DE102015011635A1 - lnfrarot-LED - Google Patents

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Abstract

Infrarot-LED mit monolithischer und stapelförmiger Struktur (10), aufweisend, ein n-dotiertes Basissubstrat (14) das GaAs umfasst, eine untere Mantelschicht (16), eine aktive (18) Schicht für die Erzeugung von infraroter Strahlung, eine obere Mantelschicht (20), eine Stromverteilerschicht (24) sowie eine obere Kontaktschicht (26), wobei die Schichten in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, wobei zwischen der oberen Mantelschicht (20) und der Stromverteilerschicht (24) eine erste Tunneldiode (22) angeordnet ist, und wobei die Stromverteilerschicht (24) überwiegend eine n-dotierte Gahaltige Schicht mit einem Ga-Gehalt > 1% aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Infrarot-LED
  • Zur Steigerung der Effizienz einer Infrarot-LED kann die Epitaxialstruktur der Infrarot-LED auf unterschiedliche Weisen optimiert werden.
  • Aus der DE 10 2010 014 667 A1 ist eine Infrarot-LED mit einer Epitaxialstruktur bekannt, die zwischen einer Trägerschicht und einer p-dotierten Mantelschicht eine 500 nm dicke Stromaufweitungsschicht aus einer oder aus mehreren p-dotierten AlGaAs-Schichten aufweist.
  • Aus der DE 102 11 531 A1 ist eine Infrarot-LED-Epitaxialstruktur bekannt, die zusätzlich zu einer Mehrzahl von Halbleiterschichten aus Verbindungen der III–V-Gruppe zur Effizienzsteigerung eine hochreflektierende Metallschicht als Reflektor aufweist.
  • Der Artikel „MOCVD growth of strain-compensated multi-quantum wells light emitting diode" von Yongqin Yu et al., Vacuum, Volume 69, Seiten 489–493, erschienen 2003, untersucht die Quanteneffizienz sowie die optische Ausgangsleistung von infraroten Leuchtdioden mit jeweils unterschiedlich MQW-Aktivschichten aus InGaAs/GaAsP, die mittels Niederdruck-CVD gezogen wurden.
  • Gemäß der US 2007/0075327 A1 wird eine p-dotierte und durch Wasserstoffatome verunreinigte III–V-Halbleiterschicht als Pufferschicht zwischen einer p-dotierten Mantelschicht und einer p-dotierten Kontaktschicht angeordnet, um die Diffusion der Dotierstoffe zwischen der Kontaktschicht und der Mantelschicht zu verhindern.
  • Aus der EP 2 009 753 A1 ist eine Mehrfachstrahl-Laserdiode bekannt, die aus übereinander angeordneten und durch Tunnelübergänge elektrisch in Reihe geschalteten Laserstapeln besteht.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
  • Die Aufgabe wird durch eine Infrarot-LED mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß dem Gegenstand der Erfindung weist eine Infrarot-LED eine monolithische, stapelförmige und epitaxial-gewachsene Struktur, aufweisend ein n-dotiertes Basissubstrat das GaAs umfasst, eine untere Mantelschicht, eine aktive Schicht für die Erzeugung von infraroter Strahlung, eine obere Mantelschicht, eine Stromverteilerschicht sowie eine obere Kontaktschicht, wobei die Schichten in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, und wobei zwischen der oberen Mantelschicht und der Stromverteilerschicht eine erste Tunneldiode angeordnet ist, und wobei die Stromverteilerschicht überwiegend eine n-dotierte Ga-haltige Schicht mit einem Ga-Gehalt > 1% aufweist.
  • Es sei angemerkt, dass die aktive Schicht vorzugsweise als MQW-Schicht ausgebildet ist, wobei es bevorzugt ist, die aktive Schicht als eine InxGa1-xAs/GaAs1-yPy Mehrfach-Quantentopfstruktur mit 0,1 ≤ x ≤ 0,2 und 0,1 ≤ y ≤ 0,3 auszuführen. Weiterhin sei angemerkt, dass die MQW-Schicht eine oder mehrere Schichten enthält, und die eine oder mehreren MQW-Schichten eine kleinere Bandlückenenergie als die untere und/oder die obere Mantelschicht aufweisen.
  • Als MQW-Schicht wird vorliegend eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (Multi Quantum Wells bzw. MQW) bezeichnet, wobei die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung beinhaltet. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und auch jede Kombination der vorgenannten Strukturen. Es versteht sich, dass innerhalb der MQW Struktur infrarotes Licht erzeugt wird, sofern an die beiden Kontaktschichten eine geeignete Spannung angelegt wird. Die Lichtauskopplung erfolgt bevorzugt durch die obere Kontaktschicht.
  • Des Weiteren sei angemerkt, dass die untere Mantelschicht vorzugsweise eine n-Dotierung aufweist und/oder die obere Mantelschicht vorzugsweise eine p-Dotierung aufweist.
  • Durch die Ausbildung von den Tunneldiodenschichten für die erste Tunneldiode zwischen der p-dotierten Mantelschicht und der Stromverteilungsschicht lässt sich eine n-dotierte Stromverteilungsschicht aus n-AlGaAs besonders einfach realisieren. Aufgrund der höheren Beweglichkeit der Ladungsträger innerhalb der n-dotierten Schicht im Vergleich zu einer p-dotierten Stromverteilungsschicht lässt sich dieselbe Stromverteilung bzw. dieselbe Wirkung schon bei einer geringeren Schichtdicke erreichen. Untersuchungen haben gezeigt, dass p-Al26GaAs eine Beweglichkeit von ca. μp = 100 cm2/Vs aufweist, während die Beweglichkeit innerhalb n-Al26GaAs ca. μn = 750 cm2/Vs beträgt.
  • Aufgrund des geringeren Absorptionskoeffizienten der n-AlGaAs Stromverteilungsschicht im Vergleich zu der p-AlGaAs Schicht unterhalb der Bandlücke lässt sich die Lichtleistung der LED mit einer n-AlGaAs Stromverteilungsschicht anstelle von einer p-AlGaAs Stromverteilungsschicht erhöhen. Hierdurch lässt sich die Dotierung für die n-AlGaAs Stromverteilungsschicht im Vergleich zu einer p-AlGaAs-Stromverteilungsschicht erhöhen. Durch die erhöhte Dotierung und den im Vergleich zu einer p-AlGaAs-Stromverteilungsschicht erniedrigten lateralen Widerstand in der n-AlGaAs Stromverteilungsschicht, lässt sich die laterale Verteilung des Stroms, d. h. die Homogenität innerhalb der n-Stromverteilungsschicht erhöhen.
  • In einer Ausführungsform besteht die n-dotierte Stromverteilerschicht aus GaAs oder AlGaAs oder InGaP. Vorzugsweise umfasst die Stromverteilerschicht eine n-dotierte AlxGa1-xAs-Schicht mit einem Al-Gehalt x zwischen 0% und 20%.
  • In einer Weiterbildung weist die n-dotierte Stromverteilerschicht eine Dicke von 0,1 μm bis 4,0 μm auf. Vorzugsweise weist die Stromverteilerschicht eine Dicke zwischen 0,5 μm bis 2,5 und höchst vorzugsweise eine Dicke von 1,5 μm auf.
  • In einer Ausführungsform weist die Stromverteilerschicht eine n-Dotierstoffkonzentration größer als 1,0 E18 N/cm3 auf. Vorzugsweise liegt die n-Dotierstoffkonzentration der Stromverteilerschicht im Bereich von 4 E17 N/cm3 bis 5 E18 N/cm3.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass die Stromverteilerschicht einen Schichtwiderstand R☐ < 400 Ω oder R☐ < 75 Ω aufweist.
  • In einer Ausführungsform weist die Stromverteilerschicht eine Dicke im Bereich von 0,1 μm bis 5 μm und/oder einen R☐ im Bereich von 4 Ω bis 350 Ω auf oder die Stromverteilerschicht weist eine Dicke im Bereich von 0,2 μm bis 1.5 μm und/oder einen Schichtwiderstand R☐ im Bereich von 4 Ω bis 75 Ω auf. Mit dem Schichtwiderstand R☐ wird vorliegend der spezifische Flächenwiderstand verstanden.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine reduzierte Größe sowie eine höhere Lichtleistung und eine Reduktion der Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sich durch die Verwendung einer oberen n-dotierten Stromverteilungsschicht in Verbindung mit einer Tunneldiode zwischen der Stromverteilungsschicht und der oberen Mantelschicht weiterhin ein n-dotiertes GaAs-Substrat zur Herstellung von Infrarot-LEDs verwenden lässt. Ohne die erfindungsgemäße Verwendung der ersten Tunneldiode, müssten teurere und qualitativ schlechtere p-GaAs-Substrate zur Herstellung einer LED eingesetzt werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist zwischen der Stromverteilerschicht und der oberen Kontaktschicht eine zweite Tunneldiode angeordnet und die obere Kontaktschicht ist p-dotiert ausgebildet, so dass sich-hinsichtlich der Anschlüsse nach außen ein Interface der Struktur ergibt, welches mit einer klassischen Infrarot-LED-Struktur identisch ist, die keine Tunneldiodenschichten aufweisen.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung sind die untere Mantelschicht und/oder die obere Mantelschicht aus GaAs oder aus AlGaAs oder aus InGaAsP oder aus GaAsP oder aus InGaP oder aus AlInGaP ausgebildet oder umfasst überwiegend eine Verbindung aus GaAs oder aus AlGaAs oder aus InGaAsP oder aus GaAsP oder aus InGaP oder aus AlInGaP.
  • In einer anderen Ausführungsform ist die Dicke der aktiven Schicht oder die Dicke der MQW-Schicht zwischen 15 nm und 350 nm oder zwischen 30 nm und 300 nm oder höchst vorzugsweise zwischen 200 nm und 400 nm ausgebildet. In einer Weiterbildung weist die Dicke der aktiven Schicht oder die Dicke der MQW-Schicht 300 nm auf. Es ist bevorzugt, dass die Tunneldioden eine Dicke zwischen 30 nm und 150 nm, vorzugsweise eine Dicke zwischen 45 nm und 55 nm und höchst vorzugsweise eine Dicke von 50 nm aufweisen.
  • Ein Vorteil ist, dass im Vergleich zu üblichen Dicken von p-dotierten Stromverteilerschichten sich über 4 μm an Schichtdicke eingesparen lassen, was einer Einsparung von etwa 35% entspricht und auch mit der zusätzlichen Tunneldiode zu einer deutlichen Reduktion der Bauhöhe der Infrarot-LED und zu einer höheren Lichtleistung beiträgt.
  • In einer Ausführungsform ist unterhalb des n-dotierten Basissubstrats eine untere n-dotierte Kontaktschicht ausgebildet. In einer Weiterbildung umfasst die erste Tunneldiode und/oder die zweite Tunneldiode eine As-haltige Schicht, wobei die As-haltige Schicht mit Kohlenstoff dotiert ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Tunneldiode und/oder die zweite Tunneldiode eine P-haltige Schicht, wobei die P-haltige Schicht mit Tellur dotiert ist. Vorzugsweise umfasst die erste Tunneldiode und/oder die zweite Tunneldiode mindestens eine n-dotierte Schicht mit einer Dotierstoffkonzentration > 3 × 1018 N/cm3 und mindestens eine p-dotierte Schicht mit einer Dotierstoffkonzentration > 1 × 1019 N/cm3.
  • Es versteht sich, dass bei der ersten Tunneldiode angeordnet auf der P-Mantelschicht erst eine p-dotierte Tunneldiodenschicht und anschließend eine n-dotierte Tunneldiodenschicht folgen und hiernach die n-Stromverteilungsschicht folgt. Bei der zweiten Tunneldiode ist die Folge der Polarität der Dotierschichten umgekehrt. Nach der n-Stromverteilungsschicht folgt eine n-Tunneldiodenschicht und anschließend folgt eine p-Tunneldiodenschicht und hiernach folgt die p-Kontaktschicht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d. h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
  • 1 eine schematische Ansicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Infrarot-LED,
  • 2 eine schematische Ansicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Infrarot-LED,
  • 3 eine schematische Ansicht auf eine Ausführungsform einer Infrarot-LED gemäß dem Stand der Technik.
  • Die Abbildung der 1 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform, aufweisend eine Infrarot-LED mit monolithischer stapelförmiger epitaxial-gewachsener Struktur 10, in der folgenden Reihenfolge aufweisend ein n-dotiertes Basissubstrat 14 aus GaAs, eine n-dotierte Mantelschicht 16, eine MQW-Schicht 18, eine p-dotierte Mantelschicht 20, eine erste Tunneldiode 22, eine n-dotierte Stromverteilerschicht 24 sowie eine zweite, n-dotierte Kontaktschicht 26. Bei der Prozessierung der epitaxial gewachsenen Struktur zur LED-Chips wird im weiteren Verlauf des Prozesses ein erster Kontakt 12 sowie ein zweiter n-Kontakt 30 aufgebracht.
  • In der Abbildung der 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Infrarot-LED mit einer epitaxial-gewachsenen Struktur 10 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert. Auf die Stromverteilerschicht 24 folgt eine zweite Tunneldiode 28 und die sich anschließende obere Kontaktschicht 26 ist p-dotiert ausgebildet. Der darauffolgende Kontakt 30 ist daher auch als Metallkontakt zu einer p-Halbleiterschicht ausgebildet. Hierdurch entsprechenden die Kontakte der erfindungsgemäßen Infrarot-LED-Struktur 10 den Kontakten einer aus dem Stand der Technik bekannten Infrarot-LED-Struktur 10 ohne Tunneldiode 22 und n-dotierter Stromverteilerschicht 24, wie sie in 3 dargestellt ist. Es versteht sich, dass die Stromverteilerschicht 24 gemäß dem Stand der Technik in 3 p-dotiert ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010014667 A1 [0002]
    • DE 10211531 A1 [0003]
    • US 2007/0075327 A1 [0005]
    • EP 2009753 A1 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Artikel „MOCVD growth of strain-compensated multi-quantum wells light emitting diode” von Yongqin Yu et al., Vacuum, Volume 69, Seiten 489–493, erschienen 2003 [0004]

Claims (14)

  1. Infrarot-LED mit monolithischer und stapelförmiger Struktur (10), aufweisend, ein n-dotiertes Basissubstrat (14) das GaAs umfasst, eine untere Mantelschicht (16), eine aktive (18) Schicht für die Erzeugung von infraroter Strahlung, eine obere Mantelschicht (20), eine Stromverteilerschicht (24) sowie eine obere Kontaktschicht (26), wobei die Schichten in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oberen Mantelschicht (20) und der Stromverteilerschicht (24) eine erste Tunneldiode (22) angeordnet ist, wobei die Stromverteilerschicht (24) überwiegend eine n-dotierte Ga-haltige Schicht mit einem Ga-Gehalt > 1% aufweist.
  2. Infrarot-LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stromverteilerschicht (24) und der oberen Kontaktschicht (26) eine zweite Tunneldiode (28) angeordnet ist und die obere Kontaktschicht (26) p-dotiert ist.
  3. Infrarot-LED nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Mantelschicht (16) überwiegend eine Verbindung aus GaAs oder aus AlGaAs oder aus InGaAsP oder aus GaAsP oder aus InGaP oder aus AlInGaP umfasst.
  4. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Mantelschicht (20) überwiegend eine Verbindung aus GaAs oder aus AlGaAs oder aus InGaAsP oder aus GaAsP oder aus InGaP oder aus AlInGaP umfasst.
  5. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (18) aus einer Mehrfach-Quantentopfstruktur besteht und eine Dicke zwischen 15 nm und 350 nm oder eine Dicke zwischen 30 nm und 300 nm aufweist.
  6. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteilerschicht (24) eine Dicke zwischen von 0,1 μm bis 3,0 μm aufweist.
  7. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteilerschicht (24) n-dotiert ist und aus GaAs oder AlGaAs oder InGaP besteht.
  8. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteilerschicht (24) eine n-dotierte AlxGa1-xAs-Schicht mit einem Al-Gehalt x zwischen 0% und 20% umfasst.
  9. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteilerschicht (24) eine n-Dotierstoffkonzentration > 1,0 E18 N/cm3 aufweist.
  10. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromverteilerschicht (24) einen Schichtwiderstand R☐ < 400 Ω oder R☐ < 75 Ω aufweist.
  11. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (18) aus einer InxGa1-xAs/GaAs1-yPy Mehrfach-Quantentopfstruktur mit 0,1 ≤ x ≤ 0,2 und 0,1 ≤ y ≤ 0,3 besteht.
  12. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tunneldiode (22) und/oder die zweite Tunneldiode (28) eine As-haltige Schicht umfasst, wobei die As-haltige Schicht mit Kohlenstoff dotiert ist und/oder eine P-haltige Schicht umfasst, wobei die P-haltige Schicht mit Tellur dotiert ist.
  13. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tunneldiode (22) und/oder die zweite Tunneldiode (28) eine n-dotierte Schicht mit einer Dotierstoffkonzentration > 3 × 1018 N/cm3 und eine p-dotierte Schicht mit einer Dotierstoffkonzentration > 1 × 1019 N/cm3 umfasst.
  14. Infrarot-LED nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Mantelschicht (16) eine n-Dotierung aufweist und/oder die obere Mantelschicht (20) eine p-Dotierung aufweist.
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