DE19840436A1 - Leuchtstarke LED - Google Patents

Leuchtstarke LED

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Abstract

Leuchtstarke LED mit einem Halbleitersubstrat mit einer ersten Leitfähigkeit, einer unteren Hüllschicht mit der ersten Leitfähigkeit, einer aktiven Schicht aus undotiertem AlGaInP oder einer mqw-Struktur und einer leitfähigen oberen Hüllstruktur. Die obere Hüllstruktur weist ein (Al¶x¶Ga¶1-x¶)¶y¶In¶1-y¶P-Halbleitermaterial auf. Die Verbesserung besteht darin, daß die obere Hüllstruktur eine dünne hochohmsche Schicht aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlichtquelle und insbesondere eine AlGaInP-Lichtquelle.
(AlxGa1-x)0.51In0.49P ist ein Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke und weist die Gitterstruktur von GaAs auf. Das Material weist eine hohe Photorekombinations-Effizienz im Wellenlängenbereich zwischen 560 nm und 650 nm auf und ist gut für die Herstellung von leuchtstarken LEDs (Light Emitting Diodes) geeignet, die Licht von rot bis gelbgrün emittieren.
Aus Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt einer herkömmlichen AlGaInP-LED ersichtlich, die ein n-dotiertes GaAs-Substrat 100, eine n-dotierte untere AlGaInP-Hüllschicht 101, eine undotierte aktive AlGaInP-Schicht 102 und eine p-dotierte obere AlGaInP- Hüllschicht 103 aufweist. Da es schwierig ist, eine starke p- Dotierung des AlGaInP-Materials zu erzielen, weist die obere Hüllschicht 103 einen hohen Widerstand auf, der den Stromfluß direkt unterhalb der metallischen oberen elektrischen Kontaktfläche der LED beschränkt. Daher wird das von der aktiven Schicht unterhalb der metallischen oberen elektrischen Kontaktschicht erzeugte Licht fast vollständig von der lichtundurchlässigen oberen elektrischen Kontaktschicht absorbiert. Daher ist die Leuchtkraft einer solchen LED nicht sehr hoch.
Um den Stromverlauf zu verbessern, wird gemäß US-Patent Nr. 5,008,718 eine transparente GaP-Fensterschicht mit einer hochenergetischen Bandlücke verwendet, wobei die Schicht einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, um eine gleichmäßige Verteilung des Stroms über die aktive Schicht zu unterstützen. Da die verwendete Fensterschicht stark p-dotiertes GaP-Material aufweist, das eine geringe Beweglichkeit aufweist, ist der Widerstand der Fensterschicht nur etwa eine Größenordnung geringer als die der oberen Hüllschicht. Daher ist eine Fensterschicht mit einer relativ großen Dicke erforderlich, um die Stromverteilung zu verbessern.
Das Aufbringen einer dicken transparenten Fensterschicht nimmt jedoch viel Zeit in Anspruch und ist teuer. Um die Dicke der Fensterschicht zu verringern, wird in dem US-Patent Nr. 5,359,209 eine doppelschichtige Fensterstruktur mit einer stark p-dotierten GaAs-Schicht mit einer geringenergetischen Bandlücke und eine GaAs-Schicht mit einer hochenergetischen Bandlücke verwendet. Die stark p-dotierte GaAs-Schicht weist einen sehr geringen elektrischen Widerstand auf, der etwa zwei Größenordnungen geringer als der der oberen Hüllschicht ist.
Aufgrund des geringeren elektrischen Widerstandes in der stark p-dotierten GaAs-Schicht, ist der Gesamtwiderstand der zweischichtigen Fensterstruktur viel geringer. Auf diese Weise kann die Gesamtdicke der Fensterstruktur wesentlich verringert werden. Die Verwendung der dünnen stark p-dotierten GaAs- Schicht verringert jedoch die Leuchtkraft der LED, da die GaAs- Schicht lichtundurchlässig ist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine leuchtstarke LED- Struktur bereitzustellen, die in kurzer Zeit herstellbar ist. Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine dünne Schicht mit einem hohen elektrischen Widerstand in der oberen Hüllstruktur der LED.
Die erfindungsgemäße LED weist ein GaAs-Substrat mit einer ersten Leitfähigkeit, eine untere AlGaInP-Hüllschicht mit der ersten Leitfähigkeit, eine undotierte aktive AlGaInP-Schicht oder eine AlGaInP-Mehrquantentopf-Struktur (multi quantum well Struktur; mqw-Struktur), die als aktive Schicht wirkt, und eine obere AlGaInP-Hüllstruktur mit einer zweiten Leitfähigkeit auf. Die obere (AlxGa1-)yIn1-yP-Hüllstruktur weist drei Schichten auf. Die untere Schicht, die mit der aktiven Schicht in Berührung steht, weist (AlxGa1-x)yIn1-yP mit y = 0,51 auf und ist an die aktive Schicht und das GaAs-Substrat gitterangepaßt. Die mittlere Schicht ist eine sehr dünne und einen hohen elektrischen Widerstand aufweisende (hochohmsche) Schicht, die z. B. aus einem (AlxGa1-x)yIn1-yP aufweisenden Halbleitermaterial mit einem Aluminiumgehalt x nahe 1, einem In-Gehalt 1-x nahe 0 und einer geringen oder keinen Dotierung aufweist. Um die Bildung einer ohmschen Kontaktfläche zu erleichtern, weist die obere Schicht eine große Bandlücke und einen Bereich mit einer hohen Ladungsträgerkonzentration auf, und kann z. B. aus (AlxGa1-x)y­ In1-yP-Halbleitermaterial mit einem Aluminiumgehalt nahe 0 und einem In-Gehalt 1-y nahe 0 hergestellt werden. Mit dieser einen hohen elektrischen Widerstand aufweisenden mittleren Schicht wird der injizierte Strom gezwungen, sich gleichmäßig in der oberen Schicht der oberen Hüllstruktur zu verteilen, bevor er durch die mittlere Schicht und durch die untere Schicht der oberen Hüllstruktur sowie durch die aktive Schicht hindurchtritt. Auf diese Weise wird von der gesamten aktiven Schicht gleichmäßig Licht erzeugt, wodurch die Leuchtkraft der LED sehr gut ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer herkömmlichen AlGaInP-LED;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt einer AlGaInP-LED gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt einer AlGaInP-LED gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, weisen die Strukturen der LEDs gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ein GaAs-Substrat 200 mit einer ersten Leitfähigkeit auf. Auf das Substrat wird eine untere AlGaInP-Hüllschicht 201 mit der ersten Leitfähigkeit aufgebracht. Auf die untere Hüllschicht wird eine aktive AlGaInP-202- oder eine AlGaInP-mqw-Struktur 302 aufgebracht, die eine Mehrzahl von aufeinandergeschichteten Quantentopfschichten 3021 bzw. Barrierenschichten 3022 aufweist, die als lichtemittierende Schicht wirken, wie aus Fig. 3 ersichtlich.
Die erfindungsgemäße lichtemittierende Schicht wird aus (AlxGa1-x)0,51In0,49P hergestellt, wobei x = 0-0,4 abhängig von der auszustrahlenden Wellenlänge ist. Wenn der Aluminiumgehalt x z. B. gleich 15% ist, beträgt die Emissionswellenlänge der LED etwa 610 nm. Auf der lichtemittierenden Schicht ist eine obere AlGaInP-Hüllstruktur 203 mit einer zweiten Leitfähigkeit vorgesehen.
Die obere Hüllstruktur weist eine dreilagige Struktur auf. Die untere Schicht, die mit der lichtemittierenden Schicht in Kontakt steht, ist aus (AlxGa1-x)0,51In0,49P hergestellt, das an das GaAs-Substratgitter angepaßt ist, um der Erzeugung von Versetzungen vorzubeugen. Der Aluminiumgehalt dieser Schicht beträgt x = 0,7-1 µm einen guten Elektroneneinschluß (confining) zu erzielen. Die mittlere Schicht ist eine dünne Schicht mit hohem elektrischen Widerstand. Diese Schicht kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine dünne AlGaP-Schicht oder AlP-Schicht mit einer Dicke von etwa 200 Angström und einer geringen Dotierung eine solche geeignete Schicht mit hohem Widerstand sein.
Im allgemeinen ist der elektrische Widerstand des AlGaInP- Halbleiters umso höher, je höher der Aluminiumgehalt ist und je geringer die Ladungsträgerkonzentration ist. Daher ist (AlxGa1-x)yIn1-yP-Material mit hohem Aluminiumgehalt und geringem In-Gehalt sowie mit geringer Ladungsträgerkonzentration eine gute Wahl für die dünne hochohmsche Schicht. Die beste Zusammensetzung dieser (AlxGa1-x)yIn1-yP-Schicht mit hohem Widerstand ist 0,7 ≦ x ≦ 1,0 und 0,9 ≦ y ≦ 1,0.
Die optimale Dicke dieser Schicht liegt im Bereich von 0,005 µm bis 0,1 µm. Die Zusammensetzung dieser Schicht muß nicht konstant sein. Eine AlGaInP-Übergitterstruktur, wie AlP/GaP oder AlGaP/GaP oder eine AlGaInP-Schicht mit einer von (AlxGa1-x)0,51In0,49P bis nahe an AlGaP oder AlP verlaufenden Zusammensetzung kann ebenfalls als dünne Schicht mit hohem Widerstand verwendet werden.
Die obere Schicht ist eine ohmsche (AlxGa1-x)yIn1-yP- Kontaktschicht mit einer großen Bandlücke und einem geringen elektrischen Widerstand, wobei x nahe 0 ist und 0,7 ≦ y ≦ 1 ist. Bei dieser ohmschen Kontaktschicht ist es erforderlich, daß ihre Bandlücke größer als die der aktiven Schicht ist, um Lichtabsorption zu vermeiden. Ferner muß sie eine höhere Ladungsträgerkonzentration aufweisen, wodurch sie einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist, um die Bildung der ohmschen Kontaktschicht zu erleichtern. Es ist viel einfacher, den AlGaInP-Halbleiter mit einer hohen Ladungsträgerkonzentration zu versehen, wenn dessen Aluminiumgehalt verringert wird. Die beste Wahl ist (AlxGa1-)yIn1-yP mit einem Aluminiumgehalt von weniger als 10%. Um jedoch starke Lichtabsorption zu vermeiden, muß der Indiumgehalt wenigstens 30% betragen.
Mit dieser einen großen elektrischen Widerstand aufweisenden mittleren Schicht und einen geringen elektrischen Widerstand aufweisenden oberen Schicht in der oberen Hüllstruktur wird der von der oberen ohmschen Kontaktschicht her injizierte Strom gleichmäßig in der unteren, einen geringen Widerstand aufweisenden Schicht verteilt, bevor er durch die mittlere Schicht und die untere Schicht hindurch in die lichtemittierende Schicht tritt. Durch diese zusätzliche hochohmsche Schicht kann die Dicke der oberen, eine große Bandlücke und einen geringen Widerstand aufweisenden Schicht im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen verringert sein. Die Dicke dieser ohmschen Kontaktschicht mit großer Bandlücke liegt im Bereich zwischen 0,5 µm bis 10 µm. Der einzige Nachteil dieser zusätzlichen dünnen hochohmschen Schicht liegt in einem Anstieg der Vorspannung.
Die Leuchtkraft der erfindungsgemäßen LED ist im Vergleich mit dem Stand der Technik stark verbessert. Im folgenden werden Beispiele der Erfindung detailliert erläutert.
Beispiel 1:
Eine LED-Bindestruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde auf ein n-dotiertes (100)-GaAs-Substrat mit einer mis-Orientierung von 2° gegen die [111]-Richtung und mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×1018 cm-3 aufgebracht. Die Dicke des GaAs-Substrates beträgt etwa 350 µm. Zuerst wurde eine n-dotierte GaAs-Pufferschicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×1018 cm-3 auf das Substrat aufgebracht. Dann wurde eine n-dotierte untere AlInP- Hüllschicht mit einer Dicke von 1 µm auf die Pufferschicht aufgebracht.
Über der unteren Hüllschicht wird eine undotierte AlGaInP-mqw- Struktur aufgebracht, die als lichtemittierende Schicht wirkt. Die undotierte AlGaInP-mqw-Struktur weist eine 0,1 µm dicke untere (AlGa) InP-Ladungsträgereinschlußschicht, eine Mehrzahl von (AlGa)InP-Quantentöpfen bzw. (AlGa)InP-Barrieren auf, die abwechselnd übereinander angeordnet sind, und eine 0,1 µm dicke obere (AlGa)InP-Ladungsträgereinschlußschicht auf. Auf der mqw- Struktur ist die p-dotierte obere (AlGa)InP-Hüllstruktur vorgesehen, die eine 1 µm dicke p-dotierte AlInP-Schicht, eine 200 Angström dicke hochohmsche AlGaP-Schicht und eine 5 µm dicke stark p-dotierte ohmsche In0,1Ga0,9P-Kontaktschicht aufweist.
Zum Vergleich wurde auch eine herkömmliche LED ohne die hochohmsche Schicht hergestellt. Die beiden LEDs wurden jeweils zu einem Chip weiterverarbeitet und an einen Strom von 20 mA angeschlossen. Es wurde festgestellt, daß die Stromverteilung der LED gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sehr gut war, da das aus dem Chip austretende Licht sehr gleichförmig war.
Im Wellenlängenbereich von 590 nm bis 615 nm beträgt die Leuchtkraft der herkömmlichen LED etwa 40 mcd und die Leuchtkraft der LED gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt etwa 65 mcd. Die Vorspannung bei der LED gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt 2,2 Volt, während die Vorspannung bei der herkömmlichen LED etwa 0,2 Volt geringer ist.
Die Leuchtkraft der LED gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann durch einen zwischen dem GaAs-Substrat und der aktiven Schicht angeordneten Bragg-Reflektor (DBR, distributed Bragg reflector) verbessert werden, der das Licht reflektiert, das sonst von dem GaAs-Substrat absorbiert worden ware.
Beispiel 2
Eine LED-Struktur gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde auf ein n-dotiertes (100)- GaAs-Substrat mit einer mis-Orientierung von 20 gegen die [111]-Richtung und mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×1018 cm-3 aufgebracht. Die Dicke des GaAs-Subtrates beträgt etwa 350 µm. Zuerst wird eine n-dotierte GaAs-Pufferschicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1×1018 cm-3 auf das Substrat aufgebracht.
Zwölf Paare von AlAs/GaAs-Bragg-Reflektoren wurden dann auf die GaAs-Pufferschicht aufgebracht. Dann wurde eine 1 µm dicke n- dotierte untere AlInP-Hüllschicht auf den Bragg-Reflektor aufgebracht. Auf der unteren Hüllschicht wurde eine undotierte AlGaInP-mqw-Struktur aufgebracht, die als lichtemittierende Schicht dient. Die undotierte AlGaInP-mqw-Struktur weist eine 0,1 µm dicke untere (AlGa)InP-Ladungsträgereinschlußschicht, eine Mehrzahl von (AlGa)InP-Quantentöpfen bzw. (AlGa)InP- Barrieren, die abwechselnd übereinander liegen, und eine 0,1 µm dicke obere (AlGa) InP-Ladungsträgereinschlußschicht auf.
Auf der mqw-Struktur ist eine p-dotierte obere (AlGa)InP- Hüllstruktur vorgesehen, die eine 1 µm dicke p-dotierte AlInP- Schicht, drei Paare von GaP/AlP-Übergitterstrukturen, die als hochohmsche Schichten wirken, und eine 5 µm dicke stark p- dotierte ohmsche In0,05Ga0,95P-Kontaktschicht auf. Zum Vergleich wurden in zwei aufeinanderfolgende MOVPE-Durchläufen (MOVPE: metall organic vapor phase epitaxy; metallorganische Gasphasenepitaxie) Übergitter mit zwei voneinander verschiedenen Dicken aufgebracht. Die Dicke der Übergitter betrug 45 Angström bzw. 80 Angström. Die Leuchtkraft der beiden AlGaInP-LEDs betrug jeweils 95 mcd, die Vorspannung bei 45 Angström betrug jedoch 2,15 Volt bzw. 3,3 Volt bei 80 Angström.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße Hinzufügen einer hochohmschen dünnen Schicht in die obere Hüllstruktur die Leuchtkraft im Vergleich zu herkömmlichen LEDs um das 1,5- bis 2-fache vergrößert. Der einzige Nachteil besteht in einem leichten Anstieg der Vorspannung. Erfindungsgemäß ist jedoch nur ein MOVPE-Schritt erforderlich, und die Dicke der oberen eine große Bandlücke aufweisenden ohmschen Kontaktschicht ist verringert. Deshalb sind erfindungsgemäß das Schichtwachstum verbessert und die Kosten im Vergleich mit dem Stand der Technik verringert.

Claims (8)

1. LED mit:
einem Halbleitersubstrat (200) mit einer ersten Leitfähigkeit;
einer unteren Hüllschicht (210) aus AlGaInP mit der ersten Leitfähigkeit auf dem Substrat (200);
einer aktiven Schicht (202) aus undotiertem AlGaInP auf der unteren Hüllschicht (201); und
einer oberen Hüllschicht (203) mit:
einer ersten, an das Substrat (200) gitterangepaßten AlGaInP-Schicht mit einer zweiten Leitfähigkeit auf der aktiven Schicht (202);
einer zweiten AlGaInP-Schicht mit der zweiten Leitfähigkeit auf der ersten Schicht, wobei die zweite Schicht eine ausreichend geringe Dicke und eine ausreichend geringe Dotierungskonzentration aufweist, um einen hohen elektrischen Widerstand auf zuweisen; und
einer ohmschen Kontaktschicht aus (AlxGa1-)yIn1-yP mit der zweiten Leitfähigkeit und 0 ≦ x ≦ 0,1 und 0,7 ≦ y ≦ 1 auf der zweiten Schicht.
2. LED nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat (200) GaAs aufweist.
3. LED mit:
einem Halbleitersubstrat (300) mit einer ersten Leitfähigkeit;
einer unteren Hüllschicht (301) aus AlGaInP mit der ersten Leitfähigkeit auf dem Substrat (300);
einer aktiven Schicht (302) aus einer undotierten AlGaInP- mqw-Schicht auf der unteren Hüllschicht (301), wobei die mqw- Struktur eine Mehrzahl von (AlGa)InP-Quantentöpfen (3021) bzw. (AlGa)InP-Barrieren (3022) aufweist, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind;
einer oberen Hüllstruktur (303) mit:
einer ersten Schicht aus AlGaInP mit einer zweiten Leitfähigkeit auf der aktiven Schicht (302);
einer zweiten, an das Substrat (300) gitterangepaßten Schicht aus AlGaInP mit der zweiten Leitfähigkeit auf der ersten Schicht, wobei die zweite Schicht eine ausreichend geringe Dicke und eine ausreichend geringe Dotierungskonzentration aufweist, um einen hohen Widerstand aufzuweisen; und
einer ohmschen Kontaktschicht aus (AlxGa1-x)yIn1-yP mit der zweiten Leitfähigkeit und 0 ≦ x ≦ 0,1 und 0,7 ≦ y ≦ 1 auf der zweiten Schicht.
4. LED nach Anspruch 3, wobei das Halbleitersubstrat (300) GaAs aufweist und die erste Schicht aus AlGaInP mit der zweiten Leitfähigkeit an das GaAs gitterangepaßt ist.
5. LED nach Anspruch 1 oder 3, wobei die zweite Schicht ein (AlsGa1-s)tIn1-tP-Halbleitermaterial mit 0,7 ≦ s ≦ 1 und 0,9 ≦ t ≦ 1 aufweist.
6. LED nach Anspruch 1 oder 3, wobei die zweite Schicht ein Übergitter aus (AlGa)InP aufweist.
7. LED nach Anspruch 1 oder 3, wobei die zweite Schicht eine Schicht aus (AlGa)InP mit einer lokal unterschiedlichen Zusammensetzung aufweist.
8. LED nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Dicke der zweiten Schicht im Bereich zwischen 0,005 µm und 0,1 µm liegt.
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