DE19840436C2 - Leuchtstarke LED mit vorteilhafter Stromverteilstruktur - Google Patents

Leuchtstarke LED mit vorteilhafter Stromverteilstruktur

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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 Photorekombinationseffizienz 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 A eine doppelschichtige Fensterstruktur mit einer stark p-dotierten GaAs-Schicht mit einer geringenergetischen Bandlücke und eine GaP-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 lichtabsorbierend ist.
Ferner ist in JP 08032111 A (Patent Abstracts of Japan) eine leuchtstarke LED vorschlagen, die ein n-GaAs Substrat, eine untere Hüllschicht, eine aktive Schicht aus GaInP, eine obere Hüllschicht und eine obere Schichtfolge aufweist. Die obere Schichtfolge weist eine dünne hochohmige Schicht zwischen zwei p-AlGaAs Stromdiffusionsschichten auf. Wird Strom in die obere Schichtfolge injiziert, so weitet sich der Stromfluss beim Durchqueren der hochohmigen Schicht lateral auf, infolgedessen wird ein großer Teil der Querschnittsfläche der aktiven Schicht von dem Strom durchflossen.
Aus DE 195 24 655 A1 ist eine LED mit einer Mehrfach- Potentialtopf-Struktur als aktiver Schicht bekannt. Die Mehrfach-Potentialtopf-Struktur umfasst eine Anzahl von abwechselnd geschichteten Potentialtopfschichten und Barriereschichten aus AlGaInP. Der Strom wird über eine Elektrode injiziert und durchläuft dann eine Fensterstruktur. Die Fensterstruktur umfasst eine dünne Schicht mit einem kleinen Bandabstand aus gut leitendem GaAs oder GaInP und eine dicke Schicht mit großem Bandabstand aus transparentem GaP mit einer geringen In-Beimischung. Mit dieser Struktur ist eine lichtintensive LED mit einer verbesserten Linearität der Intensität-Strom-Kurve bereitgestellt. Durch die In-Beimischung in der Fensterstruktur wird die Defektdichte in dem Grenzbereich zwischen der Fensterschicht und einer daran angrenzenden oberen Deckschicht verringert.
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 eines ersten Leitungstyps, eine untere AlGaInP-Hüllschicht des ersten Leitungstyps, 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 eines zweiten Leitungstyps auf. Die obere (AlxGa1-x)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 (hochohmige) Schicht, die aus einem AlGaInP aufweisenden Halbleitermaterial hergestellt ist und eine geringe oder keine Dotierung aufweist. Sie weist zudem eine Übergitterstruktur auf. 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)yIn1-­ yP-Halbleitermaterial mit einem Aluminiumgehalt nahe 0 und einem In-Gehalt 1 - y nahe 0 hergestellt werden. Mit der 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, 300 eines ersten Leitungstyps auf. Auf das Substrat wird eine untere AlGaInP-Hüllschicht 201, 301 des ersten Leitungstyps 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, 303 eines zweiten Leitungstyps 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 um 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 Schicht, die eine Übergitterstruktur aus AlGaInP- Material aufweist, beispielsweise AlP/GaP oder AlGaP/GaP, mit einer Dicke von etwa 20 nm 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 AlGaInP- Material mit hohem Aluminiumgehalt und geringem In-Gehalt sowie mit geringer Ladungsträgerkonzentration eine gute Wahl für die dünne hochohmsche Schicht.
Die optimale Dicke dieser Schicht liegt im Bereich von 0,005 µm bis 0,1 µm. Die hochohmige Schicht weist eine AlGaInP- Übergitterstruktur, wie AlP/GaP oder AlGaP/GaP, auf.
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-x)yIn1-yP mit einem Aluminiumgehalt von weniger als 10%. Um jedoch starke Lichtabsorption zu vermeiden, muß der Indiumgehalt höchstens 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 oberen, 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 wird ein Beispiel der Erfindung detailliert erläutert.
Beispiel
Eine LED-Struktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde auf ein n-dotiertes (100)-GaAs-Substrat mit einer Fehlorientierung von 2° in [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 AlGaInP-Ladungsträgereinschlußschicht, eine Mehrzahl von AlGaInP-Quantentöpfen und AlGaInP-Barrieren, die abwechselnd übereinander liegen, und eine 0,1 µm dicke obere AlGaInP-Ladungsträgereinschlußschicht auf.
Auf der mqw-Struktur ist eine p-dotierte obere AlGaInP- 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 4,5 nm bzw. 8,0 nm. Die Leuchtkraft der beiden AlGaInP- LEDs betrug jeweils 95 mcd, die Vorspannung bei 4,5 nm betrug jedoch 2,15 Volt bzw. 3,3 Volt bei 8,0 nm.
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 (5)

1. LED mit:
einem Halbleitersubstrat (200) eines ersten Leitungstyps;
einer unteren Hüllschicht (201) aus AlGaInP des ersten Leitungstyps auf dem Substrat (200);
einer aktiven Schicht (202) aus undotiertem AlGaInP auf der unteren Hüllschicht (201); und
einer oberen Hüllstruktur (203) mit:
einer ersten, an das Substrat (200) gitterangepaßten AlGaInP-Schicht eines zweiten Leitungstyps auf der aktiven Schicht (202);
einer zweiten Schicht des zweiten Leitungstyps auf der ersten Schicht der oberen Hüllstruktur, wobei die zweite Schicht der oberen Hüllstruktur bei einer geringen Dicke eine ausreichend geringe Dotierungskonzentration aufweist, um einen hohen elektrischen Widerstand aufzuweisen, und wobei die zweite Schicht der oberen Hüllstruktur eine Übergitterstruktur aus AlGaInP aufweist; und
einer ohmschen Kontaktschicht aus (AlxGa1-x)yIn1-yP des zweiten Leitungstyps mit 0 ≦ x ≦ 0,1 und 0,7 ≦ y ≦ 1 auf der zweiten Schicht der oberen Hüllstruktur.
2. LED nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat (200) GaAs aufweist.
3. LED mit:
einem Halbleitersubstrat (300) eines ersten Leitungstyps;
einer unteren Hüllschicht (301) aus AlGaInP des ersten Leitungstyps 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 AlGaInP-Quantentöpfen (3021) bzw. AlGaInP-Barrieren (3022) aufweist, die abwechselnd aufeinandergeschichtet sind;
einer oberen Hüllstruktur (303) mit:
einer ersten Schicht aus AlGaInP eines zweiten Leitungstyps auf der aktiven Schicht (302);
einer zweiten, an das Substrat (300) gitterangepaßten Schicht des zweiten Leitungstyps auf der ersten Schicht der oberen Hüllstruktur, wobei die zweite Schicht der oberen Hüllstruktur bei einer geringen Dicke eine ausreichend geringe Dotierungskonzentration aufweist, um einen hohen Widerstand aufzuweisen, und wobei die zweite Schicht der oberen Hüllstruktur eine Übergitterstruktur aus AlGaInP aufweist; und
einer ohmschen Kontaktschicht aus (AlxGa1-x)yIn1-yP des zweiten Leitungstyps mit 0 ≦ x ≦ 0,1 und 0,7 ≦ y ≦ 1 auf der zweiten Schicht der oberen Hüllstruktur.
4. LED nach Anspruch 3, wobei das Halbleitersubstrat (300) GaAs aufweist und die erste Schicht der oberen Hüllstruktur aus AlGaInP des zweiten Leitungstyps an das GaAs gitterangepaßt ist.
5. LED nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Dicke der zweiten Schicht der oberen Hüllstruktur im Bereich zwischen 0,005 µm und 0,1 µm liegt.
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