DE19957312A1 - Licht emittierende Diode - Google Patents

Licht emittierende Diode

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DE19957312A1
DE19957312A1 DE19957312A DE19957312A DE19957312A1 DE 19957312 A1 DE19957312 A1 DE 19957312A1 DE 19957312 A DE19957312 A DE 19957312A DE 19957312 A DE19957312 A DE 19957312A DE 19957312 A1 DE19957312 A1 DE 19957312A1
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light
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cladding
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Hiroshi Nakatsu
Tetsuroh Murakami
Hiroyuki Hosoba
Takahisa Kurahashi
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Abstract

Eine Licht emittierende Diode ist mit Folgendem versehen: einem Substrat; einer Licht emittierenden Schicht; einer ersten Mantelschicht von erstem Leitungstyp und mit einer Energielücke, die größer als eine Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist; einer zweiten Mantelschicht von zweitem Leitungstyp und mit einer Energielücke, die größer als eine Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist; und einer Barriere-Zwischenschicht vom selben Leitungstyp wie dem der Licht emittierenden Schicht, jedoch mit anderem Leitungstyp als dem der ersten oder zweiten Mantelschicht und mit einer Energielücke, die kleiner als die Energielücke der ersten oder zweiten Mantelschicht, jedoch größer als die Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist. Die Licht emittierende Diode weist Doppelheterostruktur dergestalt auf, dass die Licht emittierende Schicht zwischen die erste und zweite Mantelschicht eingebettet ist. Die Barriere-Zwischenschicht ist zwischen der Licht emittierenden Schicht und der ersten Mantelschicht und/oder zwischen der Licht emittierenden Schicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Licht emittierende Diode (nach­ folgend als "LED" bezeichnet) mit Doppelheterostruktur. Ge­ nauer gesagt, betrifft die Erfindung eine Technik zum Ver­ hindern einer Verringerung der Lichtausgangsleistung einer LED bei Langzeitbetrieb.
2. BESCHREIBUNG DER EINSCHLÄGIGEN TECHNIK
Eine LED mit sogenannter Doppelheterostruktur verfügt über einen hohen Lichtemissions-Wirkungsgrad und hohe Lichtaus­ gangsleistung und wird daher in weitem Umfang für Displays, Lichtquellen für optische Kommunikation oder dergleichen verwendet.
Fig. 12 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer herkömmlichen LED 800 mit typischer Doppelheterostruktur. Die LED 800 ist eine LED auf InGaAlP-Basis, die Schichten mit Gitteranpassung an ein GaAs-Substrat enthält und Licht im Bereich von rotem Licht bis zu grünem Licht emittiert. In der LED 800 sind:
  • - ein Substrat 1 aus n-GaAs;
  • - eine erste Pufferschicht 2 aus n-GaAs;
  • - eine Lichtreflexions(DBR: Distributed Bragg Reflector = verteilter Braggreflektor)schicht 3 mit abwechselnd abge­ schiedenen n-(Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P-Schichten und n- Al0,5In0,5P-Schichten;
  • - eine erste Mantelschicht 4 aus n-Al0,5In0,5P, dotiert mit Si mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine Licht emittierende Schicht 6 aus p- (Ga0,7Al0,3)0,5In0,5P, 0,5 µm dick;
  • - eine zweite Mantelschicht 7 aus p-Al0,5In0,5P, dotiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine erste Stromverteilschicht 91 aus p-Al0,7Ga0,3As, do­ tiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 1 × 1018 cm-3, 1 µm dick; und
  • - eine zweite Stromverteilschicht 92 aus p-Al0,7Ga0,3As, do­ tiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 3 × 1018 cm-3, 6 µm dick;
in dieser Reihenfolge abgeschieden.
Die erste und die zweite Stromverteilschicht 91 und 92 bil­ den eine Stromverteilschicht 9.
Auf der Unterseite des Substrats 1 wird durch ein typisches Abscheidungsverfahren ein Film aus AuGe als n-seitige Elek­ trode 11 hergestellt. Auf der Oberseite der p-Stromverteil­ schicht 9 wird durch dasselbe Abscheidungsverfahren ein Film aus AuZn hergestellt. Dieser AuZn-Film wird einer Struktu­ rierung durch Photolithographie unterzogen, um einen kreis­ förmigen Teil desselben als p-seitige Elektrode 10 zu belas­ sen, an der ein Metalldraht angebondet wird, um die p-seiti­ ge Elektrode 10 mit einem externen Leiter zu verbinden. In der Lichtemissionsschicht 6 erzeugtes Licht wird von einem Teil der Oberfläche der p-Stromverteilschicht 9 abgestrahlt, von der der AuZn-Film entfernt wurde.
Die erste Pufferschicht 2 wird dazu verwendet, zu verhin­ dern, dass Defekte und Verunreinigungen des Substrats 1 die auf ihm abgeschiedenen Schichten beeinflussen. Die erste Pufferschicht 2 ist nicht erforderlich, wenn das Substrat 1 eine zufriedenstellend behandelte Oberfläche aufweist. Die DBR-Schicht 3 reflektiert Licht, das in der Licht emittie­ renden Schicht 6 zum Substrat 1 hin erzeugt wird. Dies ver­ hindert Lichtabsorption durch das Substrat 1, und das re­ flektierte Licht läuft in einer Richtung vom Substrat 1 weg, um zur Helligkeit der LED 800 beizutragen.
Die Stromverteilschicht 9 verfügt über niedrigen spezifi­ schen Widerstand, um geeigneten ohmschen Kontakt zur p-sei­ tigen Elektrode 10 herzustellen und um auch einen von der p-seitigen Elektrode 10 injizierten Strom in die gesamte Licht emittierende Schicht 6 zu verteilen. Daher benötigt die Stromverteilschicht 9 einen hohen Fremdstoff-Konzentrat­ ionsgrad. In diesem Fall ist im unteren Teil der Stromver­ teilschicht 9 die erste Stromverteilschicht 91 mit niedriger Fremdstoffkonzentration vorhanden, um zu verhindern, dass der Fremdstoff Zn in die Licht emittierende Schicht 6 dif­ fundiert.
Um einen hohen Lichtemissions-Wirkungsgrad zu erzielen, ver­ wendet eine herkömmliche LED eine Doppelheterostruktur, wie sie in Fig. 15 dargestellt ist. Fig. 15 ist eine Schnittan­ sicht zum Veranschaulichen eines Beispiels einer LED 900 auf AlGaInP-Basis, die Gitteranpassung an ein GaAs-Substrat 101 aufweist. Der Aufbau jeder Schicht in der LED 900 ist der Folgende:
  • - ein Substrat 101 aus n-GaAs;
  • - eine Pufferschicht 102 aus n-GaAs;
  • - eine erste n-Mantelschicht 103 aus n- (Ga0,3Al0,7)0,5In0,5P, dotiert mit Si mit einer Fremdstoff­ konzentration von 1 × 1018 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine Licht emittierende Schicht 104 aus p- (Ga0,7Al0,3)0,5In0,5P, 0,5 µm dick;
  • - eine zweite p-Mantelschicht 105 aus p-Al0,5In0,5P, dotiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine erste Stromverteilschicht 61 aus p-Ga0,3Al0,7As, do­ tiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 1 × 1018 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine zweite Stromverteilschicht 62 aus p-Ga0,3Al0,7As, do­ tiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 3 × 1018 cm-3, 6 µm dick; und
  • - eine Kontaktschicht 108 aus p-GaAs.
Auf dem Substrat 1 und der Kontaktschicht 108 sind eine n- seitige Elektrode 109 bzw. eine p-seitige Elektrode 107 vor­ handen.
Die LED 800 auf AlGaInP-Basis in der Fig. 12 erzeugt Licht durch Injizieren eines Stroms. In Fig. 13 kennzeichnet eine gestrichelte Linie A die Beziehung zwischen der Fremdstoff­ konzentration der Licht emittierenden Schicht 6 und der Lichtausgangsleistung in einer Anfangsperiode nach dem Be­ ginn der Lichtemission. Der Spitzenwert der Lichtausgangs­ leistung liegt in der Anfangsperiode nach Beginn der Licht­ emission bei einer Fremdstoffkonzentration von 1 × 1017 cm-3. Jedoch nimmt die Lichtausgangsleistung im Verlauf der Zeit allmählich ab. Zum Beispiel wird der LED 800 ein Strom von 50 mA für 1000 Stunden bei Raumtemperatur zugeführt. In Fig. 13 zeigt eine gestrichelte Linie B die Beziehung zwischen der Fremdstoffkonzentration der Licht emittierenden Schicht 6 und der Lichtausgangsleistung nach Lichtemission über 1000 Stunden. Die Lichtausgangsleistung nach Lichtemission über 1000 Stunden wird bei einer Fremdstoffkonzentration von 1 × 1017 cm-3 niedriger, während die Lichtausgangsleistung bei einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3 höher wird, wo die Lichtausgangsleistung maximal ist, was von der Anfangsperiode nach Beginn der Lichtemission verschieden ist.
Durch unsere Untersuchungen haben wird herausgefunden, dass eine derartige Änderung der Lichtausgangsleistung nach lang­ zeitiger Lichtemission durch Folgendes hervorgerufen wird: (1) ein nichtstrahlendes Rekombinationszentrum, das an einer Grenzfläche eines pn-Übergangs zwischen der ersten n-Mantel­ schicht 4 und der Licht emittierenden p-Schicht 6 erzeugt wird; und (2) einen Einfluss von Fremdstoffen, die in die Licht emittierende Schicht 6 diffundiert sind.
Die Fig. 14A und 14B veranschaulichen Zustände von Energie­ bändern, um die Licht emittierende Schicht 6 herum. Fig. 14A zeigt einen Zustand in der Anfangsperiode nach Beginn der Lichtemission, während Fig. 14B einen Zustand nach langzei­ tiger Lichtemission zeigt.
Die Grenzfläche 40 des pn-Übergangs ist eine Heterogrenzflä­ che, an der zwei Schichten mit stark voneinander verschiede­ nen Energielücken, wie in Fig. 14A dargestellt, in Kontakt miteinander stehen. An der Heterogrenzfläche 40 existieren starke interne Spannungen. Wenn zwischen die p-seitige Elek­ trode 10 und die n-seitige Elektrode 11 eine Spannung zum Erzeugen von Licht angelegt wird, liegt über die Hetero­ grenzfläche 40 hinweg ein starkes elektrisches Feld vor.
Die Kombination aus den internen Spannungen und der Energie des in der Licht emittierenden Schicht 6 erzeugten Lichts ruft in der Heterogrenzfläche 40 einen Gitterdefekt hervor. Dieser Gitterdefekt wächst bei langzeitiger Lichtemission entlang der Richtung einer elektrischen Feldlinie in die Licht emittierende Schicht 6. Der Gitterdefekt führt aus Ausbildung eines tiefen Energieniveaus 20 in der Nähe der Heterogrenzfläche 40, wie es in Fig. 14B dargestellt ist. Die Ladungsträger, ein Loch und ein Elektron, kombinieren ohne Lichtemission im tiefen Energieniveau miteinander. Ein derartiges tiefes Energieniveau wird als nichtstrahlendes Energieniveau bezeichnet. Da strahlende Rekombination 30 der LED 800 ein spontaner Emissionsprozess ist, hat die nicht­ strahlende Rekombination 31 auf dem nichtstrahlenden Ener­ gieniveau 20 kürzere Lebensdauer als die strahlende Rekombi­ nation 30. Daher fällt der Lichtemissions-Wirkungsgrad der LED 800, wenn die Anzahl von Ladungsträgern zunimmt, die auf dem nichtstrahlenden Energieniveau 20 kombinieren.
Bei langzeitiger Lichtemission wird dauernd das Wachstum des Gitterdefekt verursacht, der sich bis weit in die Licht emittierende Schicht 6 ausbreitet. Anders gesagt, entwickelt die Licht emittierende Schicht 6 viele Abschnitte mit nicht­ strahlendem Energieniveau 20. Daher fällt der Lichtemis­ sions-Wirkungsgrad der LED 800 weiter, d. h., die Lichtaus­ gangsleistung der LED 800 fällt im Vergleich zur Anfangspe­ riode der Lichtemissions.
Die japanische Offenlegungsveröffentlichung Nr. 2-151085 of­ fenbart ein Licht emittierendes Halbleiterbauteil (nachfol­ gend als "LED des herkömmliches Beispiels 2" bezeichnet) mit einer Struktur ähnlich derjenigen, die in Fig. 12 darge­ stellt ist. Die LED des herkömmlichen Beispiels 2 beinhaltet Mantel-Zwischenschichten, die zwischen die Licht emittieren­ de Schicht 6 und die erste und die zweite Mantelschicht 4 und 7 eingefügt sind. Die Mantel-Zwischenschichten verfügen jeweils über eine Dicke von mehr als ungefähr 10 Å und weni­ ger als ungefähr 200 Å und eine Energielücke mit einem Wert zwischen denen der Licht emittierenden Schicht 6 und der ersten und zweiten Mantelschicht 4 und 7. Bei der LED des herkömmlichen Beispiels 2 sind zwischen der Mantel-Zwischen­ schicht und der ersten und zweiten Mantelschicht 4 und 7 so­ wie zwischen der Mantel-Zwischenschicht und der Licht emit­ tierenden Schicht 6 Heterogrenzflächen ausgebildet. Demgemäß können die Differenzen in einer Energielücke an den Grenz­ flächen verringert werden, um dadurch die internen Spannun­ gen zu verringern. Dies erzeugt demgemäß eine Schwierigkeit für das Erzeugen eines Gitterdefekts, und so existieren in der Licht emittierenden Schicht 6 weniger nichtstrahlende Rekombinationszentren.
Bei der LED des herkömmlichen Beispiels 2 ist jedoch an der Grenzfläche zwischen der Licht emittierenden Schicht 6 und der Zwischenschicht ein pn-Übergang ausgebildet. An der Grenzfläche, an der ein hohes elektrisches Feldniveau exis­ tiert, wird ein Gittereffekt durch Lichtemission erzeugt. Obwohl eine Verringerung der Lichtausgangsleistung der LED des herkömmlichen Beispiels 2 wirkungsvoll verzögert ist, ermöglicht langzeitige Lichtemission die Entwicklung eines Gitterdefekts, der an der Grenzfläche erzeugt wird. Das Wachstum des Gitterdefekts verringert die Lichtausgangsleis­ tung der Licht emittierenden Schicht 6.
Wie es in Fig. 13 beschrieben ist, weist eine Licht emittie­ rende Schicht mit höherer Fremdstoffkonzentration nach lang­ zeitiger Lichtemission höhere Lichtausgangsleistung auf. Dieser Effekt wird nun beschrieben. Wenn die Licht emittie­ rende Schicht 6 höhere Fremdstoffkonzentration aufweist, als es der optimalen Konzentration entspricht, wird der spezifi­ sche Widerstand der Licht emittierenden Schicht 6 niedrig. Daher wird ein an der Grenzfläche des pn-Übergangs zwischen der ersten Mantelschicht 4 und der Licht emittierenden Schicht 6 angelegtes elektrisches Feld hinsichtlich der Stärke klein, was zu niedriger Lichtausgangsleistung in ei­ ner Anfangsperiode nach Beginn der Lichtemission führt. Nach langzeitiger Lichtemission sind wegen des elektrischen Felds und der Wärme, wie sie in der Nähe der Licht emittierenden Schicht 6 erzeugt wird, zusätzliche Fremdstoffe in die Licht emittierende Schicht 6 diffundiert. Die Diffusion von Fremd­ stoffen erhöht das elektrische Feld und damit die Lichtaus­ gangsleistung. In diesem Fall wird ebenfalls an der Grenz­ fläche des pn-Übergangs ein Defekt erzeugt, weswegen der Lichtemissions-Wirkungsgrad nach langzeitiger Lichtemission fällt.
Bei der in Fig. 15 dargestellten LED 900 ist die Puffer­ schicht 102 dazu verwendet, den Einfluss von Defekten und Verunreinigen des Substrats 101 abzuschirmen. Die Puffer­ schicht 102 ist nicht erforderlich, wenn die Oberflächenbe­ handlung des Substrats 101 zufriedenstellend ist. Die Kon­ taktschicht 108 besteht aus GaAs, das kein Al enthält, um ohmschen Kontakt zur p-seitigen Elektrode 107 zu erleich­ tern. Die Kontaktschicht 108 erlaubt es nicht, dass von der Licht emittierenden Schicht 104 erzeugtes Licht durch sie hindurchläuft. Jedoch ist die Kontaktschicht 108 unmittelbar unter der Elektrode 107 vorhanden, wodurch sie der Lichtab­ strahlung keinen Nachteil zufügt.
Bei der in Fig. 15 dargestellten LED 900 sind die Energielü­ cken der Licht emittierenden Schicht 104 und der ersten und der zweiten Mantelschicht 103 und 105 durch den Molenbruch von Al eingestellt. Die Gitterkonstante eines II-V-Verbin­ dungshalbleiters ist beinahe nicht variierbar, wenn Al durch Ga ersetzt wird, oder umgekehrt. Je größer der Molenbruch des enthaltenen Al ist, umso größer die Energielücke des Verbindungshalbleiters. Nachfolgend wird der Anteil von Al innerhalb der Gesamtmenge von Al und Ga in einem Mischkris­ tall als Molenbruch von Al im Mischkristall angesehen.
Um hohe Lichtausgangsleistung der LED 900 zu erzielen, ist es erforderlich, Ladungsträger innerhalb der Licht emittie­ renden Schicht 104 dadurch in zufriedenstellender Weise ein­ zugrenzen, dass Differenzen zwischen den Energielücken der Licht emittierenden Schicht 104 und der ersten und zweiten Mantelschicht 103 und 105 ausreichend groß gemacht werden. Die LED 900 verfügt über Doppelheterostruktur, bei der die Licht emittierende Schicht 104 aus (Ga0,7Al0,3)0,5In0,5P zwischen die erste Mantelschicht 103 aus n- (Ga0,3Al0,7)0,5In0,5P und die zweite Mantelschicht 105 aus p-(Ga0,3Al0,7)0,5In0,5P, die große Energielücken aufweisen, eingefügt ist. Der Molenbruch von Al der Licht emittierenden Schicht 104 beträgt 0,3, während die Molenbrüche von Al so­ wohl der ersten und zweiten Mantelschicht 103 und 105 den Wert 0,7 haben.
Um hohe Lichtausgangsleistung der LED 900 zu erzielen, ist Diffusion von von der Elektrode 107 injizierten Ladungsträ­ gern in die gesamte Licht emittierende Schicht 104 erforder­ lich. Zu diesem Zweck ist eine Senkung des spezifischen Wi­ derstands der Stromverteilschicht 106 durch Erhöhen der Fremdstoffkonzentration derselben auf ein ausreichend hohes Niveau erforderlich. Das Substrat 101 besteht typischerweise aus einem n-Halbleiter, so dass für die Stromverteilschicht 106 ein p-Halbleiter verwendet wird. Jedoch besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fremdstoff für den p-Halblei­ ter, wie Zn oder Mg, diffundiert. Die Grenzfläche zwischen den Schichten mit stark voneinander verschiedenen Fremd­ stoffkonzentrationen weist einen hohen Gradienten der Fremd­ stoffkonzentration auf. Daher besteht an der Grenzfläche die Wahrscheinlichkeit, dass der Fremdstoff wegen der Wechsel­ wirkung der elektrischen Energie mit der durch die Licht emittierende Schicht 104 erzeugten Lichtenergie diffundiert.
Zum Beispiel zeigen die Stromverteilschicht 106 und die zweite p-Mantelschicht 105, wie auch diese und die Licht emittierende Schicht 104 die oben beschriebene wechselseiti­ ge Beziehung. Daher besteht die Wahrscheinlichkeit, dass zwischen der Stromverteilschicht 106 und der zweiten p-Man­ telschicht 105 sowie zwischen dieser und der Licht emittie­ renden Schicht 104 Fremdstoffdiffusion auftritt.
Selbst wenn die Licht emittierende Schicht 104 anfangs die optimale Konzentration des p-Fremdstoffs aufweist, ändert sich die Konzentration wegen der Diffusion des Fremdstoffs, und daher fällt der Lichtemissions-Wirkungsgrad der Licht emittierenden Schicht 104. Ferner ist es unwahrscheinlich, dass sich der durch Diffusion in die Licht emittierende Schicht 104 eintretende Fremdstoff an einer normalen Gitter­ position niederlässt, wodurch er zu einem nichtstrahlenden Rekombinationszentrum mit tiefem Energieniveau wird.
Bei der in Fig. 15 dargestellten herkömmlichen LED 900 ent­ hält die Stromverteilschicht 106 zwei Schichten. Die untere Schicht ist eine erste Stromverteilschicht 61 mit niedriger Fremdstoffkonzentration. Daher erhält der Fremdstoffkonzen­ trationsgradient zwischen der Licht emittierenden Schicht 104 und der ersten Stromverteilschicht 61 einen niedrigen Wert, wodurch Diffusion von Zn verhindert ist. Die erste Stromverteilschicht 61 und die zweite Stromverteilschicht 62 haben denselben Molenbruch von Al.
Herkömmlicherweise betragen die Molenbrüche von Al in der ersten und zweiten Mantelschicht 103 und 105 ungefähr 0,7. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die oben beschriebe­ ne herkömmliche Technik unzureichend ist, um Fremdstoffdif­ fusion zu verhindern, wenn die Molenbrüche von Al in der ersten und zweiten Mantelschicht 103 und 105 auf ungefähr 1,0 erhöht werden, um die Eingrenzung von Ladungsträgern zu verbessern und eine höhere Lichtausgangsleistung der LED 900 zu erzielen. Anders gesagt, ist die oben beschriebene Diffu­ sion des p-Fremdstoffs wesentlich, wenn der Al-Molenbruch groß ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erfindungsgemäße Licht emittierende Diode ist mit Fol­ gendem versehen: einem Substrat; einer Licht emittierenden Schicht; einer ersten Mantelschicht von erstem Leitungstyp und mit einer Energielücke, die größer als eine Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist; einer zweiten Mantel­ schicht von zweitem Leitungstyp und mit einer Energielücke, die größer als eine Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist; und einer Barriere-Zwischenschicht vom selben Leitungstyp wie dem der Licht emittierenden Schicht, jedoch mit anderem Leitungstyp als die erste oder zweite Mantel­ schicht und mit einer Energielücke, die kleiner als die Energielücke der ersten oder zweiten Mantelschicht, jedoch größer als die Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist. Die Licht emittierende Diode weist Doppelheterostruktur dergestalt auf, dass die Licht emittierende Schicht zwischen die erste und zweite Mantelschicht eingebettet ist. Die Bar­ riere-Zwischenschicht ist zwischen der Licht emittierenden Schicht und der ersten Mantelschicht und/oder zwischen der Licht emittierenden Schicht und der zweiten Mantelschicht angeordnet.
Daher ist verhindert, dass ein an einem pn-Übergang erzeug­ ter Kristalldefekt eine Licht emittierende Schicht beein­ flusst, wodurch eine LED realisiert ist, bei der eine Ver­ ringerung der Lichtausgangsleistung selbst nach langzeitiger Lichtemission verhindert ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke der Barriere-Zwischenschicht kleiner als die Diffusionslänge eines Minoritätsladungsträger in der Barriere-Zwischen­ schicht und größer als ein Wert, so dass ein an der Grenz­ fläche zwischen der Barriere-Zwischenschicht und der ersten oder zweiten Mantelschicht erzeugtes nichtstrahlendes Rekom­ binationszentrum im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Licht emittierende Schicht ausübt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Dicke der Barriere-Zwischenschicht im Bereich von 0,1 µm oder mehr und 0,5 µm oder weniger.
Daher ist verhindert, dass ein an einem pn-Übergang erzeug­ ter Kristalldefekt eine Licht emittierende Schicht beein­ flusst, so dass eine Verringerung des Lichtemissions-Wir­ kungsgrads verhindert ist, um dadurch eine LED zu realisie­ ren, bei der eine Verringerung der Lichtausgangsleistung selbst nach langzeitiger Lichtemission verhindert ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Energielücke der Barriere-Zwischenschicht um 0,2 eV oder mehr größer als die Energielücke der Licht emittierenden Schicht.
Daher ist nichtstrahlende Rekombination in der Barriere-Zwi­ schenschicht weiter verringert, um dadurch eine LED mit ho­ hem Lichtemissions-Wirkungsgrad zu realisieren.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die die Barrie­ re-Zwischenschicht eine Schicht aus einem Halbleiter mit indirektem Übergang mit langer Lebensdauer für nichtstrah­ lende Rekombination.
Daher ist nichtstrahlende Rekombination in der Barriere-Zwi­ schenschicht im Wesentlichen beseitigt, um dadurch eine LED mit hohem Lichtemissions-Wirkungsgrad zu realisieren.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Bar­ riere-Zwischenschicht eine erste und eine zweite Barriere- Zwischenschicht. Die erste Barriere-Zwischenschicht ist zwi­ schen der Licht emittierenden Schicht und der ersten Mantel­ schicht vorhanden. Die zweite Barriere-Zwischenschicht ist zwischen der Licht emittierenden Schicht und der zweiten Mantelschicht vorhanden. Die erste Barriere-Zwischenschicht weist denselben Leitungstyp wie die Licht emittierende Schicht, jedoch einen anderen Leitungstyp als dem der ers­ ten, an die erste Barriere-Zwischenschicht angrenzenden Man­ telschicht auf, und sie weist eine Energielücke auf, die kleiner als diejenige der ersten Mantelschicht, jedoch grö­ ßer als diejenige der Licht emittierenden Schicht ist. Die zweite Barriere-Zwischenschicht weist denselben Leitungstyp wie den der Licht emittierenden Schicht und den Leitungstyp der zweiten, an die zweite Barriere-Zwischenschicht angren­ zenden Mantelschicht auf, und sie weist eine Energielücke auf, die kleiner als diejenige der zweiten Mantelschicht, jedoch größer als diejenige der Licht emittierenden Schicht ist.
Daher ist verhindert, dass ein an einem pn-Übergang erzeug­ ter Kristalldefekt eine Licht emittierende Schicht beein­ flusst, so dass eine Verringerung des Lichtemissions-Wir­ kungsgrads verhindert ist. Ferner ist verhindert, dass ein p-Fremdstoff, der die Tendenz leichter Diffusion zeigt, in die Licht emittierende Schicht diffundiert, um dadurch eine Verringerung des Lichtemissions-Wirkungsgrads zu verhindern.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Substrat aus GaAs; die erste Mantelschicht aus (Ga1-x2Alx2)0,5In0,5P (x1<x2≦1); die Licht emittierende Schicht aus (Ga1-x1Alx1)0,5In0,5P (0≦x1<1); die Barriere-Zwischenschicht aus (Ga1-x4Alx4)0,5In0,5P (x1<x4<x2, x3); und die zweite Mantelschicht aus (Ga1-x3Alx3)0,5In0,5P (x1<x3≦1).
Daher ist die Lichtausgangsleistung im Spektrum von rotem Licht bis zu grünem Licht selbst nach langzeitiger Licht­ emission verringert.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist eine Licht emittierende Diode mit Folgendem versehen: einem Sub­ strat; einer Licht emittierenden Schicht; einer p-Mantel­ schicht mit einer Energielücke, die größer als eine Energie­ lücke der Licht emittierenden Schicht ist; und einer n-Man­ telschicht mit einer Energielücke, die größer als diejenige der Licht emittierenden Schicht ist. Die Licht emittierende Diode besteht aus mindestens einem III-V-Verbindungshalblei­ termaterial und verfügt über Doppelheterostruktur in solcher Weise, dass die Licht emittierende Schicht zwischen die p- und die n-Mantelschicht eingefügt ist. Die p-Mantelschicht beinhaltet eine zweite p-Barriere-Zwischenschicht und eine zweite p-Mantelschicht. Die zweite p-Barriere-Zwischen­ schicht liegt näher an der Licht emittierenden Schicht als die zweite p-Mantelschicht. Die zweite p-Barriere-Zwischen­ schicht verfügt über einen niedrigeren Al-Molenbruch und niedrigere Fremdstoffkonzentration, als es dem Al-Molenbruch bzw. der Fremdstoffkonzentration der zweiten p-Mantelschicht entspricht.
Daher ist selbst dann, wenn die LED eine LED hoher Intensi­ tät ist, die eine Mantelschicht mit hohem Al-Molenbruch ent­ hält, verhindert, dass ein p-Fremdstoff, der die Tendenz leichter Diffusion zeigt, von der Stromverteilschicht oder der zweiten p-Mantelschicht in die Licht emittierende Schicht diffundiert, und zwar selbst nach langzeitiger Lichtemission, um dadurch eine Verringerung des Lichtemis­ sions-Wirkungsgrads zu verhindern.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Al-Mo­ lenbruch der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 0,5 oder weniger, und der Al-Molenbruch der zweiten p-Mantelschicht beträgt 0,7 oder mehr.
Daher wird die Kristallinität der zweiten p-Barriere-Zwi­ schenschicht in zufriedensteller Weise aufrechterhalten, was es ermöglicht, die Diffusion eines Fremdstoffs zu verhin­ dern.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Fremd­ stoffkonzentration der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 3 × 1017 cm-3 oder weniger. Die Dicke der zweiten p-Barriere- Zwischenschicht liegt im Bereich von 0,1 µm oder mehr und 0,5 µm oder weniger.
Daher behält die zweite p-Barriere-Zwischenschicht selbst dann, wenn die LED diese zweite p-Barriere-Zwischenschicht enthält, einen Ladungsträger-Eingrenzungseffekt, um dadurch hohe Lichtausgangsleistung zu realisieren und es zu ermögli­ chen, eine Charakteristik der LED bei hoher Temperatur auf­ recht zu erhalten. Ferner weist die zweite p-Mantelschicht niedrige Fremdstoffkonzentration auf und absorbiert daher eindringende Fremdstoffe, um zu verhindern, dass sie in die Licht emittierende Schicht diffundieren.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Substrat aus GaAs; die erste n-Mantelschicht aus (Ga1-x2Alx2)0,5In0,5P (x1<x2≦1); die Licht emittierende Schicht aus (Ga1-x1Alx1)0,5In0,5P (0≦x1<x2, x3); die zweite p-Barriere-Zwischenschicht aus (Ga1-x4Alx4)0,5In0,5P (x1<x4<x3, Fremdstoffkonzentration von weniger als 5 × 1017 cm-3); und die zweite p-Mantelschicht aus (Ga1-x3Alx3)0,5In0,5P (x1<x3≦1, Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3 oder mehr).
Daher ist selbst dann, wenn die LED für lange Zeit Licht im Spektrum von rotem Licht bis zu grünem Licht mit hoher In­ tensität emittiert, verhindert, dass ein p-Fremdstoff, der die Tendenz leichten Diffundierens zeigt, daran gehindert ist, von der Stromverteilschicht oder der zweiten p-Mantel­ schichte in die Licht emittierende Schicht zu diffundieren, um dadurch eine Verringerung der Lichtausgangsleistung zu verhindern.
Demgemäß ermöglicht die hier beschriebene Erfindung die fol­ genden Vorteile: (1) Anbringen einer Barriere-Zwischen­ schicht zum Verhindern, dass ein an der Grenzfläche eines pn-Übergangs erzeugter Defekt in eine Licht emittierende Schicht eindringt; (2) zufriedenstellendes Eingrenzen von Ladungsträgern durch Erhöhen des Molenbruchs von Al in einer zweiten p-Mantelschicht; und daher (3) Erzeugen einer LED mit hohem Zuverlässigkeitsgrad, bei der eine Verringerung der Lichtausgangsleistung nach langzeitiger Lichtemission verhindert ist.
Diese und andere Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren er­ sichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 1 der Erfindung.
Fig. 2A und 2B sind Diagramme zum Veranschaulichen des Zu­ stands von Energiebändern in der Nähe einer Licht emittie­ renden Schicht der LED des Beispiels 1 in einer Anfangsperi­ ode der Lichtemission bzw. nach langzeitiger Lichtemission.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 2 der Erfindung.
Fig. 4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen des Zustands von Energiebändern in der Nähe einer Licht emittierenden Schicht der LED des Beispiels 2 nach langzeitiger Lichtemis­ sion.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 3 der Erfindung.
Fig. 6 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen des Zustands von Energiebändern in der Nähe einer Licht emittierenden Schicht der LED des Beispiels 3 nach langzeitiger Lichtemis­ sion.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 4 der Erfindung.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 5 der Erfindung.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 6 der Erfindung.
Fig. 10A und 10B sind Kurvenbilder zum Veranschaulichen von Beziehungen zwischen der Abnahme der Lichtausgangsleistung nach langzeitiger Lichtemission und der Fremdstoffkonzentra­ tion bzw. der Dicke einer zweiten p-Barrierezwischenschicht der LED des Beispiels 6.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 7 der Erfindung.
Fig. 12 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer herkömmlichen LED.
Fig. 13 ist ein Kurvenbild zum Veranschaulichen von Bezie­ hungen zwischen der Fremdstoffkonzentration einer Licht emittierenden Schicht und der Lichtausgangsleistung unmit­ telbar nach dem Beginn der Lichtemission und der Lichtaus­ gangsleistung nach langzeitiger Lichtemission bei der in Fig. 12 dargestellten herkömmlichen LED.
Fig. 14A und 14B sind Diagramme zum Veranschaulichen des Zu­ stands von Energiebändern in der Nähe einer Licht emittie­ renden Schicht der in Fig. 12 dargestellten herkömmlichen LED.
Fig. 15 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer anderen herkömmlichen LED.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Beispiel 1)
Fig. 1 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen des Auf­ baus einer LED 100 gemäß einem Beispiel 1 der Erfindung. Der Einfachheit halber sind Komponenten mit denselben Funktionen wie denen der LED 800 mit denselben Bezugszahlen gekenn­ zeichnet, wie sie dort verwendet sind. Die LED 100 beinhal­ tet Folgendes:
  • - ein Substrat 1 aus GaAs;
  • - eine erste Mantelschicht 4 aus (Ga1-x2Alx2)0,5In0,5P (x1<x2≦1);
  • - eine Licht emittierende Schicht 6 aus (Ga1-x1Alx1)0,5In0,5P (0≦x1<1);
  • - eine Barriere-Zwischenschicht 5 aus (Ga1-x4Alx4)0,5In0,5P (x1<x4<x2, x3); und
  • - eine zweite Mantelschicht 7 aus (Ga1-x3Alx3)0,5In0,5P (x1<x3≦1).
Mit diesem Aufbau kann eine LED in solcher Weise erhalten werden, dass die Lichtausgangsleistung derselben im Spektrum von rotem Licht bis zu grünem Licht selbst nach langzeitiger Lichtemission weniger verringert ist.
Genauer gesagt, beinhaltet die LED 100 Folgendes:
  • - ein Substrat 1 aus n-GaAs;
  • - eine erste Pufferschicht 2 aus n-GaAs;
  • - eine Lichtreflexions(DBR)schicht 3, die n- (Al0,4Ga0,6)0,5n0,5P-Schichten und n-Al0,5In0,5P-Schichten aufweist, die in abwechselnder Weise abgeschieden sind;
  • - eine erste Mantelschicht 4 aus n-Al0,5In0,5P, dotiert mit Si mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine Barriere-Zwischenschicht 5 aus p- (Ga0,5Al0,5)0,5In0,5P, dotiert mit Zn mit einer Fremdstoff­ konzentration von 1 × 1017 cm-3, 0,2 µm dick;
  • - eine Licht emittierende Schicht 6 aus p- (Ga0,7Al0,3)0,5In0,5P, dotiert mit Zn mit einer Fremdstoff­ konzentration von 1 × 1017 cm-3, 0,5 µm dick;
  • - eine zweite Mantelschicht 7 aus p-Al0,5In0,5P, dotiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine zweite Pufferschicht 8 aus p- (Al0,03Ga0,95)0,95In0,05P, dotiert mit Zn mit einer Fremd­ stoffkonzentration von 1 × 1018 cm-3, 0,15 µm dick und
  • - eine Stromverteilschicht 9 aus p- (Al0,01Ga0,99)0,99In0,01P, dotiert mit Zn mit einer Fremd­ stoffkonzentration von 5 × 1018 cm-3, 7 µm dick.
Die LED 100 bei diesem speziellen Beispiel unterscheidet sich von der in Fig. 12 dargestellten LED 800 dahingehend, dass die Barriere-Zwischenschicht 5 zwischen der Licht emit­ tierenden Schicht 6 und der ersten Mantelschicht 4 vorhanden ist. Die Barriere-Zwischenschicht verfügt über einen Lei­ tungstyp, der mit dem der Licht emittierenden Schicht 6 übereinstimmt, jedoch von dem der ersten Mantelschicht 4 verschieden ist. Die Energielücke der Barriere-Zwischen­ schicht 5 ist größer als diejenige der Licht emittierenden Schicht 6, jedoch kleiner als die der ersten Mantelschicht 4. Die Fremdstoffkonzentration von Zn in der Licht emittie­ renden Schicht 6 vom p-Typ beträgt 1 × 1017 cm-3, was der op­ timale Wert für den Lichtwirkungsgrad in der Anfangsperiode nach Beginn der Lichtemission ist.
Abweichend von der herkömmlichen LED 800 besteht beim Bei­ spiel 1 die Stromverteilschicht 9 aus InGaAlP. Dies ist ein Versuch, die Lichtabsorption so niedrig wie möglich und die Lichtausgangsleistung so groß wie möglich zu machen.
Jedoch zeigt die Stromverteilschicht 9 keine Gitteranpassung an das GaAs-Substrat 1. Um den spezifischen Widerstand der Stromverteilschicht 9 zu senken, muss der Molenbruch von Al einen niedrigen Wert, d. h. 0,01 aufweisen. Daher ist der Mo­ lenbruch von In auf 0,01 eingestellt, um eine Verringerung der Energielücke auf Grund des gesenkten Molenbruchs von Al zu kompensieren. Da die Stromverteilschicht 9 einen In-Mo­ lenbruch von 0,01 aufweist, ist die Oberfläche derselben glatter als dann, wenn sie aus GaP bestehen würde. Daher ist es schwierig, eine an der Oberseite der Stromverteilschicht 9 ausgebildete Elektrode 10 abzutrennen. Der niedrige In-Mo­ lenbruch von 0,01 ermöglicht es der Stromverteilschicht 9 nicht, Gitteranpassung an irgendeine der Schichten vom Sub­ strat 1 bis zur zweiten Mantelschicht 7 zu zeigen. Demgemäß ist die zweite Pufferschicht 8 zwischen der zweiten Mantel­ schicht 7 und der Stromverteilschicht 9 vorhanden, um eine Erzeugung von Kristalldefekten durch die Fehlanpassung der Gitterkonstanten zu verhindern. Genauer gesagt, weist die zweite Pufferschicht 8 eine Gitterkonstante zwischen derje­ nigen der Stromverteilschicht 9 und denjenigen des Substrats 1 usw. auf. Die mittlere Gitterkonstante der zweiten Puffer­ schicht 8 wird erhalten, wenn die Molenbrüche von Al und In beide 0,05 sind.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 Wirkungen der Barriere-Zwischenschicht 5 beschrieben.
Die Fig. 2A und 28 veranschaulichen Bandzustände der LED 100 nach langzeitiger Lichtemission. Wie die Fig. 14A und 14B veranschaulicht die Fig. 2A einen Zustand der LED 100, wenn Ladungsträger mit Vorspannung in Durchlassrichtung in die Licht emittierende Schicht 6 injiziert werden. Die Barriere- Zwischenschicht 5 verfügt über einen solchen Al-Molenbruch, dass ihr Energiebandniveau zwischen denen der ersten n-Man­ telschicht 4 und der Licht emittierenden Schicht 6 vom p-Typ liegt. Da die Barriere-Zwischenschicht 5 vom p-Typ ist, ist zwischen der ersten n-Mantelschicht 5 und der p-Barriere- Zwischenschicht 5 ein pn-Übergang ausgebildet. Injizierte Ladungsträger rekombinieren in der Nähe des pn-Übergangs. In der Schicht mit niedriger Energielücke, d. h. in der Barrie­ re-Zwischenschicht 5, existieren sowohl Löcher als auch Elektronen. Selbst wenn die Dicke der Barriere-Zwischen­ schicht 5 ausreichend geringer als die Diffusionslänge der injizierten Minoritätsladungsträger ist, wird eine ausrei­ chende Anzahl von Minoritätsladungsträger auch in die Licht emittierende Schicht 6 injiziert. Da die Lebensdauer für strahlende Rekombination in der Licht emittierenden Schicht 6 kürzer als in der Barriere-Zwischenschicht 5 ist, wird in der Licht emittierenden Schicht 6 ein größerer Anteil von Ladungsträgern aufgebraucht als in der Barriere-Zwischen­ schicht 5. Demgemäß fehlt es der Licht emittierenden Schicht 6 an Ladungsträgern, und daher werden die in die Barriere- Zwischenschicht 5 eintretenden Ladungsträger schnell in die Licht emittierende Schicht 6 transportiert. Obwohl eine gro­ ße Anzahl von Löchern und Elektronen in der Barriere-Zwi­ schenschicht 5 existiert, tritt strahlende Rekombination wirkungsvoll in der Licht emittierenden Schicht 6 auf. Dies, weil die niedrigere Bandlücke zu kürzerer Lebensdauer strah­ lender Rekombination führt.
Wie oben beschrieben, hat die Barriere-Zwischenschicht 5 im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Lichtemission und den Lichtwirkungsgrad der LED 100.
Fig. 2B veranschaulicht den Bandzustand der LED 100 mit der Barriere-Zwischenschicht 5 nach langzeitiger Lichtemission. In der Nähe des pn-Übergangs ist ein Energieniveau 20 für nichtstrahlende Rekombination erzeugt. Dennoch ist, da La­ dungsträger in der Barriere-Zwischenschicht 5 schnell in die Licht emittierende Schicht 6 diffundieren, wie oben be­ schrieben, die Anzahl der auf diesem Energieniveau 20 kam­ binierenden Ladungsträger klein, was dazu führt, dass eine Verringerung des Lichtwirkungsgrads verhindert ist.
Wie oben beschrieben, verfügt die Barriere-Zwischenschicht 5 über einen Leitungstyp, der mit dem der Licht emittierenden Schicht 6 übereinstimmt, jedoch verschieden von dem der ers­ ten Mantelschicht 4 ist. Die Energielücke der Barriere-Zwi­ schenschicht 5 ist größer als diejenige der Licht emittie­ renden Schicht 6, jedoch kleiner als die der ersten Mantel­ schicht 4. Mit der Barriere-Zwischenschicht 5 kann die LED 100 derartig realisiert werden, dass der Lichwirkungsgrad der Licht emittierenden Schicht 6 sowohl in der Anfangsperi­ ode der Lichtemission als auch nach langzeitiger Lichtemis­ sion verringert ist.
Die Diffusionslänge eines Elektrons beträgt typischerweise 0,5-1,5 µm. Beim Beispiel 1 weisen die Halbleiterschichten auf InGaAlP-Basis, deren In-Molenbrüche um 0,5 herum liegen, eine Diffusionslänge von ungefähr 0,5 µm auf. In der LED 100 ist daher die Dicke der Barriere-Zwischenschicht 5 auf 0,2 µm eingestellt. Nach langzeitiger Lichtemission wird in der Nähe der Grenzfläche (pn-Übergang) zwischen der p-Barriere- Zwischenschicht 5 und der ersten n-Mantelschicht 4 ein Kris­ talldefekt erzeugt. Um ein Wachstum des Kristalldefekts und damit eine Beeinflussung der Licht emittierenden Schicht 6 innerhalb der Lichtemissionszeit des tatsächlichen Gebrauchs zu verhindern, ist die Dicke der p-Barriere-Zwischenschicht 5 vorzugsweise groß, d. h. 0,1 µm oder mehr.
In der LED 100 kombinieren die meisten Löcher und Elektronen in der Licht emittierenden Schicht 6, was zu höherem Licht­ wirkungsgrad der LED 100 führt, wenn die Energielücke der p- Barriere-Zwischenschicht 5 um 0,2 eV oder mehr größer als diejenige der Licht emittierenden Schicht 6 ist (d. h. x4-x1 ≧0,15, wobei x4 und x1 die Al-Molenbrüche der p-Barriere- Zwischenschicht 5 bzw. der Licht emittierenden Schicht 6 sind, wie oben beschrieben).
Wenn der Al-Molenbruch 0,5 oder mehr beträgt, wird die aus einem Halbleiter auf InGaAlP-Basis bestehende Barriere-Zwi­ schenschicht 5 eine Halbleiterschicht vom Typ mit indirektem Übergang. Daher tritt in der Barriere-Zwischenschicht 5 bei­ nahe keine strahlende Rekombination 30 auf, was den Wir­ kungsgrad strahlender Rekombination in der Licht emittieren­ den Schicht 6 weiter erhöht. In der LED 100 ist der Al-Mo­ lenbruch x4 der Barriere-Zwischenschicht 5 auf 0,5 einge­ stellt, wodurch diese eine Halbleiterschicht vom Typ mit in­ direktem Übergang wird. Dies erschwert es der Barriere-Zwi­ schenschicht 5, Licht zu emittieren, wodurch praktisch alle injizierten Löcher und Elektronen strahlend in der Licht emittierenden Schicht 6 kombinieren.
Es wurde eine Anzahl von LEDs gemäß dem Beispiel 1 herge­ stellt und dann Langzeitbetrieb unter solchen Bedingungen unterzogen, dass den LEDs für 1000 Stunden bei Raumtempera­ tur ein Treiberstrom von 50 mA zugeführt wurde, wie beim Be­ trieb gemäß Fig. 13. Die Lichtausgangsleistungen der LEDs wurden nach 1000 Stunden gemessen. Im Ergebnis betrug die mittlere Lichtausgangsleistung 650 µW, und die Änderung der Lichtausgangsleistung lag innerhalb von ±2% im Vergleich zur Lichtausgangsleistung in der Anfangsperiode der Lichtemis­ sion, wobei der Treiberstrom 20 mA beträgt. Die Änderung der Lichtausgangsleistung ist für den praktischen Gebrach aus­ reichend klein.
(Beispiel 2)
Fig. 3 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED 200 gemäß einem Beispiel 2 der Erfindung. Der Einfach­ heit halber sind Komponenten mit denselben Funktionen wie denen der LED 100 des Beispiels 1 mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, wie sie dort verwendet sind.
Die LED 200 des Beispiels 2 unterscheidet sich von der LED 100 des Beispiels 1 dahingehend, dass eine Lichtemissions­ schicht 6 nicht mit einem Fremdstoff dotiert ist, und daher vom n-Typ ist, und eine Barriere-Zwischenschicht 50 zwischen der Licht emittierenden Schicht 6 vom n-Typ und einer zwei­ ten p-Mantelschicht 7 vorhanden ist. Die Energielücke der Barriere-Zwischenschicht 50 ist größer als diejenige der Licht emittierenden Schicht 6, jedoch niedriger als die der zweiten Mantelschicht 7. Die n-Barriere-Zwischenschicht 50 besteht aus (Ga0,5Al0,5)0,5In0,5P mit Si mit einer Fremd­ stoffkonzentration von 1 × 1016 cm-3 und einer Dicke von 0,2 µm.
Fig. 4 veranschaulicht den Bandzustand der LED 200 nach langzeitiger Lichtemission.
Wenn die LED 200 aus einem Material auf InGaAlP-Basis be­ steht, das Gitteranpassung an ein GaAs-Substrat 1 aufweist, und wenn die Licht emittierende Schicht 6 nicht mit einem Fremdstoff dotiert ist, erhält diese den n-Leitungstyp. Das Beispiel 2 wird für den Fall beschrieben, dass die Licht emittierende Schicht 6 vom n-Typ ist.
In der LED 200 ist die n-Barriere-Zwischenschicht 50 zwi­ schen der Licht emittierenden Schicht 6 vom n-Typ und der zweiten p-Mantelschicht 7 vorhanden. Die Barriere-Zwischen­ schicht 50 ist mit Si dotiert. Die Fremdstoffkonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 1017 cm-3 oder weniger. Die Dicke der Barriere-Zwischenschicht 50 ist kleiner als die Diffusions­ länge von Löchern als Minoritätsladungsträgern. Die Diffu­ sionslänge eines Lochs ist kleiner als die eines Elektrons, d. h. ungefähr 0,3 µm. Demgemäß beträgt die Dicke der Barrie­ re-Zwischenschicht 50 in der LED 200 des Beispiels 2 0,5 µm. Dieser Wert ist größer als 0,1 µm, was derjenige Dickenwert ist, der verhindert, dass der Einfluss eines durch einen pn- Übergang zwischen der Barriere-Zwischenschicht 50 und der zweiten p-Mantelschicht 7 hervorgerufenen Kristalldefekts die Licht emittierende Schicht 6 erreicht. Daher ist die Ab­ nahme der Lichtausgangsleistung nach langzeitiger Lichtemis­ sion für den praktischen Gebrauch ausreichend klein, wie bei der LED 100 des Beispiels 1.
Es ist gut bekannt, dass langzeitige Lichtemission zur Dif­ fusion von Zn führt, das ein p-Fremdstoff ist. Wenn Zn in die Licht emittierende Schicht 6 emittiert, fällt der Licht­ emissions-Wirkungsgrad derselben. Insbesondere bei einer LED mit hoher Ausgangsleistung sind die Stromverteilschicht 9 und die zweite p-Mantelschicht 7 mit einer großen Menge an Zn dotiert, um ihren spezifischen Widerstand zu senken. In diesem Fall ist die Zn-Diffusion in die Licht emittierende Schicht 6 deutlich, was zu einer Abnahme des Lichtemissions- Wirkungsgrads führt.
Bei der LED 200 des Beispiels 2 ist jedoch die Barriere-Zwi­ schenschicht 50 mit niedriger Fremdstoffkonzentration zwi­ schen der zweiten p-Mantelschicht 7 und der Licht emittie­ renden Schicht 6 vorhanden, wodurch die Diffusion von Zn in die Licht emittierende Schicht 6 verhindert ist und daher eine Abnahme des Lichtemissions-Wirkungsgrads verhindert ist. Insbesondere ist die Diffusion von Zn gering, da die Barriere-Zwischenschicht 50 einen niedrigen Al-Molenbruch aufweist. Daher ist die Barriere-Zwischenschicht 50 zum Ver­ hindern von Zn-Diffusion wirkungsvoll. Im Ergebnis kann die LED 200 einen Lichtemissions-Wirkungsgrad aufweisen, der nach langzeitiger Lichtemission selbst dann nicht verringert ist, wenn die Fremdstoffkonzentration der Stromverteil­ schicht 9 erhöht wird, um die Betriebsspannung zu senken.
Bei der LED 200 des Beispiels 2 fällt die Lichtausgangsleis­ tung nicht wesentlich, da im Wesentlichen keine Diffusion von Zn von der p-Stromverteilschicht 9 und der zweiten p- Mantelschicht 7 aus vorliegt. Zum Beispiel liegt nach Lang­ zeitbetrieb bei Bedingungen dahingehend, dass ein Treiber­ strom von 50 mA für 1000 Stunden bei Raumtemperatur LEDs zu­ geführt wird, wie beim Betrieb in Fig. 2, die Lichtausgangs­ leistung der LED 200 innerhalb von ±2% von 450 µW, wie sie in der Anfangsperiode der Lichtemission erzielt werden, wenn der Treiberstrom 20 mA beträgt. Es ist zu beachten, dass die Treiberspannung im Vergleich zu der beim Beispiel 1 um 10% verringert ist.
(Beispiel 3)
Fig. 5 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED 300 gemäß dem Beispiel 3 der Erfindung. Der Einfachheit halber sind Komponenten mit denselben Funktionen wie denen der LED 100 des Beispiels 1 mit denselben Bezugszahlen be­ zeichnet, wie sie dort verwendet sind.
Die LED 300 des Beispiels 3 unterscheidet sich von der LED 100 des Beispiels 1 dahingehend, dass zusätzlich zur zwi­ schen einer ersten n-Mantelschicht 4 und einer Licht emit­ tierenden Schicht 6 vom p-Typ eine erste p-Barriere-Zwi­ schenschicht 51 (durch die Bezugszahl 5 beim Beispiel 1 ge­ kennzeichnet) vorhanden ist und zwischen der Licht emittie­ renden Schicht 6 vom n-Typ und der zweiten p-Mantelschicht 7 eine zweite p-Barriere-Zwischenschicht 52 vorhanden ist. Diese p-Barriere-Zwischenschicht 52 besteht aus (Ga0,5Al0,5)0,51In0,49P. dotiert mit Zn mit einer Fremd­ stoffkonzentration von 1 × 1017 cm-3 und einer Dicke von 0,2 µm.
Fig. 6 veranschaulicht Bandzustände der LED 300 in einer An­ fangsperiode der Lichtemission und nach langzeitiger Licht­ emission.
Zusätzlich zur Konfiguration der LED 100 des Beispiels 1 ist die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 52 zwischen der Licht emittierenden Schicht 6 vom p-Typ und der zweiten p-Mantel­ schicht 7 vorhanden, die keine Grenzfläche eines pn-Über­ gangs bilden. Die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 52 ver­ hindert die Erzeugung eines Kristalldefekts auf Grund einer Energielücke zwischen der Licht emittierenden Schicht 6 und der zweiten Mantelschicht 7, wie es beim Beispiel 2 be­ schrieben ist. Das Verhindern einer Verringerung der Licht­ ausgangsleistung ist wirkungsvoller als bei der LED 100 des Beispiels 1.
Ferner verfügt die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 52 über niedrige Fremdstoffkonzentration und niedrigen Al-Molen­ bruch. Daher verhindert diese zweite p-Barriere-Zwischen­ schicht 52 die Diffusion von Zn aus der p-Stromverteil­ schicht 9 und der zweiten p-Mantelschicht 7 in die Licht emittierende Schicht 6, um dadurch eine Abnahme des Licht­ emissions-Wirkungsgrads zu verhindern.
Im Ergebnis verhindert die LED 300 des Beispiels 3 eine Ab­ nahme des Lichtemissions-Wirkungsgrads der Licht emittieren­ den Schicht 6 über eine längere Zeitperiode der Lichtemis­ sion als dies die LED 100 des Beispiels 1 tut.
Darüber hinaus verfügt die LED 300 des Beispiels 3 im Ver­ gleich mit der LED 100 des Beispiels 1 über einen niedrigen Grad der Erzeugung von Kristalldefekten und demgemäß über höhere Lichtausgangsleistung. Genauer gesagt, wurde die Lichtausgangsleistung der LED 300 nach Betrieb für 1000 Stunden gemessen, wobei der LED 300 ein Treiberstrom von 50 mA bei Raumtemperatur zugeführt wurde. Diese Bedingung ist derjenigen ähnlich, die beim Betrieb gemäß Fig. 13 verwendet wurde. Im Ergebnis betrug die Lichtausgangsleistung der LED 300 720 µW. Dieser Wert lag innerhalb von ±2% der Lichtaus­ gangsleistung, die in der Anfangsperiode der Lichtemission bei einem Treiberstrom von 20 mA erhalten wurde.
(Beispiel 4)
Fig. 7 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED 400 gemäß einem Beispiel 4 der Erfindung. Der Einfach­ heit halber sind Komponenten mit denselben Funktionen wie denen der LED 100 des Beispiels 1 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, wie sie dort verwendet sind.
Die LED 400 des Beispiels 4 unterscheidet sich von der LED 100 des Beispiels 1 dahingehend, dass eine Licht emittieren­ de Schicht 60 Mehrfach-Quantentrog(MQW = multi-quantum well)-Struktur aufweist und zwischen der Licht emittierenden Schicht 60 und der ersten n-Mantelschicht 4 eine Barriere- Zwischenschicht 5 vorhanden ist. Die Licht emittierende Schicht 6 besteht aus abwechselnden Ga0,51In0,49p-Schichten und (Ga0,5Al0,5)0,5In0,5P-Schichten mit einer Dicke unter der De-Broglie-Wellenlänge. Die Energielücke der Barriere- Zwischenschicht 5 hat einen Wert zwischen denen der Licht emittierenden Schicht 6 und der ersten n-Mantelschicht 5. Die Barriere-Zwischenschicht 5 ist mit einer geringen Dicke, d. h. mit 0,05 µm, vorhanden.
Durch die MQW-Struktur wird die Erzeugung eines Kristallde­ fekts in der Licht emittierenden Schicht 6 behindert. Daher breitet sich jeglicher Kristalldefekt, der in einem pn-Über­ gang zwischen der ersten n-Mantelschicht 4 und der Barriere- Zwischenschicht 5 erzeugt wird, kaum mit aufweitendem Wachs­ tum in die Licht emittierende Schicht 60 aus. Es ist mög­ lich, eine Verringerung der Lichtausgangsleistung zu verhin­ dern, wenn die Dicke der Barriere-Zwischenschicht 5 einen Wert von bis zu 0,02 µm aufweist.
(Beispiel 5)
Fig. 8 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED 500 gemäß einem Beispiel 5 der Erfindung. Der Einfach­ heit halber sind Komponenten mit denselben Funktionen wie denen der LED 100 des Beispiels 1 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, wie sie dort verwendet sind.
Jede der LEDs der vorstehenden Beispiele verfügt über ein Substrat von n-Typ. Beim Beispiel 5 verfügt die LED 500 über ein Substrat vom p-Typ. In diesem Fall werden ebenfalls die­ selben Wirkungen wie mit den LEDs der vorigen Beispiele er­ zielt.
Die LED 500 des Beispiels 5 beinhaltet Folgendes:
  • - ein Substrat 1 aus p-GaAs;
  • - eine erste Pufferschicht 2 aus p-GaAs;
  • - eine Lichtreflexions(DBR)schicht 3 mit p- (Al0,4Ga0,6)0,5In0,5P-Schichten und p-Al0,5In0,5P-Schichten, die auf abwechselnde Weise abgeschieden sind;
  • - eine erste Mantelschicht 4 aus p-Al0,5In0,5P, dotiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine Barriere-Zwischenschicht 5 aus n- (Ga0,5Al0,5)0,5In0,5P, dotiert mit Si mit einer Fremdstoff­ konzentration von 5 × 1017 cm-3, 0,1 µm dick;
  • - eine Licht emittierende Schicht 6 aus n- (Ga0,7Al0,3)0,5In0,5P, 0,5 µm dick;
  • - eine zweite Mantelschicht 7 aus n-Al0,5In0,5P, dotiert mit Si mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick;
  • - eine zweite Pufferschicht 8 aus n- (Al0,051Ga0,959)0,95In0,05P, dotiert mit Si mit einer Fremdstoffkonzentration von 1 × 1018 cm-3, 0,15 µm dick; und
  • - eine Stromverteilschicht 9 aus n- (Al0,01Ga0,99)0,99In0,01P, dotiert mit Si mit einer Fremd­ stoffkonzentration von 1 × 1018 cm-3, 7 µm dick.
Da ein p-Substrat schwieriger als ein n-Substrat herzustel­ len ist, wird für die meisten LEDs ein n-Substrat verwendet. Da die LED 500 ein p-Substrat enthält, ist die Stromverteil­ schicht 9 vom n-Typ. Diese n-Stromverteilschicht 9 kann selbst dann, wenn ihre Fremdstoffkonzentration niedriger als die einer p-Stromverteilschicht ist, dieselbe Stromverteil­ wirkung wie die Letztere aufweisen. Dies führt in vorteil­ hafter Weise zu einer Abnahme des in die Licht emittierende Schicht 6 diffundierenden Fremdstoffs und so zu einem we­ sentlichen Verhindern einer Verringerung des Lichtemissions- Wirkungsgrads. Ferner kann der Kontaktwiderstand zwischen der n-Stromverteilschicht 9 und der n-seitigen Elektrode gesenkt werden.
Gemäß allen vorigen Beschreibungsinhalten besteht jeder der LEDs aus einem Halbleiter auf InGaAlP-Basis mit Gitteranpas­ sung an ein GaAs-Substrat. Aus den obigen Beschreibungsin­ halten ist es ersichtlich, dass erfindungsgemäße LEDs aus anderen Materialien bestehen können, wie einem III-V-Halb­ leiter (z. B. AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsP, AlGaInN und GaInNSb) und einem II-VI-Verbindungshalbleiter. Die Dicke und die Ladungsträgerkonzentration der Schichten aus diesen Materialien können bei erfindungsgemäßen LEDs ebenfalls mo­ difiziert werden.
(Beispiel 6)
Fig. 9 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED 600 gemäß einem Beispiel 6 der Erfindung. Der Einfach­ heit halber sind Komponenten mit denselben Funktionen wie denen der in Fig. 15 dargestellten herkömmlichen LED 900 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, wie sie dort verwendet sind.
Die LED 600 des Beispiels 6 unterscheidet sich von der her­ kömmlichen LED 900 dahingehend, dass eine zweite p-Mantel­ schicht 105 aus einer zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 und einer zweiten p-Mantelschicht 54 besteht. Die zweite n- Barriere-Zwischenschicht 53 weist einen Al-Molenbruch über dem einer Licht emittierenden Schicht 104 und unter dem der zweiten p-Mantelschicht 105 der LED 900 auf, und sie ist un­ terhalb der zweiten p-Mantelschicht 105 vorhanden. Die zwei­ te p-Mantelschicht 54 verfügt über einen ausreichenden Al- Molenbruch zum Eingrenzen von Ladungsträgern, und sie ist oberhalb der zweiten p-Mantelschicht 105 vorhanden.
Die LED 600 des Beispiels 6 ist mit Folgendem versehen:
  • - der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 aus p- (Ga0,5Al0,5)0,5In0,5P (der Al-Molenbruch beträgt 0,5), do­ tiert mit Zn mit einer Fremdstoffkonzentration von 2 × 1017 cm-3, 0,3 µm dick;
  • - der zweiten p-Mantelschicht 54 aus p-Al0,5In0,5P (der Al- Molenbruch beträgt 1,0), dotiert mit Zn mit einer Fremd­ stoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1,0 µm dick; und
  • - einer Stromdiffusionsschicht 106 in Form einer Mono­ schicht.
Bei der oben beschriebenen Struktur hat die zweite p-Mantel­ schicht 54 einen ausreichenden Al-Molenbruch zum Eingrenzen von Ladungsträgern, wodurch es ermöglicht ist, hohe Licht­ ausgangsleistung der LED 600 zu erzielen. Der Al-Molenbruch x der zweiten p-Mantelschicht 54 liegt vorzugsweise im Be­ reich von 0,7 ≦ x ≦ 1. Die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 53 verfügt über niedrige Fremdstoffkonzentration und niedri­ gen Al-Molenbruch. Dies führt zum Verhindern von Fremdstoff­ diffusion durch Lichtemission, um dadurch eine Abnahme der Lichtausgangsleistung nach langzeitiger Lichtemission zu verhindern.
Es ist zu beachten, dass in der zweiten p-Barriere-Zwischen­ schicht 53 der niedrige Al-Molenbruch und die niedrige Fremdstoffkonzentration für eine Verbesserung der Kristalli­ nität und demgemäß ein Verhindern von Fremdstoffdiffusion verantwortlich sind. Die hohe Oxidation von Al bewirkt, dass Sauerstoff, der im Material einer Schicht enthalten ist, in den Kristall eingebracht wird. Daher macht ein hoher Al-Mo­ lenbruch die Kristallstruktur im Vergleich mit der idealen Struktur des Kristalls unvollkommen. Ein Kristall mit einer derartigen unvollkommenen Struktur verfügt häufig über einen leeren Gitterplatz, der ein Gitterplatz in einem idealen Kristall ist, an dem die Positionierung eines Atoms erwartet wird, der jedoch kein Atom enthält; außerdem verfügt er über eine Leerstelle, die größer als diejenige ist, die in einem idealen Kristall erwartet wird. Dies erleichtert die Diffu­ sion von Fremdstoffen im Vergleich mit der Diffusion in ei­ nem idealen Kristall.
Vorzugsweise ist der Al-Molenbruch der zweiten p-Mantel­ schicht 54 so groß wie möglich, um Ladungsträger zufrieden­ stellend einzugrenzen. Im Allgemeinen hat x den Wert 1,0. Auch ist der spezifische Widerstand der zweiten p-Mantel­ schicht 54 vorzugsweise so niedrig wie möglich, damit La­ dungsträger in die gesamte Licht emittierende Schicht 104 diffundieren. Zu diesem Zweck ist die Fremdstoffkonzentra­ tion der zweiten p-Mantelschicht 54 vorzugsweise so hoch wie möglich.
In der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 sollte der Al- Molenbruch auf einen niedrigen Wert, z. B. 0,5, eingestellt werden. Dies verbessert die Kristallinität, um es dadurch zu ermöglichen, eine Fremdstoffdiffusion trotz geringer Dicke der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 zu verhindern.
Wenn die Dicke der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 groß ist, emittieren aus der Licht emittierenden Schicht 104 überströmende Ladungsträger Licht in der zweiten p-Barriere- Zwischenschicht 53, oder sie werden durch nichtstrahlende Kombination beseitigt, wodurch der Lichtemissions-Wirkungs­ grad der Licht emittierenden Schicht 104 fällt. Um diesen Effekt zu verhindern, beträgt die Dicke der zweiten p-Bar­ riere-Zwischenschicht 53 vorzugsweise die Hälfte der Diffu­ sionslänge eines Elektrons, das ein Minoritätsladungsträger in der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 ist. Ein InGaAlP-Kristall mit einem Al-Molenbruch von 0,5 weist nor­ malerweise eine Elektronen-Diffusionslänge von ungefähr 0,5 µm auf. Demgemäß beträgt die Dicke der zweiten p-Barriere- Zwischenschicht 53 vorzugsweise 0,3 µm oder weniger.
Es ist zu beachten, dass es bevorzugter ist, dass sowohl die Fremdstoffkonzentration als auch die Dicke der zweiten p- Barriere-Zwischenschicht 53 optimiert werden.
Fig. 10A veranschaulicht die Beziehung zwischen der Fremd­ stoffkonzentration und dem Verhältnis der Lichtausgangsleis­ tung nach Lichtemission für 1000 Stunden zur Lichtausgangs­ leistung in der Anfangsperiode der Lichtemission für die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 53. Fig. 10B veranschau­ licht die Beziehung zwischen der Dicke und dem Verhältnis aus der Lichtausgangsleistung nach Lichtemission für 1000 Stunden zur Lichtausgangsleistung in der Anfangsperiode der Lichtemission für die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 53. Der Lichtemissionsvorgang wurde bei solchen Bedingungen aus­ geführt, dass der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 bei Raumtemperatur ein Treiberstrom von 50 mA zugeführt wurde.
Wenn die Fremdstoffkonzentration der zweiten p-Barriere-Zwi­ schenschicht 53 hoch ist, nimmt der Lichtemissions-Wirkungs­ grad ab. Dies kann der Fall sein, weil aus einer Stromver­ teilschicht 106 und der zweiten p-Mantelschicht 54 eindif­ fundierte Fremdstoffe solche Fremdstoffe, die sich in der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 befinden, in der Licht emittierenden Schicht 104 ablagern.
Andererseits diffundieren einige Fremdstoffe in die Licht emittierende Schicht 104, was eine Abnahme der Lichtaus­ gangsleistung hervorruft, wenn die Dicke der zweiten p-Bar­ riere-Zwischenschicht 53 zu gering ist.
Wie es aus der Fig. 10A erkennbar ist, verhindert eine zwei­ te p-Barriere-Zwischenschicht 53 mit einer ausreichend nie­ drigen Fremdstoffkonzentration von 3 × 1017 cm-3 oder darun­ ter das weitere Diffundieren von p-Fremdstoffen, die von der Stromverteilschicht 106 und der zweiten p-Mantelschicht 54 eindiffundiert sind, in die Licht emittierende Schicht 104. In diesem Fall beträgt die Lichtausgangsleistung nach Licht­ emission für 1000 Stunden 80% oder mehr der Lichtausgangs­ leistung in der Anfangsperiode der Lichtemission, was ein Niveau der Lichtintensität ist, das für den praktischen Ge­ brauch ausreichend ist.
Fig. 10B zeigt ein Ergebnis, bei dem die Fremdstoffkonzen­ tration der Licht emittierenden Schicht 104 1 × 1017 cm-3 be­ trägt. Wie es aus der Fig. 10B erkennbar ist, ermöglicht ei­ ne zweite p-Barriere-Zwischenschicht 53 mit einer Dicke von 0,1 µm oder mehr die Realisierung einer LED mit einer Licht­ ausgangsleistung nach 1000 Stunden Lichtemission, die 90% oder mehr der Lichtausgangsleistung in der Anfangsperiode der Lichtemission beträgt. Eine derartige LED ist für die Praxis von Nutzen.
Wenn die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 53 große Dicke aufweist, verliert die zweite p-Mantelschicht 54 ihre Wir­ kung der Ladungsträger-Eingrenzung. Eine derartige zweite p- Barriere-Zwischenschicht 53 dient als p-Mantelschicht mit ursprünglicher Funktion. In diesem Fall werden Ladungsträger durch strahlende Rekombination und dergleichen in der zwei­ ten p-Barriere-Zwischenschicht 53 aufgebraucht. Daher muss die Dicke der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 gleich groß wie oder kleiner als die Diffusionslänge eines Elek­ trons sein, das ein Minoritätsladungsträger einer p-Schicht ist. Die Diffusionslänge eines Elektrons beträgt in einem Verbindungshalbleiter auf AlGaInP-Basis, der Gitteranpassung zu GaAs aufweist, 0,5-1,5 µm. Wenn der Al-Molenbruch im Verbindungshalbleiter auf AlGaInP-Basis 0,5 beträgt, beträgt die Diffusionslänge eines Elektrons ungefähr 0,5 µm. Daher muss die Dicke der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht 53 0,5 µm oder weniger, bevorzugter 0,3 µm oder weniger betragen.
(Beispiel 7)
Fig. 11 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer LED gemäß einem Beispiel 7 der Erfindung. Auf einem n-GaAs- Substrat 201 werden aufeinanderfolgend eine erste Mantel­ schicht 21 aus n-(AlxGa1-x)yIn1-yP (x = 1,0, y = 0,5, Si-La­ dungsträgerkonzentration von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick); eine erste Barriere-Zwischenschicht 22 aus n-(AlxGa1-x)yIn1-yP (x = 0,5, y = 0,5, Si-Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1017 cm-3 , 0,5 µm dick); eine Licht emittierende Schicht 203 aus (AlxGa1-x)yIn1-yP (x = 0,3, y = 0,5, 0,5 µm dick); eine zweite Barriere-Zwischenschicht 41 aus p-(AlxGa1-x)yIn1-yP (x = 0,5, y = 0,5, Zn-Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1017 cm-3, 0,5 µm dick); eine zweite Mantelschicht 42 aus p- (AlxGa1-x)yIn1-yP (x = 1,0, y = 0, 5, Zn-Ladungsträgerkonzentrat­ ion von 5 × 1017 cm-3, 1 µm dick); und eine Stromverteil­ schicht 205 aus (AlxGa1-x)yIn1-yP (x = 0,05, y = 0,90, Zn-La­ dungsträgerkonzentration von 1 × 1018 cm-3, 7 µm dick) abge­ schieden. Ferner wird auf der Oberseite der Stromverteil­ schicht 205 eine p-seitige Elektrode 207 hergestellt. Auf der Unterseite des Substrats 201 wird eine n-seitige Elek­ trode 209 hergestellt. Anschließend wird eine Licht emittie­ rende Diode 700 vollständig hergestellt.
Die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 41 verfügt über nie­ drigen Al-Molenbruch und niedrige Fremdstoffkonzentration und ferner über eine große Dicke von 0,5 µm. Daher verhin­ dert die zweite p-Barriere-Zwischenschicht 41 die Diffusion von Fremdstoffen aus der Stromverteilschicht 205 und der zweiten p-Mantelschicht 42 in die Licht emittierende Schicht 203, um dadurch eine Verringerung des Lichtemissions-Wir­ kungsgrads zu verhindern. Wegen der ersten n-Barriere-Zwi­ schenschicht 22 kann die Licht emittierende Schicht 203 mit niedrigem Al-Molenbruch auf ihr hergestellt werden. Der nie­ drige Al-Molenbruch führt zu zufriedenstellender Kristalli­ nität der Licht emittierenden Schicht 203. Der pn-Übergang zwischen der Licht emittierenden Schicht 203 mit derartiger zufriedenstellender Kristallinität und der ersten n-Barrie­ re-Zwischenschicht 22 kann den Lichtemissions-Wirkungsgrad verbessern.
Gemäß allen vorstehenden Beschreibungsinhalten besteht jede der LEDs aus einem Halbleiter auf InGaAlP-Basis mit Gitter­ anpassung an ein GaAs-Substrat. Wie es aus den Beschrei­ bungsinhalten ersichtlich ist, können die erfindungsgemäßen LEDs aus anderen Materialien hergestellt werden, wie einem III-V-Verbindungshalbleiter (z. B. AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsP und AlGaInN), in dem eine Energielücke durch den Al-Molen­ bruch eingestellt werden kann. Die Dicke und die Ladungsträ­ gerkonzentration der aus diesen Materialien hergestellten Schichten können bei den erfindungsgemäßen LEDs ebenfalls modifiziert werden.
Wie oben beschrieben, ist bei einer erfindungsgemäßen LED die Lichtausgangsleistung selbst nach langzeitiger Licht­ emission weniger gesenkt.
Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung wird verhindert, dass ein an einem pn-Übergang erzeugter Kristalldefekt eine Licht emittierende Schicht beeinflusst, um dadurch eine LED zu realisieren, bei der eine Verringerung der Lichtausgangs­ leistung selbst nach langzeitiger Lichtemission verhindert ist.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist ver­ hindert, dass ein an einem pn-Übergang erzeugter Kristallde­ fekt eine Licht emittierende Schicht beeinflusst, so dass eine Verringerung des Lichtemissions-Wirkungsgrads verhin­ dert ist, um dadurch eine LED zu realisieren, bei der eine Verringerung der Lichtausgangsleistung sogar nach langzeiti­ ger Lichtemission verhindert ist.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist nichtstrahlende Rekombination in der Barriere-Zwischen­ schicht im Wesentlichen beseitigt, um dadurch eine LED mit hohem Lichtemissions-Wirkungsgrad zu realisieren.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist verhindert, dass ein p-Fremdstoff, der die Tendenz zu leich­ ter Diffusion zeigt, in die Licht emittierende Schicht dif­ fundiert, um dadurch eine Verringerung des Lichtemissions- Wirkungsgrads zu verhindern.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist die Lichtausgangsleistung im Spektrum von rotem Licht bis zu grünem Licht selbst nach langzeitiger Lichtemission weniger gesenkt.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist selbst dann, wenn die LED eine LED hoher Intensität ist, die eine Mantelschicht mit einem hohen Al-Molenbruch enthält, verhindert, dass ein p-Fremdstoff, der die Tendenz leichter Diffusion zeigt, aus der Stromverteilschicht oder der zwei­ ten p-Mantelschicht in die Licht emittierende Schicht dif­ fundiert, und zwar selbst nach langzeitiger Lichtemission, wodurch eine Verringerung der Lichtausgangsleistung verhin­ dert ist.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung be­ trägt der Al-Molenbruch der zweiten p-Barriere-Zwischen­ schicht 0,5 oder weniger, und der Al-Molenbruch der zweiten p-Mantelschicht beträgt 0,7 oder mehr, um dadurch in zufrie­ denstellender Weise die Kristallinität der zweiten p-Barrie­ re-Zwischenschicht aufrechtzuerhalten und es dadurch zu er­ möglichen, die Diffusion eines Fremdstoffs zu verhindern.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung be­ hält die zweite p-Mantelschicht selbst dann, wenn die LED die zweite p-Barriere-Zwischenschicht enthält, ihren La­ dungsträger-Eingrenzungseffekt bei, wodurch hohe Lichtaus­ gangsleistung realisiert wird und es ermöglicht wird, die Charakteristik der LED bei hoher Temperatur aufrechtzuerhal­ ten. Ferner verfügt die zweite p-Mantelschicht über niedrige Fremdstoffkonzentration und absorbiert daher eintreffende Fremdstoffe, um zu verhindern, dass sie in die Licht emit­ tierende Schicht diffundieren.
Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform der Erfindung wird selbst dann, wenn die LED Licht im Spektrum von rotem Licht bis zu grünem Licht mit hoher Intensität für lange Zeit emittiert, verhindert, dass ein p-Fremdstoff, der die Ten­ denz leichter Diffusion zeigt, aus der Stromverteilschicht oder der zweiten p-Mantelschicht in die Licht emittierende Schicht diffundiert, um dadurch eine Verringerung der Licht­ ausgangsleistung zu verhindern.
Dem Fachmann sind verschiedene andere Modifizierungen er­ kennbar, und diese können von ihm leicht ausgeführt werden, ohne vom Schutzumfang und Grundgedanken der Erfindung abzu­ weichen. Demgemäß soll der Schutzumfang der hier angefügten Ansprüche nicht auf die hier dargelegte Beschreibung be­ schränkt werden, sondern vielmehr sollen die Ansprüche breit ausgelegt werden.

Claims (11)

1. Licht emittierende Diode mit:
  • - einem Substrat (1);
  • - einer Licht emittierenden Schicht (6);
  • - einer ersten Mantelschicht (4) von erstem Leitungstyp und mit einer Energielücke, die größer als eine Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist;
  • - einer zweiten Mantelschicht (7) von zweitem Leitungstyp und mit einer Energielücke, die größer als eine Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist; und
  • - einer Barriere-Zwischenschicht (5) vom selben Leitungstyp wie dem der Licht emittierenden Schicht, jedoch mit anderem Leitungstyp als dem der ersten oder zweiten Mantelschicht und mit einer Energielücke, die kleiner als die Energielücke der ersten oder zweiten Mantelschicht, jedoch größer als die Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist;
  • - wobei die Licht emittierende Diode eine Doppelheterostruk­ tur dergestalt aufweist, dass die Licht emittierende Schicht zwischen die erste und zweite Mantelschicht eingebettet ist;
  • - und die Barriere-Zwischenschicht zwischen der Licht emittie­ renden Schicht und der ersten Mantelschicht und/oder zwi­ schen der Licht emittierenden Schicht und der zweiten Man­ telschicht angeordnet ist.
2. Licht emittierende Diode nach Anspruch 1, bei der die Dicke der Barriere-Zwischenschicht (5) kleiner als die Dif­ fusionslänge eines Minoritätsladungsträger in der Barriere- Zwischenschicht und größer als ein solcher Wert ist, dass ein an der Grenzfläche zwischen der Barriere-Zwischenschicht und der ersten oder zweiten Mantelschicht (4 oder 7) erzeug­ tes nichtstrahlendes Rekombinationszentrum im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Licht emittierende Schicht (6) aus­ übt.
3. Licht emittierende Diode nach Anspruch 1, bei der die Dicke der Barriere-Zwischenschicht (5) im Bereich von 0,1 µm oder mehr und 0,5 µm oder weniger liegt.
4. Licht emittierende Diode nach Anspruch 1, bei der die Energielücke der Barriere-Zwischenschicht (5) um 0,2 eV oder mehr größer als die Energielücke der Licht emittierenden Schicht (6) ist.
5. Licht emittierende Diode nach Anspruch 1, bei der die Barriere-Zwischenschicht (5) eine Schicht aus einem Halblei­ ter mit indirektem Übergang mit langer Lebensdauer für nichtstrahlende Rekombination ist.
6. Licht emittierende Diode nach Anspruch 1, bei der die Barriere-Zwischenschicht eine erste und eine zweite Barrie­ re-Zwischenschicht (51, 52) aufweist, wobei die erste Bar­ riere-Zwischenschicht zwischen der Licht emittierenden Schicht (6) und der ersten Mantelschicht (4) vorhanden ist und die zweite Barriere-Zwischenschicht zwischen der Licht emittierenden Schicht und der zweiten Mantelschicht (7) vor­ handen ist; wobei die erste Barriere-Zwischenschicht vom selben Leitungstyp wie dem der Licht emittierenden Schicht jedoch von anderem Leitungstyp als dem der ersten, an die erste Barriere-Zwischenschicht angrenzenden Mantelschicht ist, und sie eine Energielücke aufweist, die kleiner als diejenige der ersten Mantelschicht, jedoch größer als dieje­ nige der Licht emittierenden Schicht ist; und wobei die zweite Barriere-Zwischenschicht vom selben Leitungstyp wie dem der Licht emittierenden Schicht und dem der zweiten, an die zweite Barriere-Zwischenschicht angrenzenden Mantel­ schicht ist, und sie eine Energielücke aufweist, die kleiner als diejenige der zweiten Mantelschicht, jedoch größer als diejenige der Licht emittierenden Schicht ist.
7. Licht emittierende Diode nach Anspruch 1, bei der das Substrat (1) aus GaAs besteht; die erste Mantelschicht (4) aus (Ga1-x2Alx2)0,5In0,5P (x1<x2≦1) besteht;
  • - die Licht emittierende Schicht (6) aus (Ga1-x1Alx1)0,5In0,5P (0≦x1<1) besteht;
  • - die Barriere-Zwischenschicht (5) aus (Ga1-x4Alx4)0,5In0,5P (x1<x4<x2, x3) besteht; und
  • - die zweite Mantelschicht (7) aus (Ga1-x3Alx3)0,5In0,5P (x1<x3≦1) besteht.
8. Licht emittierende Diode mit:
  • - einem Substrat (1);
  • - einer Licht emittierenden Schicht (6);
  • - einer p-Mantelschicht (105) mit einer Energielücke, die größer als eine Energielücke der Licht emittierenden Schicht ist; und
  • - einer n-Mantelschicht (7) mit einer Energielücke, die grö­ ßer als diejenige der Licht emittierenden Schicht ist;
  • - wobei die Licht emittierende Diode aus mindestens einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial besteht und Doppelhete­ rostruktur dergestalt aufweist, dass die Licht emittierende Schicht zwischen die p- und die n-Mantelschicht eingebettet ist; wobei die p-Mantelschicht eine zweite p-Barriere-Zwi­ schenschicht (53) und eine zweite p-Mantelschicht (54) auf­ weist, wobei die zweite p-Barriere-Zwischenschicht näher an der Licht emittierenden Schicht als die zweite p-Mantel­ schicht liegt und sie einen niedrigeren Al-Molenbruch und eine niedrigere Fremdstoffkonzentration aufweist, als es dem Al-Molenbruch bzw. der Fremdstoffkonzentration der zweiten p-Mantelschicht entspricht.
9. Licht emittierende Diode nach Anspruch 8, bei der der Al-Molenbruch der zweiten p-Barriere-Zwischenschicht (53) 0,5 oder weniger beträgt und der Al-Molenbruch der zweiten p-Mantelschicht (54) 0,7 oder mehr beträgt.
10. Licht emittierende Diode nach Anspruch 8, bei der die Fremdstoffkonzentration der zweiten p-Barriere-Zwischen­ schicht (53) 3 × 1017 cm-3 oder weniger beträgt und ihre Dicke im Bereich von 0,1 µm oder mehr und 0,5 µm oder weniger liegt.
11. Licht emittierende Diode nach Anspruch 8, bei der
  • - das Substrat (1) aus GaAs besteht;
  • - die erste n-Mantelschicht (4) aus (Ga1-x2Alx2)0,5In0,5P (x1<x2≦1) besteht;
  • - die Licht emittierende Schicht (6) aus (Ga1-x1Alx1)0,5In0,5P (0≦x1<x2, x3) besteht;
  • - die zweite p-Barriere-Zwischenschicht (53) aus (Ga1-x4Alx4)0,5In0,5P besteht (x1<x4<x3, Fremdstoffkonzen­ tration von weniger als 5 × 1017 cm-3); und
  • - die zweite p-Mantelschicht (54) aus (Ga1-x3Alx3)0,5In0,5P besteht (x1<x3≦1, Fremdstoffkonzentration von 5 × 1017 cm-3 oder mehr).
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