atm, nach einer Betriebszeit von mehreren 1000 Stunden ein vorzugsweise 2-3 Atm., gearbeitet An der Oberfläche Leistungsabfall von mehr als der Hälfte der Ursprung- dieses Kristalls wird nun bei einer Temperatur von etwa liehen Strahlungsleistung vor. 850" C Zink bzw. Cadmium unter Entstehung einerIn the case of the diodes of this η type with gallium vacancies and a donor concentration type produced in the usual way, experience has shown that a noticeable power level of about 10 "-10" per cm 3 occurs in the case of the emitted radiation. For example, the flaws are achieved during production at the usual operating current density of 50 A / cm 3 60 of the crystal with an arsenic pressure of more than 1 atm, after an operating time of several 1000 hours preferably 2-3 atm. On the surface Power drop of more than half of the origin- this crystal is now at a temperature of about lent radiant power. 850 "C zinc or cadmium with the formation of a Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das eingangs ge- p-leitenden Oberflächenzone 2 und tines pn-Übergangs nannte Verfahren so zu verbessern, daß es zur Dotie- (.5 3 eindiffundiert und eine Oberflächenkonzentration von rung eines Galliumarsenideinkristalls mit einem etwa 1020 Zn-oder Cd-Atomen angestrebt. Dies kann pn-übergang geeignet ist, um aus diesem eine Lumines- beispielsweise geschehen, indem in eine Ampulle aus IIt is therefore the object of the invention to improve the above-mentioned p-conductive surface zone 2 and tines pn-junction in such a way that it diffuses in for doping (.5 3 and a surface concentration of a gallium arsenide single crystal with about 10 20 Zn -or Cd atoms aimed at. This can be done by pn-junction which is suitable for converting this to a Lumines-, for example, by inserting into an ampoule from I zenzdiode herstellen zu können. Quarz der Kristall 1 zusammen mit einer genügenden |to be able to produce zenzdiode. Crystal 1 quartz along with a sufficient |
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