DE19926958A1 - Lichtemissions-Halbleiterdiode auf der Basis von Ga (In, AL) P-Verbindungen mit ZnO-Fensterschicht - Google Patents

Lichtemissions-Halbleiterdiode auf der Basis von Ga (In, AL) P-Verbindungen mit ZnO-Fensterschicht

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Abstract

Bei einer erfindungsgemäßen Lichtemissions-Halbleiterdiode auf der Basis von Ga(In, Al)P-Verbindungen ist mindestens auf einer Seite einer einen pn-Übergang (2A) aufweisenden LED-Struktur (2) der Diode eine transparente, elektrisch leitende Kontaktierungsschicht (3) aus dotiertem Zinkoxid (ZnO) aufgebracht. Diese erlaubt sowohl einerseits aufgrund ihrer hohen Bandlücke eine gute optische Transparenz für die emittierte Laserstrahlung als auch andererseits eine gute elektrische Kontaktierung der LED-Struktur (2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtemissions-Halblei­ terdiode auf der Basis von Ga(In, Al)P-Verbindungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine solche Lichtemissions- Halbleiterdiode, die eine Lichtaustrittsschicht aus Zinkoxid (ZnO) aufweist.
Die Lichtauskopplung aus Lichtemissions-Halbleiterdioden hängt in besonderem Maße von der verwendeten optisch transpa­ renten und elektrisch leitenden Deckschicht ab. Die wichtigen physikalischen Kenngrößen sind hierfür die Energielücke, der optische Brechungsindex und die elektrische Leitfähigkeit. Bei Lichtemissions-Halbleiterdioden auf der Basis von InGaAlP wird üblicherweise auf der Lichtausgangsseite des pn-Über­ gangs eine 10-20 µm dicke hochdotierte GaP-Schicht aufge­ bracht. Im allgemeinen weist eine solche Schicht eine für die elektrische Kontaktierung ausreichende elektrische Leitfähig­ keit und eine für die Lichtauskopplung ausreichende optische Transparenz auf. Bei Lichtwellenlängen von etwa 565 nm oder weniger ist jedoch aufgrund der Bandlücke von GaP mit einer verstärkten Absorption in der hochdotiertem GaP-Fenster­ schicht zu rechnen.
Die GaP-Schicht kann jedoch nicht ohne weiteres dünner ge­ macht werden, da sich dies nachteilig auf die elektrischen Kontaktierungseigenschaften der Schicht auswirkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Lichtemissions-Halbleiterdiode auf der Basis von Ga(In, Al)P-Verbindungen anzugeben, mit welcher die Lichtausbeute gesteigert werden kann.
Bei einer erfindungsgemäßen Lichtemissions-Halbleiterdiode auf der Basis von Ga(In, Al)P-Verbindungen ist mindestens auf einer Seite einer einen pn-Übergang aufweisenden LED-Struktur der Diode eine transparente, elektrisch leitende Kontaktie­ rungsschicht aus dotiertem Zinkoxid (ZnO) aufgebracht. Eine erfindungsgemäße Lichtemissions-Halbleiterdiode kann aus bi­ nären, ternären oder guaternären III-V-Verbindungen zusammen­ gesetzt sein, welche durch die Elemente Indium und/oder Gal­ lium und/oder Aluminium aus der III. Hauptgruppe sowie das Element Phosphor aus der V. Hauptgruppe gebildet sind.
Wahlweise können auf einer Seite des pn-Übergangs oder auf beiden Seiten ZnO-Schichten aufgebracht werden. Diese minde­ stens eine Schicht kann durch MOVPE (metallorganische Gaspha­ senabscheidung), MBE (Molekularstrahlepitaxie) oder durch ei­ nen Sputter-Prozeß aufgebracht werden. In vorteilhafter Weise wird die ZnO-Schicht durch denselben Kristallwachstumsprozeß hergestellt, durch den auch die Laserdiode gefertigt wurde.
Die Schichtdicke, die Transparenz und die Dotierung der ZnO- Schicht können in einem weiten Bereich für eine optimale Lichtauskopplung und elektrische Kontaktierung der LEDs so­ wohl n- als auch p-seitig angepaßt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen in den Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeich­ nungen zeigen:
Fig. 1 ein vertikaler Schnitt durch eine Lichtemissions-Halb­ leiterdiode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung;
Fig. 2 ein vertikaler Schnitt durch eine Lichtemissions-Halb­ leiterdiode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung.
In Fig. 2 ist ein grundlegendes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Lichtemissions-Halbleiterdiode dargestellt. In diesem wird ein n- oder p-dotiertes GaAs-Substrat 1 be­ reitgestellt, auf welches durch ein geeignetes Kristallwachs­ tumsverfahren wie MOVPE (metallorganische Gasphasenepitaxie) oder MBE (Molekularstrahlepitaxie) eine InGaAlP-LED-Struktur 2 mit einem pn-Übergang 2A gitterangepaßt aufgewachsen wird. Dabei kann sowohl mit einem n-dotierten GaAs-Substrat 1 be­ gonnen und einer p-dotierten InGaAlP-Schicht abgeschlossen werden als auch umgekehrt. Anstelle eines einfachen pn-Über­ gangs aus Volumenhalbleitermaterial kann auch eine einfache oder mehrfache Quantentrogstruktur aus Schichten mit abwech­ selnd kleiner und großer Bandlücke vorgesehen sein.
Auf die LED-Struktur 2 wird je nach der gewählten Dotierungs­ abfolge eine n- oder p-dotierte Zinkoxid-(ZnO)Deckschicht oder -Fensterschicht 3 abgeschieden. Aufgrund der Bandlücke von 3,35 eV von ZnO bei Raumtemperatur ist diese Fenster­ schicht 3 für die Wellenlänge der InGaAlP-Laserdiode und für andere Wellenlängen von Laserdioden des Materialsystems Ga(In, Al)P transparent. Die Fensterschicht 3 dient gleich­ zeitig als elektrische Kontaktierungsschicht für die Laser­ diode. Vorteilhaft für die Herstellung ist es, wenn die ZnO- Schicht mit demselben Kristallwachstumsverfahren wie die La­ serdiode, also innerhalb ein- und derselben Kristallwachs­ tumsapparatur aufgewachsen werden kann. Die ZnO-Schicht kann aber auch mit einem anderen Wachstumsverfahren wie beispiels­ weise einem Sputter-Prozeß aufgewachsen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die ZnO-Schicht nur einseitig aufgebracht. Auf der gegenüberliegenden Seite erfolgt die Kontaktierung durch das dotierte GaAs-Substrat. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Laserdiode sind demgegenüber auf beiden Sei­ ten des pn-Übergangs 2A ZnO-Schichten 31 und 32 aufgebracht. Die Herstellung einer derartigen Laserdiode kann dadurch her­ gestellt werden, daß eine Laserdiode nach Fig. 1 mit der auf­ gewachsenen ZnO-Schicht 31 an ein beliebiges Trägersubstrat 5, wie beispielsweise ein Glassubstrat, mit einem vorzugs­ weise transparenten Kleber 4 angeklebt wird. Dann wird das GaAs-Substrat vorzugsweise durch Abätzen entfernt, worauf eine zweite ZnO-Schicht 32 einer entsprechenden Dotierung an Stelle des entfernten GaAs-Substrats aufgebracht wird. Somit befinden sich beidseits der LED-Struktur 2 jeweils p- und n- dotierte, transparente ZnO-Schichten 31, 32 für die elektri­ sche Kontaktierung der Laserdiode.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann durch einen transpa­ renten Kleber 4 und ein transparentes Trägersubstrat 5 so ausgeführt sein, daß das durch die LED abgestrahlte Licht nach allen Seiten emittiert wird. Es kann jedoch auch vorge­ sehen sein, daß eine Emission nur nach einer Seite gewünscht ist. Zu diesem Zweck kann in der Nähe der Grenzfläche der er­ sten ZnO-Schicht 31 zu dem Trägersubstrat 5 eine reflektie­ rende Schicht angeordnet sein, durch die das von der aktiven Schicht der LED in Richtung auf das Trägersubstrat 5 abge­ strahlte Licht in Richtung auf die Vorderseite, d. h. die zweite ZnO-Schicht 32 reflektiert wird. Die reflektierende Schicht könnte beispielsweise durch den Kleber 4 gebildet werden oder zusätzlich auf die ZnO-Schicht aufgebracht wer­ den. Durch eine derartige Ausführungsform, bei der sowohl der Kleber 4 als auch das Trägersubstrat 5 nicht-transparent aus­ geführt sein können, wird auch das rückseitig emittierte Licht optimal für die gewünschte Vorderseitenemission ausge­ nutzt.
Weiterhin kann in beiden Ausführungsbeispielen durch eine körnige polykristalline Oberflächenstruktur der mindestens einen ZnQ-Schicht bei unveränderten elektrischen und opti­ schen Eigenschaften die Lichtauskopplung der LED weiter ver­ bessert werden.
Bezugszeichenliste
1
GaAs-Substrat
2
LED-Struktur
2
A pn-Übergang
3
ZnO-Fensterschicht
31
erste ZnO-Fensterschicht
32
zweite ZnO-Fensterschicht
4
Kleber
5
Trägersubstrat

Claims (11)

1. Lichtemissions-Halbleiterdiode auf der Basis von Ga(In, Al)P-Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf einer Seite einer einen pn-Übergang (2A) aufweisenden LED-Struktur (2) der Diode eine transparente, elektrisch leitende Kontaktierungsschicht (3; 31, 32) aus dotiertem Zinkoxid (ZnO) aufgebracht ist.
2. Lichtemissions-Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Struktur (2) auf einem GaAs-Substrat (1) aufge­ bracht ist und auf ihrer gegenüberliegenden Seite eine ZnO-Schicht (3) aufgebracht ist.
3. Lichtemissions-Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der LED-Struktur (2) jeweils eine ZnO- Schicht (31, 32) aufgebracht ist.
4. Lichtemissions-Halbleiterdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer ZnO-Schicht (31) ein gegebenenfalls transparen­ tes Trägersubstrat (5) aufgeklebt ist.
5. Lichtemissions-Halbleiterdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (5) vermittels eines gegebenenfalls transparenten Klebers (4) aufgeklebt ist.
6. Lichtemissions-Halbleiterdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trägersubstrat (5) und der ZnO-Schicht (31) eine reflektierende Schicht angeordnet ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Lichtemissions-Halbleiter­ diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Ver­ fahrensschritten
  • - Bereitstellen eines GaAs-Substrats,
  • - Aufbringen einer einen pn-Übergang enthaltenden LED-Struk­ tur auf dem GaAs-Substrat,
  • - Aufbringen einer ZnO-Schicht einer entsprechenden Dotie­ rung auf der LED-Struktur.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Verfahrensschritte
  • - Entfernen des GaAs-Substrats durch Abätzen oder derglei­ chen,
  • - Aufbringen einer weiteren ZnO-Schicht einer entsprechenden Dotierung an die Stelle des entfernten GaAs-Substrats.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß den weiteren Verfahrensschritt Aufbringen eines Trägersubstrats auf eine der ZnO-Schich­ ten.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine ZnO-Schicht durch einen Sputter-Prozeß aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine ZnO-Schicht durch MOVPE oder MBE auf­ gebracht wird.
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