DE1258515B

DE1258515B - AB-Lumineszenzdiode mit Traegerkristall í¬ insbesondere auf GaAs-Basisí¬mit hoher Lichtausbeute

Info

Publication number: DE1258515B
Application number: DE1966S0101425
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Karl-Heinz Zschauer; Dr Rer Nat Guenter W Dipl-Phys
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-01-13
Filing date: 1966-01-13
Publication date: 1968-01-11
Also published as: GB1167300A; AT266940B; CH472167A; NL6615970A; SE322840B

Description

BUNDESREPUBLIK DEtITtSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H05b

Deutsche Kl.: 2If-89/03

Nummer: 1258 515

Aktenzeichen: S 101425 VIII c/21 f

Anmeldetag: 13. Januar 1966

Auslegetag: 11. Januar 1968

Die Erfindung betrifft eine AⁱⁿB^v-Lumineszenzdiode mit einem aus einem AⁿⁱB^v-Material bestehenden Trägerkristall, deren Lumineszenzausbeute dadurch erhöht ist, daß die Reabsorptionsverluste im Trägerkristall durch Erhöhung seines Bandabstandes vermindert sind.

Lumineszenzdioden dienen dazu, elektrische Energie in Lichtstrahlung umzusetzen. Dabei wird eine möglichst große Lichtausbeute angestrebt.

Eine Erhöhung der Lichtausbeute ist möglich durch Verringerung der Absorptionsverluste der am pn-übergang entstandenen Lumineszenzstrahlung während des Durchgangs durch die η-Zone und den anschließenden Trägerkristall. Außerdem können Totalreflexionsverluste an der äußeren Grenzfläche vermieden werden, indem man dem Trägerkristall eine geeignete Gestalt gibt — etwa Weierstraß-Geometrie (vgl. Fig. 1 bis 3). Zur Verringerung der Absorptionsverluste muß erreicht werden, daß der effektive Bandabstand in dem Material, durch welche die am pn-übergang entstandene Lumineszenzstrahlung zur äußeren Grenzfläche hindurchfällt, größer ist als der Energie des Lumineszenzlichts entspricht. Diese Energie wird durch den effektiven Bandabstand in der p-Zone bestimmt (p-Lumineszenz). Eine Vergrößerung des effektiven Bandabstands kann nach weiteren Vorschlägen einmal durch teilweisen Ersatz der A¹¹¹- und/oder B^v-Elemente des Grundmaterials, darüber hinaus dann bei vorgegebenem Grundmaterial außerdem noch durch Wahl der optimalen η-Konzentration erzielt werden.

Die erste Lösung führt jedoch zu einem HeteroÜbergang, der mit dem pn-übergang örtlich zusammenfällt. Da z. B. die Gitterkonstanten der aneinander angrenzenden Halbleiterzonen nicht mehr völlig übereinstimmen, entstehen an der Grenzfläche Störzentren, die zur strahlungslosen Rekombination der injizierten Stromträger beitragen. Trotz an sich ausreichenden Stromes liefert dann eine solche Diode wenig oder gar kein Licht. Eine andere Verlustquelle entsteht bei hoher η-Dotierung des Trägerkristalls. Da mit zunehmender η-Konzentration zugleich auch die Absorption in der η-Zone durch die dort injizierten Ladungsträger größer wird, kann die η-Zone der Diode nicht beliebig hoch η-dotiert werden. Sonst würde der pn-übergang als Tunneldiode wirken; bei Betrieb im Bereich des Tunnelstromes ergäbe sich trotz an sich ausreichender Stromdichte keine Lichtemission.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auch für solche Fälle eine Anordnung anzugeben, mit der eine hohe Lichtausbeute möglich ist.

A¹¹¹B^V-Lumineszenzdiode _mit

Trägerkristall — insbesondere auf GaAs-Basis

mit hoher Lichtausbeute

Anmelder:

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

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Karl-Heinz Zschauer,
Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Günter Winstel,
8000 München

Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Lumineszenzdiode der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, daß zwischen den Trägerkristall und die p-Zone der Diode die eigentliche η-Zone eingeschoben ist, die so niedrig dotiert ist, daß kein Tunneleffekt auftreten kann, und deren

²S Dicke in der Größenordnung eines Zehntels der Absorptionslänge der entstehenden Strahlung liegt. Als A^mB^v-Material dient dabei vorzugsweise GaAs.

Im Fall einer Herstellung der p-Zone durch Diffusion soll deren Dotierung vorteilhafterweise etwa 10¹⁸ bis 10²⁰Cm-³ betragen, im Fall einer Herstellung durch Legieren soll sie insbesondere größer sein als 10¹⁹ cm""³, während die Dotierung der dünnen n-Zone etwa zwischen 10^ie und 10¹⁸ cm~³ liegen soll.

Die p-Lumineszenzstrahlung wird in der niedrigdotierten, dünnen η-Zone nur zu einem kleinen Teil absorbiert (ein Zehntel der Absorptionslänge bedeutet nur etwa 10% Absorption) und fällt anschließend praktisch ohne weitere Absorption durch den Trägerkristall mit ausreichendem effektiven Bandabstand.

Diese Vergrößerung des effektiven Bandabstands im Trägerkristall kann durch teilweisen Ersatz der A^IIT- und/oder B^v-Elemente im Grundmaterial und/oder optimale η-Konzentration erreicht werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den folgenden Ausführungsbeispielen und aus den F i g. 1 bis 3 hervor.

Die gewünschte Schichtfolge (für die Lumineszenzstrahlung durchlässiger Trägerkristall, dünne niedrigdotierte η-Zone der Diode und p-Zone der Diode)

kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Entsprechend der Erfindung ist es vorteilhaft, auf dem Trägerkristall 1 zunächst die dünne n-Zone 2

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der Diode epitaktisch niederzuschlagen und dieser dann die p-Zone4 einzudiffundieren (Fig. 1) oder einzulegieren (F i g. 2) oder epitaktisch aufzulagern (F i g. 3). Die Elektroden 5 und 6 sind an der p- und an der η-Zone der Diode angebracht. Die Polung im Betrieb der Lumineszenzdiode ist durch + und —, der pn-übergang ist durch 3 gekennzeichnet. Die niedrigdotierte η-Zone ist nur dünn, vorzugsweise von der Größenordnung eines Zehntels der Absorptionslänge, damit die im p-Bereich des pn-Übergangs entstandene Lumineszenzstrahlung die η-Zone der Diode ohne erhebliche Absorption durchdringen kann. Dem Trägerkristall 1 wird zur Verringerung der Totalreflexionsverluste an der äußeren Grenzfläche geeignete Gestalt gegeben, etwa mit Weierstraß-Geometrie (vgl. F i g. 1 bis 3).

Claims

Patentansprüche:

1. A¹¹¹B^'-Lumineszenzdiode mit einem eben- ao falls aus einem A^mB^v-Material bestehenden Trägerkristall, deren Lumineszenzausbeute dadurch erhöht ist, daß die Reabsorptionsverluste im Trägerkristall durch Erhöhung seines Bandabstandes vermindert sind, d a d u r c h gekennzeichnet, daß zwischen den Trägerkristall (1) und die p-Zone (4) der Diode die eigentliche n-Zone (2) eingeschoben ist, die so niedrig dotiert ist, daß kein Tunneleffekt auftreten kann, und deren Dicke in der Größenordnung eines Zehntels der Absorptionslänge der entstehenden Strahlung liegt.

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

3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Zone (4) durch Diffusion hergestellt ist und eine Dotierung von etwa 10¹⁸ bis 10²⁰ cm"³ aufweist.

4. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Zone (4) durch einen Legiervorgang hergestellt ist und eine Dotierung aufweist, die größer ist als 10¹⁹ cm""³.

5. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die n-Zone (2) eine Dotierung von etwa 10^1B bis 10¹⁸cm~³ aufweist.

6. Lumineszenzdiode mit Trägerkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Bandabstand im Trägerkristall durch teilweisen Ersatz der Aⁿⁱ- und/oder B^v-Elemente des Trägerkristalls und/oder durch optimale η-Konzentration vergrößert ist.

7. Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzdiode mit Trägerkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Schichtfolge durch epitaktischen Niederschlag der dünnen n-Zone auf dem Trägerkristall und anschließende Eindiffusion der p-Zone in die dünne n-Zone hergestellt wird (Fig. 1).

8. Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzdiode mit Trägerkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Schichtfolge durch epitaktischen Niederschlag der dünnen n-Zone auf dem Trägerkristall und anschließende Einlegierung der p-Zone in die dünne n-Zone hergestellt wird (F i g. 2).

9. Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzdiode mit Trägerkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Schichtfolge durch epitaktischen Niederschlag zunächst der dünnen n-Zone auf dem Trägerkristall und anschließend der p-Zone auf der dünnen n-Zone hergestellt wird (F i g. 3).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1416 939,

993;
Journal of Applied Physics, Bd. 36, Nr. 2, Februar

1965, S. 460,461;
Applied Physics Letters, Bd. 3, Nr. 10, 15.11.1963,

S. 173 bis 175.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen