DE19531762A1

DE19531762A1 - Licht emittierende Halbleiterdiode

Info

Publication number: DE19531762A1
Application number: DE19531762A
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Sakaguchi; Sigemasa Nakamura; Yasuo Hosokawa; Yutaka Saito
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: GB9517634D0; US5656829A; GB2293919A; DE19531762C2; GB2293919B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Licht emit tierende Halbleiterdiode, insbesondere auf eine Licht emittierende Halbleiterdiode mit einer (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP- Doppelheterostruktur, welche gelbes bis orangefarbenes Licht mit hoher Emissionseffizienz emittiert.

Beschreibung des Standes der Technik

Licht emittierende Dioden (LEDs) die eine epitaxiale Wach stumsschicht verwenden, die auf einem Verbindungshalbleiter substrat gebildet ist, sind durch niedrigen Leistungsver brauch, langes Wartungsleben, hohe Emissionseffizienz, hohe Zuverlässigkeit und andere Vorteile gekennzeichnet und wer den daher in breitem Maße als Lichtquellen in verschiedenen Arten von Anzeigevorrichtungen verwendet. Unter den verschie denen Halbleitern der Gruppe-III-V-Verbindungen, ist (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP, auf einem GaAs-Einzelkristallsubstrat epi taxial mischkristallgewachsen und damit gitterangepaßt, von dem direkten Übergangstypus und weist maximale Bandlückene nergie auf. Da es daher zu heller Emission über den grünen bis roten Bereich fähig ist, nimmt sein Verwendungsbereich schnell zu.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer LED nach dem Stand der Tech nik mit einer (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP Doppelhetero-(DH-)Struktur. In dieser Figur bezeichnet Bezugszahl 1 ein GaAs-Substrat, 2 eine Pufferschicht, 5-7 den (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP-DH-Struk tur-Abschnitt, 9 eine Kontaktschicht und 10 und 11 Elektro den. Eine Anzahl von Verbesserungen sind im Hinblick auf die sen Typus von (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP-LED vorgeschlagen worden, einschließlich des Vorsehens einer AlGaAs-Stromdiffusions schicht von einer Dicke, die 2 µm unter der Kontaktschicht 9 zum Diffusieren des Stromes, der aus der Elektrode 10 inji ziert wird, nicht überschreitet, um so den Licht emittieren den Bereich zu verbreitern, und des Vorsehens einer reflek tierenden Schicht zwischen der DH-Struktur und dem Substrat, um auf effektive Weise Licht zu emittieren, das auf das Sub strat gerichtet ist (US-Patent Nr. 5 153 889).

Die zunehmende Verwendung von LEDs im Freien hat zu einer Nachfrage nach helleren Vorrichtungen geführt, und ein beson ders starker Bedarf nach hellen LEDs, die Licht in dem Wel lenlängenband von 590-650 nm emittieren, ist entstanden. Obwohl LEDs, die mit einer sogenannten Fensterschicht vorge sehen sind, im Ansprechen auf diesen Bedarf entwickelt wor den sind, sind selbst diese nicht hinreichend hell. Weiter unterläuft, da der Al-Gehalt des GaAlAs, das die Stromdiffu sionsschicht und die Fensterschicht bildet, groß gemacht wird (0,7 bis 0,8 basierend auf der Summe aller Elemente als Eins; im nachfolgenden das gleiche), um diese Schichten für das emittierte Licht transparent zu machen, die LED progres sive Verschlechterung während des Gebrauches aufgrund der starken Tendenz des Al, oxidiert zu werden. Wenn ein Versuch durchgeführt wird, eine epitaxiale Wachstumsschicht mit hoher Al-Konzentration zu erhalten, wird darüber hinaus die Fehlanpassung der Kristallgitter groß und die resultierenden Gitterdefekte machen es unmöglich, eine hohe Emissionseffi zienz zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt, um diese Nachtei le des Standes der Technik zu überwinden und hat als ein Ziel, eine Halbleiter-LED zu schaffen, welche in dem Wellen längenbereich von 550-650 nm hohe Emissionseffizienz auf weist und sich nicht über längere Gebrauchsperioden ver schlechtert.

Zusammenfassung der Erfindung

Um dieses Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfin dung eine Licht emittierende Halbleiterdiode, mit einem Ver bindungshalbleitersubstrat und einer Doppelheterostruktur aus (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP (0 x 1, 0 < y < 1) als einer akti ven Schicht, die zwischen oberen und unteren Deckschichten sandwichartig eingeschlossen ist, wobei die obere Deck schicht relativ dick ist und einer Bedingung genügt unter den folgenden: daß die Bandlückenenergie davon größer als die Bandlückenenergie der aktiven Schicht ist, daß die Bandlückenenergie davon graduell mit zunehmendem Abstand von der Licht emittierenden Seite der aktiven Schicht abnimmt und daß die Trägerkonzentrationsverteilung davon graduell mit zunehmendem Abstand von der Licht emittierenden Seite der aktiven Schicht zunimmt.

In der Licht emittierenden Halbleiterdiode, die gemäß dieser Erfindung in der vorhergehenden Weise aufgebaut ist, veran laßt die relativ größere Dicke der oberen Deckschicht der Doppelheterostruktur die Träger, die aus der Elektrode inji ziert werden, dazu, sich über einen breiten Bereich der akti ven Schicht zu verteilen, wodurch die Emissionseffizienz und die Helligkeit erhöht wird und Abnahme der Emissionsintensi tät im Lauf der Zeit verhindert wird. Zusätzlich verstärkt es den Effekt des Einschließens von Trägern in der aktiven Schicht, daß die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht größer als jene der aktiven Schicht gemacht wird. Weiter stellt es effektive Injektion von Trägern in die obere Deck schicht sicher, daß die Bandlückenenergie der oberen Deck schicht graduell mit zunehmendem Abstand von der Licht emittierenden Seite der aktiven Schicht abnehmend gemacht wird. Noch weiter erhöht es die Fläche der Trägerinjektion in die aktive Schicht aus der oberen Elektrode, daß die Trägerkonzentration der oberen Deckschicht graduell mit zunehmendem Abstand von der Licht emittierenden Seite der aktiven Schicht zunimmt, wodurch ein direkter Anstieg bezüg lich der Emissionseffizienz erzeugt wird und zusätzlich ein effektiver indirekter Anstieg bezüglich der Emissionseffi zienz, indem Diffusion von zugesetzten Verunreinigungen an die aktive Schicht verhindert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. In dieser ist

Fig. 1 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von Licht emittierenden Halb leiterdioden (LEDs), die Beispiel 5 und Beispiel 7 der Erfindung darstellen,

Fig. 2 ein Graph, der zeigt, wie die Lichtausgabe einer LED gemäß der Erfindung mit der Dicke der oberen Deckschicht variiert,

Fig. 3 ein Graph, der die Zuverlässigkeit der erfin dungsgemäßen LED mit jener einer LED nach dem Stand der Technik mit einem AlGaAs Fen ster vergleicht,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von LEDs, die Beispiele 1, 2, 3, 8 und 9 der Erfindung sind,

Fig. 5 ein Diagramm, das das Bandlückenenergiepro fil von LEDs zeigt, die Beispiele 1 bis Bei spiel 7 der Erfindung darstellen,

Fig. 6 ein Diagramm, das das Trägerkonzentrations profil von LEDs zeigt, die Beispiel 1 bis Beispiel 7 der Erfindung darstellen,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von LEDs, die Beispiel 4 und Bei spiel 6 der Erfindung darstellen,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von LEDs, die Beispiel 11 und Bei spiel 13 der Erfindung darstellen,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Struktur einer LED, die Beispiel 12 der Er findung darstellt,

Fig. 10 ein Diagramm, das das Bandlückenenergiepro fil von LEDs zeigt, die Beispiele 10 bis Bei spiel 13 der Erfindung darstellen,

Fig. 11 ein Diagramm, das das Trägerkonzentrations profil von LEDs zeigt, die Beispiele 10 bis Beispiel 13 der Erfindung sind.

Fig. 12 eine Querschnittsansicht zum Erklären des Aufbaus einer Licht emittierenden Halblei terdiode der Doppelheterostruktur nach dem Stand der Technik.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Licht emittierende Halbleiterdiode gemäß dieser Erfin dung ist grundlegend aus einem Verbindungshalbleitersubstrat und einer Doppelheterostruktur einer Licht emittierenden Schicht aus (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP konstituiert, die als eine aktive Schicht sandwichartig zwischen oberen und unteren Deckschichten auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist.

Obwohl das Verbindungshalbleitersubstrat in der Lage sein muß, elektrischen Kontakt mit dem DH-Abschnitt sicherzustel len, und die Bildung der oberen Schichten, die später zu beschreiben sind, nicht nachteilig beeinflussen soll, ist es ansonsten nicht in besonderer Weise begrenzt. Jedoch machen, da der DH-Abschnitt aus einem Kristall der Gruppe III-V ge bildet ist, Betrachtungen der physikalischen Eigenschaften es bevorzugt für das Substrat, ebenfalls aus einem Kristall der Gruppe III-V gebildet zu sein. Zusätzlich ist, da die Er findung ein Vierelementsystem verwendet, um die Emission in dem Wellenlängenbereich von 550-650 nm Wellenlänge sicher zustellen, das optimale Substratmaterial von dem Gesichts punkt der Gitteranpassung her ein GaAs Einzelkristall. Die Leitfähigkeit des Substrates kann entweder vom n-Typus oder vom p-Typus sein. Falls sie von dem n-Typus ist, kann eine aktive Schicht mit exzellenter Kristallinität auf einfache Weise erhalten werden. Während die Trägerkonzentration nicht auf besondere Weise spezifiziert ist, ist die am gebräuch lichsten erhaltene Trägerkonzentration (0,5-20) × 10¹⁷ cm^-3. Wenn ein Substrat des p-Typus verwendet wird, wird die dicke obere Deckschicht, ein Schlüsselkonstituent der vorlie genden Erfindung, ein n-Typus. Ein n-Typus Vierelementsystem kann bezüglich der Verunreinigungskonzentration einfacher er höht werden als ein p-Typus und seine Elektronenmobilität ist viel größer als seine Hall-Mobilität. Der Stromdiffu sionseffekt einer dicken Deckschicht des n-Typus ist daher größer als jener eines p-Typus. Während die Trägerkonzen tration des p-Typussubstrates nicht besonders spezifiziert ist, beträgt sie (4-10) × 10¹⁸ cm^-3 für allgemein erhält liche GaAs Substrate des p-Typus. Die Basisseitenorientie rung des Substrates lautet (100), aber die Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Es ist auch möglich, ein Substrat mit einem geneigten Winkel zu verwenden.

Eine GaAs-Pufferschicht wird auf der oberen Oberfläche des Substrates abgeschieden, um Diffusion von Verunreinigungen aus dem Substrat zu verhindern und den Effekt von Gitterde fekten zu eliminieren. Die Dicke der Pufferschicht beträgt typischerweise 0,1-1 µm und seine Trägerkonzentration be trägt typischerweise (0,5-1) × 10¹⁸ cm^-3 in dem Fall eines Substrates des n-Typus und (1-6) × 10¹⁸ cm^-3 in dem Fall eines Substrates des p-Typus.

Als nächstes wird eine Licht emittierende (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP Doppelheterostruktur-Schicht auf der Pufferschicht gebildet. Die Wertebereiche von x und y sind definiert als (0 x 1, 0 < y < 1). Obwohl die Werte der physikalischen Eigen schaften des Vierelementesystems eine Funktion von x und y sind, ist es bekannt, daß die Bandlückenenergie (und daher der Brechungsindex) hauptsächlich eine Funktion von x ist, und die Gitterkonstante hauptsächlich eine Funktion von y. Hinsichtlich der Zusammensetzungsbereiche kann y gemäß dem Substrat innerhalb des Bereiches ausgewählt werden, welcher Gitteranpassung ermöglicht. Der Fall von y = 0 ist jedoch eliminiert, weil er keinen Al-Gehalt zur Folge hat und es un möglich macht, den DH-Bandaufbau zu bilden. Auf der anderen Seite wird, wenn y = 1, dann der Mischkristall Al_xGa_1-xP, welcher ein Halbleiter mit indirektem Übergang über den ge samten Zusammensetzungsbereich ist. Es ist daher bedeutungs los, diesen Mischkristall als die aktive Schicht einer LED mit hoher Helligkeit zu verwenden. Darüber hinaus muß sein Gebrauch als das Deckmaterial von Zusatz von In zu der akti ven Schicht begleitet sein, aber dies induziert die Gitter fehlanpassung, auf die früher Bezug genommen wurde, und macht es unmöglich, eine in hohem Maße zuverlässige LED zu erhalten. Bezüglich y wird daher der Zusammensetzungsbereich des Vierelementesystems definiert als 0 < y < 1. Die Abwesen heit von Gitterfehlanpassung bei dem DH-Abschnitt verbessert die Kristallinität und erhöht auf effektive Weise die Emis sionseffizienz der LED. Aus diesem Grund sollte y vorzugswei se 0,5 zum Beispiel in dem Fall betragen, daß ein GaAs (100) Substrat verwendet wird.

Die (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP Doppelheterostruktur besteht aus einer unteren Deckschicht, einer aktiven Schicht und einer oberen Deckschicht, wobei die aktive Schicht sandwichartig zwischen Deckschichten mit größeren Bandlückenenergien als sie selbst eingeschlossen ist. Während y der aktiven (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP- Schicht ähnlich zu jener der Deckschichten im Interesse der vorerwähnten Gitteranpassung eingestellt ist, wird x basie rend auf der gewünschten Emissionswellenlänge eingestellt. Mögliche Kombinationen zwischen der aktiven Schicht und den Deckschichten umfassen zum Beispiel nur AlGaInP, AlGaInP und GaInP und AlInP und AlGaInP. Die Bandlückenenergien der Deck schichten müssen größer als jene der aktiven Schicht sein, weil, wenn sie es nicht sind, die Deckschichten Absorber auf grund von Interbandübergängen interner Träger werden. Um zu ermöglichen, daß die Deckschichten Träger in der aktiven Schicht auf effektivere Weise einsperren, wird es bevorzugt, wenn Verwendung bei Raumtemperatur angenommen wird, daß die Bandlückenenergie der Deckschichten zumindest 0,1 eV größer als jene der aktiven Schicht gemacht wird. Daher wird das Al-Mischungsverhältnis x der Deckschichten zu einem größeren Wert als jener der aktiven Schicht reguliert. Tabelle l zeigt die Zusammensetzung und Zusammensetzungsbereiche der aktiven Schicht und der Deckschichten für unterschiedliche Zielemissionswellenlängen in dem Fall, daß ein GaAs (100) Substrat verwendet wird.

In allen Fällen war y auf 0,5 eingestellt, um die Gitteran passung zu dem GaAs (100) Substrat zu optimieren.

Der Bereich von x wird basierend auf der Zielemissionswellen länge eingestellt. Wenn x zunimmt, steigt jedoch auch die Bandlücke des Vierelementsystems an und das Vierelementsy stem tritt in den Bereich mit indirektem Übergang ein, wenn x einen bestimmten Wert überschreitet. Ein Vierelementsystem einer derartigen Zusammensetzung kann nicht verwendet wer den, um eine LED mit hoher Luminanz zu erhalten. Beispiels weise ist, da y = 0 in einer Vierelementsystem-DH-Struktur an ein GaAs (100) Substrat gitterangepaßt ist, der Bereich von x, der in der aktiven Schicht verwendbar ist, 0 x 0,7. Wenn x = 0, wird der Mischkristall GaInP und die Emissionswellenlänge bei der Zusammensetzung, bei welcher das Gitter dem GaAs (100) Substrat entspricht, beträgt 650 nm (Rot). In ähnlicher Weise beträgt die Emissionswellenlän ge 550 nnm (Grün), wenn x = 0,7. Dies ist der obere Grenz wert des Mischungsverhältnisses x, bei welchem die aktive Vierelementschicht in einem gitterangepaßten Zustand mit dem GaAs (100) Substrat verwendet werden kann. Selbst in diesem Fall kann jedoch das Mischungsverhältnis x weiter bis zu x = 1 erhöht werden, wenn das Vierelementsystem als das Material für eine Decke verwendet wird, die kein Licht emittiert.

Die Dicken der individuellen Schichten der Doppelheterostruk tur werden so bestimmt, um einen großen Effekt der Aktiv schichtträgerbeschränkung, d. h. des Aktivträgerschichtkonfine ments, und einen großen Trägerrekombinationskoeffizienten in der aktiven Schicht (d. h., um so die Helligkeit der LED zu erhöhen) zu erhalten. Aufgrund der Bandlückenenergie zwi schen den Deckschichten und der aktiven Schicht wirken die Deckschichten der DH-Struktur, um die Träger in der aktiven Schicht einzusperren. Um Träger daran zu hindern, durch Tun neln durchzuschlüpfen, wird daher die Dicke der Deckschich ten üblicherweise auf 0,5 µm oder größer eingestellt. Auf der einen Seite ist eine dünne aktive Schicht dadurch vor teilhaft, daß sie die Wahrscheinlichkeit der Rekombination von Trägern (Elektronen und Löchern) erhöht, die darein inji ziert werden, ist aber dadurch nachteilig, daß ihr kleineres Volumen die Anzahl von Trägern verringert, die vorliegen können. Auf der anderen Seite ist eine dicke aktive Schicht vorteilhaft dadurch, daß die Anzahl von Trägern, die darin vorliegen, hoch ist, aber nachteilig dadurch, daß die Rekom binationwahrscheinlichkeit niedrig ist. Der optimale Wert der Dicke der aktiven Schicht hängt daher von der Bauele mentstruktur und anderen Faktoren ab. Während er in der Praxis bei ungefähr 0,1-2 µm liegt, legt die Erfindung der Dicke der aktiven Schicht keine besonderen Grenzwerte auf.

Die Dicke der oberen Deckschicht beträgt vorzugsweise 3-50 µm. Dafür gibt es drei Gründe.

Der erste betrifft den Stromdiffusionseffekt. Wie in Fig. 12 gezeigt, ist es in der Oberflächenemissions-LED nach dem Stand der Technik mit einem Elektrodenaufbau, wichtig vom Ge sichtspunkt der Erhöhung der LED-Helligkeit, daß die Träger, die aus der oberen Elektrode injiziert werden, sich über einen breiten Bereich der aktiven Schicht verteilen, um so die Emissionsfläche auszudehnen und die Emissionseffizienz zu erhöhen. Da Vierelementsystemmaterialien, die in diesem Wellenlängenbereich verwendbar sind, niedrige Trägermobili tät aufweisen, ist AlGaAs oder dergleichen herkömmlicherwei se als das Material für die Stromdiffusionsschicht verwendet worden. Jedoch zieht die Verwendung von AlGaAs oder derglei chen nicht nur das Risiko der Zersetzung ein, das später zu erklären ist, sondern zieht auch die Möglichkeit mit ein, daß die Zunahme der Heterogrenzfläche zu dem Auftreten von Einkerbungen im Energieband der Grenzfläche führen kann, wel che ein Haupthindernis für Trägerinjektion werden (was einen Anstieg bezüglich der Ansteuerungsspannung verursacht). Die ses Problem tritt in dieser Erfindung nicht auf, weil ein Stromdiffusionseffekt erhalten wird, indem die Diffusions schicht als eine 3-50 µm dicke Schichtstruktur des gleichen Materials wie die Deckschichten gebildet wird. Fig. 2 zeigt, wie die Lichtausgabe der LED mit der Dicke der obe ren Deckschicht variiert. Wie aus diesem Graph zu verstehen ist, steigt der Effekt des Erhöhens der Dicke der Deck schicht graduell mit zunehmender Deckschichtdicke. Um eine LED mit einer Helligkeit zu erhalten, die dem Strom kommer ziell verfügbarer LEDs vergleichbar ist, muß die Dicke der oberen Deckschicht jedoch mindestens 3 µm betragen. Darüber hinaus ist, da ungefähr ein dreifacher Anstieg bezüglich der Helligkeit bei der gleichen Emissionswellenlänge erforder lich ist, um das zu erreichen, was als eine "helle" LED be trachtet werden kann, eine Dicke von nicht weniger als 5 µm bevorzugt, obwohl es verstanden werden sollte, daß dieses In tensitätsverhältnis auf einem Vergleich zwischen einer ex istierenden AlGaAs LED hoher Luminanz und einer GaP-LED der gleichen Wellenlänge beruht. Wenn die Dicke der oberen Deck schicht 50 µm überschreitet, fällt die Helligkeit unter jene der LEDs nach dem Stand der Technik, wahrscheinlich wegen an steigender Absorption, die durch Gitterdefekte in den Kri stall der oberen Deckschicht verursacht werden. Darüber hin aus beträgt, wegen der früher diskutierten Aspekte der maxi malen Helligkeit basierend auf einem Vergleich mit LEDs nach dem Stand der Technik und der Produktionskosten der obere Grenzwert der Dicke der oberen Deckschicht vorzugsweise um 10 µm.

Der zweite Grund bezieht sich darauf, die Bauelementzerset zung bzw. -verschlechterung zu verringern. Von der Natur her weist AlGaAs eine kleinere Bandlückenenergie als ein Vierele mentsystem auf und das Al-Mischungsverhältnis des Mischkri stalls muß erhöht werden, um ihn für Licht transparent zu ma chen, welches von der aktiven Schicht emittiert wird. Der hohe Al-Gehalt begünstigt die Zersetzung in Umgebungen hoher Temperatur und hoher Feuchte. In diesem Zusammenhang wurden Zuverlässigkeitstests an einer LED nach dem Stand der Tech nik mit einer 1 µm oberen Deckschicht und einer 4 µm AlGaAs Fensterschicht und einer LED gemäß der Erfindung mit einer oberen Deckschicht von 5 µm oberhalb der aktiven Schicht durchgeführt. Wie in Fig. 3 gezeigt, nahm die Emissionsinten sität der LED nach dem Stand der Technik über die Zeit ab (Kurve b), während die Emissionsintensität der LED gemäß der Erfindung im wesentlichen auf dem Niveau verblieb, nachdem sie ungefähr 10% während einer Anfangsperiode von ungefähr 500 Stunden abfiel (Kurve a).

Der dritte Grund betrifft den Fenstereffekt, der in einer LED mit kurzer Wellenlänge zustandekommt. Wenn ein Vierele mentmischkristall als die aktive Schicht verwendet wird, ist die Emission bis zu 550 nm (Grün) möglich. Wenn AlGaAs als eine Fensterschicht verwendet wird, wird jedoch das Fenster ein Absorber bei einer Bandlückenenergie von 2,16 eV (ent sprechend einer Emissionswellenlänge von 574 nm), selbst wenn die Bandlücke des AlAs zu dem Grenzwert erhöht wird, was die Verwendung als eine Stromdiffusionsschicht mit der gleichen Technologie unmöglich macht. Gemäß dem technischen Konzept der dicken Deckstruktur der Erfindung ist es jedoch insofern, als die DH-Struktur erhalten werden kann, möglich, eine LED des gleichen Aufbaus zu konfigurieren.

Es ist auch effektiv, die Bandlückenenergie der oberen Deck schicht als eine Funktion der Dicke zu variieren. Wie früher erklärt, ist eine große Bandlückenenergie der Deckschicht zum Erhöhen des Trägerkonfinementeffektes in der aktiven Schicht bevorzugt. Wenn die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht graduell von der Unterseite in Richtung auf die Oberseite erniedrigt wird, können jedoch die folgenden Effekte erhalten werden.

Der erste Effekt, der erhalten wurde, indem die obere Deck schicht mit einem Bandgradienten vorgesehen wurde, ist je ner, effiziente Injektion von Trägern in die obere Deck schicht aus der Kontaktschicht darüber zu ermöglichen. Vom Punkt der Einfachheit der ohmschen Elektrodenbildung, wird üblicherweise ein Material mit einer kleinen Bandlückenener gie (GaAs oder dergleichen) für die Kontaktschicht verwen det. Da dies eine große Bandlückenenergiedifferenz zwischen der Kontaktschicht und der oberen Deckschicht zur Folge hat, wird die Strominjektionseffizienz verschlechtert. Wie durch Kurve b in Fig. 5 angedeutet, kann die Bandlückenenergiedif ferenz bei der Kontaktschichtgrenzfläche jedoch bei einem niedrigen Niveau gehalten werden, indem die Bandlückenener gie der oberen Deckschicht in der Richtung der Kontakt schicht innerhalb des Bereiches graduell verringert wird, wo rin Absorption bei der Emissionswellenlänge aus der aktiven Schicht nicht auftritt. Während die Stromdiffusionsschicht des AlGaAs nach dem Stand der Technik diesen Effekt mögli cherweise auch erzeugt, ist die Deckschicht mit den Zusammen setzungsgradienten der Erfindung vom Gesichtspunkt der Bau elementzuverlässigkeit und der Größe des gebildeten Energie schrittes überlegen.

Der zweite Effekt ist jener, daß die Winkelapertur der Ober flächenelektrode aufgrund der Änderung bezüglich des Bre chungsindex mit der Bandlückenenergie verringert wird. Der Brechungsindex eines Materials nimmt näherungsweise in umge kehrter Proportion zu seiner Bandlückenenergie ab. In der oberen Deckschicht mit dem vorerwähnten Bandlückenenergiepro fil steigt der Brechungsindex aufwärts vom Boden der oberen Deckschicht an. Als eine Folge biegt sich, wenn die obere Elektrode von der aktiven Schicht gesehen wird, die optische Gerade (der kürzeste optische Weg) auswärts von der Elektro de, so daß die obere Elektrode kleiner erscheint als sie tat sächlich ist. Die Fläche der aktiven Schicht, die durch die obere Elektrode bedeckt ist, wird daher kleiner. Der Stand der Technik erreicht einen ähnlichen Effekt, indem die Tiefe des Emissionsabschnittes (der aktiven Schicht in einer DH- Struktur; die Verbindung in einer SH- oder Homostruktur) von der Bauelementoberfläche erhöht wird. Die Erfindung ist diesem jedoch überlegen, da das Verfahren nach dem Stand der Technik in großem Maß die Herstellungskosten erhöht. Selbst wenn dieser Effekt erhalten wird, verursacht eine Abnahme bezüglich der Bandlückenenergie der Deckschicht noch eine Abnahme bezüglich des Trägerkonfinementeffektes. Wie früher erklärt, ist es, um die Abnahme des Trägerkonfinementeffek tes zu verhindern, bevorzugt, daß ein Teil mit einer Band lückenenergie von zumindest 0,1 eV größer als jene der akti ven Schicht bei zumindest 0,5 µm von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht vorliegt, nämlich vom Boden der oberen Deck schicht. Ein Vierelementmischkristall mit einem derartigen Bandlückenenergiegradienten kann gebildet werden, indem der Wert von x von der Unterseite zu der Oberseite der oberen Deckschicht variiert wird. Dies kann ohne weiteres erreicht werden, indem zum Beispiel das metalloorganische chemische Dunstdepositions-(MOCVD-)Verfahren verwendet wird.

Obwohl die Trägerkonzentration, die für die Deckschichten verwendet wird, im allgemeinen in dem Bereich von 1 × 10¹⁶ cm^-3 bis 1,10 × 10¹⁸ cm^-3 liegt, ist es auch effektiv, die Konzentration der Doppelheterostrukturschichten als eine Funktion der Tiefe zu variieren. Die Erfindung spezifiziert den Leitungsfähigkeitstypus oder die Trägerkonzentration der aktiven Schicht nicht auf besondere Weise. Wenn die Träger konzentration der Deckabschnitte mit zunehmender Nähe zu der aktiven Schicht verringert wird, können jedoch die folgenden Effekte erhalten werden.

Zuerst nimmt bei diesem Typus von Trägerkonzentrationsprofil der Widerstand in der Umgebung der aktiven Schicht zu. Insbe sondere erhöht das Annehmen dieses Typus von Profil in der oberen Deckschicht den Bereich der Trägerinjektion von der oberen Elektrode zu der aktiven Schicht, was den gleichen Ef fekt der Erhöhung der Emissionseffizienz der LED hat. Zwei tens verhindert dieser Typus von Trägerkonzentrationsprofil die Diffusion von zugefügten Verunreinigungen zu der aktiven Schicht, insbesondere, wenn sie auf der Deckschichtseite des p-Typus angenommen wird. Zink, welches gebräuchlich als eine Verunreinigung des p-Typus verwendet wird, wird ohne weite res durch Wärme diffundiert. Es ist bekannt, daß Überschuß zinkatome die Kristallinität eines Verbindungshalbleiters der Gruppe III-V verschlechtern. Ein Trägerprofil, das die Zinkkonzentration in der Umgebung der Grenzfläche der akti ven Schicht erniedrigt, wo gute Kristallinität erforderlich ist, ist in hohem Maße effektiv zur Verstärkung der Emis sionseffizienz. Es ist daher effektiv, die Trägerkonzentra tion von sowohl den oberen als auch unteren Deckschichten zu variieren.

Zusätzlich wird ein synergistischer Effekt erhalten, wenn so wohl der Bandlückenenergiegradient als auch der Trägerkonzen trationsgradient angenommen werden. Obwohl Zusatz von Verun reinigung zu dem Vierelementmischkristall zunehmend schwie rig wird, wenn der x Wert des Al-Mischungsverhältnisses zu nimmt, insbesondere in dem Fall des Verunreinigungszusatzes vom p-Typus, wenn die Bandlückenenergie durch das vorherge hende Verfahren verringert wird, d. h., wenn das Al-Mischungs verhältnis x verringert wird, kann das Maß der p-Typus Ver unreinigungsdotierung erhöht werden, um einen Trägerkonzen trationsgradienten sicherzustellen. Als eine Folge können die Effekte von sowohl dem Bandlückenenergiegradienten als auch dem Trägerkonzentrationsgradienten erhalten werden.

Da exzellente Ausbreitung des aus einer Elektrode injizier ten Stromes mit dieser Anordnung erhalten wird, kann eine hohe Emissionseffizienz erreicht werden.

Es ist zum Erhöhen der Emissionsintensität auch wirksam, eine untere reflektierende Schicht zwischen der Puffer schicht und der Doppelheterostruktur vorzusehen. Die reflek tierende Schicht wird gebildet, indem alternierend epitaxia le Wachstumsschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes überlagert werden. Die Anforderungen zum Erhalten einer re flektierenden Schicht mit hoher Reflektivität sind, daß die Schicht aus einem Material mit geringer Absorption mit Bezug auf die Zielemissionswellenlänge gebildet wird, und daß die Differenz zwischen den Brechungsindizes der konstituierenden epitaxialen Schichten groß sein sollen. Die Gesamtanzahl überlagerter epitaxialer Schichtenpaare beträgt ungefähr 10 bis 25 und die individuellen Schichten sind bis zu einer Dicke gleich zu einem 1/4 der optischen Länge der Zielemis sionswellenlänge gleich gebildet (Schichtdichte von lamb da/4n, wobei der Brechungsindex der Schicht n ist und die Zielemissionswellenlänge lambda ist). Zum Beispiel kann in dem Fall, wo die Paare epitaxialer Schichten aus GaAlAs mit unterschiedlichen Al-Gehalten gebildet werden und die Ziel emissionswellenlänge 620 nm beträgt, eine Reflektivität von nicht weniger als 90% in dem Bereich 600-640 µm erhalten werden, indem 25 Schichtpaare laminiert bzw. schichtartig aufgebaut werden, wovon jedes aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus AlGaAs mit einem Al-Mischungsverhältnis von 0,4 und einer 49,3 nm dicken Schicht aus AlGaAs mit einem Al-Mischungsverhältnis von 0,95 besteht. Eine laminierte Schicht mit ähnlichem Effekt kann erhalten werden, indem Schichten des Vierelementsystemmaterials mit Werten x in den Bereichen von 0-0,5 und 0,5-1 kombiniert werden.

Eine Zwischenschicht ist zwischen der unteren reflektieren den Schicht und der unteren Deckschicht zum Verringern von Gitterkonstantenfehlanpassung zwischen der unteren reflektie renden Schicht und der unteren Deckschicht vorgesehen. Die Zusammensetzung der intermediären Schicht variiert graduell zwischen einer nahe jener der unteren Deckschicht bei dem oberen Teil und einer nahe jener der unteren reflektierenden Schicht bei dem unteren Teil.

Die Emissionsintensität kann weiter erhöht werden, indem eine obere reflektierende Schicht auf der unteren Oberfläche einer Elektrode, die auf der Licht emittierenden Seite ange ordnet ist, vorgesehen wird, das heißt entgegengesetzt der Substratseite. In diesem Fall wird die obere reflektierende Schicht ähnlich zu der unteren reflektierenden Schicht inter pretiert.

Die Kontaktschicht, welche zwischen der oberen Deckschicht und der oberen Metallelektrode hergestellt ist, wird ausge wählt, um guten ohmschen Kontakt zu der Metallelektrode dar über zu erhalten. Ihre Dicke beträgt gewöhnlicherweise 0,1- 1 µm und das Material davon ist im allgemeinen dasselbe wie jenes des Wachstumssubstrates. Wenn GaAs als das Substrat verwendet wird, wird GaAs des Leitungstypus entgegengesetzt zu jenem des Substrates verwendet. Zwecks Einfachheit bei der Bildung der oberen Elektrode und der ohmschen Elektrode wird die Trägerkonzentration der Kontaktschicht relativ hoch eingestellt bei (0,5-5) × 10¹⁸ cm^-3 oder höher für eine Schicht des n-Typus und bei 1 × 10¹⁹ cm^-3 oder höher für eine Schicht des p-Typus.

Typischerweise wird eine Metallelektrode des n-Typus aus Au/Au-Ge gebildet, und eines p-Typus aus Au/Au-Be.

Obwohl die Erfindung den Leitfähigkeitstypus des Substrates oder der Abdeckschichten nicht besonders spezifiziert, kann der Widerstandswert gegen Trägerinjektion sehr hoch werden, wenn GaAs des p-Typus für das Substrat verwendet wird. Dies gilt, weil die Bandhöhe auf der Grenzfläche zwischen dem GaAs-Substrat und der unteren Deckschicht den Durchtritt von Löchern, welche eine große effektive Maße aufweisen und die Hauptträger eines p-Typushalbleiters sind, in die untere Deckschicht behindert. Um damit fertig zu werden, kann der elektrische Widerstandswert des Bauelementes erniedrigt wer den, indem zwischen das GaAs-Substrat und die untere Deck schicht eine Schicht mit gradierter Zusammensetzung einge schoben wird, deren Zusammensetzung kontinuierlich zwischen jener des Substrates und jener der unteren Deckschicht gra diert bzw. verändert wird. Wenn das Substrat GaAs des p-Ty pus ist, und die untere Deckschicht (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP, in welchem x = 0,7 und y = 0,5, wird die gradierte Zusammen setzungsschicht, die aus Al_aGa_bIn_1-a-bAs_1-pP_p besteht, zwi schen der Grenzfläche mit dem GaAs-Substrat und der Grenzflä che mit der unteren Deckschicht gradiert, indem die Al-Kompo nente a zwischen 0 und 0,35 variiert wird, die Ga-Komponente b zwischen 1 und 0,35, die In-Komponente (1-a-b) zwi schen 0 und 0,5, die As-Komponente (1-p) zwischen 1 und 0 und die P-Komponente p zwischen 0 und 1. In dem Fall, wo die vorerwähnte laminierte reflektierende Schicht zwischen das Substrat und die untere Deckschicht eingeschoben wird, ist es effektiv, eine ähnliche Zwischenschicht zwischen dem Sub strat und der reflektierenden Schicht und zwischen der re flektierenden Schicht und der unteren Deckschicht einzuschie ben.

Während die Erfindung das Verfahren zur Herstellung des vor erwähnten Vielschichthalbleiters nicht besonders spezifi ziert, umfassen praktische Verfahren MOCVD, Gasquellenmoleku larstrahlepitaxie und dergleichen. Möglicherweise ist der pragmatischste Weg zur Herstellung der LED, MOCVD zu verwen den. Die Materialien, die in diesem Verfahren verwendet wer den, umfassen verschiedene Alkylmetalle auf Ethyl- und Me thylbasis (Al, Ga, In, Zn, Mg usw.) und Hydride von Grup pe-V-Elementen (Arsin, Phosphin und Wasserstoffselenid, Silan, Disilan, Schwefelwasserstoff usw. oder organische Gruppe-V-Verbindungen (TBAs, TBP usw.)

Indem die Fensterschicht und die Stromdiffusionsschicht der LED des Standes der Technik gegen eine (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP-Dop pelheterostruktur mit einer dicken oberen Deckschicht er setzt werden und die Eigenschaften davon innerhalb spezifi zierter Bereiche begrenzt werden, verbessert diese Erfindung die Stromdiffusion und begünstigt den Wachstum von Kristal len guter Qualität, indem die epitaxiale Wachstumsgrenzflä che verringert wird, wodurch verbesserte Emissionseffizienz erreicht wird.

Spezifische Beispiele der Erfindung werden nun beschrieben werden.

Beispiel 1

Eine LED mit einer DH-Struktur wurde hergestellt, um eine (Al_0,2Ga_0,8)_0,5In_0,5P-Emissionsschicht auf einem GaAs-Sub strat aufzuweisen. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 4 gezeigt. Das Substrat 1 war ein GaAs-Einzelkristall des n-Typus, der mit Si dotiert war. Seine Trägerkonzentration betrug 2,0 × 10¹⁸ cm^-3. Die Flächenorientierung wurde 4 Grad geneigt von (100) eingestellt. Eine epitaxiale Schicht wurde auf dem Substrat unter Verwendung von MOCVD wachsengelassen. MTAl, TMGa, TMIn, DEZn und Arsin, Phosphin und Selenhydride wurden als Quellgase verwendet. Die Zusammensetzung der ge wachsenen Kristalle wurde variiert, indem das Gasmischungs verhältnis variiert wurde. Zuerst wurde eine GaAs-Puffer schicht 2 auf dem Substrat 1 wachsengelassen. Die Trägerkon zentration der Pufferschicht 2 wurde auf 1 × 10¹⁸ cm^-3 durch Se-Dotierung eingestellt und ihre Dicke betrug 0,5 µm.

Ein (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP Doppelheterostruktur bestehend aus einer unteren Deckschicht 5, einer aktiven Schicht 6 und einer oberen Deckschicht 7 wurde als nächstes gebildet. Die untere Deckschicht 5 war Se-dotiertes (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P des n-Typus, das erhalten wurde, indem die Mischungsverhält nisse auf x = 0,7, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine Träger konzentration betrug 1 × 10¹⁸ cm^-3 und seine Dicke betrug 1 µm. Die aktive Schicht 6 war undotiertes (Al_0,17Ga_0,83)_0,17In_0,5P, das erhalten wurde, indem die Mi schungsverhältnisse als x = 0,17, y = 0,5 eingestellt wur den. Seine Trägerkonzentration betrug 5 × 10¹⁵ cm^-3 und seine Dicke betrug 0,5 µm. Die untere Deckschicht 5 war Zn-dotiertes (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P des p-Typus, das erhalten wurde, indem die Mischungsverhältnisse als x = 0,7, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine Trägerkonzentration betrug 1 × 10¹⁷ cm^-3 und seine Dicke betrug 6 µm. Als eine Folge betru gen die Bandlückenenergie der Doppelheterostruktursektion Eg = 2,29 eV bei der unteren Deckschicht 5, Eg = 2,00 eV bei der aktiven Schicht 6 und Eg = 2,29 eV bei der oberen Deck schicht 7. Wie durch Kurve a in Fig. 5 gezeigt, war das Band lückenenergieprofil der oberen Deckschicht im wesentlichen konstant. Wie durch Kurve a in Fig. 6 gezeigt, war die Trä gerkonzentration in der oberen Deckschicht 7 im wesentlichen konstant.

Eine GaAs-Kontaktschicht 9 des p-Typus, die mit Zn dotiert war, wurde dann auf der oberen Deckschicht 7 zu einer Dicke von 0,3 µm gebildet. Ihre Trägerkonzentration betrug 1 × 10¹⁸ cm^-3. (Au-Be)/Au wurde vakuumverdampft auf die Kontakt schicht 9, um eine ohmsche Elektrode 10 zu bilden, und (Au-Ge)/Au wurde auf der entgegengesetzten Oberfläche des Substrates verdampft, um eine ohmsche Elektrode 11 zu bil den, was so die Herstellung der LED abschloß.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 20 w.E. (willkürliche Einheiten gemessen mit einem bestimmten Meßinstrument) bei einer Wel lenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte, was eine große Verbesserung bezüglich der Helligkeit gegenüber den sieben willkürlichen Einheiten (w.E.) darstellt, die mit einer LED mit einer 1 µm dicken oberen Deckschicht nach dem Stand der Technik erhalten wurden.

Beispiel 2

Der gesamte Aufbau der Schichten in diesem Beispiel war ebenfalls wie in Fig. 4 gezeigt, aber im Unterschied zu jenem von Fig. 4 war die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht 7 gradiert. Die Zusammensetzung der oberen Deckschicht 7 von Beispiel 1 war im wesentlichen durchweg konstant, während sie in diesem Beispiel 2 in der Richtung der Dicke gradiert war. Spezifischer hatte sie in der Umge bung der Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6, ein Mischungs verhältnis von x = 0,7, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,29 eV. Bei einem Abstand von 0,5 µm von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 hatte sie ein Mischungsverhältnis von x = 0,65, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,25 eV, und in der Umgebung der Grenzfläche der Kontaktschicht 9 hatte sie Mischungs verhältnisse von x = 0,3, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 2 × 10¹⁷ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,1 eV.

Wie durch Kurve b in Fig. 5 gezeigt, begann daher das Band lückenenergieprofil der oberen Deckschicht 7 der Doppelhete rostruktur des Beispiels 2 von ungefähr 0,3 eV höher als jene der aktiven Schicht 6 und nahm in der Richtung der Dicke der oberen Deckschicht 7 graduell ab. Darüber hinaus war, wie durch Kurve a in Fig. 6 gezeigt, die Trägerkonzen tration in der oberen Deckschicht 7 im wesentlichen konstant.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 22 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA aufwies, eine große Verbes serung bezüglich der Helligkeit gegenüber den 7 w.E., die mit einer LED nach dem Stand der Technik mit einer 1 µm dicken oberen Deckschicht erhalten wurden.

Beispiel 3

Der Gesamtaufbau der Schichten in diesem Beispiel war ebenfalls wie in Fig. 4 gezeigt. Jedoch wurde, während die Trägerkonzentration über die Dicke der oberen Deckschicht 7 hindurch in Beispiel 1 im wesentlichen konstant gehalten wurde, sie in diesem Beispiel in der Richtung der Dicke der oberen Deckschicht 7 erhöht. In der Umgebung ihrer Grenz fläche zu der aktiven Schicht 6 hatte die obere Deckschicht 7 ein Mischungsverhältnis von x = 0,7, y = 0,5, eine Träger konzentration von 7 × 10¹⁶ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,29 eV. In der Umgebung ihrer Grenzfläche zu der Kon taktschicht 9 hatte die obere Deckschicht 7 ein Mischungs verhältnis von x = 0,7, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,29 eV, was, wie durch Kurve a in Fig. 5 gezeigt, im wesentlichen das gleiche wie in der oberen Deckschicht 7 war. Als eine Folge war das Trägerkonzentrationsprofil der oberen Deck schicht 7 von Beispiel 3 wie durch Kurve b in Fig. 6 ge zeigt. Das Trägerkonzentrationsprofil der oberen Deckschicht stieg nämlich graduell von der Umgebung ihrer Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 an. Eine Evaluierung der Charakteristi ken der LED zeigt, daß sie einen Lichtausgang von 24 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte.

Beispiel 4

In der LED gemäß diesem Beispiel war eine untere reflektie rende Schicht 3 zwischen die Pufferschicht 2 und die untere Deckschicht 5 zwischengeschoben. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 7 gezeigt. Die untere reflektierende Schicht 3 wurde gebildet, indem 25 Schichtpaare laminiert wurden, die jede aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al_0,4Ga_0,6As do tiert mit Se und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al_0,95Ga_0,05As dotiert mit Se bestand. Die Durchschnittsträ gerkonzentration der zwei Typen von Schichten betrug 1,5 x 10¹⁸ cm^-3. Unter anderen Aspekten war Beispiel 4 zu Beispiel 1 gleich.

Die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht 7 betrug 2,29 eV und war, wie durch Kurve a in Fig. 5 gezeigt, im we sentlichen gleich in der oberen Deckschicht 7. Das Trägerkon zentrationsprofil der Doppelheterostruktur war wie durch Kurve a in Fig. 6 gezeigt. Das Trägerkonzentrationsprofil der oberen Deckschicht war nämlich im wesentlichen konstant.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 40 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte.

Beispiel 5

In der LED dieses Beispiels wurde eine obere reflektierende Schicht 8 zwischen der oberen Deckschicht 7 und der Kontakt schicht 9 von Beispiel 4 vorgesehen. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 1 gezeigt. Die obere reflektierende Schicht 8 wurde gebildet, indem sieben Schichtpaare, von denen jedes aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al_0,4Ga_0,6As dotiert mit Zn und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al_0,95Ga₀₁₀₅As dotiert mit Zn bestand, laminiert wurde. Die Durchschnitts trägerkonzentration der zwei Typen von Schichten betrug 1 × 10¹⁸ cm^-3. Unter anderen Aspekten war Beispiel 5 dasselbe wie Beispiel 4.

Die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht 7 betrug 2,29 eV und war, wie durch Kurve a in Fig. 5 gezeigt, im wesentli chen die gleiche in der oberen Deckschicht 7. Das Trägerkon zentrationsprofil der Doppelheterostruktur war wie durch Kurve a in Fig. 6 gezeigt. Insbesondere war das Trägerkon zentrationsprofil der oberen Deckschicht 7 im wesentlichen konstant.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 42 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte.

Beispiel 6

Im Beispiel 4 wurde die Zusammensetzung und Trägerkonzentra tion der oberen Deckschicht 7 im wesentlichen durch die Dicke der oberen Deckschicht 7 hindurch konstant gehalten. Im Unterschied hierzu wurde in diesem Beispiel das Al- Mischungsverhältnis x in der Richtung der Dicke verringert und die Trägerkonzentration in der Richtung der Dicke erhöht. Spezifischer hatte in der Umgebung der Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 die obere Deckschicht 7 Mischungs verhältnisse von x = 0,7, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 7 × 10¹⁶ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,29 eV. Bei einem Abstand von 0,5 µm von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 hatte sie Mischungsverhältnisse von x = 0,65, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 9 × 10¹⁶ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,25 eV. In der Umgebung der Grenzfläche zu der Kontaktschicht 9 hatte sie Mischungsver hältnisse von x = 0,3, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,1 eV.

Wie durch Kurve b in Fig. 5 gezeigt, begann daher das Band lückenenergieprofil der oberen Deckschicht der Doppelhetero struktur von Beispiel 6 von ungefähr 0,3 eV höher als jenes der aktiven Schicht 6 und nahm in der Richtung der Dicke der oberen Deckschicht 7 graduell ab. Darüber hinaus nahm, wie durch Kurve b in Fig. 6 gezeigt, die Trägerkonzentration der oberen Deckschicht 7 graduell mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht ab. Zusätzlich wurde die reflektierende Schicht 3 gebildet, indem 25 Schichtpaare laminiert wurden, jedes bestehend aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al_0,4Ga_0,6As dotiert mit Se und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al_0,95Ga_0,05As dotiert mit Se. Die Durch schnittsträgerkonzentration der zwei Typen von Schichten be trug 1,5 × 10¹⁸ cm^-3. Unter anderen Aspekten war Beispiel 6 gleich zu Beispiel 1 gebildet, was die Anordnung von Fig. 7 ergab.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 52 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugt.

Beispiel 7

Wie in Beispiel 5 wurden in der LED dieses Beispiels eine obere reflektierende Schicht 8 und eine untere reflektieren de Schicht 3 angenommen. Die Schnittstruktur der LED war die gleiche wie in Fig. 1 gezeigt. Die obere reflektierende Schicht 8 wurde gebildet, indem 7 Schichtpaare laminiert wur den, jedes bestehend aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al_0,4Ga_0,6As dotiert mit Zn und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al_0,95Ga_0,05As dotiert mit Zn. Die Durchschnittsträger konzentration der zwei Typen von Schichten betrug 1 × 10¹⁸ cm^-3. Unter anderen Aspekten war Beispiel 7 gleich zu Bei spiel 6.

Wie durch Kurve b in Fig. 5 gezeigt, begann das Bandlückene nergieprofil der oberen Schicht der Doppelheterostruktur von Beispiel 7 von ungefähr 0,3 eV höher als jenes der aktiven Schicht 6 und nahm graduell in der Richtung der Dicke der oberen Deckschicht 7 ab. Darüber hinaus nahm wie durch Kurve b in Fig. 6 gezeigt, die Trägerkonzentration der oberen Deck schicht 7 graduell mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 ab.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 54 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte.

Beispiel 8

In diesem Beispiel wurde die aktive Schicht 6 aus GaInP an stelle des AlGaInP gebildet, das in Beispiel 1 verwendet wird. Die Gesamtstruktur der Schichten in diesem Beispiel war die gleiche wie in Fig. 4 gezeigt. Die aktive Schicht 6 war undotiertes Ga_0,5In_0,5P, das erhalten wurde, indem Mi schungsverhältnisse von x = 0, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine Trägerkonzentration betrug 1 × 10¹⁵ cm^-3 und seine Dicke betrug 0,5 µm. Als eine Folge betrugen die Bandlücken energien des Doppelheterostrukturabschnittes Eg = 2,29 eV bei der unteren Deckschicht 5, Eg = 1,9 eV bei der aktiven Schicht 6 und Eg = 2,29 eV bei der oberen Deckschicht 7. Un ter anderen Aspekten war Beispiel 8 das gleiche wie Beispiel 1. Eine Evaluierung der Charakteristik der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 31 w.E. bei einer Wellenlänge von 650 nm und einen Strom von 20 mA erzeugte, was eine große Verbesserung bezüglich der Helligkeit gegenüber den 9 w.E. einer LED nach dem Stand der Technik mit einer GaInP Ak tivschicht und einer 1 µm dicken oberen Deckschicht dar stellt.

Beispiel 9

In diesem Beispiel wurde die untere Deckschicht 5 und die obere Deckschicht 7 aus AlInP anstelle des AlGaInP gebildet, das im Beispiel 1 verwendet wird. Die Gesamtstruktur der Schichten in diesem Beispiel war die gleiche, wie jene, die in Fig. 4 gezeigt ist. Die untere Deckschicht 5 war Se-do tiertes Al_0,5In_0,5P des n-Typus, das erhalten wurde, indem die Mischungsverhältnisse eingestellt wurden als x = 1, y = 0,5. Ihre Trägerkonzentration betrug 1 × 10¹⁸ cm^-3 und ihre Dicke betrug 1 µm. Die aktive Schicht 6 war undotiertes (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P, das erhalten wurde, indem die Mi schungsverhältnisse als x = 0,7, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine Trägerkonzentration betrug 1 × 10¹⁵ cm^-3 und seine Dicke betrug 0,5 µm. Die obere Deckschicht 7 war Zn-dotier tes Al_0,5In_0,5P des p-Typus, das erhalten wurde, indem die Mischungsverhältnisse eingestellt wurden als x = 1, y = 0,5. Ihre Trägerkonzentration betrug 5 × 10¹⁶ cm^-3 und ihre Dicke betrug 6 µm.

Als eine Folge betrugen in der Doppelheterostruktursektion die Bandlückenenergien Eg = 2,35 eV bei der unteren Deck schicht 5, Eg = 2,00 eV bei der aktiven Schicht 6 und Eg = 2,35 eV bei der oberen Deckschicht 7. Unter anderen Aspekten war Beispiel 9 das gleiche wie Beispiel 1.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 30 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA aufwies, was eine große Verbesserung bezüglich der Helligkeit gegenüber den 10 w.E. darstellt, die mit einer LED nach dem Stand der Technik mit oberen und unteren AlInP-Deckschichten 5, 7 und einer 1 µm dicken oberen Deckschicht 7 erhalten wurden.

Beispiel 10

In diesem Beispiel war das Substrat 1 ein GaAs Einzelkri stall des p-Typus, der mit Zn dotiert war. Seine Trägerkon zentration betrug 5,0 × 10¹⁸ cm^-3. Die Flächenausrichtung war 4 Grad geneigt zu (100) eingestellt.

Eine GaAs Pufferschicht 2 und eine Doppelheterostruktur wur den auf dem Substrat 1 unter Verwendung von MOCVD wachsenge lassen. Die Trägerkonzentration der Pufferschicht 2 wurde eingestellt auf 1 × 10¹⁸ cm^-3 durch Se-Dotierung. Ihre Dicke betrug 0,5 µm. Die untere Deckschicht 5 der Doppelhetero struktur war Zn-dotiertes (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P des p-Typus, das erhalten wurde, indem Mischungsverhältnisse von x = 0,7, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine Trägerkonzentration betrug 1 × 10¹⁷ cm^-3 und seine Dicke betrug 1 µm. Die aktive Schicht 6 war undotiertes (Al_0,25Ga_0,75)_0,5In_0,5P, das erhal ten wurde, indem die Mischungsverhältnisse eingestellt wur den als x = 0,25, y = 0,5. Ihre Trägerkonzentration betrug 5 × 10¹⁵ cm^-3 und ihre Dicke betrug 0,5 µm. Die Bandlückenener gie der oberen Deckschicht 7 war gradiert. Spezifischer hat te in der Umgebung der Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 die obere Deckschicht 7 Mischungsverhältnisse von x = 0,7, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 7 × 10¹⁶ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,29 eV, bei einem Abstand von 0,5 µm zu der Grenzfläche mit der aktiven Schicht 6 hatte sie Mischungsverhältnisse von x = 0,65, y = 0,5, eine Trägerkon zentration von 2 × 10¹⁷ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,28 eV, und in der Umgebung der Grenzfläche mit der Kontakt schicht 9 bei einem Abstand von 6 µm von der Grenzfläche mit der aktiven Schicht 6 hatte sie Mischungsverhältnisse von x = 0,3, y = 0,5, eine Trägerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3 und eine Bandlückenenergie von 2,1 eV.

Eine GaAs Kontaktschicht 6 des n-Typus, die mit Se dotiert war, wurde dann auf der oberen Deckschicht 7 bis zu einer Dicke von 0,3 µm wachsengelassen. Ihre Trägerkonzentration betrug 1 × 10¹⁸ cm^-3. (Au-Ge)/Au wurde auf die Kontakt schicht 9 vakuumverdampft, um eine ohmsche Elektrode 10 zu bilden, und (Au-Be)/Au wurde auf die Unterseite des Substra tes verdampft, um eine ohmsche Elektrode 11 zu bilden, um so die Herstellung der LED abzuschließen.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 25 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA aufwies, eine große Verbes serung bezüglich der Helligkeit gegenüber den 7 w.E., die von einer LED nach dem Stand der Technik mit einer 1 µm dic ken oberen Deckschicht aufgewiesen wurden.

Beispiel 11

In der LED gemäß diesem Beispiel wurde eine reflektierende Schicht 3 zwischen die Pufferschicht 2 und die untere Deck schicht 5 der LED von Beispiel 10 zwischengeschoben. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 8 gezeigt. Die reflektie rende Schicht 3 wurde gebildet, indem 12 Schichtpaare, wovon jedes aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al_0,4Ga_0,6As do tiert mit Zn und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al_0,95Ga_0,05As dotiert mit Zn besteht, laminiert wurden. Die Durchschnittsträgerkonzentration der zwei Arten von Schich ten betrug 1,5 × 10¹⁸ cm^-3.

Dieses Beispiel war weiter mit einer Zwischenschicht 4 zwi schen der unteren reflektierenden Schicht 3 und der unteren Deckschicht 5 vorgesehen. Da die oberste Schicht der unteren reflektierenden Schicht 3 eine Al_0,4Ga_0,6As Schicht 3a war, und die untere Deckschicht 5 (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P war, war die Al_aGa_bIn_1-a-bAs_1-pP_p Zwischenschicht 4 zwischen ihrer Grenzfläche mit der unteren reflektierenden Schicht 3 und ihrer Grenzfläche mit der unteren Deckschicht 5 gradiert, indem ihr Al-Mischungsverhältnis a zwischen 0,4 und 0,35, ihr Ga-Mischungsverhältnis b zwischen 0,6 und 0,15, ihr In-Mischungsverhältnis (1-a-b) zwischen 0 und 0,5, ihr As-Mischungsverhältnis (1-p) zwischen 1 und 0 und ihr P-Mischungsverhältnis p zwischen 0 und 1 variiert wurde. Die Dicke der Zwischenschicht 4 betrug 0,1 µm und ihre Durch schnittsträgerkonzentration betrug 1,5 × 10¹⁸ cm^-3. Unter anderen Aspekten war Beispiel 11 das gleiche wie Beispiel 10.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 50 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte. So wurde eine Hel ligkeit in der Größenordnung von jener von Beispiel 10 erhal ten. Während die angelegte Spannung, die erforderlich war, um einen Injektionsstrom von 20 mA zu erhalten, im Beispiel 10 7 V betrug, war eine Spannung von nicht mehr als 2 Volt in diesem Beispiel 11 hinreichend.

Beispiel 12

In der LED dieses Beispiels wurde eine obere reflektierende Schicht 8 zwischen der oberen Deckschicht 7 und der Kontakt schicht 9 von Beispiel 11 vorgesehen. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 9 gezeigt. Die obere reflektierende Schicht 8 wurde gebildet, indem 7 Schichtpaare, jedes beste hend aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al_0,4Ga_0,6As do tiert mit Se und einer 49,3 nm dicken Schicht bestehend aus Al_0,95Ga_0,05As dotiert mit Se laminiert wurden. Die Durch schnittsträgerkonzentration der zwei Typen von Schichten betrug 1 × 10¹⁸ cm^-3. Unter anderen Aspekten war Beispiel 12 das gleiche wie Beispiel 11.

Wie durch Kurve b in Fig. 10 gezeigt, war das Bandlückenener gieprofil der oberen Deckschicht 7 der Doppelheterostruktur dieses Beispiels das gleiche wie jene in Beispiel 11. Näm lich begann es von ungefähr 0,3 eV höher als jenes der akti ven Schicht 6 und nahm in der Richtung der Dicke der oberen Deckschicht graduell ab. Darüber hinaus war, wie durch Kurve b in Fig. 1 gezeigt, die Trägerkonzentration der oberen Deck schicht 7 die gleiche wie jene in Beispiel 11. Namentlich nahm sie graduell mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht zu.

Eine Evaluierung der Charakteristiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 52 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte.

Beispiel 13

Dieses Beispiel wurde in der gleichen Weise wie Beispiel 11 hergestellt, außer daß die Dicke der oberen Deckschicht 10 µm anstelle von 6 µm betrug. Eine Evaluierung der Charakteri stiken der LED zeigte, daß sie einen Lichtausgang von 54 w.E. bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte.

Da die Erfindung eine LED vorsieht, die hohe Helligkeit über einen breiten Bereich aufweist, der sich von Rot nach Grün erstreckt, kann von ihr erwartet werden, einen Hauptbeitrag zu der Verwendung von LEDs in Freiluftanwendungen zu erge ben. Insbesondere ist es bemerkenswert, daß die Erfindung LEDs mit 3-4 mal der Helligkeit von LEDs nach dem Stand der Technik in dem Wellenlängenbereich von 590-650 nm schafft, und daß als solche von ihnen erwartet werden kann, für Verkehrszeichen, Markierer und dergleichen angewendet zu werden.

Zusammenfassend umfaßt also eine Licht emittierende Halbleiterdiode ein Verbindungshalbleitersubstrat und eine Doppelheterostruktur aus (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP (0 x 1, 0 < y < 1) als eine aktive Schicht, und eine obere Deckschicht der Doppelheterostruktur weist eine größere Bandlückenenergie (Eg) als die Bandlückenenergie der aktiven Schicht und eine Dicke von 3-50 µm auf.

Claims

1. Licht emittierende Halbleiterdiode mit einem Verbindungs halbleitersubstrat und einer Doppelheterostruktur aus (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP (0 x 1, 0 < y < 1) als einer akti ven Schicht, die zwischen obere und untere Deckschichten sandwichartig eingeschlossen ist, wobei die obere Deck schicht eine größere Bandlückenenergie als die Band lückenenergie der aktiven Schicht und eine Dicke von 3 bis 50 µm aufweist.

2. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, worin die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht zumindest 0,1 eV größer als die Bandlückenenergie der aktiven Schicht ist.

3. Licht emittierende Halbleiterdiode mit einem Verbindungs halbleitersubstrat und einer Doppelheterostruktur aus (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP (0 x 1, 0 < y < 1) als einer akti ven Schicht, die sandwichartig zwischen oberen und unte ren Deckschichten eingeschlossen ist, wobei die Bandlüc kenenergie der oberen Deckschicht graduell mit zunehmen dem Abstand von einer Licht emittierenden Seite der akti ven Schicht abnimmt.

4. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 3, worin die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht zumindest 0,2 eV größer als jene der aktiven Schicht bei einem Abstand von 0,5 µm von ihrer Grenzfläche zu der aktiven Schicht ist.

5. Licht emittierende Halbleiterdiode mit einem Verbindungs halbleitersubstrat und einer Doppelheterostruktur aus (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP (0 x 1, 0 < y < 1) als einer akti ven Schicht, die sandwichartig zwischen obere und untere Deckschichten eingeschlossen ist, wobei die Trägerkonzen tration der oberen Deckschicht graduell mit zunehmendem Abstand von einer Licht emittierenden Seite der aktiven Schicht zunimmt.

6. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 5, worin die Trägerkonzentration der oberen Deckschicht (1- 10) × 10¹⁶ cm^-3 bei ihrer Grenzfläche zu der aktiven Schicht und (1-10) × 10¹⁷ cm^-3 bei der Licht emittierenden Seite beträgt.

7. Licht emittierende Halbleiterdiode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Doppelheterostruktur aus AlGaInP besteht.

8. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der An sprüche 1 bis 6, worin die Doppelheterostruktur aus Al GaInP und GaInP besteht.

9. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der An sprüche 1 bis 6, worin die Doppelheterostruktur aus AlInP und AlGaInP besteht.

10. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der An sprüche 1 bis 6, worin die obere Deckschicht eine Dicke von 5-10 µm aufweist.