DE19803006B4

DE19803006B4 - Halbleiter-Lichtemissionselement

Info

Publication number: DE19803006B4
Application number: DE19803006A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Sasaki; Junichi Tenri Nakamura
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Xiamen Sanan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: CN1190267A; JP3807638B2; US20010016366A1; KR100295241B1; CN1127153C; US6399409B2; US6246078B1; DE19803006A1; JPH10214996A; KR19980070847A; TW360985B

Abstract

Halbleiter-Lichtemissionselement umfassend:
– ein Verbindungshalbleitersubstrat (10) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp,
– eine Lichtemissionsschicht (13),
– eine Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15), die einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat,
– eine Stromdiffusionsschicht (17), die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist,
– eine Stromeinschnürungsschicht (16), die den ersten Leitfähigkeitstyp hat und zwischen der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15) und der Stromdiffusionsschicht (17) vorgesehen ist, wobei das Material der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15), der Stromeinschnürungsschicht (16) und der Stromdiffusionsschicht (17) jeweils kein Al enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15), die Stromeinschnürungsschicht (16) und die Stromdiffusionsschicht (17) jeweils aus einem GaP-Verbindungsmaterial hergestellt sind, und
die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15) eine Ladungsträgerkonzentration in einem Bereich von 2 × 10¹⁶ cm^–3 bis unterhalb 10¹⁷ cm^–3 hat, und die Stromdiffusionsschicht (17) eine Ladungsträgerkonzentration von 2 × 10¹⁸ cm^–3 oder mehr aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter-Lichtemissionselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In den letzten Jahren hat eine Vierfachlegierungs-Leuchtdiode (LED) hoher Leuchtdichte oder Helle aus AlGaInP besondere Aufmerksamkeit als ein Lichtemissionselement für verschiedene Arten von Anzeigevorrichtungen für Innengebrauch und Außengebrauch auf sich gezogen. Ein Vierfachlegierungsmaterial erlaubt die Herstellung einer LED, die Licht in einem weiten sichtbaren Wellenlängenbereich emittiert, der von einem roten bis zu einem grünen Band reicht.

Eine typische Struktur einer herkömmlichen Vierfachlegierungs-LED 1100 für ein gelbes Band ist in den 7A und 7B gezeigt: 7A ist eine perspektivische Darstellung hiervon, und 7B ist eine schematische Schnittdarstellung hiervon.

In dieser Struktur sind eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 51 (dotiert mit Si, Ladungsträger- bzw. Trägerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), eine nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P -Aktivschicht 52 (Dicke: etwa 0,7 μm), eine p-(Al_0,7Ga_0,3)0,5In_0,5P-Überzugschicht 53 (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), eine p-Al_0,7Ga_0,3As-Stromdiffusionsschicht 54 (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 5 μm) und eine p-GaAs-Schicht 55 für ohm'schen Kontakt (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) sequentiell in dieser Reihenfolge auf einem n-GaAs-Substrat 50 durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) gebildet. Zusätzlich sind jeweils untere und obere Elektroden 56 und 57 auf der Rückseite des Substrats 50 und der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur vorgesehen. Die obere Elektrode 57 auf der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur sowie die ohm'sche p-GaAs-Kontaktschicht 55 sind so gemustert, daß sie eine kreisförmige Gestalt in dem Mittenbereich der Oberseite der Struktur haben. Teile der oberen Elektrode 57 und der ohm'schen p-GaAs-Kontaktschicht 55 wurden mittels Ätzens entfernt, wobei die kreisförmigen Teile belassen sind, die in dem Mittenbereich zurückbleiben.

Eine axiale Leuchtstärke (Einheit: Candela (cd)) eines geformten LED-Lichtemissionselementes ist einer der Indizes, die das Lumineszenzverhalten der LED darstellen. Wenn in der in den 7A und 7B gezeigten herkömmlichen LED 1100 der axiale Streuwinkel des emittierten Lichts etwa ± 4 Grad bei einer Betriebsspannung von etwa 2,0V und einem Ansteuerstrom von etwa 20 mA beträgt, mißt die axiale Leuchtstärke etwa 8 cd.

Die scheinbare axiale Leuchtstärke wird gesteigert, wenn die Lichtkonzentrationseigenschaften einer LED verbessert sind (d.h., wenn der axiale Streubereich des emittierten Lichts kleiner wird). Darüber hinaus kann eine LED mit verbesserten Lichtkonzentrationseigenschaften in vorteilhafter Weise für Kommunikationsanwendungen verwendet werden.

Eine andere herkömmliche LED 1200 für Kommunikationszwecke ist in den 8A und 8B gezeigt: 8A ist eine perspektivische Darstellung hiervon, und 8B ist eine schematische Schnittdarstellung längs einer Linie 8B-8B' der in 8A gezeigten LED 1200. Die in den 8A und 8B gezeigte herkömmliche LED 1200 ist eine AlGaInP-Legierungssystem-LED für ein gelbes Band und hat die folgende Struktur.

Wie in der schematischen Schnittdarstellung in 8B gezeigt ist, sind eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 51 (dotiert mit Si, Trägerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 1,0 μm), eine nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 52 (Dicke: etwa 0,6 μm), eine p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 53 (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 1,0 μm), eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Stromeinschnürungsschicht 58 (dotiert mit Si, Trägerkonzentration: etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,4 μm), eine p-Al_0,7Ga_0,3As-Stromdiffusionsschicht 54 (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 6 μm) und eine p-GaAs-Schicht 55 für ohm'schen Kontakt (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) sequentiell in dieser Reihenfolge auf einem n-GaAs-Substrat 50 durch MOCVD gebildet.

Der Mittenbereich der n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Stromeinschnürungsschicht 58 wurde in einer kreisförmigen Gestalt weggeätzt, um einen Lichtemissionsbereich zu bilden, und die p-Al_0,7Ga_0,3As-Stromdiffusionsschicht 54 wurde über der Stromeinschnürungsschicht 58 einschließlich des geätzten und entfernten Mittenbereichs hiervon erneut aufgewachsen. Das Bezugszeichen 59 bezeichnet die erneut aufgewachsene Zwischenfläche.

Zusätzlich sind untere und obere Elektroden 56 und 57 jeweils auf der Rückfläche des Substrats 50 bzw. der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur ausgebildet. Die obere Elektrode 57 und die ohm'sche p-GaAs-Kontaktschicht 55 sind in einer Gestalt gebildet, bei welcher der Mittenbereich hiervon weggeätzt ist, um eine Öffnung der gleichen Größe und Gestalt wie diejenige des geätzten und entfernten Teils der Stromeinschnürungsschicht 58 zu haben.

In diesem herkömmlichen LED-Element 1200 fließt ein Injektionsstrom in einer konzentrierten Weise in den Mittenbereich, so daß die reduzierte Fleckgröße des emittierten Lichts realisiert werden kann. Als ein Ergebnis können die Lichtkonzentrationseigenschaften des sich ergebenden Elements, das mit Harz eingeformt wurde, verbessert werden, und die axiale Leuchtstärke hiervon kann gesteigert werden.

Jedoch wird in der in den 8A und 8B gezeigten herkömmlichen LED 1200 die p-Al_0,7Ga_0,3As-Stromdiffusionsschicht 54 auf der darunter liegenden und Al enthaltenden p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 53 erneut aufgewachsen. Somit wird Sauerstoff leicht in der erneut aufgewachsenen Zwischenfläche 59 absorbiert (vgl. 8B), was zu zahlreichen Nachteilen führt, wie beispielsweise einem ungünstig erhöhten Widerstand und einer nicht-strahlenden Rekombination von injizierten Ladungsträgern.

Die typischen Betriebseigenschaften einer derartigen herkömmlichen LED 1200 sind die folgenden: Der axiale Streuwinkel beträgt etwa ± 2 Grad, und die Lumineszenz beträgt etwa 16 cd bei einer Betriebsspannung von etwa 3,0 V, wenn ein Strom von etwa 20 mA dort eingespeist ist. Im Vergleich mit der in den 7A und 7B gezeigten herkömmlichen LED 1100 (die aus dem gleichen Vierfachlegierungsmaterial hergestellt ist, den axialen Streuwinkel von etwa ± 4 Grad hat und die Lumineszenz von etwa 8cd bei der Betriebsspannung von etwa 2,0 V zeigt, wenn ein Strom von etwa 20 mA dort eingespeist ist) ist die axiale Leuchtstärke der in den 8A und 8B gezeigten LED 1200 lediglich um etwa das Zweifache gesteigert, während die Betriebsspannung beträchtlich angehoben ist. Für das in den 8A und 8B gezeigte Element 1200 kann für die Lumineszenz erwartet werden, daß diese auf das Vierfache (d.h. etwa 32 cd) erhöht ist, da der axiale Streuwinkel hiervon auf etwa 1/2 von demjenigen des in den 7A und 7B dargestellten Elementes 1100 vermindert ist.

Um derartige Probleme, wie diese oben aufgezeigt sind, zu lösen, wurde ein anderes herkömmliches Halbleiter-Lichtemissionselement 1300 mit einer Struktur vorgeschlagen, wie diese in 9 gezeigt ist. Die Gestalt der Stromeinschnürungsschicht und der Elektrode auf der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur des in 9 gezeigten Halbleiter-Lichtemissionselements 1300 ist gleich wie diejenige des in den 8A und 8B dargestellten Elements 1200.

Wie in der schematischen Schnittdarstellung in 9 gezeigt ist, sind eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 51 (dotiert mit Si, Trägerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 1,0 μm), eine nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 52 (Dicke: etwa 0,6 μm) und eine p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 53 (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 1,0 μm) sequentiell in dieser Reihenfolge auf einem n-GaAs-Substrat 50 durch MOCVD gebildet. Sodann ist verschieden von dem in den 8A und 8B gezeigten herkömmlichen Element 1200 eine p-GaInP-Schicht 60 (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 10 nm), die kein Al enthält, auf der p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 53 in dem in 9 gezeigten Element 1300 gebildet. Da die Schicht 60 als die darunter liegende Schicht während des erneuten Aufwachsprozesses dient, wird Sauerstoff weniger leicht in der erneut aufgewachsenen Zwischenfläche 59 absorbiert, und die Bedingungen für die erneut aufgewachsene Zwischenfläche 59 können im Vergleich mit dem in den 8A und 8B gezeigten herkömmlichen Beispiel verbessert werden.

Der verbleibende Teil des in der 9 gezeigten Elements 1300 ist der gleiche wie derjenige des in der 8B dargestellten Elements 1200. Insbesondere sind eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Stromeinschnürungsschicht 58 (dotiert mit Si, Trägerkonzentration: etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,4 μm), eine p-Al_0,7Ga_0,3As-Stromdiffusionsschicht 54 (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 6 μm) und eine p-GaAs-Schicht 55 für ohm'schen Kontakt (dotiert mit Zn, Trägerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) sequentiell in dieser Reihenfolge auf der p-GaInP-Schicht 60 gebildet.

Im einzelnen ist ein Halbleiter-Lichtemissionselement der eingangs genannten Art aus der EP 0 334 637 A2 bekannt.

Weiterhin ist in der US 5,008,718 eine Leuchtdiode beschrieben, bei der auf eine Seite eines Substrates eine erste Elektrode aufgetragen ist, während eine p-leitende Fensterschicht in ihrer Mitte mit einer zweiten Elektrode versehen ist. Öffnungsbereiche von Stromeinschnürungsschichten und Elektrodenschichten sind hier nicht vorhanden.

Aus der DE 195 31 762 A1 ist eine lichtemittierende Diode bekannt, die in ähnlicher Weise wie die Leuchtdiode der US 5,008,718 mit Elektrodenschichten auf gegenüber liegenden Seiten eines Halbleiterkörpers versehen ist.

Schließlich wird in JP 6-291 365 A (abstract), Patent Abstracts of Japan, JPO, 1994, die kombinatorische Wirkung einer oberen Kontaktelektrode, die mit einem Fenster für Licht versehen ist, das von einem darunter gelegenen Lichtemissionsteil ausgegeben wird, und einer Stromeinschnürungsschicht, die in enger Beziehung zu der oberen Kontaktelektrode ausgebildet ist und ebenfalls eine Öffnung aufweist, beschrieben. Dieser Druckschrift ist so ein Halbleiter-Lichtemissionselement entnehmbar, das fensterartige Öffnungen in einer oberen Kontaktelektrode und in einer Stromeinschnürungsschicht vorsieht, um Licht durch ein Substrat in vertikaler Richtung und nicht durch eine Vorderfront einer aktiven Schicht abzugeben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiter-Lichtemissionselement anzugeben, das sich durch eine hohe Leuchtstärke auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Halbleiter-Lichtemissionselement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Halbleiter-Lichtemissionselement umfaßt: Ein Verbindungshalbleitersubstrat mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Lichtemissionsschicht, eine Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat und kein Al enthält, und eine Stromdiffusionsschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der nicht Al enthält.

Eine Stromeinschnürungsschicht, die den ersten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Al nicht enthaltenden Verbindungshalbleiter hergestellt ist, ist weiterhin zwischen der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht und der Stromdiffusionsschicht vorgesehen.

Die Ladungsträgerkonzentration der Stromdiffusionsschicht kann von einem Bereich hiervon über der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht zu einem Bereich hiervon unterhalb einer oberen Elektrode zunehmen.

Die Lichtemissionsschicht kann eine Doppelheterostruktur haben, in welcher eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, eine AlGaInP- oder GaInP-Aktivschicht und eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp sequentiell in dieser Reihenfolge gebildet sind.

Eine Halbleiterschicht, die eine Lichtreflexionsfunktion erfüllt, kann weiterhin zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat und der Lichtemissionsschicht vorgesehen werden.

Eine Bandabstandeinstellschicht mit einem Zwischenbandabstand kann weiterhin zwischen der Lichtemissionsschicht und der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht vorgesehen sein.

Eine Pufferschicht kann außerdem zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat und der Lichtemissionsschicht angeordnet sein.

Die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die Stromeinschnürungsschicht und die Stromdiffusionsschicht sind aus einem GaP-Verbindungsmaterial hergestellt. Vorzugsweise sind die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die Stromeinschnürungsschicht und die Stromdiffusionsschicht aus einem GaP-Verbindungsmaterial der gleichen Zusammensetzung hergestellt.

Die Stromeinschnürungssschicht kann einen Öffnungsteil in einem Mittenteil des Halbleiter-Lichtemissionselements haben.

Vorzugsweise ist die Dicke der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht gleich wie oder kleiner als etwa 3,0 μm.

Die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht hat eine Ladungsträgerkonzentration in einem Bereich von etwa 2 × 10¹⁶ cm^–3 bis unterhalb 10¹⁷ cm^–3, und die Stromdiffusionsschicht hat eine Ladungsträgerkonzentration von 2 × 10¹⁸ cm^–3 oder mehr.

Ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiter-Lichtemissionselements mit den oben beschriebenen Merkmalen weist die folgenden Schritte auf: Bilden der Lichtemissionsschicht und der kein Al enthaltenden Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht auf dem Verbindungshalbleitersubstrat, und Bilden der Stromdiffusionsschicht über der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht. Ein Wachstumsprozeß wird zu einer vorbestimmten Zeit ausgesetzt, so daß eine Wiederwachstums-Zwischenfläche auf einer Oberfläche der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht gelegen ist.

Im folgenden werden die Funktionen und/oder die Effekte, die durch die vorliegende Erfindung zu erzielen sind, kurz beschrieben.

Die Erfinder haben erkannt, daß die Betriebseigenschaften der in 9 gezeigten LED 1300 noch unbefriedigend sind. Insbesondere hat die LED 1300 einen axialen Streuwinkel von etwa ± 2 Grad und eine Lumineszenz von etwa 24 cd bei einer Betriebsspannung von etwa 2,4 V. Die angenommenen Ursachen hierfür werden im folgenden erläutert.

In der LED 1300 ist die unten liegende Schicht für den Wiederwachstumsprozeß die p-GaInP-Schicht 60, während die wiederaufgewachsene Schicht 54 die p-Al_0,7Ga_0,3As-Stromdiffusionsschicht 54 ist. Diese Schichten 60 und 54 haben verschiedene Elemente der Gruppe V, d. h. Arsen (As) in der Schicht 54 und Phosphor (P) in der Schicht 60. Als ein Ergebnis ist es schwierig, die Schichten 54 und 60 stöchiometrisch aneinander anzupassen. Weiterhin sind die Bedingungen der Wiederwachstums-Zwischenfläche 59 noch unbefriedigend, was zu einer Schicht von hohem Widerstand führt. Folglich werden die injizierten Ladungsträger auch in einem großen Ausmaß verloren.

Die vorliegende Erfindung entstand ausgehend von den obigen Erkenntnissen der Erfinder.

Wenn die vorliegende Erfindung auf das Halbleiter-Lichtemissionselement eines AlGaInP-Legierungssystems angewandt wird, kann das Halbleiter-Lichtemissionselement gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen: Ein Verbindungshalbleitersubstrat mit dem ersten Leitfähigkeitstyp (n-GaAs), eine Pufferschicht (n-GaAs), eine Lichtemissionsschicht (Überzugschicht/Aktivschicht/Überzugschicht), eine Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und kein Al enthält (p-GaP), eine Stromeinschnürungsschicht, die den ersten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält (n-GaP), und eine Stromdiffusionsschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält (p-GaP).

Der Wachstumsprozeß wird ausgesetzt bzw. suspendiert, so daß die Wiederwachstumszwischenfläche auf der Oberfläche der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht gelegen ist, die kein Al enthält. Somit wird Sauerstoff nicht in die Wiederwachstumszwischenfläche absorbiert.

Da zusätzlich die Schichten, die aus dem gleichen GaP-Material hergestellt sind, mit der dazwischen liegenden Wiederwachstumszwischenfläche erzeugt sind, wird kein Zwischenflächenpegel gebildet, der auf einem stöchiometrischen Unterschied beruht.

Folglich kann die vorliegende Erfindung ein Halbleiter-Lichtemissionselement liefern, das einen niedrigen Widerstand und eine hohe Lumineszenz bietet.

Somit macht die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile möglich:
(1) Vorsehen eines Halbleiter-Lichtemissionselementes mit niedrigem Widerstand und hoher Lumineszenz, in welchem kein Sauerstoff in die Wiederwachstums-Zwischenfläche zwischen einer unten liegenden Schicht und einer wiederaufgewachsenen bzw. Wiederwachstumsschicht absorbiert ist, wobei die Erzeugung von Zwischenflächenpegeln vermieden wird, welche auf dem stöchiometrischen Unterschied beruhen, und (2) Vorsehen eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen Halbleiter-Lichtemissionselements.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Die 1 bis 6 zeigen Beispiele, die in der Schichtenfolge, nicht aber in den Ladungsträgerkonzentrationen mit der Erfindung übereinstimmen.
Es zeigen:
1A und 1B ein Halbleiter-Lichtemissionselement gemäß einem ersten Beispiel, wobei 1A eine schematische perspektivische Darstellung ist und 1B eine schematische Schnittdarstellung hiervon angibt,
2 einen Graph, der die Beziehung zwischen der axialen Leuchtstärke und der Dicke der als unten liegende Schicht dienenden p-GaP-Zwischenflächenschicht vor dem Wiederaufwachsen in dem Halbleiter-Lichtemissionselement in dem ersten Beispiel zeigt,
3A und 3B ein Halbleiter-Lichtemissionselement gemäß einem zweiten Beispiel, wobei 3A eine schematische perspektivische Darstellung hiervon ist, und 3B eine schematische Schnittdarstellung hiervon zeigt,
4 einen Graph, der die Beziehung zwischen der Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Zwischenflächenschicht und der axialen Leuchtstärke des Halbleiter-Lichtemissionselementes in dem zweiten Beispiel darstellt, wobei die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Stromdiffusionsschicht als Parameter dient,
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiter-Lichtemissionselements gemäß einem dritten Beispiel,
6 eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiter-Lichtemissionselements gemäß einem vierten Beispiel,
7A und 7B eine herkömmliche Vierfachlegierungs-Leuchtdiode für ein gelbes Band, wobei 7A eine schematische perspektivische Dar stellung hiervon ist, und 7B eine schematische Schnittdarstellung hiervon zeigt,
8A und 8B eine herkömmliche Leuchtdiode für Kommunikation, wobei 8A eine schematische perspektivische Darstellung hiervon ist, und 8B eine schematische Schnittdarstellung längs einer Linie 8B-8B' hiervon zeigt, und
9 eine schematische Schnittdarstellung einer anderen herkömmlichen Leuchtdiode zum Veranschaulichen einer Wiederwachstumszwischenfläche.
BEISPIEL 1
Die 1A und 1B zeigen ein Halbleiter-Lichtemissionselement 100 in einem ersten nicht erfindungsgemäßen Beispiel, wobei 1A eine schematische perspektivische Darstellung hiervon ist, und 1B eine schematische Schnittdarstellung hiervon zeigt.
Wie in 1A gezeigt ist, sind eine n-GaAs-Pufferschicht 11 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm), eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), eine nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P -Aktivschicht 13 (Dicke: etwa 0,7 μm) und eine p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm) sequentiell in dieser Reihenfolge auf einem n-GaAs-Substrat 10 durch MOCVD gebildet. Sodann werden eine p-GaP-Zwischenflächenschicht 15, die kein Al enthält (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm) und eine n-GaP-Stromeinschnürungschicht 16 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) gebildet, und die n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 wird einem Musterungsprozeß unterworfen. Sodann wird eine p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 5 μm) auf der gemusterten Stromeinschnürungsschicht 16 gebildet. Schließlich werden eine n-Elektrode 18 und eine p-Elektrode 19 auf der Rückseite des Substrats 10 bzw. auf der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur gebildet.
Da die Stromdiffusionsschicht 17 eine p-GaP-Schicht mit hoher Ladungsträgerkonzentration ist, ist es nicht erforderlich, eine ohm'sche Kontaktschicht zu bilden. Die n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 wurde geätzt, um eine kreisförmige Öffnung in dem Mittenteil hiervon zu haben. Die Elektrode 19 auf der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur hat ebenfalls eine kreisförmige Öffnung in deren Mittenteil, welche wie ein Fenster für einen Austritt von emittiertem Licht geformt ist.
Das Halbleiter-Lichtemissionselement 100 in dem ersten Beispiel wird in der folgenden Weise hergestellt.
Zunächst werden die n-GaAs-Pufferschicht 11 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm), die n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), die nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 13 (Dicke: etwa 0,7 μm), die p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), die p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), und die n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) kontinuierlich auf dem n-GaAs-Substrat 10 durch MOCVD gebildet.
Sodann wird der Wachstumsprozeß für eine Zeitdauer ausgesetzt, und der Wafer bzw. die Scheibe wird aus dem MOCVD-Gerät herausgenommen und sodann einer Musterung unterworfen, so daß der Mittenteil der n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 in einer kreisförmigen Gestalt mittels erhitzter Schwefelsäure weggeätzt wird. Nachdem der Wafer wieder in dem MOCVD-Gerät angeordnet wurde, beginnt der Wiederwachstumsprozeß, wobei die Wiederwachstumszwischenfläche 20 auf der Oberfläche der Zwischenflächenschicht 15 gelegen ist, und die p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 5 μm) wird auf der gemusterten Stromeinschnürungsschicht 16 aufgewachsen. Schließlich werden die n-Elektrode 18 und die p-Elektrode 19 jeweils auf der Rückseite des Substrats 10 und der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur gebildet.
In diesem Beispiel ist die unten liegende Schicht vor dem Wiederaufwachsen nicht eine p-AlGaInP-Überzugschicht, wie in dem in den 8A und 8B gezeigten herkömmlichen Element 1200, sondern die kein Al enthaltende p-GaP-Zwischenflächenschicht 15. Daher wird die Wiederwachstumszwischenfläche 20 nicht oxidiert. Zusätzlich sind die p-GaP-Schichten 15 und 17, die aus dem gleichen Halbleitermaterial mit der gleichen Zusammensetzung hergestellt sind, mit der dazwischen liegenden Wiederwachstumszwischenfläche 20 gebildet, so daß kein Unterschied zwischen den Stöchiometrien hiervon verursacht wird. Als Ergebnis ist der Widerstand nicht erhöht, und es werden im wesentlichen keine Ladungsträger verloren.
Wenn das Halbleiter-Lichtemissionselement 100 von diesem Beispiel mit einem Harz geformt und die Betriebseigenschaften hiervon gemessen werden, so können befriedigende Ergebnisse erhalten werden: Die Lumineszenz hiervon beträgt etwa 32 cd (dargestellt durch eine axiale Leuchtstärke), und die Betriebsspannung hiervon beträgt etwa 2,0 V.
Ganz allgemein entspricht das n-GaAs-Substrat 10 einem Verbindungshalbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps, die n-GaAs-Pufferschicht 11 entspricht einer Pufferschicht, die zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps und der Lichtemissionsschicht gelegen ist, eine Mehrschichtstruktur mit der n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12, der nicht-dotierten (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 13 und der p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14 entspricht der Lichtemissionsschicht, die p-GaP-Zwischenflächenschicht 15, die kein Al enthält, entspricht der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und kein Al enthält, die n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 entspricht einer Stromeinschnürungsschicht, die den ersten Leitfähigkeitstyp hat und kein Al enthält, und die p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 entspricht einer Stromdiffusionsschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält.
Alternativ besitzt das Halbleiter-Lichtemissionselement eine Lichtemissionsschicht, die eine Doppelheterostruktur hat, die aufweist:
Eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, eine AlGaInP- oder GaInP-Aktivschicht, die den ersten oder den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist oder keine Dotierstoffe hat, und eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat, wird verwendet.
Darüber hinaus ist das Halbleiter-Lichtemissionselement nicht auf die Emission im gelben Band begrenzt. Das beschriebene Halbleiter-Lichtemissionselement kann eine Emission im roten Band, bei der eine Aktivschicht jeweils aus GaInP oder (Al_0,05Ga_0,95)_0,5In_0,5P (die sich ergebende Wellenlänge beträgt etwa 655 nm bzw. 644 nm) hergestellt ist, eine Emission im orangen Band, bei der eine Aktivschicht aus (Al_0,2Ga_0,8)_0,5In_0,5P (die sich ergebende Wellenlänge beträgt etwa 610 nm) hergestellt ist, eine Emission im gelben Band, bei der eine Aktivschicht aus (Al_0,38Ga_0,55)_0,5In_0,5P (die sich ergebende Wellenlänge beträgt etwa 570 nm) hergestellt ist, und eine Emission im grünen Band, bei der eine Aktivschicht aus (Al_0,45Ga_0,55)_0,5In_0,5P (die sich ergebende Wellenlänge beträgt etwa 560 nm) hergestellt ist, zeigen.
Die Zusammensetzung der Überzugschicht ist nicht auf (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P begrenzt, sondern kann Al_0,5In_0,5P sein. Weiterhin ist ein Halbleiter-Lichtemissionselement, bei dem das Halbleitersubstrat vom p-Leitfähigkeitstyp ist und die Leitfähigkeitstypen der jeweiligen Schichten entgegengesetzt zu den oben beschriebenen Leitfähigkeiten sind, möglich.
2 zeigt die Beziehung zwischen der axialen Leuchtstärke und der Dicke der als eine unten liegende Schicht dienenden p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 vor dem Wiederaufwachsen für das Halbleiter-Lichtemissionselement 100. Die Dicke der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 wird als konstant angenommen (bei etwa 5 μm).
Der Punkt in der Nähe der Abszisse bei Null stellt dar, daß die Dicke der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 angenähert etwa 0,01 μm beträgt. Die sich ergebenden axialen Leuchtstärken sind hoch (in dem Bereich von 31 cd bis 33 cd) bezüglich den Dicken der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 von etwa 0,5 μm, etwa 1,0 μm, etwa 1,5 μm und etwa 2,0 μm. Wenn jedoch die Dicke der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 den Wert von 2,5 μm und dann von 3,0 μm oder mehr überschreitet, nimmt die axiale Leuchtstärke dramatisch ab. Dies beruht vermutlich darauf, daß ein größerer Stromanteil in umgebende Bereiche, die unter der oberen Elektrode 19 liegen, in der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 eindringt. Somit liegt die Dicke der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 bevorzugt in dem Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 3,0 μm.
BEISPIEL 2
Die 3A und 3B veranschaulichen ein Halbleiter-Lichtemissionselement 200 gemäß dem zweiten nicht erfindungsgemäßen Beispiel, wobei 3A eine schematische perspektivische Darstellung hiervon zeigt und 3B eine schematische Schnittdarstellung hiervon ist.
Das in dem zweiten Beispiel in den 3A und 3B gezeigte Halbleiter-Lichtemissionselement 200 unterscheidet sich von dem Halbleiter-Lichtemissionselement 100 des ersten Beispiels, das in den 1A und 1B gezeigt ist, dadurch, daß eine p-(Al_0,2Ga_0,8)_0,75In_0,25P-Bandabstand-Einstellschicht 21 zwischen der p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14 und der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 vorgesehen ist, und daß Öffnungen in dem Lichtemissionsbereich der Stromeinschnürungsschicht 16 und der Elektrode 19 in einer rechteckigen Gestalt geformt sind.
Wie in 3B gezeigt ist, sind eine n-GaAs-Pufferschicht 11 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm), eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), eine nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 13 (Dicke: etwa 0,7 μm) und eine p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,15 μm) sequentiell in dieser Reihenfolge auf einem n-GaAs-Substrat 10 durch MOCVD gebildet. Sodann sind darauf eine p-(Al_0,2Ga_0,8)_0,75In_0,25P-Bandabstand-Einstellschicht 21 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,2 μm), eine p-GaP-Schicht 15, die kein Al enthält (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: 1 bis etwa 5 μm), und eine n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) gebildet.
Sodann wird der Wachstumsprozeß für eine Zeitdauer ausgesetzt, und der Wafer wird aus dem MOCVD-Gerät genommen und anschließend einer Musterung unterworfen, so daß der Mittenteil der n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 in einer rechteckigen Gestalt mittels erwärmter Schwefelsäure weggeätzt wird. Danach wird der Wafer wieder in dem MOCVD-Gerät angeordnet, der Wiederaufwachsprozeß beginnt, wobei die Wiederaufwachszwischenfläche 20 auf der Oberfläche der Zwischenflächenschicht 15 gelegen ist, und die p-GaP-Strom diffusionsschicht 17 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 5 μm) wird auf der gemusterten Stromeinschnürungsschicht 16 gebildet. Schließlich werden eine n-Elektrode 18 und eine p-Elektrode 19 auf der Rück- bzw. Unterseite des Substrates 10 bzw. auf der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur erzeugt.
Die n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 wurde weggeätzt, so daß eine rechteckige Öffnung durch deren Mittenteil vorliegt. Die Elektrode 19 auf der Oberseite der Struktur hat auch eine rechteckige Öffnung in deren Mittenteil, die ähnlich wie ein Fenster für den Austritt des emittierten Lichts gestaltet ist.
Die Bandabstand-Einstellschicht (d.h. die p-(Al_0,2Ga_0,8)_0,75In_0,25P-Bandabstand-Einstellschicht) 21 hat einen Bandabstand, der zwischen dem Bandabstand der unten liegenden Überzugschicht (d.h. der p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht) 14 und dem Bandabstand der Zwischenflächenschicht (d.h. der p-GaP-Schicht) 15 gelegen ist, und dient dazu, den Widerstandswert in der Zwischenfläche zwischen diesen Schichten 14 und 15 zu reduzieren. Insbesondere beträgt der Bandabstand der Überzugschicht 14 etwa 2,33 eV, der Bandabstand der Bandabstand-Einstellschicht 21 beträgt etwa 2,55 eV, und der Bandabstand der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 beträgt etwa 2,78 eV.
Wenn das Halbleiter-Lichtemissionselement, das in den 3A und 3B gezeigt ist, mit einem Harz eingeformt wird und die Betriebskennlinien hiervon gemessen werden, so beträgt die Lumineszenz etwa 34 cd (dargestellt durch eine axiale Leuchtstärke), und die Betriebsspannung liegt bei etwa 1,9 V.
Zusätzlich kann die Auslegungsregel der Bandabstand-Einstellschicht 21 wie folgt betrachtet werden. Insbesondere wird angenommen, daß die Energieposition der Unterkante des Leitungsbandes der Bandabstand-Einstellschicht 21 vor der Bildung des Übergangs zwischen der Energieposition der Unterkante des Leitungsbandes der Überzugschicht 14 vor der Bildung des Übergangs und der Energieposition der Unterkante des Leitungsbandes der GaP-Zwischenflächenschicht 15 vor der Bildung des Übergangs gelegen ist. Zusätzlich wird angenommen, daß die Energieposition der Oberkante des Valenzbandes der Bandabstand-Einstellschicht 21 vor der Bildung des Übergangs zwischen der Energieposition der Oberkante des Valenzbandes der Überzugschicht 14 vor der Bildung des Übergangs und der Energieposition der Oberkante des Valenz bandes der GaP-Zwischenflächenschicht 15 vor der Bildung des Übergangs gelegen ist.
4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den Ladungsträgerkonzentrationen der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 und der axialen Leuchtstärke des Halbleiter-Lichtemissionselements 200 mit der in den 3A und 3B gezeigten Struktur zeigt, wobei die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 als Parameter dient.
Wenn in 4 die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3 beträgt (bezeichnet durch ∎, d.h. durch schwarze Quadrate), entsprechen die Ladungsträgerkonzentrationen der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 von etwa 2 × 10¹⁷ cm^–3, etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3 und etwa 5 × 10¹⁸ cm^–3 den axialen Leuchtstärken von etwa 10 cd, etwa 10 cd, etwa 7 cd, etwa 5 cd, etwa 3 cd bzw. etwa 2 cd. Wenn in ähnlicher Weise die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 beträgt (dargestellt durch Δ, d.h. durch weiße Dreiecke), entsprechen die axialen Leuchtstärken von etwa 25 cd, etwa 25 cd, etwa 20 cd, etwa 13 cd, etwa 8 cd und etwa 2 cd den oben erwähnten jeweiligen Ladungsträgerkonzentrationen der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15. Wenn die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3 beträgt (dargestellt durch O, d.h. durch weiße Kreise), entsprechen die axialen Leuchtstärken von etwa 33 cd, etwa 34 cd, etwa 32 cd, etwa 30 cd, etwa 20 cd und etwa 5 cd den oben erwähnten jeweiligen Ladungsträgerkonzentrationen der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15. Wenn weiterhin die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 etwa 5 × 10¹⁸ cm^–3 beträgt (dargestellt durch 0, d.h. durch weiße Quadrate), dann entsprechen die axialen Leuchtstärken von etwa 33 cd, etwa 35 cd, etwa 33 cd, etwa 30 cd, etwa 21 cd und etwa 15 cd den oben erwähnten jeweiligen Ladungsträgerkonzentrationen der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15.
Aus den in 4 gezeigten Ergebnissen kann gesehen werden, daß dann, wenn die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 (d. h. der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und kein Al enthält) niedrig ist und die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 (d. h. der Stromdiffusions schicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält) hoch ist, die sich ergebende Leuchtstärke hoch ist. Insbesondere ist der geeignete Ladungsträgerkonzentrationsbereich der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 gleich zu oder niedriger als etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3, und der geeignete Ladungsträgerkonzentrationsbereich der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 ist gleich zu oder höher als etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3. Wenn die Ladungsträgerkonzentration der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 niedriger als etwa 2 × 10¹⁶ cm^–3 wird, so steigt die Betriebsspannung an. Somit wird erfindungsgemäß angenommen, daß die untere Grenze des optimalen Ladungsträgerkonzentrationsbereichs der p-GaP-Zwischenflächenschicht 15 etwa 2 × 10¹⁶ cm^–3 ist.
BEISPIEL 3
5 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiter-Lichtemissionselements 300 gemäß dem dritten nicht erfindungsgemäßen Beispiel.
Das Halbleiter-Lichtemissionselement 300 in dem dritten Beispiel, das in der 5 gezeigt ist, unterscheidet sich von dem Halbleiter-Lichtemissionselement 100 in dem ersten Beispiel, das in den 1A und 1B dargestellt ist, dadurch, daß die p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 (d. h. die Stromdiffusionsschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält) eine Doppelschichtstruktur aufweist. Der untere Teil 17a der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 ist mit Zn dotiert, weist eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3 auf und hat eine Dicke von etwa 2 μm. Der obere Teil 17b der p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 ist mit Zn dotiert, hat eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3 und weist eine Dicke von etwa 3 μm auf.
Wie in 5 gezeigt ist, sind eine n-GaAs-Pufferschicht 11 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm), eine n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm), eine nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 13 (Dicke: etwa 0,7 μm) und eine p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14 (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm) sequentiell in dieser Reihenfolge auf einem n-GaAs-Substrat 10 durch MOCVD gebildet. Sodann wer den eine p-GaP-Zwischenflächenschicht 15, die kein Al enthält (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 2 μm) und eine n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) darauf gebildet.
Sodann wird der Wachstums- bzw. Aufwachsprozeß für eine Zeitdauer ausgesetzt, und der Wafer wird aus dem MOCVD-Gerät genommen und anschließend einer Musterung unterworfen, so daß der Mittenteil der n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 in einer kreisförmigen Gestalt mittels erwärmter Schwefelsäure weggeätzt wird. Nachdem der Wafer wieder in dem MOCVD-Gerät angeordnet ist, beginnt der Wiederaufwachsprozeß, wobei die Wiederaufwachszwischenfläche 20 auf der Oberfläche der Zwischenflächenschicht 15 gelegen ist, und die erste p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17a (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 1 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 2 μm) und die zweite p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17b (dotiert mit Zn, Ladungsträgerkonzentration: etwa 3 × 10¹⁸ cm^–3, Dicke: etwa 3 μm) werden als die doppelschichtige p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17 über der gemusterten Stromeinschnürungsschicht 16 gebildet. Schließlich werden eine n-Elektrode 18 und eine p-Elektrode 19 auf der Unter- bzw. Rückseite des Substrats 10 bzw. der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur erzeugt.
Die n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16 wird geätzt, so daß eine kreisförmige Öffnung in dem Mittenteil hiervon vorliegt, wie dies in 5 gezeigt ist. Die Elektrode 19 auf der Oberseite der Struktur hat auch eine kreisförmige Öffnung in deren Mittenteil, die wie ein Fenster für den Austritt des dort hindurch emittierten Lichts gestaltet ist.
In dieser Elementstruktur entspricht die Grenze zwischen der GaP-Zwischenflächenschicht und der GaP-Stromdiffusionsschicht in äquivalenter Weise der Grenze zwischen der ersten p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17a und der zweiten p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17b hinsichtlich der Ladungsträgerkonzentrationen hiervon. Mit anderen Worten, das Halbleiter-Lichtemissionselement 300 des vorliegenden Beispiels hat eine Struktur, bei der die Ladungsträgerkonzentration der Stromdiffusionsschicht 17, die den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält, von dem Teil über der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht 15 zu dem Bereich unter der oberen Elektrode 19 zunimmt.
Wenn das Halbleiter-Lichtemissionselement 300 mit Harz eingeformt wird und die Betriebseigenschaften hiervon gemessen werden, so sind die sich ergebenden Betriebseigenschaften ebenfalls befriedigend: Die Lumineszenz beträgt etwa 35 cd (dargestellt durch eine axiale Leuchtstärke), und die Betriebsspannung mißt etwa 1,9 V
BEISPIEL 4
6 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiter-Lichtemissionselements 400 gemäß dem vierten nicht erfindungsgemäßen Beispiel.
Das Halbleiter-Lichtemissionselement 400 des vierten Beispiels, das in 6 gezeigt ist, unterscheidet sich von dem Halbleiter-Lichtemissionselement 100 in dem ersten Beispiel, das in den 1A und 1B gezeigt ist, dadurch, daß eine lichtreflektierende Schicht 22, in welcher 10 Paare von n-Al_0,5In_0,5P-Schichten (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) und (Al_0,4Ga_0,6)_0,5In_0,5P-Schichten (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) abwechselnd ausgebildet sind, zwischen der n-GaAs-Pufferschicht 11 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 0,5 μm) und der n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12 (dotiert mit Si, Ladungsträgerkonzentration: etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3, Dicke: etwa 1,5 μm) vorgesehen ist.
Wenn das Halbleiter-Lichtemissionselement 400 mit Harz eingeformt wird und die Betriebskennlinien hiervon gemessen werden, so sind die sich ergebenden Betriebskennlinien bzw. -eigenschaften ebenfalls befriedigend: Die Lumineszenz beträgt etwa 48 cd (dargestellt durch eine axiale Leuchtdichte), und die Betriebsspannung mißt etwa 1,9 V.
6 zeigt das n-GaAs-Substrat 10, die n-GaAs-Pufferschicht 11, die n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12, eine nicht-dotierte (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 13, eine p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14, eine p-GaP-Zwischenflächenschicht 15, die kein Al enthält, eine n-GaP-Stromeinschnürungsschicht 16, eine p-GaP-Stromdiffusionsschicht 17, eine n-Elektrode 18 auf der Unter- bzw. Rückseite des Substrats 10, eine p-Elektrode 19 auf der Oberseite der aufgewachsenen Schichtstruktur, eine Wiederaufwachszwischenfläche 20 und die lichtreflektierende Schicht 22. Die La dungsträgerkonzentrationen und die Dicken der jeweiligen Schichten sind mit Ausnahme der lichtreflektierenden Schicht 22 die gleichen wie diejenigen, die anhand der 1A und 1B beschrieben sind.
Das Verfahren zum Herstellen des Halbleiter-Lichtemissionselements 400 in diesem Beispiel ist ähnlich zu denjenigen, die in den vorangehenden Beispielen verwendet sind. Die Erläuterung hierfür wird entsprechend weggelassen.
Allgemein liegt in diesem Halbleiter-Lichtemissionselement 400 eine Halbleiterschicht 22, die eine Lichtreflexionsfunktion erfüllt, zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat 10 mit dem ersten Leitfähigkeitstyp (n-GaAs-Substrat) und einer Lichtemissionsschicht. Die Lichtemissionsschicht entspricht der n-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 12, der nicht-dotierten (Al_0,3Ga_0,7)_0,5In_0,5P-Aktivschicht 13 und der p-(Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P-Überzugschicht 14.
Wie oben beschrieben wurde, umfaßt das Halbleiter-Lichtemissionselement: Ein Verbindungshalbleitersubstrat mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Lichtemissionsschicht, eine Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat und kein Al enthält, und eine Stromdiffusionsschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält. Durch Verwenden einer derartigen Struktur ist es möglich, ein Halbleiter-Lichtemissionselement zu erzeugen, das einen niedrigen Widerstand und eine hohe Leuchtstärke hat, in welchem Sauerstoff nicht in die Wiederaufwachszwischenfläche zwischen der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht und der Stromdiffusionsschicht, die beide kein Al enthalten, absorbiert wird.
Bei dem Halbleiter-Lichtemissionselement kann eine Stromeinschnürungsschicht, die den ersten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält, zwischen der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht und der Stromdiffusionsschicht vorgesehen werden. Bei einer derartigen Struktur kann der Strom in einem schmalen Bereich konzentriert werden. Als ein Ergebnis kann die Fleckgröße des emittierten Lichts reduziert werden, und daher wird ein Halbleiter-Lichtemissionselement mit einer gesteigerten Leuchtstärke realisiert. Folglich können die Lichtkonzentrationseigenschaften des sich ergebenden Halbleiter-Lichtemissionselements, das eingekapselt wurde, verbessert werden, und die axiale Leuchtstärke hiervon kann gesteigert werden.
Darüber hinaus kann in dem Halbleiter-Lichtemissionselement die Ladungsträgerkonzentration der Stromdiffusionsschicht von einem Bereich hiervon über der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht zu einem Bereich hiervon unter einer oberen Elektrode anwachsen. In einer derartigen Struktur diffundieren die Fremdstoffe, die den zweiten Leitfähigkeitstyp liefern, nicht durch die Stromdiffusionsschicht und die Überzugschicht in die Aktivschicht, so daß die Kristallinität des Elements nicht verschlechtert oder zerstört wird, und daher nimmt die Leuchtstärke des Elements nicht ab.
Weiterhin kann die Lichtemissionsschicht in dem Halbleiter-Lichtemissionselement eine Doppelheterostruktur haben, bei welcher eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, eine AlGaInP- oder GaInP-Aktivschicht, die den ersten oder den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist oder keine Dotierstoffe hat, und eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, sequentiell in dieser Reihenfolge gebildet sind. Die Überzugschichten, die aus AlGaInP oder AlInP hergestellt sind, haben einen großen Bandabstand und werden leicht oxidiert, um so ein nicht-strahlendes Niveau zu erzeugen. Da jedoch die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält, darauf gebildet ist, kann eine bemerkenswerte Oxidations-Sperrwirkung erreicht werden.
Weiterhin kann in dem Halbleiter-Lichtemissionselement eine eine Lichtreflexionsfunktion liefernde Halbleiterschicht zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat und der Lichtemissionsschicht vorgesehen werden. In einer derartigen Struktur kann das zu dem Substrat emittierte Licht reflektiert werden, so daß es aus dem Halbleiter-Lichtemissionselement emittiert wird, und daher kann die Leuchtstärke des Elements gesteigert werden.
Weiterhin kann in dem Halbleiter-Lichtemissionselement eine Bandabstand-Einstellschicht mit einem Zwischenbandabstand zwischen der Lichtemissionsschicht und der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht vorgesehen werden. In einer derartigen Struktur kann der Widerstand zwischen der Lichtemissionsschicht und der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht reduziert werden, und daher kann die Betriebsspannung des Elements ebenfalls herabgesetzt werden.
Weiterhin kann in dem Halbleiter-Lichtemissionselement der vorliegenden Erfindung eine Pufferschicht zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat und der Lichtemissionsschicht vorgesehen werden. In einer derartigen Struktur kann die Kristallinität der auf der Pufferschicht aufzuwachsenden Lichtemissionsschicht verbessert werden, und daher kann die Leuchtstärke des Elements gesteigert werden.
Weiterhin ist in dem Halbleiter-Lichtemissionselement jede Schicht aus der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, der Stromeinschnürungsschicht und der Stromdiffusionsschicht aus dem GaP-Verbindungsmaterial hergestellt. Somit kann die Erzeugung eines Zwischenflächenniveaus aufgrund des Unterschieds in den Stöchiometrien verhindert werden, und es werden im wesentlichen keine Ladungsträger in der Zwischenfläche verloren. Als Ergebnis kann die Leuchtstärke des Elements erhöht werden.
Weiterhin kann in dem Halbleiter-Lichtemissionselement die Stromeinschnürungsschicht eine Öffnung in einem Mittenteil des Halbleiter-Lichtemissionselements haben. Bei einer derartigen Struktur kann der Strom in den Mittenteil konzentriert werden, und daher kann ein kleiner und hochkonzentrierter Lichtfleck in dem Mittenteil des Elements gebildet werden. Somit kann ein Halbleiter-Lichtemissionselement mit einer hohen Leuchtstärke vorgesehen werden. Folglich sind die Lichtkonzentrationseigenschaften des geformten Elements beträchtlich verbessert, und die axiale Leuchtstärke hiervon kann weiter gesteigert werden.
Weiterhin kann in dem Halbleiter-Lichtemissionselement die Dicke der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht gleich zu oder kleiner als 3,0 μm sein. Bei einer derartigen Struktur können die Stromkomponenten, die von dem Mittenteil des Elements zu den umgebenden Teilen diffundieren, in der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht reduziert werden, und daher kann die Leuchtstärke in dem Mittenteil des Elements weiter erhöht werden.
Weiterhin hat in dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Lichtemissionselement die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht eine Ladungsträgerkonzentration in einem Bereich von etwa 2 × 10¹⁶ cm^–3 bis unterhalb 10¹⁷ cm^–3, und die Stromdiffusionsschicht weist eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3 oder mehr auf. Mit einer derartigen Struktur ist es möglich, zuver lässig zu verhindern, daß Fremdstoffe, die den zweiten Leitfähigkeitstyp erzeugen, zu der Lichtemissionsschicht diffundieren. Der Strom kann in befriedigenderer Weise diffundiert werden, was zu einer erhöhten Leuchtstärke des Elements führt.
Entsprechend dem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Lichtemissionselements liegt eine Wiederaufwachszwischenfläche auf der Oberfläche der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht. Somit kann das Verfahren die Menge von Sauerstoff reduzieren, die in die Wiederaufwachszwischenfläche absorbiert wird.
Es wird also ein Halbleiter-Lichtemissionselement geschaffen, das aufweist: Ein Verbindungshalbleitersubstrat mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Lichtemissionsschicht, eine Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht, die einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat und kein Al enthält, und eine Stromdiffusionsschicht, die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, der kein Al enthält.

Claims

Halbleiter-Lichtemissionselement umfassend: – ein Verbindungshalbleitersubstrat (10) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, – eine Lichtemissionsschicht (13), – eine Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15), die einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat, – eine Stromdiffusionsschicht (17), die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, – eine Stromeinschnürungsschicht (16), die den ersten Leitfähigkeitstyp hat und zwischen der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15) und der Stromdiffusionsschicht (17) vorgesehen ist, wobei das Material der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15), der Stromeinschnürungsschicht (16) und der Stromdiffusionsschicht (17) jeweils kein Al enthält, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15), die Stromeinschnürungsschicht (16) und die Stromdiffusionsschicht (17) jeweils aus einem GaP-Verbindungsmaterial hergestellt sind, und die Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15) eine Ladungsträgerkonzentration in einem Bereich von 2 × 10¹⁶ cm^–3 bis unterhalb 10¹⁷ cm^–3 hat, und die Stromdiffusionsschicht (17) eine Ladungsträgerkonzentration von 2 × 10¹⁸ cm^–3 oder mehr aufweist.
Halbleiter-Lichtemissionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsträgerkonzentration der Stromdiffusionsschicht (17) von einem Bereich hiervon über der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15) zu einem Bereich hiervon unter einer Elektrodenschicht (19) anwächst.
Halbleiter-Lichtemissionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemissionsschicht (13) eine Doppelheterostruktur hat, in welcher eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht (12) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, eine AlGaInP- oder GaInP-Aktivschicht (13) und eine AlGaInP- oder AlInP-Überzugschicht (14) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp se quenziell in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
Halbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbleiterschicht, die eine Lichtreflexionsfunktion liefert, außerdem zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat (10) und der Lichtemissionsschicht (13) vorgesehen ist.
Halbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bandabstand-Einstellschicht (14) mit einem Zwischenbandabstand außerdem zwischen der Lichtemissionsschicht (13) und der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15) vorgesehen ist.
Halbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pufferschicht (11) außerdem zwischen dem Verbindungshalbleitersubstrat (10) und der Lichtemissionsschicht (13) vorgesehen ist.
Halbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromeinschnürungsschicht (16) einen Öffnungsteil in einem Mittenteil des Halbleiter-Lichtemissionselements (100, 200, 300, 400) hat.
Halbleiter-Lichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verbindungshalbleiter-Zwischenflächenschicht (15) gleich zu oder kleiner als 3,0 μm ist.