DE19754042A1 - Epitaxialwafer für lichtemittierende Diode aus AlGaInP und lichtemittierende Diode - Google Patents

Epitaxialwafer für lichtemittierende Diode aus AlGaInP und lichtemittierende Diode

Info

Publication number
DE19754042A1
DE19754042A1 DE19754042A DE19754042A DE19754042A1 DE 19754042 A1 DE19754042 A1 DE 19754042A1 DE 19754042 A DE19754042 A DE 19754042A DE 19754042 A DE19754042 A DE 19754042A DE 19754042 A1 DE19754042 A1 DE 19754042A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
light
layer
emitting
current spreading
algainp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE19754042A
Other languages
English (en)
Inventor
Shigetaka Murasato
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Resonac Holdings Corp
Original Assignee
Showa Denko KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Showa Denko KK filed Critical Showa Denko KK
Publication of DE19754042A1 publication Critical patent/DE19754042A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/10—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen lichtemittierenden Verbindungs­ halbleiter mit hoher Helligkeit, und insbesondere auf einen Epitaxialwafer für eine lichtemittierende Diode mit einer Doppelheterostruktur, die eine aktive Schicht aus AlGaInP aufweist, sowie auf eine lichtemittierende Di­ ode, die von dem Epitaxialwafer Verwendung macht.
Lichtemittierende Dioden (LEDs), die auf einem Verbindungshalbleiter- Substrat gebildete, epitaktisch gewachsene Schichten verwenden, zeich­ nen sich durch geringen Leistungsverbrauch, lange Lebensdauer, hohe Emissionseffizienz und hohe Verläßlichkeit aus, und sie finden weite Ver­ wendung als Lichtquelle in verschiedenen Anzeigegeräten. AlGaInP ist ein Halbleiterkristall von der Art des direkten Übergangs, der abgesehen von Stickstoffverbindungen innerhalb der Gruppe-III-V-Mischkristalle die höchste Bandlückenenergie besitzt. Da LEDs, die AlGaInP verwenden, Licht bei einer kürzeren Wellenlänge emittieren können als herkömmliche LEDs auf AlGaAs-Basis, die durch Flüssigphasen-Epitaxie (liquid phase epitaxy, LPE) hergestellt sind, wird es in zunehmendem Maße für Anwen­ dungen von lichtemittierenden Elementen mit hoher Helligkeit verwendet. Insbesondere hat sich das Interesse in letzter Zeit auf LEDs konzentriert, die ein GaAs-Substrat aufweisen und eine Doppelheterostruktur (DH) mit einer aktiven Schicht aus AlGaInP, die mit dem Substrat gitterangepaßt ist, da derartige LEDs grünes bis rotes Licht mit einer hohen Helligkeit emittieren können. Aufgrund der Tatsache, daß derartige AlGaInP- Mischkristall-LEDs weniger Al in ihrer Zusammensetzung aufweisen, schreibt man ihnen außerdem überlegene Feuchtigkeitsbeständigkeit zu, verglichen mit LEDs auf AlGaAs-Basis, die durch das LPE-Verfahren her­ gestellt sind.
Ein Nachteil von LEDs auf AlGaInP-Basis ist, daß ein von den Elektroden injizierter Strom sich nicht ohne weiteres ausbreitet, da sie nämlich eine durch das metallorganisch-chemische Aufdampfverfahren (metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) gebildete Dünnfilm-Struktur besitzen. Daher ist die Emissionseffizienz nicht immer ausreichend, besonders in den Bereichen kurzer Wellenlänge. Dies hat zu verschiedenen Versuchen zu Verbesserungen der Struktur geführt. Beispielsweise offenbart die JP- B-6-103759 eine LED-Struktur mit einer Stromausbreitungsschicht, die als dicke AlGaAs-Schicht ausgebildet ist. Wie in Fig. 1 dargestellt weist diese LED ein n-leitendes Substrat 1 aus GaAs auf, eine n-leitende untere Deckschicht 2 aus AlGaInP mit einer Dicke von 1 µm, eine aktive Schicht 3 aus AlGaInP mit einer Dicke von 0,5 µm, eine p-leitende obere Deck­ schicht 4 aus AlGaInP mit einer Dicke von 0,2 µm, eine p-leitende Strom­ ausbreitungsschicht 5 aus AlGaAs mit einer Dicke von 3 µm, eine p-Elektrode 6 und eine n-Elektrode 7.
Eine Anforderung an die Stromausbreitungsschicht der LED besteht dar­ in, daß sie transparent gegenüber dem Licht aus dem lichtemittierenden Teil sein muß. Damit eine Schicht aus AlGaAs, die dieser Anforderung ge­ nügt, als Stromausbreitungsschicht verwendet werden kann, muß der Al- Gehalt der Schicht höher sein als ein bestimmter Wert, um sicherzustel­ len, daß die Bandlückenenergie der AlGaAs-Stromausbreitungsschicht größer ist als die Bandlückenenergie der aktiven Schicht. Je höher der Al- Gehalt jedoch ist, um so anfälliger ist das AlGaAs für Oxidation. Der Mischkristall-Al-Gehaltsfaktor von AlGaAs, welches transparent ist gegen­ über dem von einer LED auf AlGaInP-Basis stammenden Licht des sicht­ baren Spektrums, liegt in der Größenordnung von 0,7, ungefähr gleich wie in der Zusammensetzung der Deckschichten einer AlGaAs-LED, die durch das LPE-Verfahren hergestellt ist. Während eine AlGaInP-LED Licht mit höherer Helligkeit emittieren kann als eine AlGaAs-LED, die durch das LPE-Verfahren hergestellt ist, und sie auch in ihrer Feuchtigkeitsbestän­ digkeit überlegen sein kann, ist Feuchtigkeitsbeständigkeit weiterhin ein Problem bei einer Struktur, in der die Stromausbreitungsschicht aus Al- GaAs gebildet ist.
Im Hinblick auf die Stromausbreitung ist es um so besser, je dicker die AlGaAs-Schicht ist. Die JP-A-4-212479 schlägt eine Dicke von 5 bis 30 µm vor, während das US-Patent 5 008 718 eine Dicke von 2 bis 30 µm, bevor­ zugt 5 bis 15 µm vorschlägt (vgl. Spalte 3, Zeilen 16 ff.). Es ist auch die Verwendung einer AlGaAs-Stromausbreitungsschicht bekannt, die 7 µm dick ist (vgl. Appl. Phys. Lett. Vol. 58 (10), 11. März 1991). Somit wird in einer LED, die eine Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs verwendet, zur Erhöhung des Stromausbreitungseffekts die Dicke der Schicht vergrößert; jedoch erhöht dies auch den Al-Gehalt, wodurch die Feuchtigkeitsbestän­ digkeit verringert wird, da das AlGaAs anfälliger für Oxidation gemacht wird.
Außerdem erbringen herkömmliche LEDs, selbst wenn sie zur Erhöhung des Stromausbreitungseffekts mit einer derartigen Stromausbreitungs­ schicht versehen sind, keine ausreichende Helligkeit für die Verwendung im Freien oder dergleichen, wo eine hohe Helligkeit erforderlich ist. Hellig­ keit ist in diesem Zusammenhang proportional zur Lichtemissionsinten­ sität, ergänzt um einen Wert der visuellen Wahrnehmbarkeit. Ein weiteres Problem besteht darin, daß eine Erhöhung der Anzahl der Heteroübergän­ ge den Widerstand der Vorrichtung erhöht, so daß eine höhere Betriebs­ spannung erforderlich ist. Als Grund dafür, warum eine hohe Helligkeit nicht erreicht werden kann, wird erachtet, daß die Doppelheterostruktur nicht gitterangepaßt ist. Außerdem wird epitaktisches Schichtaufwachsen von guter Qualität aufgrund der Tatsache nicht erreicht, daß viele Hetero­ übergangsflächen beteiligt sind. In dem Fall des Vier-Elemente- Mischkristalls (AlxGa1-x)yIn1-yP wurde die Gitteranpassung mit dem GaAs- Substrat immer als gegeben betrachtet, wenn y gleich 0,5 ist. Allerdings trifft dies bei Zimmertemperaturen zu; jedoch sind bei dieser Zusammen­ setzung die Gitter nicht bezüglich der Aufwachstemperaturen angepaßt. Bei Zimmertemperatur besitzt ein GaAs-Substrat nämlich eine Gitterkon­ stante von 0,56533 nm, und bei einer Temperatur des epitaktischen Auf­ wachsens (Aufwachstemperatur) von beispielsweise 780°C beträgt die Gitterkonstante 0,56804 nm, was einer Änderung von 0,48% entspricht. Während das für die Deckschicht verwendete (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P bei Zim­ mertemperatur eine Gitterkonstante von 0,56640 nm besitzt, beträgt die Gitterkonstante bei 780°C 0,56837 nm, entsprechend einer Erhöhung um 0,348%. Somit beträgt der Grad an Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und der Deckschicht 0,19% bei Zimmertemperatur und 0,058% bei 780°C. Während also epitaktisch gewachsene Schichten aus (AlxGa1-x)yIn1-yP auf den ersten Blick gitterangepaßt erscheinen können, gibt es einen ziemlichen Grad an Fehlanpassung.
Die Erfinder führten detaillierte Untersuchungen durch und fanden her­ aus, daß es - selbst wenn Gitteranpassung bei Zimmertemperatur erreicht wird - viel wichtiger ist, auf die Aufwachstemperatur bezogene Gitteran­ passung zu bewerkstelligen. Gutes Kristallwachstum, welches in hoher Helligkeit resultiert, wird dadurch erreicht, daß eine Gitteranpassung während des epitaktischen Aufwachsens vorliegt. Selbst wenn nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur Fehler in dem Kristallgitter erzeugt wer­ den, nehmen derartige Fehler nämlich nicht eine Größenordnung ein, die ausreicht, um die Helligkeit um ein wesentliches Ausmaß zu verringern.
Wenn epitaktisch gewachsene Schichten von guter Qualität erzielt werden, ist auch die Stromausbreitung in der oberen Deckschicht zu einem sol­ chen Ausmaß verbessert, daß der Widerstand der Vorrichtung selbst ohne das Vorsehen einer speziellen, dicken Stromausbreitungsschicht verrin­ gert werden kann. Dies ermöglicht es auch, eine geringere Betriebsspan­ nung (die VF-Charakteristik) zu verwenden. Daß die Dicke der epitaktisch gewachsenen Schichten nicht erhöht werden muß, bedeutet außerdem, daß die Al-Konzentration nicht erhöht ist, was das Problem der Ver­ schlechterung des Halbleiterelements löst und deshalb eine hohe Verläß­ lichkeit des Halbleiterelements zur Folge hat.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine lichtemittie­ rende Diode aus AlGaInP von hoher Helligkeit und langer Lebensdauer zu schaffen mit einer Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs, die einen aus­ reichenden Stromausbreitungseffekt besitzt, während gleichzeitig völlig ausreichende Feuchtigkeitsbeständigkeit beibehalten wird, sowie darin einen für die Herstellung der lichtemittierende Diode zu verwendenden Wafer zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung einen Epita­ xialwafer für eine lichtemittierende AlGaInP-Diode vor, welcher ein p­ leitendes GaAs-Substrat aufweist, eine Reflexionsschicht mit einer über dem Substrat vorgesehenen Schichtung von mehrfachen Halbleiter­ schichten, eine über der Reflexionsschicht vorgesehene lichtemittierende Doppelheteroübergangsstruktur aus AlGaInP, die eine aktive Schicht zwi­ schen oberen und unteren Deckschichten aufweist, und eine über der lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur vorgesehene Strom­ ausbreitungsschicht aus AlGaAs, die transparent ist für von der lichte­ mittierenden Struktur emittiertes Licht, wobei die AlGaAs-Strom­ ausbreitungsschicht eine Leitfähigkeit des n-Typs aufweist, eine Träger­ konzentration von nicht weniger als 1017cm-3 und nicht mehr als 2×1019cm-3 besitzt sowie eine Dicke von nicht mehr als 1 µm besitzt.
Die vorstehende Aufgabe wird auch durch eine lichtemittierende Diode aus AlGaInP gelöst, die ein p-leitendes GaAs-Substrat aufweist, eine Re­ flexionsschicht mit einer auf dem Substrat vorgesehenen Schichtung von mehrfachen Halbleiterschichten, eine auf der Reflexionsschicht vorgese­ hene lichtemittierende Doppelheteroübergangsstruktur aus AlGaInP, die eine aktive Schicht zwischen oberen und unteren Deckschichten aufweist, eine über der lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur vorgese­ hene Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs, die transparent ist für von der lichtemittierenden Struktur emittiertes Licht, eine auf der Rückseite des GaAs-Substrats vorgesehene erste Elektrode und eine über einer obe­ ren Fläche der Stromausbreitungsschicht vorgesehene zweite Elektrode, wobei die Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs eine Leitfähigkeit des n- Typs aufweist, eine Trägerkonzentration von nicht weniger als 1017cm-3 und nicht mehr als 2×1019cm-3 besitzt sowie einer Dicke von nicht mehr als 1 µm besitzt.
Wie vorstehend beschrieben, ist erfindungsgemaß eine Reflexionsschicht über einem p-leitenden Einkristallsubstrat aus GaAs gebildet, eine licht­ emittierende Doppelheteroübergangsstruktur ist über der Reflexions­ schicht gebildet, und eine n-leitende Stromausbreitungsschicht ist über der lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur gebildet. Die Stromausbreitungsschicht besitzt eine hohe Trägerbeweglichkeit und eine Trägerkonzentration von 1017cm-3 bis 2×1019 cm-3, so daß eine Erhöhung des spezifischen Widerstands unterdrückt ist. Dies ermöglicht es, einen ausreichenden Stromausbreitungseffekt zu erzielen, selbst wenn die Dicke der Ausbreitungsschicht nicht mehr als 1 µm beträgt, und es ermöglicht außerdem einen verringerten Al-Gehalt, was eine LED mit höherer Feuch­ tigkeitsbeständigkeit zur Folge hat.
Durch auf Aufwachstemperaturen bezogene Gitteranpassung jeder der Schichten der lichtemittierende Doppelheteroübergangsstruktur an das Substrat wird außerdem ein Kristall von guter Qualität gezüchtet und der Widerstand der Vorrichtung verringert, so daß eine geringere Betriebs­ spannung verwendet werden kann. Dies hat eine LED zur Folge, die ver­ laßlicher ist und länger hält.
Die Beständigkeit der LED gegenüber Feuchtigkeit und Oxidation kann weiter erhöht werden, indem auf dem dünnen Film der AlGaAs-Stromaus­ breitungsschicht eine Schicht aus AlGaInP oder GaP gebildet wird, die nicht ohne weiteres oxidiert.
Weitere Merkmale der Erfindung, ihr Wesen und verschiedene Vorteile sind aus den Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht der Struktur einer herkömmlichen LED mit einer dicken Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs,
Fig. 2 ist ein Schaubild, das den Zusammenhang zwischen der Dicke der AlGaAs-Stromausbreitungsschicht und dem Resthelligkeitsverhält­ nis zeigt,
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer LED gemäß einer ersten und vierten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht einer LED gemäß einer zweiten und fünften Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 5 ist eine Querschnittansicht einer LED gemaß einer dritten und sechsten Ausführungsform der Erfindung.
Wenn die Zusammensetzungen die gleichen sind, besitzt ein n-leitender Halbleiter normalerweise einen geringeren spezifischen Widerstand als ein p-leitender, da die Elektronen, welche die Träger des n-leitenden Halblei­ ters bilden, eine höhere Beweglichkeit besitzen als die Löcher, welche die Träger des p-leitenden Halbleiters bilden. Gemäß den Daten, die auf Seite 151 von "Advanced Electronics I-1/ Group III-V Compound Semiconduc­ tors" (1994), veröffentlicht von Baifukan, aufgeführt sind, beträgt das Ver­ hältnis von p-leitender zu n-leitender Trägerbeweglichkeit 20 für GaAs, 43 für InP, und 1,6 für GaP. Jedoch kann dieses Trägerbeweglichkeits- Verhältnis stark variieren in Abhängigkeit von der Fehlerfreiheit des Kri­ stalls, der Konzentration von Verunreinigungen und so weiter, so daß in einigen Fällen ein geringer Verhältnisunterschied auftritt, wie beispiels­ weise jener unter Bezugnahme auf GaP aufgeführter.
Es ist auch bekannt, daß Variierung in Abhängigkeit von dem verwende­ ten Kristallzüchtungsverfahren auftritt, vermutlich aufgrund von Unter­ schieden in der Fehlerfreiheit des Kristalls bei den Züchtungsverfahren. Die Erfinder maßen den Hall-Effekt einer Schicht, die auf einem Halbiso­ lator-Substrat aus GaAs unter Verwendung von MOCVD gewachsen war. Bei einer AlGaAs-Zusammensetzung (mit einem Al-Mischkristallgehalts­ faktor von 0,7), die transparent war gegenüber dem von einer AlGaInP- LED emittierten Licht, und bei einer Verunreinigungskonzentration in der Größenordnung von 1018 cm-3 wurde ein Verhältnis der p-Typ- zur n-Typ- Beweglichkeit von 10,3 erhalten. Daraus folgt, daß wenn n-leitendes Al- GaAs für die Bildung der Stromausbreitungsschicht verwendet wird, der erzielte Stromausbreitungseffekt erwartungsgemaß größer ist als jener, der unter Verwendung des herkömmlichen p-leitenden AlGaAs erzielt wird. Die Erfinder gelangten weitgehend durch Anwendung dieser Tatsa­ che zu der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer Untersuchung des Zusammenhangs zwi­ schen der Dicke einer n-leitenden AlGaAs-Stromausbreitungsschicht einer AlGaInP-LED und der Helligkeitsverschlechterung der LED, wobei die ho­ rizontale Achse die Dicke der n-leitenden AlGaAs-Schicht darstellt und die vertikale Achse das Resthelligkeitsverhältnis darstellt. Die Messungen wurden mit einem Durchlaßstrom von 10 mA, bei einer Temperatur von 85°C und bei einer Feuchtigkeit von 85% durchgeführt. Das Resthellig­ keitsverhältnis wurde ermittelt, indem für eine Dauer von 1000 Stunden Strom angelegt wurde und der Unterschied zwischen der Helligkeit vorher und nachher ermittelt wurde. Die gestrichelte Linie zeigt die Verwendung lediglich einer Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs, während die durch­ gezogene Linie den Verlauf bei einer auf der AlGaAs- Stromausbreitungsschicht gebildeten, 0,3 µm dicken AlGaInP-Schicht zeigt.
Aus dem Schaubild der Fig. 2 kann entnommen werden, daß es einen Zu­ sammenhang gibt zwischen der Dicke der AlGaAs-Stromausbreitungs­ schicht und dem Resthelligkeitsverhältnis; wenn die Dicke der Stromaus­ breitungsschicht 1 µm übersteigt, verringert sich das Resthelligkeitsver­ hältnis deutlich. Diese Tendenz bleibt erhalten, wenn die Schutzschicht aus AlGaInP auf der n-leitenden AlGaAs-Schicht gebildet ist. Jedoch ist das Resthelligkeitsverhältnis für dieselbe Dicke der AlGaAs-Stromausbrei­ tungsschicht höher bei Vorhandensein der AlGaInP-Schutzschicht. Diese beiden Tendenzen bleiben erhalten, wenn eine Schutzschicht aus GaP auf der AlGaAs-Stromausbreitungsschicht verwendet wird. Somit ist es bevor­ zugt, wenn die Dicke der AlGaAs-Stromausbreitungsschicht 1 µm nicht übersteigt.
Wenn die Verunreinigungskonzentration in der n-leitenden AlGaAs- Stromausbreitungsschicht geringer ist als 1017 cm-3, ist der spezifische Widerstand erhöht und die Schicht zeigt keinen ausreichenden Stromaus­ breitungseffekt. Andererseits wird Licht absorbiert, wenn die Konzentrati­ on 5×1019 cm-3 übersteigt. Daher ist der erwähnte Bereich angemessen, und verläuft vorzugsweise von 5×1017cm-3 bis 5×1018cm-3. Für das Al- GaAs sollte ein Al-Mischkristallgehaltsfaktor ausgewählt werden, welcher eine Bandlückenenergie gewährleistet, die größer ist als jene der aktiven Schicht, und die somit Transparenz gegenüber dem emittierten Licht ge­ währleistet. Beispielsweise ermöglicht es ein Al-Mischkristallgehaltsfaktor von 0,6 oder mehr für die AlGaAs-Stromausbreitungsschicht, Transparenz bezüglich einer Emissionswellenlänge von 630 nm zu erhalten.
Im folgenden wird die DH-Struktur um die aktive Schicht aus AlGaInP herum, d. h. der Kern der Lichtemission beschrieben. Die Wellenlänge der Lichtemission ist weitgehend durch den Al-Mischkristallgehaltsfaktor be­ stimmt. Eine Emissionswellenlänge von 590 bis 630 nm wird durch einen Al-Mischkristallgehaltsfaktor von ungefähr 0,30 bis 0,12 erzeugt; in die­ sem Fall beträgt die Bandlückenenergie Eg ungefähr 2,1 bis 1,97 (eV). Der In-Gehalt hat einen großen Einfluß auf die Gitterkonstante. Da die Gitter­ konstante der epitaktischen Schicht - wenn ein GaAs-Substrat mit einer (100)-Kristallorientierung verwendet wird - der Gitterkonstanten des Substrats ähnlich sein kann, ist es daher erforderlich, daß der DH- Struktur-Teil einen In-Mischkristallgehaltsfaktor in der Größenordnung von 0,5 erhält.
Es wird eine DH-Struktur verwendet, bei der die aktive Schicht zwischen oberen und unteren Deckschichten eingeklemmt ist. Die Deckschichten besitzen eine höhere Bandlückenenergie als die aktive Schicht, so daß in die aktive Schicht injizierte Elektronen eingeschlossen sind, wodurch die Möglichkeit zur Rekombination erhöht wird. Da auch die Transparenz ge­ genüber dem emittierten Licht erhalten bleibt, ist das Ergebnis, daß die Effizienz der Leistungsabgabe nach außen erhöht wird. Um den Effekt des Einschlusses der injizierten Elektronen zu erreichen, ist die Bandlücken­ energie der Deckschichten, welche diese Funktion erfüllen, um minde­ stens 0,1 eV höher gehalten als die Bandlückenenergie der aktiven Schicht. Wenn für die aktive Schicht ein Al-Mischkristallgehaltsfaktor von 0,30 bis 0,12 verwendet wird, ist es zuträglich, die Deckschichten mit ei­ nem Al-Mischkristallgehaltsfaktor von 0,55 bis nicht weniger als 0,30 zu versehen. In diesem Fall wird die Bandlückenenergie Eg ungefähr 2,25 bis 2,10 eV betragen.
Der dem Substrat näher gelegenen Deckschicht, d. h. der unteren Deck­ schicht, wird Leitfähigkeit des p-Typs verliehen, und der oberen Deck­ schicht wird Leitfähigkeit des n-Typs verliehen. Jede Deckschicht besitzt eine Trägerkonzentration von 1×1016cm-3 bis 2×1018cm-3.
Zunächst wird die Gitteranpassung des lichtemittierenden Teils der Dop­ pelheteroübergangsstruktur, ein ganz wesentliches Element der Erfin­ dung, erläutert.
Die Eigenschaften des GaAs-Kristalls, der das Substrat bildet, sind weit­ hin bekannt, jedoch sind die Eigenschaften des (AlxGa1-x)yIn1-yP-Vier- Elemente-Mischkristalls, der zur Bildung des Doppelheteroübergangs ver­ wendet wird, nicht geklärt worden. Da AlGaInP eine Mischung aus AlP, GaP und InP ist, können die Eigenschaften des Vier-Elemente-Misch­ kristalls aus den Eigenschaften dieser Bestandteile bestimmt werden. Die bekannten Eigenschaften dieser Kristalle sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Diese Daten können als Grundlage für die Berechnung der Gitterkon­ stante und des linearen Ausdehnungskoeffizienten des (AlxGa1-x)yIn1-yP- Vier-Elemente-Mischkristalls verwendet werden.
Indem die Zusammensetzungsformel des (AlxGa1-x)yIn1-yP umgewandelt wird, erhält man
(AlxGa1-x)yIn1-yP = AlxyGa(1-x)yIn(1-y)P (1)
Da der Mischkristall jeweils xy, (1-x)y und (1-y) an AlP, GaP bzw. InP auf­ weist, wird die Gitterkonstante bei Zimmertemperatur aroom für jeden Kri­ stall dadurch ermittelt, daß das gewichtete Mittel der Gitterkonstanten jedes Kristalls berechnet wird, wie in Gleichung (2) gezeigt.
aroom = 0,54625xy + 0,54512(1-x)y + 0,58688(1-y) [nm] (2)
Der lineare Ausdehnungskoeffizient βepi wird bestimmt, indem für jeden das gewichtete Mittel des linearen Ausdehnungskoeffizienten berechnet wird, wie in Gleichung (3).
βepi = 4,20xy + 5,91(1-x)y + 4,56(1-y) [x 10-6/K] (3)
Somit können, wenn erst die Mischkristallgehaltsfaktoren x und y festge­ legt sind, die Zimmertemperatur-Gitterkonstante aroom und der lineare Ausdehnungskoeffizient βepi bei 0 bis 700 K des (AlxGa1-x)yIn1-yP-Vier- Elemente-Mischkristalls berechnet werden.
Falls weiterhin T°C die Aufwachstemperatur und ΔT der Temperaturunter­ schied zwischen der Aufwachstemperatur und der Zimmertemperatur sind, gilt für die Gitterkonstante aT des Vier-Elemente-Mischkristalls und für die Substrat-Gitterkonstante sT bei der Aufwachstemperatur
aT = aroom(1 + βepi.ΔT) (4)
sT = sroom(1 + βsub.ΔT) (5)
Dabei ist βepi der aus Gleichung (3) erhaltene lineare Ausdehnungskoeffizi­ ent der epitaktisch gewachsenen Schicht und βsub der lineare Ausdeh­ nungskoeffizient des Substrats (beispielsweise GaAs).
Die Verwendung der Gleichungen (2) bis (5) ermöglicht es, die Gitterkon­ stante aT bei der Aufwachstemperatur T°C für ein Vier-Elemente- Mischkristall mit verschiedenen Kristall-Gehaltsfaktoren x und y zu be­ rechnen. Wenn erst die Gitterkonstante aT bei T°C bestimmt ist, kann der Grad an Gitterfehlanpassung Δa bei T°C berechnet werden.
Wenn bei einer gegebenen Temperatur die Substrat-Gitterkonstante mit "s" und die Gitterkonstante des Vier-Elemente-Mischkristalls mit "a" be­ zeichnet wird, ist die Gitterfehlanpassung "Δa" gegeben durch Gleichung (6).
Δa=(s-a)/s×100 (%) (6)
Wenn das Substrat ein GaAs-Kristall ist und die Aufwachstemperatur für den (AlxGa1-x)yIn1-yP-Vier-Elemente-Mischkristall 780°C beträgt, verhalten sich die Gitterfehlanpassung Δaroom und Δaepi für den bekannten Vier- Elemente-Mischkristall bei Zimmertemperatur und bei Aufwachstempe­ ratur wie in Tabelle 2 gezeigt.
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß der bekannte AlGaInP-Vier-Elemente- Mischkristall bei Zimmertemperatur eine Gitterfehlanpassung von 0,14 bis 0,19% aufweist und bei Aufwachstemperatur eine Gitterfehlanpassung von 0,039 bis 0,058%. Die Verwendung von beispielsweise Al0,5Ga0,5P oder Ga0,5In0,5P für die Stromausbreitungsschicht würde die Gitterfehlanpas­ sung weiter erhöhen.
Somit zeigt diejenige LED einen großen Hetero-Störeffekt, die aus dem be­ kannten AlGaInP-Vier-Elemente-Mischkristall gebildet ist, der umfassen­ den Gebrauch macht von Heteroübergangs-Kristallflächen mit auf Auf­ wachstemperaturen bezogen großer Gitterfehlanpassung. Dies könnte der Grund dafür sein, daß keine hohe Helligkeit erreicht wird. Es muß unbe­ dingt versucht werden, Gitterfehlanpassung bei Aufwachstemperaturen zu vermeiden.
Die Vorgehensweise zur Gitteranpassung bei Aufwachstemperaturen wird im folgenden erläutert.
Die Bandlückenergie eines Vier-Elemente-Mischkristalls aus AlGaInP ist bestimmt durch den Al-Gehaltsfaktor in dem Mischkristall. Der Mischkri­ stallgehaltsfaktor kann zur Einstellung der gewünschten Bandlücken­ energie angepaßt werden, wobei die Messung der Wellenlänge des emit­ tierten Lichts, basierend auf der Photolumineszenz (PL) des vorbereiteten Kristalls, verwendet wird. Tabelle 3 zeigt die Bandlückenenergie Eg und den Al-Gehaltsfaktor x der aktiven Schicht für eine Zielwellenlänge, bezo­ gen auf ein GaAs-(100)-Substrat.
Tabelle 3
Die vorstehenden Daten werden verwendet, um einen Al-Gehaltsfaktor x in der aktiven Schicht des Mischkristalls auszuwählen, welcher die Ziel- Emissionswellenlänge bewirkt. Die Bandlückenenergie des AlGaInP-Vier- Elemente-Mischkristalls erhöht sich mit der Erhöhung des Al-Gehalts­ faktors x in dem Mischkristall und geht bei einem Gehaltsfaktor x von mehr als 0,7 in den Bereich des indirekten Übergangs über, so daß die obere Grenze für den Al-Gehaltsfaktor x in dem Mischkristall bei 0,7 fest­ liegt. Bei einem Mischkristallgehaltsfaktor x gleich Null wird der Mischkri­ stall zu GaInP mit einer Emissionswellenlänge von 650 nm (rot). Bei einem Gehaltsfaktor x von 0,7 beträgt die Emissionswellenlänge 550 nm (grün).
Die Bandlückenenergie der Deckschichten muß größer sein als jene der aktiven Schicht. Wenn die Bandlückenenergie der Deckschicht geringer ist als jene der aktiven Schicht, bewirkt ein Träger-Bandlückenübergang, daß sie bezüglich des emittierten Lichts als absorbierender Körper wirkt. Bei Betrachtung des Träger-Einschlußeffekts der Deckschichten muß die Bandlückenenergie der Deckschichten - unter der Annahme, daß die LED bei Zimmertemperatur verwendet wird - um mindestens 0,1 eV höher sein als die Bandlückenergie der aktiven Schicht. Tabelle 3 führt auch die Bandlückenenergien der Deckschichten in entsprechender Auswahl auf.
Die Gitterkonstante wird durch den In-Gehalt bestimmt. Der Mischkri­ stall-In-Gehaltsfaktor (1-y) wird durch die folgende Vorgehensweise fest­ gelegt.
Im allgemeinen kann die Zimmertemperatur-Kristallgitterkonstante einer epitaktisch gewachsenen Schicht, die mindestens 0,1 µm dick ist, durch das Doppelkristall-Röntgendiffraktionsverfahren oder dergleichen präzise gemessen werden. Dementsprechend werden die Gitterkonstanten von epitaktisch gewachsenen Kristallen gemessen, die unterschiedliche Al- Gehaltsfaktoren x und In-Gehaltsfaktoren y aufweisen, und gemäß Glei­ chung (4) werden diese Werte dann dazu verwendet, die Gitterkonstante bei der Aufwachstemperatur (T°C) zu berechnen. Gleichung (6) kann dar­ aufhin dazu verwendet werden, den Grad an Gitterfehlanpassung bei T°C zu erhalten. Diese Werte sollten dazu verwendet werden, solche x und y auszuwählen, die eine Gitterfehlanpassung von Null (d. h. perfekte Git­ teranpassung) bezüglich der Aufwachstemperatur zeigen. Auf diese Weise ist der In-Gehaltsfaktor (1-y) in dem Mischkristall angepaßt, um eine be­ stimmte auf Zimmertemperatur bezogene Gitterfehlanpassung zu erhal­ ten. Insbesondere sind, gemäß den Gleichungen (4) und (5), die Bedin­ gungen zur auf Aufwachstemperatur bezogenen Gitteranpassung gegeben durch
aT - sT = aroom(1 + βepi.ΔT) - sroom(1 + βsub.ΔT) = 0 (7)
In Gleichung (7) ist der rechte Ausdruck die Aufwachstemperatur, die be­ kannt ist, sobald ΔT festliegt. aroom und sroom sind durch die Gleichungen (4) bzw. (5) gegeben und sind beide Funktionen von x und y. Da jedoch x auch durch die Ziel-Bandlückenenergie festgelegt ist, wird Gleichung (7) bezüglich y eine quadratische Gleichung. Bezüglich y wird eine Lösung gesucht, welche die Bedingung 0<y≦1 erfüllt. Die Zimmertemperatur- Gitterkonstante aroom ergibt sich, indem erneut x und y in Gleichung (2) substituiert werden, und die auf Zimmertemperatur bezogene Gitter­ fehlanpassung wird anschließend erhalten. Tabelle 4 zeigt den Grad an Zimmertemperatur-Gitterfehlanpassung in einem AlGaInP-Vier-Elemente- Mischkristall, der - in Übereinstimmung mit dieser Vorgehensweise - einer konsequenten, auf eine Aufwachstemperatur von 780°C bezogenen Git­ teranpassung unterzogen wurde.
Wenn in Tabelle 4 der Al-Gehaltsfaktor x in dem AlGaInP-Mischkristall von 0,0 (GaInP) zu 1,0 (AlInP) geändert wird, ändert sich die auf Zimmer­ temperatur bezogene Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht von 0,085% zu 0,15%. Dies bedeutet, daß wenn die auf Zimmertemperatur bezogene Gitterfehlanpassung in diesen Bereich fällt, das Substrat und die aktive Schicht als bezogen auf die Aufwachstempe­ ratur gitterangepaßt betrachtet werden.
Die Herstellung einer lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur unter Verwendung eines (AlxGa1-x)yIn1-yP-Vier-Elemente-Mischkristalls, der die in Tabelle 4 gezeigten Mischkristallgehaltsfaktoren x und y besitzt, er­ möglicht es, einen epitaktisch gewachsenen Kristall zu erhalten, der bei der Aufwachstemperatur eine gute Gitteranpassung mit einem GaAs- Substrat zeigt, wodurch eine LED mit hoher Helligkeit und hoher Verläß­ lichkeit geschaffen wird.
Die Tabelle 4 basiert auf einer Aufwachstemperatur von 780°C. Selbst wenn jedoch die Aufwachstemperatur geändert wird, kann dieselbe Vorge­ hensweise verwendet werden, um eine Vier-Elemente-Mischkristall- Zusammensetzung auszuwählen, die bei der Aufwachstemperatur Git­ teranpassung zeigt.
Eine Aufwachstemperatur von 730 bis 830°C ist geeignet, um einen Vier- Elemente-Mischkristall von guter Qualität zu erhalten. Es wird innerhalb dieses Temperaturbereichs eine leichte Gitterfehlanpassung geben, aber innerhalb zulässiger Grenzen. Demnach ist der Bereich des In-Gehalts­ faktors (1-y) in dem Mischkristall festgelegt auf 0,5045 ≦ (1-y) ≦ 0,5095.
Erfindungsgemäß kann auch eine n-leitende AlGaInP- oder n-leitende GaP-Schutzschicht auf der n-leitenden AlGaAs-Stromausbreitungsschicht vorgesehen sein. Dies dient dazu, die Feuchtigkeitsbeständigkeit zu ver­ bessern, indem die Oberfläche der LED, die in Kontakt mit der Luft kom­ men kann, mit einer Kristallschicht bedeckt wird, die einen geringen Al- Gehalt besitzt, oder einer Kristallschicht, die kein Al aufweist und bestän­ dig bezüglich Luftfeuchtigkeit ist. Die Bandlücke des GaP ist 2,34 eV, und die Bandlücke des AlGaInP mit einem Al-Gehaltsfaktor von 0,35 ist 2,28 eV, so daß jedes transparent ist gegenüber dem emittierten Licht. Der Stromausbreitungseffekt wird nicht gestört, solange die Trägerkonzentra­ tion nicht weniger als 1×1017cm-3 und nicht mehr als 1×1019cm-3 be­ trägt. Eine Dicke von bis zu 0,5 µm genügt, um Oxidation zu verhindern. Die gesamte Dicke der Schutzschicht und der Stromausbreitungsschicht ist auf nicht mehr als 1 µm festgelegt.
Im Rahmen dieser Erfindung kann zur weiteren Verbesserung der Hellig­ keit eine Reflexionsschicht verwendet werden, die mehrfache epitaktische Schichten aufweist. Die Reflexionsschicht kann eine sogenannte DBR- Schicht sein, die Wechselfolgen von epitaktischen Schichten mit wechsel­ seitig unterschiedlichen Brechungsindizes aufweist. Um ein hohes Refle­ xionsvermögen zu erhalten, sollte eine Zusammensetzung gewählt werden, die geringe Lichtabsorption bei den Zielwellenlängen und ein möglichst großes Brechungsindex-Differential besitzt. Zehn bis 25 Folgen dieser Schichten werden verwendet, um eine Dicke zu bilden, die ¼ der Ziel- Emissionswellenlänge beträgt (falls n der Brechungsindex der betreffenden Schicht und X die Ziel-Emissionswellenlänge ist, beträgt die Schichtdicke λ/4n). Wenn beispielsweise 25 Schichten AlGaAs mit einer Al- Zusammensetzung von 0,4 und einer Dicke von 41,9 nm verwendet wer­ den, die mit 25 Schichten AlGaAs mit einer Al-Zusammensetzung von 0,95 und einer Dicke von 49,3 nm abgewechselt werden, wird eine Refle­ xion von über 90% des Lichts mit einer Wellenlänge von 600 bis 640 nm erreicht.
Eine Kontaktschicht ist auf der Stromausbreitungsschicht/Schutzschicht gebildet, und eine ohmsche Elektrode des n-Typs ist auf der Kontakt­ schicht gebildet. Zur Vervollständigung der LED ist eine ohmsche Elektro­ de des p-Typs auf der Rückseite des GaAs-Substrats gebildet. Das Kriteri­ um bei der Wahl eines Materials für die Kontaktschicht sollte darin beste­ hen, ein Material zu verwenden, das ohne weiteres eine ohmsche Verbin­ dung mit der auf der Kontaktschicht vorgesehenen Metallelektrode bilden kann. GaAs ist ein ideales Material für die Struktur dieser Erfindung, und 0,1 bis 1 µm ist eine geeignete Dicke. Eine Trägerkonzentration von nicht weniger als 1×1018cm-3 ist erforderlich. Au/Au-Ge kann für Elektroden des n-Typs verwendet werden und Au/Au-Be für Elektroden des p-Typs. Ein derartig hergestellter LED-Wafer gewährleistet ausreichende Ausbrei­ tung eines von der oberen Elektrode injizierten Stroms, was eine LED mit einer hohen Leistungsabgabe, d. h. einer hohen Helligkeit ergibt.
Die aus dieser Erfindung abgeleitete LED besitzt hohe Helligkeit sowie gute Wetterbeständigkeit, indem die Dicke der oxidationsanfälligen Al-reichen Schichten verringert ist, was die Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit verbessert, und indem statt dessen eine Stromausbreitungs­ schicht aus n-leitendem AlGaAs mit einer hohen Beweglichkeit verwendet wird, was einen hinreichenden Stromausbreitungseffekt gewährleistet. In­ dem der Lichtemissions-Struktur-Teil bezüglich einer hohen Temperatur gitterangepaßt ist, wird außerdem die Qualität des epitaktisch gewachse­ nen Kristalls verbessert, was das Erreichen einer noch höheren Helligkeit ermöglicht.
Nachfolgend werden Beispiele der Erfindung beschrieben. Die Beispiele 1 bis 3 verwenden eine n-leitende AlGaAs-Stromausbreitungsschicht, und zusätzlich zu dieser AlGaAs-Stromausbreitungsschicht ist bei den Bei­ spielen 4 bis 6 eine auf Aufwachstemperaturen bezogene Gitteranpassung des Substrats und der Lichtemissionsstruktur vollzogen.
BEISPIEL 1
Eine LED mit der in Fig. 3 gezeigten Querschnitts-Struktur wurde herge­ stellt. Insbesondere wurde ein Substrat 11 gebildet unter Verwendung ei­ nes Zn-dotierten, p-leitenden GaAs-Einkristalls mit einer Trägerkonzen­ tration von 2×1018cm-3 und einer Kristallebenen-Orientierung von (100). Auf dem Substrat 11 wurde eine Zn-dotierte Reflexionsschicht 8 gebildet, mit 25 Schichten Al0,4Ga0,6As, die jeweils eine Dicke von 41,9 nm besaßen, in Wechselfolge mit 25 Schichten Al0,95Ga0,05As, die jeweils eine Dicke von 49,3 nm besaßen. Auf der Reflexionsschicht 8 wurde eine geschichtete DH-Struktur aus AlGaInP gebildet mit einer aktiven Schicht 3, die aus (Al0,2Ga0,8)0,5In0,5P aufgebaut war und zwischen oberen und unteren, aus (Al0,35Ga0,65)0,5In0,5P aufgebauten Deckschichten 41 und 21 eingeschlossen war. Eine n-leitende AlGaAs-Stromausbreitungsschicht 51 mit einem Al- Gehaltsfaktor von 0,7, einer Dicke von 0,5 µm und einer Trägerkonzentra­ tion von 1,5×1018cm-3 wurde danach auf der DH-Struktur gebildet. Wei­ terhin wurde eine n-leitende GaAs-Kontaktschicht 9 auf der Stromaus­ breitungsschicht 51 gebildet, und Elektroden 6 und 7 wurden dann durch Photolithographie sowie Ätz- und Legiertechniken geschaffen, was die LED gemäß Fig. 3 ergab. Das MOVCD-Verfahren wurde für die Züchtung aller Schichten verwendet. Die Feuchtigkeitsbeständigkeit wurde bewertet, in­ dem für eine Dauer von 1.000 Stunden ein Durchlaßstrom von 10 mA bei einer Temperatur von 85°C und einer Feuchtigkeit von 85% angelegt wur­ de und die Helligkeit vor und nach den 1.000 Stunden verglichen wurde. Die aus den Meßergebnissen erhaltenen Eigenschaften der LED sind in Tabelle 5 aufgeführt. Diese zeigen gute Feuchtigkeitsbeständigkeit, wobei die Helligkeit lediglich um ungefähr 20% abnimmt.
BEISPIEL 2
Wie in Beispiel 1 wurde eine DH-Struktur auf einer auf einem Substrat 11 befindlichen Reflexionsschicht 8 gebildet, und eine n-leitende AlGaAs- Stromausbreitungsschicht 51 wurde auf der DH-Struktur einer zwischen oberen und unteren Deckschichten 41 und 21 eingeschlossenen aktiven Schicht 3 gebildet. Danach wurde eine Se-dotierte, n-leitende AlGaInP- Schutzschicht 101 von 0,5 µm Dicke auf der Stromausbreitungsschicht 51 gebildet. Die Schutzschicht 101 hatte einen Al-Gehaltsfaktor von 0,15 und eine Trägerkonzentration von 1×1018cm-3.
Wie in Beispiel 1 wurde eine n-leitende GaAs-Kontaktschicht 9 gebildet, und Elektroden 6 und 7 wurden dann durch Photolithographie sowie Ätz- und Legiertechniken geschaffen, um eine LED herzustellen mit einer in Fig. 4 gezeigten Querschnitts-Struktur. Wie in Tabelle 5 aufgeführt, die das Ergebnis der Messungen wie für Beispiel 1 auflistet, zeigte die derart hergestellte LED gute Eigenschaften.
BEISPIEL 3
Eine LED mit der in Fig. 5 gezeigten Querschnitts-Struktur wurde herge­ stellt. Die Struktur dieser LED ist identisch mit jener der LED gemäß Bei­ spiel 2, außer daß anstelle der Verwendung einer n-leitenden AlGaInP- Schutzschicht für die LED gemäß Beispiel 3 eine Schutzschicht 102 aus Se-dotiertem, n-leitendem GaP verwendet wurde. Die in Tabelle 5 aufge­ führten Bewertungsergebnisse zeigen, daß diese LED ebenfalls gute Ei­ genschaften besitzt.
BEISPIEL 4
Bei den Beispielen 1 bis 3 wurden die Zusammensetzungen der Schichten der lichtemittierenden Doppelheterostruktur variiert, um das Gitter der Schichten dem Substrat bei Zimmertemperatur anzupassen, und die Schichten wurden dann bei einer Aufwachstemperatur von 780°C ge­ züchtet. Bei diesem Beispiel 4 wurde jedoch diese Gitteranpassung bei der Aufwachstemperatur vollzogen. Insbesondere wurde der Doppelhetero­ struktur-Teil folgendermaßen epitaktisch gezüchtet.
Um eine Lichtemissions-Wellenlänge von 620 nm zu erreichen, wurde die Bandlückenenergie Eg der aktiven Schicht 3 auf 2,00 eV festgelegt. Um den Träger-Einschlußeffekt der unteren Deckschicht 21 und oberen Deck­ schicht 41 sowie Transparenz gegenüber dem emittierten Licht zu ge­ währleisten, wurde außerdem die Bandlückenergie Eg der Deckschichten auf 2,29 eV festgelegt, um 0,29 eV höher als jene der aktiven Schicht 3. Dadurch war der Al-Gehaltsfaktor x ungefähr 0,17 für die aktive Schicht 3, ungefähr 0,7 für die untere Deckschicht 21 und ungefähr 0,7 für die obere Deckschicht 41.
Die Aufwachstemperatur des lichtemittierenden Teils des Doppelhetero­ übergangs wurde auf 780°C festgelegt, und die Gitterkonstanten wurden dem GaAs-Substrat bei dieser Aufwachstemperatur vollkommen angepaßt. Die Gitterkonstante von GaAs bei 780°C ist 5,6804 Å, so daß also die obi­ gen Gleichungen verwendet wurden, um diejenigen Gehaltsfaktoren x und y zu bestimmen, die eine Gitterkonstante von 5,6804 Å in den Vier- Elemente-Mischkristall-Schichten des Doppelheteroübergangs ergeben würden. Demnach wurden diejenigen Gehaltsfaktoren x und y ausgerech­ net, die in Übereinstimmung mit dieser Erfindung die geforderten Band­ lückenenergie-Gitterkonstanten-Bedingungen erfüllen, woraus sich die Zusammensetzung (Al0,1700Ga0,8300)0,4946In0,5054P der aktiven Schicht 3 und (Al0,7000Ga0,3000)0,4920In0,5080P der oberen und unteren Deckschichten 41 und 21 ergab.
Die Trägerkonzentration jeder der Schichten der resultierenden Doppel­ heteroübergangs-Struktur wurde gemessen und für die untere Deck­ schicht 21 zu 1×1017cm-3 bestimmt, für die aktive Schicht 3 zu 1×1016cm-3 und für die obere Deckschicht 41 zu 3×1017cm-3.
Die Gitterkonstante jeder der Schichten der Doppelheteroübergangs- Struktur wurde gemessen, und gemäß Gleichung (6) wurde der Grad an Gitterfehlanpassung erhalten. Die Gitterfehlanpassung Δa betrug 0,12% bezüglich der unteren Deckschicht 21, 0,09% bezüglich der aktiven Schicht 3 und 0,10% bezüglich der oberen Deckschicht 41, so daß sich im Vergleich mit dem Stand der Technik eine deutliche Verbesserung der Gitteranpassung jeder Schicht ergab.
Auf Grundlage einer Bewertung der charakteristischen Eigenschaften der somit erhaltenen LED wurde die Wellenlänge zu 620 nm bestimmt, die ur­ sprüngliche Helligkeit bei einem Strom 20 mA betrug 51 mcd, die Durch­ laßspannung (VF) betrug 1,83 V, und ein Test zur Untersuchung der Ver­ schlechterung nach 1.000 Betriebsstunden ergab eine Helligkeit von 40 mcd nach Beendigung des Tests, also eine gute Resthelligkeit von 78%. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.
BEISPIEL 5
Die LED dieses Beispiels wurde erhalten, indem eine 0,5 µm dicke, Se­ dotierte, n-leitende AlGaInP-Schicht aus Beispiel 2 auf der in Beispiel 4 erhaltenen, n-leitenden AlGaAs-Stromausbreitungsschicht gebildet wurde. Der Al-Mischkristallgehaltsfaktor war 0,15, und die Trägerkonzentration betrug 1×1018cm-3. Zur Vervollständigung der LED in derselben Weise wie in Beispiel 1 wurden eine Kontaktschicht und Elektroden gebildet. Die Eigenschaften wurden gemessen und sind in Tabelle 5 aufgeführt.
BEISPIEL 6
Es wurde eine LED hergestellt mit einer Struktur identisch zu jener der LED des Beispiels 5, außer das anstelle einer n-leitenden AlGaInP- Schutzschicht die LED dieses Beispiels mit einer Schutzschicht aus Se­ dotiertem, n-leitendem GaP versehen wurde. Eine Kontaktschicht und Elektroden wurden gebildet, um die LED in derselben Weise zu vervoll­ ständigen wie in Beispiel 1, und die Eigenschaften wurden gemessen und sind in Tabelle 5 aufgeführt.
VERGLEICHSBEISPIEL
Zum Vergleich wurde eine LED hergestellt mit einem Substrat aus einem Si-dotiertem, n-leitendem GaAs-Einkristall mit einer Trägerkonzentration von 1×1018cm-3 und einer Kristallebenen-Orientierung von (100). Auf dem Substrat wurde ein Se-dotierte Reflexionsschicht gebildet mit 25 Schichten Al0,4Ga0,6As, die jeweils eine Dicke von 41,9 nm aufwiesen, in Wechselfolge mit 25 Schichten Al0,95Ga0,05As, die jeweils eine Dicke von 49,3 nm aufwiesen. Auf der Reflexionsschicht wurde eine geschichtete DH-Struktur aus AlGaInP gebildet mit einer aktiven Schicht aus (Al0,2Ga0,8)0,5In0,5P und mit Deckschichten aus (Al0,35Ga0,65)0,5In0,5P. Da­ nach wurde auf der DH-Struktur eine p-leitende AlGaAs-Schicht mit ei­ nem Al-Mischkristallgehaltsfaktor von 0,7, einer Dicke von 5 µm und einer Trägerkonzentration von 1,5×1018cm-3 gebildet, und eine p-leitende GaAs-Kontaktschicht wurde auf jener Schicht gebildet; dann wurden Elektroden durch Photolithographie sowie Ätz- und Legiertechniken gefer­ tigt. Die Eigenschaften dieser LEDs sind als Referenzwerte in Tabelle 5 aufgeführt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, kann die Feuchtig­ keitsbeständigkeit einer AlGaInP-LED erfindungsgemäß dadurch deutlich verbessert werden, daß die Dicke der AlGaAs-Stromausbreitungsschicht auf nicht mehr als 1 µm verringert wird.
Die Erfindung wird in ihrer Wirkung weder dadurch beschränkt, daß zur Verbesserung der Kristallinität von auf dem Halbleitersubstrat epitaktisch gewachsenen Filmen auf übliche Weise epitaktische Pufferschichten vor­ gesehen werden mit derselben Zusammensetzung wie jene des Substrats, noch dadurch, daß zur Verringerung des Widerstands der ohmschen Elektroden-Verbindungen GaAs-Kontaktschichten und dergleichen vorge­ sehen werden.
Während obige Beschreibung auf ein Substrat bezogen war, das präzise die Kristallorientierung (100) aufweist, kann auch ein verschobenes Substrat (Offset-Substrat) verwendet werden, d. h. ein Substrat mit einer gegenüber der (100)-Ebene geneigten Orientierung, ohne die Wirkung der Erfindung in irgendeiner Weise nachteilig zu beeinträchtigen.

Claims (10)

1. Epitaxialwafer für eine lichtemittierende AlGaInP-Diode mit einem p-leitenden GaAs-Substrat, einer Reflexionsschicht mit einer über dem Substrat vorgesehenen Schichtung von mehrfachen Halbleiterschichten, einer über der Reflexionsschicht vorgesehenen lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur aus AlGaInP, die eine aktive Schicht zwischen oberen und unteren Deckschichten aufweist, und einer über der lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur vorgesehenen Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs, die transpa­ rent ist für von der lichtemittierenden Struktur emittiertes Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Stromausbreitungsschicht eine Leitfähigkeit des n-Typs aufweist, eine Trägerkonzentration von nicht weniger als 1017cm-3 und nicht mehr als 2×1019cm-3 besitzt und eine Dicke von nicht mehr als 1 µm besitzt.
2. Epitaxialwafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausbreitungsschicht mit einer AlGaInP-Schutzschicht versehen ist, die transparent ist für Wellenlängen des von der lich­ temittierenden Struktur emittierten Lichts.
3. Epitaxialwafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausbreitungsschicht mit einer GaP-Schutzschicht versehen ist, die transparent ist für Wellenlängen des von der lichte­ mittierenden Struktur emittierten Lichts.
4. Epitaxialwafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterfehlanpassung zwischen den Schichten, welche die lichtemittierende Doppelheteroübergangsstruktur bilden, und dem GaAs-Substrat bei Zimmertemperatur von 0,085% bis weniger als 0,140% beträgt.
5. Epitaxialwafer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten, welche die lichtemittierende Doppelheteroüber­ gangsstruktur bilden, und das GaAs-Substrat bei Aufwachstempe­ ratur gitterangepaßt sind.
6. Lichtemittierende AlGaInP-Diode mit
einem p-leitenden GaAs-Substrat,
einer Reflexionsschicht mit einer auf dem Substrat vorgesehenen Schichtung von mehrfachen Halbleiterschichten,
einer auf der Reflexionsschicht vorgesehenen lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur aus AlGaInP, die eine aktive Schicht zwischen oberen und unteren Deckschichten aufweist,
einer auf der lichtemittierenden Doppelheteroübergangsstruktur vorgesehenen Stromausbreitungsschicht aus AlGaAs, die transpa­ rent ist für von der lichtemittierenden Struktur emittiertes Licht, eine auf der Rückseite des GaAs-Substrats vorgesehene erste Elek­ trode, und
eine auf einer oberen Fläche der Stromausbreitungsschicht vorgese­ hene zweite Elektrode,
dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Stromausbreitungsschicht eine Leitfähigkeit des n-Typs aufweist, eine Trägerkonzentration von nicht weniger als 1017cm-3 und nicht mehr als 2×1019cm-3 besitzt und eine Dicke von nicht mehr als 1 µm besitzt.
7. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausbreitungsschicht mit einer AlGaInP-Schutzschicht versehen ist, die transparent ist für Wellenlängen des von der licht­ emittierenden Struktur emittierten Lichts.
8. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausbreitungsschicht mit einer GaP-Schutzschicht versehen ist, die transparent ist für Wellenlängen des von der lichte­ mittierenden Struktur emittierten Lichts.
9. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterfehlanpassung zwischen den Schichten, welche die lichtemittierende Doppelheteroübergangsstruktur bilden, und dem GaAs-Substrat bei Zimmertemperatur von 0,085% bis weniger als 0,140% beträgt.
10. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten, welche die lichtemittierende Doppelheteroüber­ gangsstruktur bilden, und das GaAs-Substrat bei Aufwachstempe­ ratur gitterangepaßt sind.
DE19754042A 1996-12-05 1997-12-05 Epitaxialwafer für lichtemittierende Diode aus AlGaInP und lichtemittierende Diode Ceased DE19754042A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32564496 1996-12-05
JP7798097A JPH10223929A (ja) 1996-12-05 1997-03-28 ＡｌＧａＩｎＰ発光素子用基板

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19754042A1 true DE19754042A1 (de) 1998-06-10

Family

ID=26419037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19754042A Ceased DE19754042A1 (de) 1996-12-05 1997-12-05 Epitaxialwafer für lichtemittierende Diode aus AlGaInP und lichtemittierende Diode

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5981976A (de)
JP (1) JPH10223929A (de)
DE (1) DE19754042A1 (de)
GB (1) GB2320136A (de)
TW (1) TW383509B (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005047168A1 (de) * 2005-09-30 2007-04-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronischer Halbleiterchip
DE102010052727A1 (de) * 2010-11-26 2012-05-31 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips und derartiger Halbleiterchip

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3881470B2 (ja) * 1999-01-05 2007-02-14 ローム株式会社 半導体発光素子の製法
US6693033B2 (en) 2000-02-10 2004-02-17 Motorola, Inc. Method of removing an amorphous oxide from a monocrystalline surface
US6429103B1 (en) * 2000-04-13 2002-08-06 Motorola, Inc. MOCVD-grown emode HIGFET buffer
US6638838B1 (en) 2000-10-02 2003-10-28 Motorola, Inc. Semiconductor structure including a partially annealed layer and method of forming the same
US6673646B2 (en) 2001-02-28 2004-01-06 Motorola, Inc. Growth of compound semiconductor structures on patterned oxide films and process for fabricating same
US6709989B2 (en) 2001-06-21 2004-03-23 Motorola, Inc. Method for fabricating a semiconductor structure including a metal oxide interface with silicon
US6646293B2 (en) 2001-07-18 2003-11-11 Motorola, Inc. Structure for fabricating high electron mobility transistors utilizing the formation of complaint substrates
US6693298B2 (en) 2001-07-20 2004-02-17 Motorola, Inc. Structure and method for fabricating epitaxial semiconductor on insulator (SOI) structures and devices utilizing the formation of a compliant substrate for materials used to form same
US6667196B2 (en) 2001-07-25 2003-12-23 Motorola, Inc. Method for real-time monitoring and controlling perovskite oxide film growth and semiconductor structure formed using the method
US6639249B2 (en) 2001-08-06 2003-10-28 Motorola, Inc. Structure and method for fabrication for a solid-state lighting device
US6673667B2 (en) 2001-08-15 2004-01-06 Motorola, Inc. Method for manufacturing a substantially integral monolithic apparatus including a plurality of semiconductor materials
DE60332140D1 (de) * 2002-09-20 2010-05-27 Sony Corp Halbleiterlaserbauelement und dessen herstellungsverfahren
JP2004288729A (ja) * 2003-03-19 2004-10-14 Shin Etsu Handotai Co Ltd 発光素子及び発光素子の製造方法
JP3737494B2 (ja) 2003-06-10 2006-01-18 株式会社東芝 半導体発光素子及びその製造方法並びに半導体発光装置
JP2008091789A (ja) * 2006-10-04 2008-04-17 Hitachi Cable Ltd 発光ダイオード
JP5801542B2 (ja) * 2010-07-13 2015-10-28 昭和電工株式会社 発光ダイオード及び発光ダイオードランプ
RU2531551C2 (ru) * 2011-09-02 2014-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Интелсоб" (ООО "Интелсоб") Мультиэпитаксиальная структура кристалла двухинжекционного высоковольтного гипербыстровосстанавливающегося диода на основе галлия и мышьяка
CN103500781B (zh) * 2013-09-30 2016-08-10 山西飞虹微纳米光电科技有限公司 一种高效率的AlGaInP发光二极管外延片及其制备方法
JP5715672B2 (ja) * 2013-11-01 2015-05-13 株式会社東芝 発光素子
TWI780167B (zh) * 2018-06-26 2022-10-11 晶元光電股份有限公司 半導體基底以及半導體元件
US10971650B2 (en) 2019-07-29 2021-04-06 Lextar Electronics Corporation Light emitting device
US11038088B2 (en) 2019-10-14 2021-06-15 Lextar Electronics Corporation Light emitting diode package

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3290672B2 (ja) * 1990-08-20 2002-06-10 株式会社東芝 半導体発光ダイオード
US5153889A (en) * 1989-05-31 1992-10-06 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor light emitting device
US5008718A (en) * 1989-12-18 1991-04-16 Fletcher Robert M Light-emitting diode with an electrically conductive window
JPH06103759A (ja) * 1992-09-19 1994-04-15 Sanyo Electric Co Ltd 半導体メモリ
KR950010253A (ko) * 1993-09-07 1995-04-26 오가 노리오 반도체발광장치
JPH0794781A (ja) * 1993-09-24 1995-04-07 Toshiba Corp 面発光型半導体発光ダイオード
US5656829A (en) * 1994-08-30 1997-08-12 Showa Denko K.K. Semiconductor light emitting diode
US5811839A (en) * 1994-09-01 1998-09-22 Mitsubishi Chemical Corporation Semiconductor light-emitting devices
JP3122324B2 (ja) * 1995-02-20 2001-01-09 三菱電線工業株式会社 半導体発光素子

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005047168A1 (de) * 2005-09-30 2007-04-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronischer Halbleiterchip
DE102010052727A1 (de) * 2010-11-26 2012-05-31 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips und derartiger Halbleiterchip
US9093604B2 (en) 2010-11-26 2015-07-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method of producing an optoelectronic semiconductor chip, and such a semiconductor chip
DE102010052727B4 (de) 2010-11-26 2019-01-31 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterchips und derartiger Halbleiterchip

Also Published As

Publication number Publication date
JPH10223929A (ja) 1998-08-21
US5981976A (en) 1999-11-09
GB9725892D0 (en) 1998-02-04
TW383509B (en) 2000-03-01
GB2320136A (en) 1998-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19754042A1 (de) Epitaxialwafer für lichtemittierende Diode aus AlGaInP und lichtemittierende Diode
DE19531762C2 (de) Licht emittierende Halbleiterdiode mit einer stromverteilenden Deckschicht
DE10213395B4 (de) Indiumgalliumnitrid-Glättungsstrukturen für III-Nitried-Anordnungen
DE2453347C2 (de) Halbleitervorrichtung, insbesondere Halbleiterlaser
DE10250445B4 (de) Licht emittierende Anordnungen mit separater Confinement-Indiumgalliumnitrid-Heterostruktur
DE19524655A1 (de) LED-Struktur
DE19756856B4 (de) Halbleiterlichtemissionsvorrichtung mit hoher Lichtemissionswirksamkeit
EP2208240B1 (de) Optoelektronischer halbleiterchip mit einer mehrfachquantentopfstruktur
EP0996985B1 (de) II-VI-HALBLEITERBAUELEMENT MIT MINDESTENS EINEM ÜBERGANG VON EINER Se-ENTHALTENDEN SCHICHT AUF EINE BeTe-ENTHALTENDE SCHICHT UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DES ÜBERGANGES
DE19941875C2 (de) Optoelektronische Halbleitervorrichtung
DE19829666B4 (de) Lichtemittierende Diode mit asymmetrischer Energiebandstruktur
DE10213358A1 (de) Indiumgalliumnitrid-Glättungsstrukturen für III-Nitrid-Anordnungen
DE10208021A1 (de) Erhöhen der Helligkeit von Licht emittierenden III-Nitrid-Anordnungen
DE19911701B4 (de) Licht-emittierende AlGaInP-Bauelemente mit dünnen aktiven Schichten
DE19957312A1 (de) Licht emittierende Diode
EP2027607A1 (de) Mehrfachquantentopfstruktur, strahlungsemittierender halbleiterkörper und strahlungsemittierendes bauelement
DE112018000553B4 (de) Optoelektronischer Halbleiterchip
DE19939471B4 (de) Halbleiterleuchtdiode mit Stromdiffusionsschicht
DE19932201A1 (de) Photonische Halbleitervorrichtung
DE19532204C2 (de) Halbleitermaterial mit einem Heteroübergang
DE19938480A1 (de) Photonische Halbleitervorrichtung
DE10003065A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Halbleitereinrichtung
DE112007002539T5 (de) ZnO-Schicht und lichtemittierende Halbleitervorrichtung
DE19954242B4 (de) Lichtemittierende Vorrichtung aus einem Nitridhalbleiter der Gruppe III
DE2101941A1 (de) Mehrschichtige III V Photokathode mit einer besonders guten aktiven Schicht

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
8131 Rejection