DE19531762C2 - Licht emittierende Halbleiterdiode mit einer stromverteilenden Deckschicht - Google Patents
Licht emittierende Halbleiterdiode mit einer stromverteilenden DeckschichtInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Licht emittierende Halb
leiterdiode, insbesondere auf eine solche lichtemittierende Halbleiterdio
de mit einer (AlxGa1-x)yIn1-yP-Doppelheterostruktur, welche gelbes bis
orangefarbenes Licht mit hoher Emissionseffizienz emittiert.
Licht emittierende Dioden (LEDs), die eine epitaxiale Wachstumsschicht
verwenden, die auf einem Verbindungshalbleitersubstrat gebildet ist,
sind durch niedrigen Leistungsverbrauch, langes Wartungsleben, hohe
Emissionseffizienz, hohe Zuverlässigkeit und andere Vorteile gekenn
zeichnet und werden daher in breitem Maße als Lichtquellen in verschie
denen Arten von Anzeigevorrichtungen verwendet. Unter den verschiede
nen Halbleitern der Gruppe-III-V-Verbindungen, ist (AlxGa1-x)yIn1-yP, auf
einem GaAs-Einkristallsubstrat epitaxial mischkristallgewachsen und
damit gitterangepaßt, von dem direkten Übergangstypus und weist
maximale Bandlückenenergie 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 Technik mit
einer (AlxGa1-x)yIn1-yP Doppelhetero-(DH-)Struktur. In dieser Figur be
zeichnet Bezugszahl 1 ein GaAs-Substrat, 2 eine Pufferschicht, 5-7 den
(AlxGa1-x)yIn1-yP-DH-Struktur-Abschnitt, 9 eine Kontaktschicht und 10
und 11 Elektroden. Eine Anzahl von Verbesserungen sind im Hinblick
auf diesen Typus von (AlxGa1-x)yIn1-yP-LED vorgeschlagen worden, ein
schließlich des Vorsehens einer AlGaAs-Stromdiffusionsschicht
von einer Dicke, die 2 µm unter der Kontaktschicht 9 zum Ver
teilen des Stromes, der aus der Elektrode 10 injiziert wird, nicht über
schreitet, um so den Licht emittierenden Bereich zu verbreitern, und des
Vorsehens einer reflektierenden Schicht zwischen der DH-Struktur und
dem Substrat, um auf effektive Weise Licht zu emittieren, das auf das
Substrat gerichtet ist (US-Patent Nr. 5 153 889 A).
Die zunehmende Verwendung von LEDs im Freien hat zu einer Nachfra
ge nach helleren Vorrichtungen geführt, und ein besonders starker
Bedarf nach hellen LEDs, die Licht in dem Wellenlängenband von 590-
650 nm emittieren, ist entstanden. Obwohl LEDs, die mit einer soge
nannten Fensterschicht vorgesehen sind, im Ansprechen auf diesen
Bedarf entwickelt worden sind, sind selbst diese nicht hinreichend hell.
Weiter unterläuft, da der Al-Gehalt des GaAlAs, das die Stromdiffusions
schicht und die Fensterschicht bildet, groß gemacht wird (0,7 bis 0,8
basierend auf der Summe aller Elemente aus Gruppe III als Eins; im
nachfolgenden das gleiche), um diese Schichten für das emittierte Licht
transparent zu machen, die LED eine progressive Verschlechterung
während des Gebrauches aufgrund der starken Tendenz des Al, oxidiert
zu werden. Wenn ein. Versuch durchgeführt wird, eine epitaxiale Wachs
tumsschicht mit hoher Al-Konzentration zu erhalten, wird darüber hin
aus die Fehlanpassung der Kristallgitter groß und die resultierenden
Gitterdefekte machen es unmöglich, eine hohe Emissionseffizienz zu
erhalten.
Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt, um diese Nachteile des
Standes der Technik zu überwinden, und hat als Aufgabe, eine Halblei
ter-LED zu schaffen, welche in dem Wellenlängenbereich von 550-650 nm
hohe Emissionseffizienz aufweist und sich nicht über längere
Gebrauchsperioden verschlechtert.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Licht emittierende Halbleiterdiode mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
In der Licht emittierenden Halbleiterdiode, die gemäß dieser Erfindung in
der vorhergehenden Weise aufgebaut ist, veranlaßt die relativ größere
Dicke der oberen Deckschicht der Doppelheterostruktur die Ladungsträ
ger, die aus der Elektrode injiziert werden, dazu, sich über einen breiten
Bereich der aktiven Schicht zu verteilen, wodurch die Emissionseffizienz
und die Helligkeit erhöht wird und die Abnahme der Emissionsintensität
im Lauf der Zeit verhindert wird. Zusätzlich verstärkt es den Effekt des
Einschließens von Ladungsträgern in der aktiven Schicht, daß die Band
lückenenergie der oberen Deckschicht größer als jene der aktiven Schicht
gemacht wird. Weiter stellt es effektive Injektion von Ladungsträgern in
die obere Deckschicht sicher, daß die Bandlückenenergie der oberen
Deckschicht graduell mit zunehmendem Abstand von der Licht emittie
renden 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 Ladungsträgerkonzentration der oberen Deck
schicht 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 Emissionseffizienz, indem Diffusion von
zugesetzten Verunreinigungen an die aktive Schicht verhindert wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft
erläutert, wobei zwischen Beispielen der Erfindung und Vergleichsbei
spielen unterschieden wird, die nicht Gegenstand der Erfindung sind. In
der Zeichnung ist
Fig. 1 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von
Licht emittierenden Halbleiterdioden (LEDs) gemäß den Ver
gleichsbeispielen 5 und 7,
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 einer erfindungsgemäßen
LED mit jener einer LED nach dem Stand der Technik mit
einem AlGaAs Fenster vergleicht,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von
LEDs gemäß den Vergleichsbeispielen 1, 2, 3, 8, 9 und 10
Fig. 5 ein Diagramm, das das Bandlückenenergieprofil von LEDs,
gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 7 zeigt,
Fig. 6 ein Diagramm, das das Ladungsträgerkonzentrationsprofil
von LEDs gemäß den Vergleichsbeispielen 1 bis 7 zeigt,
Fig. 7 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von
LEDs gemäß den Vergleichsbeispielen 4 und 6,
Fig. 8 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Strukturen von
LEDs gemäß den Beispielen 11 und 13 der Erfindung,
Fig. 9 eine Querschnittsansicht zum Erklären der Struktur einer
LED gemäß Beispiel 12 der Erfindung,
Fig. 10 ein Diagramm, das das Bandlückenenergieprofil von LEDs
gemäß den Beispielen 10 bis 13 zeigt,
Fig. 11 ein Diagramm, das das Ladungsträgerkonzentrationsprofil
von LEDs gemäß den Beispielen 10 bis 13
zeigt, und
Fig. 12 eine Querschnittsansicht zum Erklären des Aufbaus einer
Licht emittierenden Halbleiterdiode der Doppelheterostruk
tur nach dem Stand der Technik.
Die Licht emittierende Halbleiterdiode gemäß dieser Erfindung ist grund
legend aus einem Verbindungshalbleitersubstrat und einer Doppelhete
rostruktur einer Licht emittierenden Schicht aus (AlxGa1-x)yIn1-yP konsti
tuiert, die als eine aktive Schicht sandwichartig zwischen oberen und
unteren Deckschichten auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist.
Obwohl das Verbindungshalbleitersubstrat in der Lage sein muß, elektri
schen Kontakt mit dem DH-Abschnitt sicherzustellen, 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
gebildet ist, Betrachtungen der physikalischen Eigenschaften es bevor
zugt für das Substrat, ebenfalls aus einem Kristall der Gruppe III-V
gebildet zu sein. Zusätzlich ist, da die Erfindung ein Vierelementsystem
verwendet, um die Emission in dem Wellenlängenbereich von 550-650 nm
Wellenlänge sicherzustellen, das optimale Substratmaterial von dem
Gesichtspunkt der Gitteranpassung her ein GaAs Einkristall. Die Leitfä
higkeit des Substrates ist vom p-Typus. Die dicke obere Deckschicht, ein
Schlüsselkonstituent der vorliegenden Erfindung, ist ein n-Typus. Ein
n-Typus Vierelementsystem kann bezüglich der Verunreinigungskon
zentration einfacher erhöht werden als ein p-Typus und seine Elektro
nenmobilität ist viel größer als seine Hall-Mobilität. Der Stromdiffusions
effekt einer dicken Deckschicht des n-Typus ist daher größer als jener
eines p-Typus. Während die Ladungsträgerkonzentration des
p-Typussubstrates nicht besonders spezifiziert ist, beträgt sie (4-10) ×
1018 cm-3 für allgemein erhältliche GaAs Substrate des p-Typus. Die
Basisseitenorientierung 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 Gitterdefekten zu eliminieren. Die Dicke
der Pufferschicht beträgt typischerweise 0,1-1 µm und seine Ladungs
trägerkonzentration beträgt typischerweise (1-6) × 1018 cm-3.
Als nächstes wird eine Licht emittierende (AlxGa1-x)yIn1-yP Doppelhetero
struktur-Schicht auf der Pufferschicht gebildet. Die Wertebereiche von x
und y sind definiert als (0 ≦ x ≦ 1, 0 < y < 1). Obwohl die Werte der phy
sikalischen Eigenschaften 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 Gitter
konstante hauptsächlich eine Funktion von y. Hinsichtlich der Zusam
mensetzungsbereiche kann y gemäß dem Substrat innerhalb des Berei
ches ausgewählt werden, welcher Gitteranpassung ermöglicht. Der Fall
von y = 0 ist jedoch eliminiert, weil er keinen Al-Gehalt zur Folge hat und
es unmöglich macht, den DH-Bandaufbau zu bilden. Auf der anderen
Seite wird, wenn y = 1, dann der Mischkristall AlxGa1-xP, welcher ein
Halbleiter mit indirektem Übergang über den gesamten Zusammenset
zungsbereich ist. Es ist daher bedeutungslos, diesen Mischkristall als die
aktive Schicht einer LED mit hoher Helligkeit zu verwenden. Darüber
hinaus muß sein Gebrauch als das Deckmaterial durch den Zusatz von
In zu der aktiven Schicht begleitet sein, aber dies induziert die Gitterfehl
anpassung, auf die früher Bezug genommen wurde, und macht es un
möglich, eine in hohem Maße zuverlässige LED zu erhalten. Bezüglich y
wird daher der Zusammensetzungsbereich des Vierelementesystems
definiert als 0 < y < 1. Die Abwesenheit von Gitterfehlanpassung bei dem
DH-Abschnitt verbessert die Kristallinität und erhöht auf effektive Weise
die Emissionseffizienz der LED. Aus diesem Grund sollte y vorzugsweise
0,5 zum Beispiel in dem Fall betragen, daß ein GaAs (100) Substrat
verwendet wird.
Die (AlxGa1-x)yIn1-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 (AlxGa1-x)yIn1-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, oder AlInP und
AlGaInP. Die Bandlückenenergien der Deckschichten müssen größer als
jene der aktiven Schicht sein, weil, wenn sie es nicht sind, die Deck
schichten Absorber aufgrund von Interbandübergängen interner La
dungsträger werden. Um zu ermöglichen, daß die Deckschichten La
dungsträger 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 1 zeigt die Zusammensetzung
und Zusammensetzungsbereiche der aktiven Schicht und der Deck
schichten für unterschiedliche Zielemissionswellenlängen in dem Fall,
daß ein GaAs (100) Substrat verwendet wird.
In allen Fällen war y auf 0,5 eingestellt, um die Gitteranpassung zu dem
GaAs (100) Substrat zu optimieren.
Der Bereich von x wird basierend auf der Zielemissionswellenlänge ein
gestellt. Wenn x zunimmt, steigt jedoch auch die Bandlücke des Vierele
mentsystems an und das Vierelementsystem tritt in den Bereich mit
indirektem Übergang ein, wenn x einen bestimmten Wert überschreitet.
Ein Vierelementsystem einer derartigen Zusammensetzung kann nicht
verwendet werden, um eine LED mit hoher Luminanz zu erhalten. Bei
spielsweise ist, da y = 0,5 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 Misch
kristall Ga0,5In0,5P und die Emissionswellenlänge bei der Zusammenset
zung, bei welcher das Gitter dem GaAs (100) Substrat entspricht, beträgt
650 nm (Rot). In ähnlicher Weise beträgt die Emissionswellenlänge
550 nm (Grün), wenn x = 0,7. Dies ist der obere Grenzwert des Mi
schungsverhältnisses 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 Mischungsverhält
nis 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 Doppelheterostruktur werden
so bestimmt, um einen großen Ladungsträgereinschlußeffekt der
aktiven Schicht und einen großen Ladungsträgerrekombinationskoeffi
zienten in der aktiven Schicht (d. h., um so die Helligkeit der LED zu
erhöhen) zu erhalten. Aufgrund des Unterschieds der Bandlückenenergie
zwischen den Deckschichten und der aktiven Schicht wirken die Deck
schichten der DH-Struktur, um die Ladungsträger in der aktiven Schicht
einzusperren. Um Ladungsträger daran zu hindern, durch Tunneln
durchzuschlüpfen, wird daher die Dicke der Deckschichten üblicherwei
se auf 0,5 µm oder größer eingestellt. Auf der einen Seite ist eine dünne
aktive Schicht dadurch vorteilhaft, daß sie die Wahrscheinlichkeit der
Rekombination von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) erhöht,
die darein injiziert werden, ist aber dadurch nachteilig, daß ihr kleineres
Volumen die Anzahl von Ladungsträgern verringert, die vorliegen kön
nen. Auf der anderen Seite ist eine dicke aktive Schicht vorteilhaft da
durch, daß die Anzahl von Ladungsträgern, die darin vorliegen, hoch ist,
aber nachteilig dadurch, daß die Rekombinationwahrscheinlichkeit
niedrig ist. Der optimale Wert der Dicke der aktiven Schicht hängt daher
von der Bauelementstruktur 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 Gesichtspunkt der Erhöhung der
LED-Helligkeit, daß die Ladungsträger, die aus der oberen Elektrode
injiziert werden, sich über einen breiten Bereich der aktiven Schicht
verteilen, um so die Emissionsfläche auszudehnen und die Emissionsef
fizienz zu erhöhen. Da Vierelementsystemmaterialien, die in diesem
Wellenlängenbereich verwendbar sind, niedrige Trägermobilität aufwei
sen, ist AlGaAs oder dergleichen herkömmlicherweise als das Material für
die Stromdiffusionsschicht verwendet worden. Jedoch bezieht die Ver
wendung von AlGaAs oder dergleichen nicht nur das Risiko der Zerset
zung ein, das später zu erklären ist, sondern bezieht auch die Möglich
keit mit ein, daß die Zunahme der Heterogrenzfläche zu dem Auftreten
von Einkerbungen im Energieband der Grenzfläche führen kann, welche
ein Haupthindernis für Trägerinjektion werden (was einen Anstieg bezüg
lich der Ansteuerungsspannung verursacht). Dieses Problem tritt in
dieser Erfindung nicht auf, weil ein Stromdiffusionseffekt erhalten wird,
indem die Diffusionsschicht 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 oberen Deckschicht variiert.
Wie aus diesem Graph zu verstehen ist, steigt der Effekt des Erhöhens
der Dicke der Deckschicht graduell mit zunehmender Deckschichtdicke.
Um eine LED mit einer Helligkeit zu erhalten, die dem Strom kommerziell
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 Emissionswel
lenlänge erforderlich ist, um das zu erreichen, was als eine "helle" LED
betrachtet werden kann, eine Dicke von nicht weniger als 5 µm bevor
zugt, obwohl es verstanden werden sollte, daß dieses Intensitätsverhält
nis auf einem Vergleich zwischen einer existierenden AlGaAs LED hoher
Luminanz und einer GaP-LED der gleichen Wellenlänge beruht. Wenn
die Dicke der oberen Deckschicht 50 µm überschreitet, fällt die Helligkeit
unter jene der LEDs nach dem Stand der Technik, wahrscheinlich wegen
ansteigender Absorption, die durch Gitterdefekte in dem Kristall der
oberen Deckschicht verursacht werden. Darüber hinaus beträgt, wegen
der früher diskutierten Aspekte der maximalen Helligkeit basierend auf
einem Vergleich mit LEDs nach dem Stand der Technik und der Produk
tionskosten der obere Grenzwert der Dicke der oberen Deckschicht
vorzugsweise um 10 µm.
Der zweite Grund bezieht sich darauf, die Bauelementzersetzung bzw.
-verschlechterung zu verringern. Von der Natur her weist AlGaAs eine
kleinere Bandlückenenergie als ein Vierelementsystem auf und das
Al-Mischungsverhältnis des Mischkristalls muß erhöht werden, um ihn
für Licht transparent zu machen, welches von der aktiven Schicht emit
tiert wird. Der hohe Al-Gehalt begünstigt die Zersetzung in Umgebungen
hoher Temperatur und hoher Feuchte. In diesem Zusammenhang wur
den Zuverlässigkeitstests an einer LED nach dem Stand der Technik 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 Emissionsintensität 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 Vierelementmischkristall 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
(entsprechend einer Emissionswellenlänge von 574 nm), selbst wenn
die Bandlücke des AlAs zu dem Grenzwert erhöht wird, was die Verwen
dung als eine Stromdiffusionsschicht mit der gleichen Technologie un
möglich macht. Gemäß dem technischen Konzept der dicken Deckstruk
tur 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 Deckschicht als
eine Funktion der Dicke zu variieren. Wie früher erklärt, ist eine große
Bandlückenenergie der Deckschicht zum Erhöhen des Trägereinschluß
effektes in der aktiven Schicht bevorzugt. Wenn die Bandlücken
energie 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 Deckschicht mit
einem Bandgradienten vorgesehen wurde, ist jener, effizient Injektion von
Ladungsträgern in die obere Deckschicht aus der Kontaktschicht dar
über zu ermöglichen. Vom Punkt der Einfachheit der ohmschen Elektro
denbildung, wird üblicherweise ein Material mit einer kleinen Bandlüc
kenenergie (GaAs oder dergleichen) für die Kontaktschicht verwendet.
Da dies eine große Bandlückenenergiedifferenz zwischen der Kontakt
schicht und der oberen Deckschicht zur Folge hat, wird die Strominjekti
onseffizienz verschlechtert. Wie durch Kurve b in Fig. 5 angedeutet, kann
die Bandlückenenergiedifferenz bei der Kontaktschichtgrenzfläche jedoch
bei einem niedrigen Niveau gehalten werden, indem die Bandlückenener
gie der oberen Deckschicht in der Richtung der Kontaktschicht innerhalb
des Bereiches graduell verringert wird, worin Absorption bei der Emissi
onswellenlänge aus der aktiven Schicht nicht auftritt. Während die
Stromdiffusionsschicht des AlGaAs nach dem Stand der Technik diesen
Effekt möglicherweise auch erzeugt, ist die Deckschicht mit den Zusam
mensetzungsgradienten der Erfindung vom Gesichtspunkt der Bauele
mentzuverlässigkeit und der Größe des gebildeten Energieschrittes über
legen.
Der zweite Effekt ist, dass der Kontakt auf der Oberfläche von der licht
emittierenden Schicht aus durch die Brechung der Strahlen größer
erscheint. Somit wird also insgesamt ein Konus mit größerem Öffnungs
winkel aus der Lichtemission von einem Punkt aus abgeschattet, was zu
einer Erniedrigung des emittierten Lichtanteils führt. Dies ist aber nur
ein Effekt. Ein weiterer ergibt sich durch den maximalen Winkel für die
Totalreflexion. Es kann prinzipiell nur Licht in einem bestimmten Win
kelbereich auf Grund des Grenzwinkels für die Totalreflexion ausgekop
pelt werden. Dieser Winkelbereich ist bei einer Veränderung des Bre
chungsindex über die obere Deckschicht an der Stelle der Lichtquelle
gesehen derselbe wie wenn der Brechungsindex auf dem Wert an der
Quelle verbleibt. Was sich ändert, ist lediglich der Punkt an der Oberflä
che der oberen Deckschicht, an dem das Licht durch diese hindurchtritt.
Dort sitzt aber der Kontakt. Nimmt man diesen begrenzten Kegel, so wird
bei unter dem Kontakt sitzenden Quellen ein größerer Teil abgeschattet
(der Kontakt erscheint größer), während bei nicht unter dem Kontakt
sitzenden Quellen ein kleinerer Teil des Licht in diesem Kegel abgeschat
tet wird. Im eindimensionalen Fall hebt sich dieser Effekt genau auf. Im
zweidimensionalen Fall, welcher in der Realität gegeben ist, führt dieser
Effekt aber insgesamt zu einer Verringerung der Abschattung und damit
zu einer Erhöhung der Lichtemission. Entscheidend für die Erklärung ist
demnach, dass Licht nur in einem Kegel, welcher durch die Totalreflexi
on bestimmt wird, überhaupt an die Umgebung abgegeben werden kann.
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 Bauelementober
fläche erhöht wird. Die Erfindung ist diesem jedoch überlegen, da das
Verfahren nach dem Stand der Technik in großem Maß die Herstellungs
kosten erhöht. Selbst wenn dieser Effekt erhalten wird, verursacht eine
Abnahme bezüglich der Bandlückenenergie der Deckschicht noch eine
Abnahme bezüglich des Ladungsträgereinschlußeffektes. Wie früher
erklärt, ist es, um die Abnahme des Ladungsträgereinschlußeffektes
zu verhindern, bevorzugt, daß ein Teil mit einer Bandlückenenergie von
zumindest 0,1 eV größer als jene der aktiven Schicht bei zumindest 0,5 µm
von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht vorliegt, nämlich vom
Boden der oberen Deckschicht. Ein Vierelementmischkristall mit einem
derartigen Bandlückenenergiegradienten kann gebildet werden, indem
der Wert von x von der Unterseite zu der Oberseite der oberen Deck
schicht variiert wird. Dies kann ohne weiteres erreicht werden, indem
zum Beispiel das metallorganische chemische Dampfphasendepositions
(MOCVD-)Verfahren verwendet wird.
Obwohl die Ladungsträgerkonzentration, 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 Ladungsträgerkonzentrati
on der Doppelheterostrukturschichten als eine Funktion der Tiefe zu
variieren. Die Erfindung spezifiziert den Leitfähigkeitstypus oder die
Ladungsträgerkonzentration der aktiven Schicht nicht auf besondere
Weise. Wenn die Ladungsträgerkonzentration der Deckabschnitte mit
zunehmender Nähe zu der aktiven Schicht verringert wird, können je
doch die folgenden Effekte erhalten werden.
Zuerst nimmt bei diesem Typus von Ladungsträgerkonzentrationsprofil
der Widerstand in der Umgebung der aktiven Schicht zu. Insbesondere
erhöht das Annehmen dieses Typus von Profil in der oberen Deckschicht
den Bereich der Ladungsträgerinjektion von der oberen Elektrode zu der
aktiven Schicht, was den gleichen Effekt der Erhöhung der Emissionsef
fizienz der LED hat. Zweitens verhindert dieser Typus von Ladungsträ
gerkonzentrationsprofil 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 weiteres durch
Wärme diffundiert. Es ist bekannt, daß Überschußzinkatome die Kristal
linität eines Verbindungshalbleiters der Gruppe III-V verschlechtern. Ein
Trägerprofil, das die Zinkkonzentration in der Umgebung der Grenzfläche
der aktiven Schicht erniedrigt, wo gute Kristallinität erforderlich ist, ist in
hohem Maße effektiv zur Verstärkung der Emissionseffizienz. Es ist
daher effektiv, die Ladungsträgerkonzentration von sowohl den oberen
als auch unteren Deckschichten zu variieren.
Zusätzlich wird ein synergistischer Effekt erhalten, wenn sowohl der
Bandlückenenergiegradient als auch der Ladungsträgerkonzentrations
gradient angenommen werden. Obwohl Zusatz von Verunreinigung zu
dem Vierelementmischkristall zunehmend schwierig wird, wenn der x
Wert des Al-Mischungsverhältnisses zunimmt, insbesondere in dem Fall
des Verunreinigungszusatzes vom p-Typus, wenn die Bandlückenenergie
durch das vorhergehende Verfahren verringert wird, d. h., wenn das
Al-Mischungsverhältnis x verringert wird, kann das Maß der p-Typus
Verunreinigungsdotierung erhöht werden, um einen Ladungsträgerkonzentrationsgradienten
sicherzustellen. Als eine Folge können die Effekte
von sowohl dem Bandlückenenergiegradienten als auch dem Ladungs
trägerkonzentrationsgradienten erhalten werden.
Da exzellente Ausbreitung des aus einer Elektrode injizierten 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 Pufferschicht und der Doppelhetero
struktur vorzusehen. Die reflektierende Schicht wird gebildet, indem
alternierend epitaxiale Wachstumsschichten mit unterschiedlichen
Brechungsindizes überlagert werden. Die Anforderungen zum Erhalten
einer reflektierenden 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 Zielemissions
wellenlänge gleich gebildet (Schichtdichte von lambda/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 Zielemissionswellenlänge 620 nm beträgt, eine Reflektivität von
nicht weniger als 90% in dem Bereich 600-640 nm 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 Berei
chen von 0-0,5 und 0,5-1 kombiniert werden.
Eine Zwischenschicht ist zwischen der unteren reflektierenden Schicht
und der unteren Deckschicht zum Verringern von Gitterkonstantenfehl
anpassung zwischen der unteren reflektierenden Schicht und der unte
ren Deckschicht vorgesehen. Die Zusammensetzung der intermediären
Schicht variiert graduell zwischen einer nahe jener der unteren Deck
schicht bei dem oberen Teil und einer nahe jener der unteren reflektie
renden 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 angeordnet ist, vorgesehen wird, das heißt
entgegengesetzt der Substratseite. In diesem Fall wird die obere reflektie
rende Schicht ähnlich zu der unteren reflektierenden Schicht interpre
tiert.
Die Kontaktschicht, welche zwischen der oberen Deckschicht und der
oberen Metallelektrode hergestellt ist, wird ausgewählt, um guten ohm
schen Kontakt zu der Metallelektrode darüber 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 entgegen
gesetzt zu jenem des Substrates verwendet. Zwecks Einfachheit bei der
Bildung der oberen Elektrode und der ohmschen Elektrode wird die
Ladungsträgerkonzentration der Kontaktschicht relativ hoch eingestellt
bei (0,5-5) × 1018 cm-3 oder höher für eine Schicht des n-Typus.
Typischerweise wird eine Metallelektrode des n-Typus aus Au/Au-Ge
gebildet.
Der Widerstandswert gegen Trägerinjektion kann 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
werden, indem zwischen das GaAs Substrat und die untere Deckschicht
eine Schicht mit gradierter Zusammensetzung eingeschoben wird, deren
Zusammensetzung kontinuierlich zwischen jener des Substrates und
jener der unteren Deckschicht gradiert bzw. verändert wird. Wenn das
Substrat GaAs des p-Typus ist, und die untere Deckschicht (Alx
Ga1-x)yIn1-yP, in welchem x = 0,7 und y = 0,5, wird die gradierte Zusam
mensetzungsschicht, die aus AlaGabIn1-a-bAs1-pPp besteht, zwischen der
Grenzfläche mit dem GaAs-Substrat und der Grenzfläche mit der unteren
Deckschicht gradiert, indem die Al-Komponente a zwischen 0 und 0,35
variiert wird, die Ga-Komponente b zwischen 1 und 0,35, die
In-Komponente (1 - a - b) zwischen 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 Substrat und der reflektie
renden Schicht und zwischen der reflektierenden Schicht und der unte
ren Deckschicht einzuschieben.
Während die Erfindung das Verfahren zur Herstellung des vorerwähnten
Vielschichthalbleiters nicht besonders spezifiziert, umfassen praktische
Verfahren MOCVD, Gasquellenmolekularstrahlepitaxie und dergleichen.
Möglicherweise ist der pragmatischste Weg zur Herstellung der LED,
MOCVD zu verwenden. Die Materialien, die in diesem Verfahren verwen
det werden, umfassen verschiedene Alkylmetalle auf Ethyl- und Methyl
basis (Al, Ga, In, Zn, Mg usw.) und Hydride von Gruppe-V-Elementen
(Arsin, Phosphin und Wasserstoffselenid, Silan, Disilan, Schwefelwasser
stoff usw. oder organische Gruppe-V-Verbindungen (TBAs, TBP usw.)
Indem die Fensterschicht und die Stromdiffusionsschicht der LED des
Standes der Technik gegen eine (AlxGa1-x)yIn1-yP-Doppelheterostruktur
mit einer dicken oberen Deckschicht ersetzt werden und die Eigenschaf
ten davon innerhalb spezifizierter Bereiche begrenzt werden, verbessert
diese Erfindung die Stromdiffusion und begünstigt das Wachstum von
Kristallen guter Qualität, indem die epitaxiale Wachstumsgrenzfläche
verringert wird, wodurch verbesserte Emissionseffizienz erreicht wird.
Spezifische Beispiele der Erfindung werden nun zusammen mit Ver
gleichsbeispielen des Standes der Technik beschrieben.
Eine LED mit einer DH-Struktur wurde hergestellt, um eine
(Al0,2Ga0,8)0,5In0,5P-Emissionsschicht auf einem GaAs-Substrat aufzuwei
sen. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 4 gezeigt. Das Substrat 1 war
ein GaAs-Einkristall des n-Typus, der mit Si dotiert war. Seine La
dungsträgerkonzentration betrug 2,0 × 1018 cm-3. Die Flächenorientie
rung wurde 4 Grad geneigt von (100) eingestellt. Eine epitaxiale Schicht
wurde auf dem Substrat unter Verwendung von MOCVD wachsengelas
sen. MTAl, TMGa, TMIn, DEZn und Arsin, Phosphin und Selenhydrid
wurden als Quellgase verwendet. Die Zusammensetzung der gewachse
nen Kristalle wurde variiert, indem das Gasmischungsverhältnis variiert
wurde. Zuerst wurde eine GaAs Pufferschicht 2 auf dem Substrat 1
wachsengelassen. Die Ladungsträgerkonzentration der Pufferschicht 2
wurde auf 1 × 1018 cm-3 durch Se-Dotierung eingestellt und ihre Dicke
betrug 0,5 µm.
Ein (AlxGa1-x)yIn1-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
(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P des n-Typus, das erhalten wurde, indem die Mi
schungsverhältnisse auf x = 0,7, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine La
dungsträgerkonzentration betrug 1 × 1018 cm-3 und seine Dicke betrug 1 µm.
Die aktive Schicht 6 war undotiertes (Al0,17Ga0,83)0,5In0,5P, das erhal
ten wurde, indem die Mischungsverhältnisse als x = 0,17, y = 0,5 einge
stellt wurden. Seine Ladungsträgerkonzentration betrug 5 × 1015 cm-3
und seine Dicke betrug 0,5 µm. Die obere Deckschicht 7 war
Zn-dotiertes (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P des p-Typus, das erhalten wurde, indem
die Mischungsverhältnisse als x = 0,7, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine
Ladungsträgerkonzentration betrug 1 × 1017 cm-3 und seine Dicke betrug
6 µm. Als eine Folge betrugen die Bandlückenenergie der Doppelhetero
struktursektion 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 Bandlückenener
gieprofil der oberen Deckschicht im wesentlichen konstant. Wie durch
Kurve a in Fig. 6 gezeigt, war die Ladungsträgerkonzentration 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 Ladungsträgerkonzentration betrug 1 × 1018 cm-3. (Au-Be)/Au wurde
vakuumverdampft auf die Kontaktschicht 9, um eine ohmsche Elektrode
10 zu bilden, und (Au-Ge)/Au wurde auf der entgegengesetzten Oberflä
che des Substrates verdampft, um eine ohmsche Elektrode 11 zu bilden,
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 Wellenlänge von 620 nm und
einem Strom von 20 mA erzeugte, was eine große Verbesserung bezüg
lich 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.
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 Band
lückenenergie 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 Umgebung der Grenzfläche zu
der aktiven Schicht 6, ein Mischungsverhältnis von x = 0,7, y = 0,5, eine
Ladungsträgerkonzentration von 1 × 1017 cm-3 und eine Bandlücken
energie 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 Ladungsträgerkonzentration von 1 × 1017 cm-3 und eine
Bandlückenenergie von 2,25 eV, und in der Umgebung der Grenzfläche
der Kontaktschicht 9 hatte sie Mischungsverhältnisse von x = 0,3, y =
0,5, eine Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1017 cm-3 und eine Band
lückenenergie von 2,1 eV.
Wie durch Kurve b in Fig. 5 gezeigt, begann daher das Bandlückenener
gieprofil der oberen Deckschicht 7 der Doppelheterostruktur des Bei
spiels 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 Ladungsträ
gerkonzentration 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 Verbesserung bezüglich der Hellig
keit gegenüber den 7 w. E., die mit einer LED nach dem Stand der Tech
nik mit einer 1 µm dicken oberen Deckschicht erhalten wurden.
Der Gesamtaufbau der Schichten in diesem Beispiel war ebenfalls wie in
Fig. 4 gezeigt. Jedoch wurde, während die Ladungsträgerkonzentration
über die Dicke der oberen Deckschicht 7 hindurch in Beispiel 1 im we
sentlichen konstant gehalten wurde, sie in diesem Beispiel in der Rich
tung der Dicke der oberen Deckschicht 7 erhöht. In der Umgebung ihrer
Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 hatte die obere Deckschicht 7 ein
Mischungsverhältnis von x = 0,7, y = 0,5, eine Ladungsträgerkonzentra
tion von 7 × 1016 cm-3 und eine Bandlückenenergie von 2,29 eV. In der
Umgebung ihrer Grenzfläche zu der Kontaktschicht 9 hatte die obere
Deckschicht 7 ein Mischungsverhältnis von x = 0,7, y = 0,5, eine La
dungsträgerkonzentration 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
Ladungsträgerkonzentrationsprofil der oberen Deckschicht 7 von Beispiel
3 wie durch Kurve b in Fig. 6 gezeigt. Das Ladungsträgerkonzentrations
profil der oberen Deckschicht stieg nämlich graduell von der Umgebung
ihrer Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 an. Eine Evaluierung der
Charakteristiken der LED zeigt, daß sie einen Lichtausgang von 24 w. E.
bei einer Wellenlänge von 620 nm und einem Strom von 20 mA erzeugte.
In der LED gemäß diesem Beispiel war eine untere reflektierende Schicht
3 zwischen die Pufferschicht 2 und die untere Deckschicht 5 zwischen
geschoben. 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 Al0,4Ga0,6As
dotiert mit Se und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al0,95Ga0,6As dotiert
mit Se bestand. Die Durchschnittsladungsträgerkonzentration der zwei
Typen von Schichten betrug 1,5 × 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 wesentlichen gleich in der
oberen Deckschicht 7. Das Ladungsträgerkonzentrationsprofil der Dop
pelheterostruktur war wie durch Kurve a in Fig. 6 gezeigt. Das Ladungs
trägerkonzentrationsprofil der oberen Deckschicht war nämlich im we
sentlichen 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.
In der LED dieses Beispiels wurde eine obere reflektierende Schicht 8
zwischen der oberen Deckschicht 7 und der Kontaktschicht 9 von Bei
spiel 4 vorgesehen. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 1 gezeigt. Die
obere reflektierende Schicht 8 wurde gebildet, indem sieben Schichtpaa
re, von denen jedes aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al0,4Ga0,6As
dotiert mit Zn und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al0,95Ga0,05As do
tiert mit Zn bestand, laminiert wurde. Die Durchschnittsladungsträger
konzentration 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 wesentlichen die gleiche in
der oberen Deckschicht 7. Das Ladungsträgerkonzentrationsprofil der
Doppelheterostruktur war wie durch Kurve a in Fig. 6 gezeigt. Insbeson
dere war das Ladungsträgerkonzentrationsprofil 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.
Im Beispiel 4 wurde die Zusammensetzung und Ladungsträgerkonzent
ration 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 Ladungsträgerkonzentration in der
Richtung der Dicke erhöht. Spezifischer hatte in der Umgebung der
Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 die obere Deckschicht 7 Mi
schungsverhältnisse von x = 0,7, y = 0,5, eine Ladungsträgerkonzentrati
on 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 Ladungsträgerkon
zentration von 9 × 1016 cm-3 und eine Bandlückenenergie von 2,25 eV. In
der Umgebung der Grenzfläche zu der Kontaktschicht 9 hatte sie Mi
schungsverhältnisse von x = 0,3, y = 0,5, eine Ladungsträgerkonzentrati
on von 1 × 1018 cm-3 und eine Bandlückenenergie von 2,1 eV.
Wie durch Kurve b in Fig. 5 gezeigt, begann daher das Bandlückenener
gieprofil der oberen Deckschicht der Doppelheterostruktur 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 Ladungsträgerkon
zentration der oberen Deckschicht 7 graduell mit zunehmendem Abstand
von der Grenzfläche zu der aktiven Schicht zu. Zusätzlich wurde die
reflektierende Schicht 3 gebildet, indem 25 Schichtpaare laminiert wur
den, jedes bestehend aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al0,4Ga0,6As
dotiert mit Se und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al0,95Ga0,05As do
tiert mit Se. Die Durchschnittsladungsträgerkonzentration der zwei
Typen von Schichten betrug 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.
Wie in Beispiel 5 wurden in der LED dieses Beispiels eine obere reflektie
rende Schicht 8 und eine untere reflektierende 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 wurden, jedes bestehend aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus
Al0,4Ga0,6As dotiert mit Zn und einer 49,3 nm dicken Schicht aus
Al0,95Ga0,05As dotiert mit Zn. Die Durchschnittsladungsträgerkonzentra
tion der zwei Typen von Schichten betrug 1 × 1018 cm-3. Unter anderen
Aspekten war Beispiel 7 gleich zu Beispiel 6.
Wie durch Kurve b in Fig. 5 gezeigt, begann das Bandlückenenergieprofil
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 Ladungsträgerkonzentration der
oberen Deckschicht 7 graduell mit zunehmendem Abstand von der
Grenzfläche zu der aktiven Schicht 6 zu.
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.
In diesem Beispiel wurde die aktive Schicht 6 aus GaInP anstelle 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 Ga0,05In0,5P, das erhalten wurde, indem
Mischungsverhältnisse von x = 0, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine La
dungsträgerkonzentration betrug 1 × 1015 cm-3 und seine Dicke betrug
0,5 µm. Als eine Folge betrugen die Bandlückenenergien des Doppelhete
rostrukturabschnittes 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 Deck
schicht 7. Unter anderen Aspekten war Beispiel 8 das gleiche wie Bei
spiel 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 Aktivschicht und einer 1 µm dicken oberen
Deckschicht darstellt.
In diesem Beispiel wurde die untere Deckschicht 5 und die obere Deck
schicht 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-dotiertes Al0,5In0,5P des n-Typus, das erhalten wurde, indem die
Mischungsverhältnisse eingestellt wurden als x = 1, y = 0,5. Ihre La
dungsträgerkonzentration betrug 1 × 1018 cm-3 und ihre Dicke betrug 1 µm.
Die aktive Schicht 6 war undotiertes (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P, das erhalten
wurde, indem die Mischungsverhältnisse als x = 0,7, y = 0,5 eingestellt
wurden. Seine Ladungsträgerkonzentration betrug 1 × 1015 cm-3 und
seine Dicke betrug 0,5 µm. Die obere Deckschicht 7 war Zn-dotiertes
Al0,5In0,5P des p-Typus, das erhalten wurde, indem die Mischungsver
hältnisse eingestellt wurden als x = 1, y = 0,5. Ihre Ladungsträgerkon
zentration betrug 5 × 1016 cm-3 und ihre Dicke betrug 6 µm.
Als eine Folge betrugen in der Doppelheterostruktursektion die Bandlüc
kenenergien Eg = 2,35 eV bei der unteren Deckschicht 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.
In diesem Beispiel war das Substrat 1 (siehe Fig. 4) ein GaAs Einkristall des p-Typus,
der mit Zn dotiert war. Seine Ladungsträgerkonzentration betrug 5,0 ×
1018 cm-3. Die Flächenausrichtung war 4 Grad geneigt zu (100) einge
stellt.
Eine GaAs Pufferschicht 2 und eine Doppelheterostruktur wurden auf
dem Substrat 1 unter Verwendung von MOCVD wachsengelassen. Die
Ladungsträgerkonzentration der Pufferschicht 2 wurde eingestellt auf 1 ×
1018 cm-3 durch Se-Dotierung. Ihre Dicke betrug 0,5 µm. Die untere
Deckschicht 5 der Doppelheterostruktur war Zn-dotiertes
(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P des p-Typus, das erhalten wurde, indem Mischungs
verhältnisse von x = 0,7, y = 0,5 eingestellt wurden. Seine Ladungsträ
gerkonzentration betrug 1 × 1017 cm-3 und seine Dicke betrug 1 µm. Die
aktive Schicht 6 war undotiertes (Al0,25Ga0,75)0,5In0,5P, das erhalten wur
de, indem die Mischungsverhältnisse eingestellt wurden als x = 0,25, y =
0,5. Ihre Ladungsträgerkonzentration betrug 5 × 1015 cm-3 und ihre
Dicke betrug 0,5 µm. Die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht 7
war gradiert. Spezifischer hatte in der Umgebung der Grenzfläche zu der
aktiven Schicht 6 die obere Deckschicht 7 Mischungsverhältnisse von x =
0,7, y = 0,5, eine Ladungsträgerkonzentration 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 Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1017 cm-3
und eine Bandlückenenergie von 2,28 eV, und in der Umgebung der
Grenzfläche mit der Kontaktschicht 9 bei einem Abstand von 6 µm von
der Grenzfläche mit der aktiven Schicht 6 hatte sie Mischungsverhältnis
se von x = 0,3, y = 0,5, eine Ladungsträgerkonzentration von 1 × 1018 cm-3
und eine Bandlückenenergie von 2,1 eV.
Eine GaAs Kontaktschicht 9 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 Ladungsträgerkonzentration betrug 1 × 1018 cm-3.
(Au-Ge)/Au wurde auf die Kontaktschicht 9 vakuumverdampft, um eine
ohmsche Elektrode 10 zu bilden, und (Au-Be)/Au wurde auf die Unter
seite des Substrates verdampft, um eine ohmsche Elektrode 11 zu bil
den, 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 Verbesserung bezüglich der Hellig
keit gegenüber den 7 w. E., die von einer LED nach dem Stand der Tech
nik mit einer 1 µm dicken oberen Deckschicht aufgewiesen wurden.
In der LED gemäß diesem Beispiel wurde eine reflektierende Schicht 3
zwischen die Pufferschicht 2 und die untere Deckschicht 5 der LED von
Beispiel 10 zwischengeschoben. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 8
gezeigt. Die reflektierende Schicht 3 wurde gebildet, indem 12 Schicht
paare, wovon jedes aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al0,4Ga0,6As
dotiert mit Zn und einer 49,3 nm dicken Schicht aus Al0,95Ga0,05As do
tiert mit Zn besteht, laminiert wurden. Die Durchschnittsladungsträger
konzentration der zwei Arten von Schichten betrug 1,5 × 1018 cm-3.
Dieses Beispiel war weiter mit einer Zwischenschicht 4 zwischen der
unteren reflektierenden Schicht 3 und der unteren Deckschicht 5 vorge
sehen. Da die oberste Schicht der unteren reflektierenden Schicht 3 eine
Al0,4Ga0,6As Schicht 3a war, und die untere Deckschicht 5
(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P war, war die AlaGabIn1-a-bAs1-pPp 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-Mischungs
verhältnis 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 Durchschnittsla
dungsträgerkonzentration betrug 1,5 × 1018 cm-3. Unter anderen Aspek
ten 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 Helligkeit in der Größenord
nung von jener von Beispiel 10 erhalten. Während die angelegte Span
nung, 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.
In der LED dieses Beispiels wurde eine obere reflektierende Schicht 8
zwischen der oberen Deckschicht 7 und der Kontaktschicht 9 von Bei
spiel 11 vorgesehen. Die Schnittstruktur der LED ist in Fig. 9 gezeigt. Die
obere reflektierende Schicht 8 wurde gebildet, indem 7 Schichtpaare,
jedes bestehend aus einer 41,9 nm dicken Schicht aus Al0,4Ga0,6As do
tiert mit Se und einer 49,3 nm dicken Schicht bestehend aus
Al0,95Ga0,05As dotiert mit Se laminiert wurden. Die Durchschnittsla
dungsträgerkonzentration 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 Bandlückenenergieprofil
der oberen Deckschicht 7 der Doppelheterostruktur dieses Beispiels das
gleiche wie jene in Beispiel 11. Nämlich begann es von ungefähr 0,3 eV
höher als jenes der aktiven Schicht 6 und nahm in der Richtung der
Dicke der oberen Deckschicht graduell ab. Darüber hinaus war, wie
durch Kurve b in Fig. 11 gezeigt, die Ladungsträgerkonzentration der
oberen Deckschicht 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.
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 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.
Da die Erfindung eine LED vorsieht, die hohe Helligkeit über einen brei
ten Bereich aufweist, der sich von Rot nach Grün erstreckt, kann von ihr
erwartet werden, einen Hauptbeitrag zu der Verwendung von LEDs in
Freiluftanwendungen zu ergeben. 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 Ver
kehrszeichen, Markierer und dergleichen angewendet zu werden.
Zusammenfassend umfaßt also eine Licht emittierende Halbeleiterdiode
ein Verbindungshalbleitersubstrat und eine Doppelheterostruktur aus
(AlxGa1-x)yIn1-yP (0 ≦ x ≦ 1, 0 < y < 1) als eine aktive Schicht, und eine
obere Deckschicht der Doppelheterostruktur weist eine größere Bandlüc
kenenergie (Eg) als die Bandlückenenergie der aktiven Schicht und eine
Dicke von 3-50 µm auf.
Claims (7)
1. Licht emittierende Halbleiterdiode, mit der folgenden Kombination
von Merkmalen:
ein GaAs-Substrat (1) vom p-Typ, mit einer ohmschen Elek trode (11) an seiner Rückseite;
eine GaAs-Pufferschicht (2) vom p-Typ, die auf der entgegen gesetzten Fläche des Substrats ausgebildet ist;
eine reflektierende Schicht (3), die auf der Pufferschicht gebil det ist, wobei diese reflektierende Schicht aus mehreren AlGaAs- Schichten vom p-Typ zweier Arten mit unterschiedlichen Al-Antei len, die wechselweise abgelagert sind, gebildet ist;
eine untere Deckschicht (5) aus AlGaInP vom p-Typ, die an der reflektierenden Schicht (3) ausgebildet ist;
eine aktive Schicht (6) aus (AlxGa1-x)yIn1-yP mit 0 ≦ x ≦ 1 und 0 < y < 1, die an der unteren Deckschicht (5) ausgebildet ist und ei ne kleinere Bandlückenenergie aufweist als die untere Deckschicht (5);
eine obere Deckschicht (7) aus AlGaInP vom n-Typ, die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist, eine Dicke von 3 bis 50 µm aufweist und eine größere Bandlückenenergie als die aktive Schicht hat; und
eine Kontaktschicht (9) aus GaAs vom n-Typ, die auf der obe ren Deckschicht (7) ausgebildet ist und auf ihrer der oberen Deck schicht abgewandten Oberfläche mit einer ohmschen Elektrode (10) versehen ist,
wobei die obere Deckschicht (7) eine Ladungsträgerkonzentra tion aufweist, die durch Erhöhung der Verunreinigungskonzentration in Richtung von der aktiven Schicht (6) zur Kontaktschicht (9) gehend ansteigt und
wobei die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht (7) in Richtung von der aktiven Schicht (6) zur Kontaktschicht (9) gehend kontinuierlich abnimmt.
ein GaAs-Substrat (1) vom p-Typ, mit einer ohmschen Elek trode (11) an seiner Rückseite;
eine GaAs-Pufferschicht (2) vom p-Typ, die auf der entgegen gesetzten Fläche des Substrats ausgebildet ist;
eine reflektierende Schicht (3), die auf der Pufferschicht gebil det ist, wobei diese reflektierende Schicht aus mehreren AlGaAs- Schichten vom p-Typ zweier Arten mit unterschiedlichen Al-Antei len, die wechselweise abgelagert sind, gebildet ist;
eine untere Deckschicht (5) aus AlGaInP vom p-Typ, die an der reflektierenden Schicht (3) ausgebildet ist;
eine aktive Schicht (6) aus (AlxGa1-x)yIn1-yP mit 0 ≦ x ≦ 1 und 0 < y < 1, die an der unteren Deckschicht (5) ausgebildet ist und ei ne kleinere Bandlückenenergie aufweist als die untere Deckschicht (5);
eine obere Deckschicht (7) aus AlGaInP vom n-Typ, die auf der aktiven Schicht ausgebildet ist, eine Dicke von 3 bis 50 µm aufweist und eine größere Bandlückenenergie als die aktive Schicht hat; und
eine Kontaktschicht (9) aus GaAs vom n-Typ, die auf der obe ren Deckschicht (7) ausgebildet ist und auf ihrer der oberen Deck schicht abgewandten Oberfläche mit einer ohmschen Elektrode (10) versehen ist,
wobei die obere Deckschicht (7) eine Ladungsträgerkonzentra tion aufweist, die durch Erhöhung der Verunreinigungskonzentration in Richtung von der aktiven Schicht (6) zur Kontaktschicht (9) gehend ansteigt und
wobei die Bandlückenenergie der oberen Deckschicht (7) in Richtung von der aktiven Schicht (6) zur Kontaktschicht (9) gehend kontinuierlich abnimmt.
2. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass die obere Deckschicht (7) eine Dicke von 5 µm
bis 10 µm aufweist.
3. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ladungsträgerkonzentration der oberen
Deckschicht (7) an ihrer Grenzfläche zur aktiven Schicht (6) (1-10)
× 1016 cm-3 und an der der aktiven Schicht gegenüberliegenden Sei
te (1-10) × 1017 cm-3 beträgt.
4. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorherigen An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht
(3) mit Zn dotiert ist.
5. Licht emittierende Halbleiterdiode nach einem der vorherigen An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oberen Deck
schicht (7) und der Kontaktschicht (9) eine obere reflektierende
Schicht (8) vorgesehen ist.
6. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, dass die obere reflektierende Schicht (8) aus mehre
ren AlGaAs-Schichten vom n-Typ zweier Arten mit unterschiedlichen
Al-Anteilen, die wechselweise abgelagert sind, gebildet ist.
7. Licht emittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, dass die obere reflektierende Schicht (8) mit Se dotiert
ist.
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