DE2356844C3

DE2356844C3 - Electroluminescent semiconductor diode

Info

Publication number: DE2356844C3
Application number: DE19732356844
Authority: DE
Inventors: Walter Prof. Dipl.-Phys. Dr. 8011Neukeferloh Heywang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-11-14
Publication date: 1976-11-25

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolumineszente Halbleiterdiode, deren einkristalliner Halbleiterkörper aus einem homogenen ersten Bereich und einem epitaktisch auf diesem ersten Bereich aufgewachsenen zweiten Bereich mit sich monoton mit wachsendem Abstand vom ersten Bereich ändernder Breite des verbotenen Bandes besteht, bei der außerdem der inhomogene zweite Bereich einen Übergang aus einem Teilbereich mit den Eigenschaften eines sogenannten »direkten Halbleiters« zu einem Teilbereich mit den Eigenschaften eines sogenannten »indirekten Halbleiters« aufweist, der parallel zu der Grenze zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich verläuft und bei dem im inhomogenen zweiten Bereich in geringem Abstand vom Übergang zwischen den Teilbereichen und parallel zu diesem verlaufend ein PN-Übergang angeordnet ist.The invention relates to an electroluminescent semiconductor diode, its monocrystalline semiconductor body from a homogeneous first area and an epitaxially grown on this first area second area with the width of the changing monotonically with increasing distance from the first area forbidden band exists, in which also the inhomogeneous second area is a transition from a Sub-area with the properties of a so-called "direct semiconductor" to a sub-area with the Properties of a so-called "indirect semiconductor" that runs parallel to the boundary between the first area and the second area and slightly in the inhomogeneous second area Distance from the transition between the sub-areas and a PN transition running parallel to this is arranged.

Solche elektrolumineszente Halbleiterdioden sind aus der DT-OS 22 21 547 bekannt. Sie werden durch epitaxiales Abscheiden hergestellt.Such electroluminescent semiconductor diodes are known from DT-OS 22 21 547. You will go through made epitaxial deposition.

Um elektrolumineszente Dioden mit hoher Lichtausbeute zu erhalten, verwendet man vorzugsweise Halbleitermaterialien mit direktem Bandübergang. Bei »direkten Halbleitern« ist eine optisch strahlende Rekombination von Ladungsträgern ohne weiteren Partner möglich, bei »indirekten« hingegen nicht. »Indirekte Halbleiter« sind beispielsweise Si, Ge, (Gai-*AI*)As mit x>0,4 und Ga(ASi-^Py) mit y>0,46, »direkte sind beispielsweise GaAs, InAs, (Gai _ _rAl«)As mit x< 0,4 und Ga(Asi -_yP_y) mit y< 0,46.In order to obtain electroluminescent diodes with a high light yield, semiconductor materials with a direct band transition are preferably used. With "direct semiconductors" an optically radiant recombination of charge carriers without an additional partner is possible, with "indirect" ones, however, not. »Indirect semiconductors« are for example Si, Ge, (Gai- * AI *) As with x> 0.4 and Ga (ASi- ^ Py) with y> 0.46, »direct ones are for example GaAs, InAs, (Gai _ _r Al «) As with x < 0.4 and Ga (Asi - _y P _y ) with y < 0.46.

Eine besonders wichtige Anwendung ist die Erzeugung möglichst kurzwelligen Lichtes mit Hilfe direkter Rekombination. Hierfür sind Anordnungen, die aus den Halbleitern (Gai_»Al»)As und Ga(Asi__rP_y) mit den Übergangskonzentrationen χ=0,4 und y=0,46 bestehen, besonders bedeutsam, da man hier über die höchsten Bandabstände, bei denen man noch eine direkte Rekombination hat verfügt. Da jedoch eine derartige Zusammensetzung sich bei einem einkristallinen homogenen Halbleiter nur schwer realisieren läßt werden nach dem Stand der Technik statt dessen Halbleiterkristalle verwendet, die aus einer epitaktisch auf einem Substrat aufgewachsenen Schicht eines solchen Halbleiters bestehen, in denen sich der x- bzw. der y-Wert mit wachsendem Abstand vom Substrat monoton und eindeutig verändert. Es gelingt dann, den PN-Übergang in die Nähe des gewünschten x- bzw. y- Wertes zu legen. So wird die aus der DT-OS 22 21 547 bekannte Leuchtdiode mit Hilfe eines Flüssigphasen-Epitaxieverfahren hergestellt, bei dem einA particularly important application is the generation of as short-wave light as possible with the help of direct recombination. For this purpose, arrangements that consist of the semiconductors (Gai_ »Al») As and Ga (Asi_ _r P _y ) with the transition concentrations χ = 0.4 and y = 0.46 are particularly important, since the highest band gaps, where you still have a direct recombination. However, since such a composition is difficult to achieve with a monocrystalline homogeneous semiconductor, the prior art uses semiconductor crystals instead, which consist of a layer of such a semiconductor epitaxially grown on a substrate in which the x and y are located -Value changes monotonously and clearly with increasing distance from the substrate. It is then possible to place the PN junction close to the desired x or y value. The light-emitting diode known from DT-OS 22 21 547 is produced with the aid of a liquid-phase epitaxy process in which a

(Gai-xAJx)As-Ha]bleiterkörper mit einem Obergang Vom indirekten zum direkten Halblefcertyp abgeschieden wird. Mittels eines Zink-Diffusionsschrittes wird eine PN-Grenzschicht in dem Gebiet vom direkten Halbleitertyp erzeugt Zur Lösung des Problems, den PN-Übergang möglichst nahe an den Obergang vom direkten zum indirekten Halbleiter zu legen, wird nach dem dort angegebenen Verfahren der PN-Übergang im Bereich des direkten Halbleiters gelegt und in diesem Bereich der Gradient von χ und damit in diesem Bereich die Abnahme des Bandabstandes mit -'achsendem Abstand von der Substratoberfläche möglichst gering gehalten.(Gai-xAJx) As-Ha] lead body with a transition from the indirect to the direct half-conductor type is deposited. Using a zinc diffusion step, a PN boundary layer is created in the area of the direct semiconductor type. To solve the problem of placing the PN junction as close as possible to the junction from the direct to the indirect semiconductor, the PN junction in the Placed in the area of the direct semiconductor and in this area the gradient of χ and thus in this area the decrease in the band gap with -'axing distance from the substrate surface is kept as small as possible.

Das aus der DT-OS 22 21 547 bekannte Verfahren ist jedoch empfindlich im Hinblick auf die Einhaltung der die epitaxiale Abscheidung bestimmenden Parameter, so daß es schwierig ist, den PN-Übergang in die Schicht aus direktem Halbleitermaterial mit einem nur wenige μπι betragenden Abstand von dem Huteroübergang zu legen.The method known from DT-OS 22 21 547 is but sensitive with regard to compliance with the parameters determining the epitaxial deposition, so that it is difficult to make the PN junction in the layer of direct semiconductor material with only a few μπι amounting distance from the Hutero transition to lay.

Aufgabe der Erfindung ist, für eine wie eingangs angegebene elektrolumineszente Halbleiterdiode einen Aufbau anzugeben, bei dem gewährleistet ist, daß die strahlende Rekombination der Ladungsträger mit gutem Wirkungsgrad in der Nähe des Übergangs vom indirekten zum direkten Halbleiter erfolgt.The object of the invention is to provide an electroluminescent semiconductor diode as specified at the outset Specify structure in which it is ensured that the radiative recombination of the charge carriers with good efficiency in the vicinity of the transition from indirect to direct semiconductor.

Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß bei der eingangs definierten elektrolumineszenten Halbleiterdiode vorgeschlagen, daß der PN-Übergang sich im Teilbereich mit den Eigenschaften eines »indirekten Halbleiters« befindet und daß er in einem so geringen Abstand vom Übergang zwischen den beiden Teilbereichen des inhomogenen zweiten Bereiches angeordnet ist, daß der größere Teil der von dem PN-Übergang der Diode in Richtung auf den Teilbereich mit den Eigenschaften eines »direkten Halbleiters« injizierten Ladungsträger über diesen Übergang in den Teilbereich mit den Eigenschaften des »direkten Halbleiters« gelangt.For this reason, according to the invention, in the case of the electroluminescent semiconductor diode defined at the outset suggested that the PN junction should have the properties of an »indirect Semiconductor «and that it is at such a small distance from the transition between the two subregions of the inhomogeneous second region is arranged that the greater part of the PN junction of the Diode injected in the direction of the sub-area with the properties of a "direct semiconductor" Charge carriers via this transition into the sub-area with the properties of the "direct semiconductor" got.

Notwendige Voraussetzung bei der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode ist, daß injizierte Ladungsträger ohne schädliche, nicht strahlende Rekombination an das »direkte« Halbleitergebiet gelangen. Hierfür ist nicht nur die Diffusionslänge der Ladungsträger maßgebend, sondern auch das durch den abnehmenden Bandabstand eingebaute Driftfeld, das bei höheren !Conzentrationsgradienten überwiegt..Necessary prerequisite for the invention Semiconductor diode is that injected charge carriers without harmful, non-radiative recombination to the "Direct" semiconductor area. For this, not only the diffusion length of the charge carriers is decisive, but also the drift field built in due to the decreasing band gap, which occurs with higher concentration gradients predominates ..

Deshalb ist es vorteilhaft, wenn der Gradient der Bandbreitenänderung im inhomogenen zweiten Bereich der Anordnung so gewählt ist, daß er mindestens den größeren Teil der vom PN-Übergang injizierten Ladungsträger in Richtung auf den Übergang zwischen den Teilbereichen mit den Eigenschaften des »direkten Halbleiters« und dem Teilbereich mit den Eigenschaften des »indirekten Halbleiters« beschleunigt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Gradient von χ oder y auf einen Wert von mindestens ΙΟ-'μπι-¹, besser mindestens 3.10-^m-" eingestellt ist.It is therefore advantageous if the gradient of the change in bandwidth in the inhomogeneous second area of the arrangement is selected in such a way that it moves at least the greater part of the charge carriers injected by the PN junction in the direction of the junction between the sub-areas with the properties of the "direct semiconductor" and the sub-area with the properties of the »indirect semiconductor« is accelerated. This is achieved in that the gradient of χ or y is set to a value of at least ΙΟ-'μπι- ¹ , better at least 3.10- ^ m- ".

Da die Elektronen als Ladungsträger erfahrungsgemäß eine größere Diffusionslänge als die Defektelektronen aufweisen, empfiehlt es sich, wenn der homogene erste Bereich und der angrenzende Teilbereich mit den Eigenschaften eines »direkten Halbleiters« P-leitend, der Teilbereich mit den Eigenschaften eines »indirekten Halbleiters« N-leitend ist.Experience has shown that the electrons as charge carriers have a longer diffusion length than the defect electrons have, it is advisable if the homogeneous first area and the adjoining sub-area with the Properties of a »direct semiconductor« P-conductive, the sub-area with the properties of an »indirect one Semiconductor «is N-conductive.

Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren näher beschrieben: Die Fig. 1 und 2 geben ein Schaubild der Band- und Dotierungsverhältnisse, Fig.3 ein Beispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung.The invention will now be described in more detail with reference to the figures: FIGS. 1 and 2 show a diagram of the Band and doping ratios, FIG. 3 an example of an arrangement according to the invention.

Die Fig. 1 und 2 stellen zwei einander zugeordnete Schaubilder dar, die als Abszisse eine senkrecht zu den Übergängen verlaufende Ortskoordinate χ verwenden. Als Ordinate ist im Falle der Fi g. 1 die Energie £im und am verbotenen Band beiderseits des Übergangs zwischen den betreffenden Halbleitern bei einer Anordnung gemäß der Erfindung und im Falle der Fig.2 die Nettodotierung (N-P) als Funktion von χ dargestellt. Die beiden F i g. 1 und 2 lassen drei Bereiche 1, II und III erkennen. Der linke Bereich I gibt die Verhältnisse in einem aus einem »direkten Halbleiter«, insbesondere einkristallinem GaAs bestehenden Substrat wieder, das im Beispielsfalle hoch mit einem P-Leitung erzeugenden Aktivator, z. B. mit Zn, dotiert ist. An das Substrat 1 schließt sich ein Bereich mit abnehmendem Ga-Gehalt und zunehmenden Al-Gehalt, also mit anderen Worten ein aus graduiertem (Ga₁Al)As bestehender Bereich II und III an, der in der Zone III ebenfalls — wenn auch wesentlich schwächer als die Zone I — mit einem P-Leitung erzeugenden Aktivator dotiert ist. Mit zunehmendem Al-Gehah und zugleich abnehmendem Ga-Gehalt kommt schließlich der Übergang Ü\ vom direkten zum indirekten Halbleiter. Dieser Übergang Ü\ unterteilt die P-leitende (Ga, AlJAs-Zoiic in die beiden Teile IHa und WIb. Der Teilbereich IHa besteht aus direktem, der Teilbereich ΙΙΙΊ bereits aus indirektem Halbleiter. Im Bereich des indirekten Halbleiters liegt der PN-Übergang U₂. Ein geeigneter Donator für die N-leitende Zone II ist z. B. Te in hoher Konzentration.FIGS. 1 and 2 show two diagrams which are assigned to one another and which use a position coordinate χ running perpendicular to the transitions as the abscissa. The ordinate in the case of FIG. 1 shows the energy £ in and on the forbidden band on both sides of the transition between the semiconductors in question in an arrangement according to the invention, and in the case of FIG. 2 the net doping (NP) is shown as a function of χ . The two F i g. 1 and 2 show three areas 1, II and III. The left-hand area I shows the conditions in a substrate consisting of a "direct semiconductor", in particular monocrystalline GaAs, which in the example is high with an activator generating a P line, e.g. B. is doped with Zn. The substrate 1 is followed by an area with decreasing Ga content and increasing Al content, in other words an _{area II and III consisting of graduated (Ga 1} Al) As, which is also in zone III - albeit much weaker as the zone I - is doped with a P-line generating activator. With increasing Al Gehah and at the same time decreasing Ga content finally the transition Ü \ from direct to indirect comes semiconductors. This transition Ü \ divides the P-conducting (Ga, AlJAs-Zoiic into the two parts IHa and WIb. The sub-area IHa consists of direct, sub-area ΙΙΙΊ already of indirect semiconductor. The PN junction U _{2 is in the area of the indirect semiconductor} . A suitable donor for the N-type region II is z. B. Te in high concentration.

Wird dieser PN-Übergang U₂ in Flußrichtung betrieben, so werden Ladungsträger bevorzugt in Richtung auf den Übergang Oi und dem jenseits dieses Übergangs befindlichen direkten Halbbereich IUa injiziert. Ein möglichst kleiner Abstand zwischen den Übergängen Ü\ und U₂ sichert, daß möglichst viele Ladungsträger in dem aus direktem Halbleitermaterial bestehenden Gebiet lila bzw. I zur Rekombination gelangen.If this PN junction U _{2 is operated} in the flow direction, charge carriers are preferably injected in the direction of the junction Oi and the direct half-area IUa located beyond this junction. The smallest possible distance between the transitions U 1 and U ₂ ensures that as many charge carriers as possible reach the recombination in the area lilac or I, which is made up of direct semiconductor material.

Eine große Änderung der Zusammensetzung im N-leitenden Teil des Bereiches II aus indirektem Halbleitermaterial ist nicht erforderlich. Auch wird man diese Schichtteile im Interesse einer möglichst geringen Absorption des erzeugten Lichtes möglichst dünn machen. Eine Kontaktierung des Bereiches II durch eine transparente Elektrode oder eine Ringelektrode ist zur Vervollständigung der Anordnung erforderlich. Auch das ehemalige Substrat, also der P-leitende Bereich I₁ wird mit einer sperrfreien Elektrode, ebenso wie der Bereich II kontaktiert.A major change in the composition in the N-conductive part of area II made of indirect semiconductor material is not necessary. These layer parts will also be made as thin as possible in the interest of the lowest possible absorption of the light generated. A contacting of the area II by a transparent electrode or a ring electrode is necessary to complete the arrangement. The former substrate, that is to say the P-conductive area I ₁ , is also contacted with a barrier-free electrode, just like area II.

Eine Ausgestaltung der fertigen Anordnung ist in Fi g. 3 dargestellt. Auf dem aus P-leitendem einkristallinem GaAs bestehenden Substrat 1 ist durch Epitaxie aus der Gasphase oder der Schmelzphase eine epitaktische Schicht mit einer entsprechend den F i g. 1 und 2 sich verändernden Zusammensetzung und Dotierung abgeschieden. Die oberhalb des PN-Überganges U₂ angeordnete N+ -leitende Teilschicht II der epitaktischen Schicht ist mit einer nur die Peripherie dieser Schicht bedeckenden Ringelektrode R kontaktiert. Das Substrat wird von einer plattenförmigen Elektrode P getragen und kontaktiert. Umgekehrt zu der beschriebenen Arbeitsweise ist es möglich, ein aus dem »indirekten Halbleiter« bestehendes Substrat zu verwenden, auf dem dann eine epitaktische Schicht abgeschieden wird, der im Verlaufe der Abscheidung immer mehr der »direkte Halbleiter« zugegeben wird, bis der ÜbergangAn embodiment of the finished arrangement is shown in Fi g. 3 shown. On the substrate 1 consisting of P-conducting monocrystalline GaAs, an epitaxial layer with a layer corresponding to FIGS. 1 and 2 changing composition and doping deposited. The N + -conducting sublayer II of the epitaxial layer, which is arranged above the PN junction U ₂ , is contacted with a ring electrode R that only covers the periphery of this layer. The substrate is supported by a plate-shaped electrode P and contacted. Conversely to the procedure described, it is possible to use a substrate made of the "indirect semiconductor", on which an epitaxial layer is then deposited, to which more and more the "direct semiconductor" is added in the course of the deposition until the transition

zum »direkten Halbleiter« überschritten ist. Der Dotierungswechsel für den PN-Übergang muß dann beim Abscheiden noch vor dem Erreichen dieses Überganges vorgenommen werden.to the "direct semiconductor" is exceeded. The doping change for the PN junction must then in the case of deposition, can be carried out before this transition is reached.

In der Fig. 1 ist außerdem die obere Kante Vdes Valenzbandes und die untere Kante L des Leitfähigkeitsbandes eingetragen. Der Verlauf des Leitfähigkeitsbandes (das bei den angegebenen Dotierungsverhältnissen besonders wichtig für das Emissionsverhalten der Diode gemäß der Erfindung ist), der dem direkten Bereich zugehöriger Ast fet (= zentrales Minimum) und der dem indirekten Bereich zugehöriger Ast Ea = Nebenminimum) und der den Übergang Ü\ definierende Knick sind deutlich zu erkennen.In FIG. 1, the upper edge V of the valence band and the lower edge L of the conductivity band are also entered. The course of the conductivity band (which is particularly important for the emission behavior of the diode according to the invention for the given doping ratios), the branch fet belonging to the direct area (= central minimum) and the branch Ea belonging to the indirect area = secondary minimum) and the transition Ü \ defining Knick are clearly visible.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

-ftf \ -ftf \

^f: -tr: z- ^ f: -tr: z-

Claims

Patent claims:

Ί, " 1. Electroluminescent semiconductor diode whose monocrystalline semiconductor body consists of a homogeneous first area and a second area epitaxially grown on this first area with * * monotonically changing width of the forbidden band with increasing distance from the first j area, with the inhomogeneous second area Area has a transition from a sub-area with the properties of a "direct semiconductor" to a sub-area with the properties of an "indirect semiconductor" which runs parallel to the boundary between the first area and the second area and is called the inhomogeneous second area in a short distance from the transition between the sub-areas and a PN junction running parallel to this, characterized in that the PN junction is located in the sub-area with the properties of an "indirect semiconductor" and that it is at such a small distance from the junction between the two sub-areas de s inhomogeneous second area is arranged so that the greater part of the charge carriers injected from the PN junction of the diode in the direction of the subarea with the properties of a "direct semiconductor" reaches the subarea with the properties of the "direct semiconductor" via this junction.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the homogeneous first area consists of GaAs, the inhomogeneous second area consists of (Gai- »Al,) As, where χ increases monotonically with increasing distance from the homogeneous first area and thereby the value 0, 4 oversteps.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the homogeneous first area consists of GaAs, the inhomogeneous second area consists of Ga (Asi . _Y P _y ) , where y increases monotonically with increasing distance from the homogeneous first area and thereby the value 0 , Exceeds 46.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the semiconductor material at the one facing away from the transition to the area with the properties of a »direct semiconductor« Side of the PN junction is doped much more heavily than on the other side of the PN junction is such that the current is better for the greater part when the PN junction is so loaded in the flow direction over 90% of in the direction of the PN junction to the sub-area with the properties of a "Direct semiconductor" wandering charge carriers is carried.

5. Arrangement according to one of claims i to 4, characterized in that the homogeneous first area and the adjoining sub-area with the Properties of a »direct semiconductor« P-conductive, the sub-area with the properties of an »indirect semiconductor« is N-conductive.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the gradient of the Bandwidth change in the inhomogeneous second area is chosen so that it is at least the larger part of the charge carriers injected from the PN junction in the direction of the junction between the sub-areas with the properties of a "direct semiconductor" and the sub-area ■ with the properties of an »indirect semiconductor« accelerated

7. Arrangement according to claims 2 or 3 and Anprucb 6, characterized in that the gradient of the change of χ or y on sinen value of at least ΙΟ- ^ μπι- ¹ more preferably at least 3.10- ² μιη- is set ¹

8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the doping longitudinally

, the path of the charge carriers to be brought to recombination is chosen so that they are known Way, cause a drift field that accelerates the charge carriers along this path.