DE1257965B - AIIIBA-Lumineszenzdiode, insbesondere auf GaAs-Basis, mit hoher Lichtausbeute - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05b

Deutsche Kl.: 2If- 89/03

Nummer: 1 257 965

Aktenzeichen: S 101436 VIII c/21 f

Anmeldetag: 14. Januar 1966

Auslegetag: 4. Januar 1968

Die Erfindung betrifft eine A¹¹¹B^v- Lumineszenzdiode hoher Lichtausbeute durch Verringern der Absorptionsverluste ihrer Lumineszenzstrahlung während des Durchgangs durch die η-Zone der Diode.

Die Lichtausbeute einer gewöhnlichen GaAs-Lumineszenzdiode ist bei Zimmertemperatur nur von der Größenordnung einiger Prozente. Durch Verringerung der Absorptionsverluste während des Durchganges der im p-Bereich des pn-Überganges entstandenen Lumineszenzstrahlung durch die angrenzende n-Zone der Diode kann die Ausbeute erhöht werden. Zur Erreichung dieses Zieles wurden bereits verschiedene Methoden vorgeschlagen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Absorptionsverluste aufzuzeigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung bei einer Lumineszenzdiode der eingangs erwähnten Art vorgesehen, daß der Absorptionskoeffizient des Materials der η-Zone für das Maximum der im p-Bereich ao entstehenden Strahlung durch Wahl der n-Konzentration zu einem Minimum gemacht ist.

Diese optimale η-Konzentration resultiert aus zwei mit wachsender η-Dotierung gegenläufigen Effekten: einmal verschiebt sich in einer A¹¹¹B^v-Verbindung, insbesondere bei GaAs, die Absorptionskante mit zunehmender η-Konzentration nach kürzeren Wellenlängen, d. h. Absorptionskoeffizient für die im p-Bereich des pn-Überganges entstandene und durch die angrenzende η-Zone fallende Lumineszenzstrahlung wird mit zunehmender η-Konzentration kleiner. Andererseits gewinnt aber die Absorption durch freie Ladungsträger mit wachsender η-Konzentration an Bedeutung.

Aus F i g. 1 wird ersichtlich, wie sich für eine vorgegebene Quantenenergie hv des Lumineszenzmaximums eine optimale Ausbeute durch minimalen Absorptionskoeffizienten »₀ infolge optimaler n-Konzentration ergibt. In F i g. 1 bedeutet

E = Quantenenergie,
κ = n-Konzentration,

OCt (E, ή) — Absorptionskoeffizient bei der Temperatur T als Funktion von Energie und n-Konzentration,
K₀ = optimale η-Konzentration, d.h. geringste

Absorption für hv.

Man erkennt, daß sich die Kurven für den Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit vor der n-Konzentration so verschieben, daß sich jeweils für eine bestimmte Quantenenergie hv des Lumineszenzmaximums in einem vorgegebenen A¹¹¹B^v-Grundmaterial

A^mB^v-Lumineszenzdiode, insbesondere auf
GaAs-Basis, mit hoher Lichtausbeute

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Günter Winstel,

Dipl.-Phys. Karl-Heinz Zschauer, 8000 München

die geringste Absorption bei einer sogenannten optimalen η-Konzentration n₀ ergibt.

Der Wert M₀ hängt natürlich von dem speziell pdotierten AⁱⁿB^v-Material, d. h. von der Energie des Lumineszenzmaximums und von der Temperatur ab. Im Falle des GaAs findet man bei Zimmertemperatur für die im p-Bereich des pn-Überganges entstandene Lumineszenzstrahlung, z. B. hv = 1,4 eV bei einer p-Dotierung, z. B. mit Zn, von 10¹⁹ cm-³, einen Wert «o & 5 ■ 10¹⁸ cm-⁸.

Diese Optimalisierung als Methode zur Erhöhung der Lichtausbeute ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die aus anderen Gründen vorgegebene

Dicke der η-Schicht größer als 0,1 · — ist, wobei «₀

der Absorptionskoeffizient des Materials der n-Zone, das entsprechend der p-Lumineszenz optimal n-dotiert ist, für die durchfallende Lumineszenzstrahlung aus dem p-Bereich des pn-Überganges ist.

Aus der F i g. 1 ist außerdem ersichtlich, daß der Absorptionskoeffizient mit der Quantenenergie zunimmt. Wird der effektive Bandabstand in der p-Zone verringert, d. h., wird die Quantenenergie hv des Lumineszenzmaximums kleiner, so ergibt sich eine geringere Absorption, bei einem entsprechend niedrigeren Wert K₀.

Die Verringerung des effektiven Bandabstandes in der p-Zone und damit die gewünschte Verschiebung des Lumineszenzspektrums zu größeren Wellenlängen läßt sich, wie bekannt, z. B. durch teilweisen Ersatz der A¹¹¹- und/oder B^v- Elemente durch andere A¹¹¹- bzw. B^v-Elemente verwirklichen. Im Falle des GaAs hätte man zur Verringerung des effektiven Bandabstandes in der p-Zone eine Zusammensetzung der Art

P-(Ga₁ -_rIn_r) (As₁ __s Sb_s)

mit ausreichenden Beimischungen r ^ 0, s ^ 0 und r + s > 0 zu wählen.

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Die gewünschte »Rotverschiebung« des p-Lumineszenzlichtes kann auch· durch entsprechend hohe Gegendotierung erreicht werden, im Falle des GaAs etwa durch Sn-Zugabe bei der p-Dotierung mit Zn.

Aus dem jeweils effektiven Bandabstand in der p-Zone, d. h., aus der jeweiligen spektralen Lage des Lumineszenzmaximums läßt sich die dafür optimale η-Konzentration der sich anschließenden η-Zone bestimmen. Diesem in sich homogenen η-Träger kann dann zur Vermeidung von Totalreflexionsverlusten an der äußeren Grenzfläche eine geeignete Gestalt, etwa Weierstrass-Geometrie, gegeben werden. Die Erzeugung des pn-Überganges ist grundsätzlich durch Diffusion, epitaktisches Aufwachsen oder Einlegieren möglich.

In den F i g. 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele angegeben. In F i g. 2 ist die p-Zone 2 in den n-Träger 1 eindiffundiert oder auf diesen epitaktisch niedergeschlagen, in F i g. 3 ist die p-Zone 2 in den η-Träger I einlegiert. In beiden Fällen bildet sich der pn-Übergangsbereich 3 aus. Die Legierungstechnik ist von besonderem Vorteil bei Verwendung der starken Gegendotierungsmethode zur Verringerung des effektiven Bandabstandes der p-Zone.

Noch aus einem anderen Grunde ist die Legierungsmethode vorteilhaft: Bestimmte Fremdelemente im jsjitQY. Material wirken sich auf die Lumineszenz störend aus, insbesondere dann, wenn sie im Gebiet des pn-Überganges abgelagert werden; ein Beispiel hierfür ist Cu in GaAs. Cu bleibt aber bis zuletzt in der GaAs-Metallschmelze gelöst. Bei Anwendung der Legierungsmethode wird deshalb das störende Cu nicht im Gebiet des pn-Überganges im GaAs abgelagert. Entsprechend einem weiteren Erfindungsgedanken ist es auch möglich, solche im pn-Übergangs- gebiet störenden Elemente im Grundmaterial an zusätzliche Substanzen, die in der Legierungspille neben den p-dotierenden — und den gegebenenfalls gegendotierenden — Materialien bereits enthalten sind, zu S. binden und so aus dem Bereich des pn-Überganges zu eliminieren. Dieses Verfahren ist nicht auf GaAs als S. A^mB^v-Grundmaterial beschränkt. S.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. A^mB^v-Lumineszenzdiode hoher Lichtausbeute durch Verringern der Absorptionsverluste ihrer Lumineszenzstrahlung während des Durchgangs durch die η-Zone der Diode, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionskoeffizient des Materials der η-Zone für das Maximum der im p-Bereich entstehenden Strahlung durch Wahl der η-Konzentration zu einem Minimum gemacht ist.

2. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das A¹¹¹B^v-Material GaAs ist.

3. GaAs-Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zimmertemperatur und einer p-Dotierung von etwa 10¹⁹ Zn cm-³ für das Lumineszenzmaximum bei etwa 1,4 eV die optimale η-Konzentration den Wert n₀ & 5 · 10¹⁸ cm-³ hat.

4. Verfahren zum Herstellen einer A^in:B^v-Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Zone durch Diffusion hergestellt wird.

5. Verfahren zum Herstellen einer A^mB^v-Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Zone epitaktisch auf dem η-Träger niedergeschlagen wird.

6. Verfahren zum Herstellen einer A^raB^v-Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Zone einlegiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 416 939;
Applied Physics Letters, Bd. 3, Nr. 10,15. 11.1963, bis 175;

Journal of Applied Physics, Bd. 35, Nr. 6, Juni 1964, 1890 bis 1892; Bd. 35, Nr. 12, Dezember 1964, bis 3547.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 717/252 12. 67 © Bundesdruckerei Berlin