DE19829666A1 - Lichtemittierende Diode mit asymmetrischer Energiebandstruktur - Google Patents

Lichtemittierende Diode mit asymmetrischer Energiebandstruktur

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Description

Die Erfindung betrifft lichtemittierende Dioden hoher Leistungsfähigkeit, ins besondere doppelte lichtemittierende Heterodioden mit asymmetrischer Energiebandstruktur.
Der Stand der Technik ist wie folgt. Der Aufbau herkömmlicher lichtemittierender Dioden aus Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid ist in Fig. 1 dargestellt. Ein n-leitendes Gallium-Arsen (GaAs) Substrat 11 hat eine untere Elektrode 10. Eine n-leitende AlGaInP plattierte Schicht 12 ist auf dem Substrat 11 angeordnet und mit einer undotierten aktiven AlGaInP-Schicht 13 bedeckt. Über der Schicht 13 ist eine p-leitende AlGaInP plattierte Schicht 14 angeordnet. Darüber ist eine p-leitende Gallium-Phosphid (GaP) Schicht 15 über der Schicht 14 vorgesehen. Auf der Schicht 15 ist eine p-leitende Elektrode 16 angeordnet.
Die Energiebandlücke des AlGaInP ist proportional zu der Aluminium Molfraktion. Wenn die Aluminium Molfraktion in der plattierten Schicht 14 größer ist als die Molfraktion in der aktiven Schicht 13, ist der Einschlußeffekt der Elektronen besser. In früheren Untersuchungen des AlGaInP-Materials wurde angenommen, daß, wenn (Al × Ga1 - x)0,5 In0,5P an das GaAs Substrat gitterförmig angepaßt ist, das Material von einer direkten Energiebandlücke in eine indirekte Energiebandlücke mit einem Überlappungspunkt x = 0,7 verändert werden kann. Die Beziehung zwischen der direkten Energiebandlücke und dem Wert von x wird durch folgende Formel bestimmt:
Eg(x) = 1,91 + 0,61 × (eV) (1).
Forscher haben herausgefunden, daß der Grad des Einschlußeffektes der Elektronen in Beziehung steht zur Energiebandlücke. Im allgemeinen ist die Leitungsbandabweichung (ΔEc) proportional zur Energiebandabweichung (ΔEg). Mit anderen Worten erwägen Forscher, daß die maximale Leitungsbandabweichung ΔEc vorkommt, wenn x = 0,7 ist. Zum Beispiel ist der Einschlußeffekt des doppelten heterogenen Zonenübergangs AlGaInP am größten, wenn x = 0,7 ist. Jedoch fanden Forscher jüngst heraus, daß der Überlappungspunkt einen niedrigeren Wert hat als 0,7, wenn das Material von der direkten Energiebandlücke in die indirekte Energiebandlücke verändert wurde. Wenn dieser doppelte heterogene Zonenübergang AlGaInP benutzt wird, um kurzwelliges gelb-grünes oder reines grünes Licht emittierende Dioden zu erzielen, ist der Lichtemissionsgrad gering.
Kürzlich fanden D.J. Mowbvey and A.D. Print heraus, daß der Übergangspunkt von der direkten Energiebandlücke zur indirekten Energiebandlücke von AlGaInP stattfindet, wenn die Aluminiumfraktion (x Al) im Bereich von 0,5 0,53 beträgt. Daher ist die maximale direkte Energiebandlücke nach Gleichung (1) 2,23 eV statt 2,34 eV. Falls ΔEc/ΔEg = 0,6 ist, zeigt die folgende Tabelle den Unterschied im Einschlußeffekt für verschiedene Werte von x an:
Aus der Tabelle ergibt sich, daß wenn AlGaInP als plattierte Schicht benutzt wird, der Einschlußeffekt, insbesondere für die obere p-leitende Einschlußschicht nicht gut ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Lumineszensausbeute von lichtemittierenden Dioden zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Einschlußeffekt von lichtemittierenden Dioden so zu verbessern, daß ein Überlauf des Trägers verhindert wird. Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Material mit einer hohen Energiebandlücke als Fenstermaterial für LED aufzuzeigen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgaben durch die Bereitstellung einer Energiesperrschicht zur Verbesserung des Einschlußeffektes und zur Verhinderung des Überlaufs des Trägers. Ein Material mit einer hohen Energiebandlücke wird verwendet als obere p-leitende plattierte Schicht, um einen Überlauf des Trägers zu verhindern und verbessert somit die Quantenausbeute. Das Material für den hohen Bandabstand dient auch als Fenstermaterial und zur Verhinderung von Stromstau.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die nach dem Stand der Technik bekannte lichtemittierende Diode,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Diode,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der lichtemittierenden Diode nach der Erfindung,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der lichtemittierenden Diode nach der Erfindung,
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der lichtemittierenden Diode nach der Erfindung,
Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform der lichtemittierenden Diode nach der Erfindung,
Fig. 7 eine sechste Ausführungsform der lichtemittierenden Diode nach der Erfindung,
Fig. 8 eine siebte Ausführungsform der lichtemittierenden Diode nach der Erfindung,
Fig. 9 eine achte Ausführungsform der lichtemittierenden Diode nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt die erste Ausführungsform einer asymmetrischen Bandstruktur einer doppelten Heterodiode. Ein n-leitender Gallium-Arsen (GaAs) Halbleiter wird benutzt als Substrat 21, unter dem eine Elektrode 20 angeordnet ist. Über dem Substrat 21 ist eine n-leitende plattierte AlGaInP-Schicht vorgesehen, über der eine aktive AlGaInP-Schicht 23 angeordnet ist. Eine eine hohe Bandlücke einschließende Schicht liegt auf der Oberfläche der Schicht 23 und weist eine obere Elektrode 26 auf.
Bei Vergleich von Fig. 2 mit Fig. 1 ist die p-leitende Schicht GaP als plattierte Schicht statt der üblichen AlGaInP-Schicht 14 und der p-leitenden GaP-Schicht 15 als Fenster verwendet. Die Verwendung der p-leitenden GaP-Schicht 25 als plattierte Schicht hat folgende Vorteile:
  • 1. Die GaP plattierte Schicht 25 hat eine höhere Energielücke. Der Erfinder hat nachgewiesen, daß die GaP-Schicht 25 mindestens eine Differenz in der Energielücke von 100 meV (Energielücke) verglichen zur AlGaInP-Schicht 14 hat. Nach der Erfindung wird eine GaP-Schicht 25 als plattierte Schicht benutzt und verstärkt die Einschlußenergie um mehr als 60 meV (bei Annahme von ΔEc/ΔEg = 0,6) und die Quantenausbeute der AlGaInP LED kann stark wachsen.
  • 2. Die p-leitende Schicht 25 hat eine höhere Trägerkonzentration als AlGaInP. Allgemein kann die Trägerkonzentration von AlGaInP nicht 1 x = 1018 cm-3 erreichen, aber die Trägerkonzentration der p-leitenden GaP plattierten Schicht 25 kann leicht 3 x = 1018 cm-3 erreichen. Theoretisch ist die Trägerkonzentration um so höher, je höher die effektive Potentialhöhe und je niedriger der Trägerüberlauf ist.
  • 3. Die p-leitende GaP-Schicht 25 dient auch als Fensterschicht. Die p-leitende GaP-Schicht 25 hat einen spezifischen Widerstand von 0,05 Ω - cm verglichen mit dem spezifischen Widerstand von AlGaInP von 0,5 Ω - cm. Zusätzlich absorbiert die GaP-Schicht 25 kein Licht von der aktiven Schicht. Daher hat die GaP-Fensterschicht den Vorteil hoher elektrischer Leitfähigkeit und optischer Transparenz.
    Die obere als Bandlücke dienende plattierte Schicht kann auch aus anderen Materialien als GaP bestehen wie Aluminium-Gallium-Phosphid, Gallium-Indium-Phosphid und Gallium-Arsenid-Phosphid.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bodenschicht ist die erste Elektrode 30, über der sich das n-leitende GaAs-Substrat 31 befindet. Eine Einschlußschicht AlGaInP 32 ist über dem Substrat 31 angeordnet und mit einem transparenten elektrisch leitenden dünnen Oxidfilm 351 bedeckt. Eine zweite Elektrode 36 ist mit dem Oxidfilm 351 in Kontakt, der üblicherweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) besteht.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bodenschicht ist eine erste Elektrode 40, über der das n-leitende GaAs-Substrat 41 angeordnet ist. Auf dem Substrat 41 befindet sich ein verteilter Bragg'scher Reflektor (DBR) 412. Der Bragg'sche Reflektor dient zum Zurückstrahlen der abwärts gerichteten Strahlung in eine aufwärts gerichtete Strahlung, um so die Intensität des Lichts zu verstärken. Über der Schicht 412 des Bragg'schen Reflektors ist eine erste AlGaInP plattierte Schicht 42. Eine zweite plattierte Schicht 45 mit hoher Leitfähigkeit ist über der aktiven AlGaInP-Schicht 43 angeordnet und mit einer zweiten Elektrode 46 bedeckt.
Das Material für den Bragg'schen Reflektor kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus AlGaInP, Aluminium-Gallium-Arsenid und Gallium-Arsenid besteht.
Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Struktur umfaßt eine Bragg'sche Reflektor-Schicht 512 und einen dünnen leitfähigen Oxidfilm 551.
Durch die Fehlanpassung des Gitters von GaP mit dem GaAs-Substrat kann die Gitterkonstante um ungefähr 3,6% differieren. Wenn GaP direkt auf der aktiven AlGaInP- Schicht angeordnet wird, kann sich daher eine Verlagerung an der Zwischenschicht ergeben, die ein nichtstrahlendes Rekombinations-Zentrum und eine verminderte Quantenausbeute bewirkt. Zur Verbesserung kann eine dünne Schicht zur Anpassung des GaAs-Substrats verwendet werden, bevor die GaP plattierte Schicht aufgebracht wird. Die Bandlücke der dünnen Schicht sollte größer sein als die der aktiven Schicht. Experimente haben ergeben, daß die Verlagerung zwischen GaP und AlGaInP sich generell nach oben um wenige 100 nn verbreitet und sich selten abwärts erstreckt. Somit wird die Qualität der aktiven Schicht und ihrer Zwischenschicht bewahrt.
Um das Verlagerungsproblem weiter zu verbessern, kann die Pufferschicht auf der AlGaInP- Schicht vor der GaP plattierten Schicht angeordnet werden. Die Zusammensetzung der Pufferschicht kann sich fortschreitend von AlGaInP zu GaP ändern. Die Pufferschicht kann aus anderem Material sein, das aus einer Gruppe ausgebildet ist, die AlGaInP, Gallium-Indium- Phosphid, Gallium-Arsenid-Phosphid und Aluminium-Gallium-Arsenid enthält.
Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Am Boden ist eine erste Elektrode 60, auf der ein leitfähiges Substrat 61 angeordnet ist. Eine erste leitfähige AlGaInP- Schicht 62 ist über dem Substrat 61 angeordnet und mit einer aktiven AlGaInP-Schicht 63 bedeckt. Eine Pufferschicht 631 ist auf der aktiven Schicht 63 angeordnet und kann ihre Zusammensetzung allmählich ändern, um die Gitterstruktur an die zweite plattierte Schicht 65 mit der hohen oberen Bandlücke anzupassen. Eine zweite Elektrode 66 ist auf der oberen Schicht 65 angeordnet.
Zusätzlich zur plattierten Schicht mit hoher Bandlücke kann ein gitterförmig angepaßtes Supergitter oder eine Vielfachquantensperrschicht (MQB) eingeführt werden. Das Supergitter kann die Schadstellen der Zwischenschicht mildern und die Vielfachquantensperrschicht kann ferner die Energiesperrschicht verstärken.
Die gesamte kristalline Schicht nach dieser Erfindung kann durch organische Metallbedampfung entstehen, was einfacher und kosteneffektiver als alte Verfahren ist.
Fig. 7 zeigt eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist eine Pufferschicht in eine Struktur eingeführt, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Pufferschicht 731 ist zwischen der AlGaInP-Schicht 33 und der zweiten leitenden Schicht 35 mit hoher Bandlücke eingeführt.
Fig. 8 zeigt eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Pufferschicht 731 ist in eine Struktur wie in Fig. 4 dargestellt eingefügt. Die Pufferschicht 731 ist zwischen der AlGaInP-Schicht 43 und der zweiten leitenden Schicht 45 mit hoher Bandlücke eingefügt.
Fig. 9 zeigt eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Pufferschicht 731 ist in die in Fig. 5 dargestellte Struktur eingefügt. Die Pufferschicht 731 ist zwischen der AlGaInP- Schicht 53 und der zweiten leitenden Schicht 55 mit hoher Bandlücke eingefügt.
Die vorgehende Beschreibung erläutert bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die auf diese Beispiele nicht beschränkt ist. Alle gleichwertigen Techniken zur Verwirklichung der Strukturen fallen in den Bereich dieser Erfindung.

Claims (21)

1. Lichtemittierende Diode, gekennzeichnet durch eine erste Elektrode, die mit einer externen Stromversorgungseinheit verbunden ist; einer ersten leitenden Gallium-Arsenid (GaAs) Schicht, die mit der ersten Elektrode verbunden ist und als ein Substrat dient; einer ersten leitenden Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) Schicht, die an einer Seite mit dem genannten Substrat verbunden ist und als untere plattierte Schicht dient; einer aktiven AlGaInP-Schicht, die an einer Seite mit der zweiten Seite der genannten unteren plattierten Schicht verbunden ist; einer zweiten leitenden Schicht mit asymmetrischer Energiebandlücke zur genannten ersten leitenden unteren plattierten Schicht, die an einer Seite mit der zweiten Seite der genannten aktiven AlGaInP-Schicht verbunden ist und als obere plattierte Schicht dient; und einer zweiten Elektrode, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten zweiten leitenden Schicht mit hoher Bandlücke und an der anderen Seite mit der externen Stromversorgungseinheit verbunden ist.
2. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte obere plattierte Schicht aus mindestens einer Schicht aus einem Material mit hoher Bandlücke besteht.
3. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit hoher Bandlücke aus einer Materialgruppe ausgebildet ist, die aus Galliumphosphid (GaP), Aluminium-Gallium-Phosphid (AlGaP), Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Gallium-Arsenid-Phosphid (GaAsP) besteht.
4. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive AlGaInP-Schicht eine Vielfach-Quanten-Quellenstruktur hat.
5. Lichtemittierende Diode gekennzeichnet durch eine erste Elektrode, deren eine Seite mit einer externen Stromversorgungseinheit verbunden ist; eine erste leitende Gallium-Arsen (GaAs) Schicht, die mit der zweiten Seite der ersten Elektrode verbunden ist und als Substrat dient; einer ersten leitenden Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite des genannten Substrats verbunden ist und als untere plattierte Schicht dient; einer aktiven AlGaInP Schicht, die an einer Seite mit der unteren plattierten Schicht verbunden ist; einer zweiten leitenden Schicht mit asymmetrischer Energiebandlücke zur genannten ersten unteren leitenden plattierten Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten aktiven AlGaInP Schicht verbunden ist und als obere plattierte Schicht dient; einen leitenden dünnen Oxidfilm, dessen eine Seite mit der zweiten Seite der genannten oberen plattierten Schicht verbunden ist und eine zweite Elektrode, deren eine Seite mit der genannten externen Stromversorgungseinheit und deren andere Seite mit der zweiten Seite der genannten oberen plattierten Schicht verbunden ist.
6. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die obere plattierte Schicht aus mindestens einer Schicht aus einem Material mit hoher Bandlücke besteht.
7. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende dünne Oxidfilm aus mindestens einer Schicht aus einem Material besteht, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus Indium-Oxid, Zinnoxid und Indium-Zinn-Oxid besteht.
8. Lichtemittierende Diode, gekennzeichnet durch eine erste Elektrode, deren eine Seite mit einer externen Stromversorgungseinheit verbunden ist; eine erste leitende Gallium- Arsenid-Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten ersten Elektrode verbunden ist und die als Substrat dient; einer verteilten Bragg Reflektor (DBR) Schicht, die an einer Seite mit der zweiten Seite des genannten Substrats verbunden ist und die als Lichtreflektor dient; einer ersten leitenden Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten DBR Schicht verbunden ist und als untere plattierte Schicht dient; eine aktive AlGaInP-Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten unteren plattierten Schicht verbunden ist; eine zweite leitende Schicht mit asymmetrischer Bandlücke zur genannten ersten leitenden unteren plattierten Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten aktiven AlGaInP-Schicht verbunden ist und als obere plattierte Schicht dient; und eine zweite Elektrode, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten oberen plattierten Schicht und deren zweite Seite mit der genannten Stromversorgungseinheit verbunden ist.
9. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte obere plattierte Schicht aus mindestens einer Schicht eines Materials mit hoher Bandlücke besteht.
10. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte DBR-Schicht aus wechselnden Schichten verschiedener Zusammensetzung von (AlxGa1-x)yInyP besteht, wobei 0 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 1 ist.
11. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte DBR-Schicht aus wechselnden Schichten verschiedener Zusammensetzung von AlxGa1-xAs besteht, wobei 0 ≦ x ≦ 1 ist.
12. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte DBR-Schicht aus wechselnden Schichten verschiedener Zusammensetzung von (AlxGa1-x)yIn1-yP wobei 0 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 1 ist, und AlxGa1-xAs besteht, wobei 0 ≦ x ≦ 1 ist.
13. Lichtemittierende Diode, gekennzeichnet durch eine erste Elektrode, deren eine Seite mit einer externen Stromversorgungseinheit verbunden ist; einer ersten leitenden Gallium- Arsenid-Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten Elektrode verbunden ist und die als Substrat dient; einer verteilten Bragg-Reflektor (DBR) Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite des genannten Substrats verbunden ist und die zum Reflektieren von Licht dient; eine erste leitende Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten DBR-Schicht verbunden ist und die als untere plattierte Schicht dient; eine aktive Aluminium-Gallium- Indium-Phosphid (AlGaInP) Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten unteren plattierten Schicht verbunden ist; eine zweite leitende Schicht mit asymmetrischer Energiebandlücke zur genannten leitenden unteren plattierten Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten aktiven AlGaInP-Schicht verbunden ist und die als obere plattierte Schicht dient; einen transparenten leitenden dünnen Film, dessen eine Seite mit der zweiten Seite der genannten oberen plattierten Schicht verbunden ist; und eine zweite Elektrode, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten oberen plattierten Schicht und deren andere Seite mit der genannten Stromversorgungseinheit verbunden ist,
14. Lichtemittierende Diode, gekennzeichnet durch eine erste Elektrode, deren eine Seite mit einer Stromversorgungseinheit verbunden ist; eine erste leitende Gallium-Arsenid (GaAs) Schicht, die mit der genannten ersten Elektrode verbunden ist und als Substrat dient; eine erste leitende Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite des genannten Substrats verbunden ist und die als untere plattierte Schicht dient; eine aktive AlGaInP-Schicht, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten unteren plattierten Schicht verbunden ist; eine zweite leitende Pufferschicht, deren eine Seite mit der genannten aktiven AlGaInP-Schicht verbunden ist und zum Erweichen des Gitterversatzes zwischen der genannten aktiven AlGaInP-Schicht und einer oberen plattierten Schicht dient, die aus einem leitenden Material mit hoher Bandlücke besteht und deren eine Seite mit der genannten Pufferschicht verbunden ist; und eine zweite Elektrode, deren eine Seite mit der zweiten Seite der genannten oberen plattierten Schicht und deren andere Seite mit der genannten Stromversorgungseinheit verbunden ist.
15. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Pufferschicht aus mindestens einer Schicht eines Materials besteht, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid, Gallium- Indium-Phosphid, Gallium-Arsenid-Phosphid und Aluminium-Gallium-Arsenid besteht.
16. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht aus Vielfach-Quantensperrschichten besteht.
17. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht aus einem Supergitter besteht.
18. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aktiven AlGaInP-Schicht und der zweiten plattierten Schicht eine Pufferschicht eingefügt ist.
19. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aktiven AlGaInP-Schicht und der zweiten plattierten Schicht eine Pufferschicht eingefügt ist.
20. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aktiven AlGaInP-Schicht und der zweiten plattierten Schicht eine Pufferschicht eingefügt ist.
21. Lichtemittierende Diode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aktiven AlGaInP-Schicht und der zweiten plattierten Schicht eine Pufferschicht eingefügt ist.
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