DE3043581A1

DE3043581A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3043581A1
Application number: DE19803043581
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr.Rer.Nat. 5100 Aachen Beneking
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-11-19
Filing date: 1980-11-19
Publication date: 1982-06-03

Description

Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, insbesondere ein optoelektronisches Bauelement mit mitteln zur Begrenzung von vinoritätsladungsträgern auf einen schmalen Halbleiterbereich zur Erzeugung einer großen Ladungsträgerdichte in diesem Bereich.
74albleiter-Injections-LASER benötigen im Pekombinationsgebiet der Ladungsträger eine Stromdichte, die so groß ist, daß die für die LASER-Emission erforderliche Schwelle überschritten wird. Um diese große Stromdichte und damit die entsprechende Dichte von Ladungsträgern im Pekombinationsbereich zu erzeugen, weisen bekannte lASER-Anordnungen einen sehr schmalen Rekombinationsbereich für injizierte Minoritätsladungsträger auf. Dieser schmale Halbleiterbereich wird durch Halbleitermaterial mit einem größeren Dandabstand begrenzt, so daß die Minoritätsladungsträger praktisch nicht in die angrenzenden Bereiche gelangen können. Diese Ladungsträgerbegrenzung auf einen schmalen Halbleiterbereich mit großer Ladungstragerdichte wird in der Literatur vielfach als ~Ladungsträger-Confinement" bezeichnet. Ferner ist bei LASERN auch eine Begrenzung der optischen Welle, das so genannte ~optische Confinement", erforderlich. Bei entsprechender Wahl von Halbleitermaterialien bei einer mehrschichtigen Heterostruktur bilden ai an den aktiven Halbleiterbereich angrenzenden Schichten i der Regel sowohl das Ladungsträger-Confinement als auch das optische Confinement. Das Herstellungsverfnhren für die bekannten LASER-Anor-dnungen ist aufwendig, da Halbleitermaterialien unterschiedlichen Bandabstandes epitaktisch aufeinander aufgebracht werden müssen.
Außerdem ist bei diesen Mehrschichtstrukturen die Wärmeableitung aufgrund des Wärmewiderstandes der einzelnen Schichten nicht optimal.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach herzustellendes Ladungsträger-Confinement für Hälbleiteranordnungen, insbesondere für optoelektronische Bauelemente, anzugeben, bei denen eine gute Wärmeableitung sichergestellt ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der IlalbLeiterbereich von einer Schicht aus Metall begrenzt ist, dessen Austrittsarbeit im Verhältnis zu der des Halbleitermaterials so groß ist, daß sich im Halbleiterbereich eine an die Metallschicht angrenzende Anreicherungsrandschicht ausbildet.
Im Gegensatz zu den gleichrichtenden Schottky-Metallhalbleiterübergängen, bei denen unter der Metallschicht eine Verarmungsrandschicht im Halbleiterkörper entsteht, muß sich bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung unter der Metallschicht eine Anreicherungsschicht ausbilden, durch die sich eine Feldverteilung in der Randschicht einstellt, die die Minoritätsladungsträger von der Metallschicht abhält. Auf diese Weise können die Minoritätsladungsträger in der an die Metallschicht angrenzenden Halbleiter zone auf einen sehr schmalen Bereich begrenzt werden.
Eine Anreicherungsrandschicht mit Hilfe von Metallkontakten läßt sich besonders gut bei schwach p-dotierten Halbleiterzonen erzeugen. In diesem Fall grenzt dann an die-schwach p-dotierte Halbleiterzone an der der Metallschicht gegenüberliegenden Randfläche - unter Bildung eines pn-Überganges -eine n-leitende Halbleiterzone an, aus der die Minoritätsladunosträger in die schwach p-dotierte Zone injiziert werden.
Die p#-Zone, auf die ninoritätsl adungsträger begrenzt bleiben sollen, weist eine Dicke unterhalb der Diffusionslänge der ~.#inoritätsladungsträger auf. Dadurch ist sichergestellt, daß in diesem schmalen Halbleiterbereich eine Ladungsträgerdichte erzeugt werden kann, die für die J.ASER-Emission ausreichend ist.
Das Halbleitermaterial besteht beispielsweise aus Silizium, während die Metallschicht aus Wolfram-silizid oder Vickel-Silizid besteht. In einem anderen Fall kann das llalbleitermaterial Galliumarsenid sein. Dann bestehen die tzetallschichten vorzugsweise aus Platin, Nick.eI oder Gold. Die p--leitende Zone und die n-leitende Halbleiterzone können in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auch aus unterschiedlichen Halbleite#rmaterialien unter Bildung eines Hetereoüberganges bestehen. In diesem Fall ist der Randabstand des Materials der injizierenden n-leitenden Zone größer als der des p#-leitenden Materials. Ein derartiger Heteroübergang eignet sich insbesondere als gut injizierender Emitter bei Lumineszenzdioden mit hohen Wirkungsgrad. Bei derartigen Lumineszenzdioden dient die Metallschicht nicht nur als Ladungsträger-Confinement sondern kann zugleich auch in ihrer Funktion als Lichtreflektor das optische Confinement bilden. Lumineszenzdioden mit einem Heteroübergang bestehen beispielsweise aus einer p -leitenden GaAs-Zone und einer n-leitenden Al xGa1-xAs-Zone, wobei x den Wert zwischen 0,3 und 0,5 aufweist.
Die Erfindung und ihre weitere Ausgestaltung sollen noch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In der Figur la ist das Bänderschema des Metallhalblelterüberganges vor der Kontaktierung dargestellt. Figur lb zeigt dieser Bänderverlauf nakh der Kontaktierung. In Figur 2 ist eine LASER-Struktur dargestellt, während die Figur 3 eine Lumineszenzdiode zeigt.
In der Figur la ist mit 1 das Metall bezeichnet, das bei einem Halbleiterkörper aus Galliumarsenid beispielsweise aus Platin, Nickel oder Kupfer besteht. WM ist die Ausl:ritt:sarbeit- des Metalls, während mit WH die Austrittsarbeit des lialbleitermaterials bezeichnet ist. Dabei muß WM > WH sein. Mit EL, EF und EV sind die Energieniveaus des Leitungsbandes, des Fermi-Niveaus und des Valenzbandes bezeichnet. Die Elektronenaffinität X.des Halbleitermaterials muß so sein, daß die Bedingung WM > WHerfüllt ist.
Nach der Kontaktierung ergibt sich ein Bänderverlauf gemäß der Figur lb. Die-Barrierenhöhe zwischen dem Metall 1 und der Halbleiterschicht 5 vom p Teitungstyp ist mit ~ bezeichnet, wobei gilt ~ = WM - X. Wie man dem Bänderverlauf entnimmt, ergibt sich eine Aufbiegung der Bänder am Halbleitermetallübergang 2, wobei eine Anreicherungsrandschicht 3 entsteht. Wenn nun in die p--leitende Zone 5 Elektronen injiziert werden, müssen diese gegen das sich an der Metallhalbleiterrandfläche ausbildende elektrische Feld anlaufen, so daß sie durch dieses Feld von der Metallschicht 1 abgehalten und in den Halbleiterbereich 5 zurückgelenkt werden.
In der Figur 2 ist eine LASER-Anordnung dargestellt.
1 ist die Metallschicht, beispielsweise aus Platin, Nickel oder Gold. 3 ist die Anreicherungsrandschicht mit einer Konzentration von Majoritätsladungsträgern der p -leitenden Zone (5). Zwischen der p#-leitenden Zone 5 und der n-leitenden Zone 7 befindet sich der pn-Übergang 6. Der Abstand zwischen der Metallschicht 1 und dem pn-Übergang 6 soll kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Zone 5 sein. Bei einer Vorwärtsspannung am pn-Übergang werden Elektronen über den pn-Übergang 6 in die Zone 5 injiziert und werden dort durch die Potentialbarriere am Metallhalbleiterüberyang begrenzt, so daß die die Strahlung auslösende Rekombination von Ladungsträgern im wesentlichen in der Zone 5 erfolgt.
Die dargestellte Struktur ist sowohl als LASER-Diode als auch als Lumineszenzdiode geeignet. Insbesondere bei Lumineszenzdioden dient die Metallschicht 1 zugleich als Reflektor für die Lichtwellen und bildet somit neben dem Ladungsträger-Confinement auch ein optisches Confinement.
Die Lichtwellen werden von der Metallschicht zurückr&flektiert und treten somit an der der Metallschicht gegenüberliegenden Oberflächenseite der Halbleiteranordnung aus dem Halbleitermaterial aus. Einen besonders hohen Wirkungsgrad erzielt man dann, wenn der Minoritätsladungsträger-Emitter 7 mit der schwach dotierten Zone 5, in der die Pxekombination der Ladungsträger erfolgt, einen Heteroübergang bildet. In diesem Fall ist der Bandabstand des Katerials der Zone 7 größer als der der Zone 5 zu wählen, während zugleich der Brechungsindex der Zone 5 größer sein soll wie der der Halbleiterzone 7. Dieses Fiel wird erreicht, wenn beispielsweise für die schwach dotierte Zone 5 Galliumarsenid gewählt wird, während der Halbleiterbereich 7 aus Al Ga, As besteht mit einem Aluminiumanteil x zwischen 0,3 und 0,5.
In der Figur 3 ist eine Anordnung dargestellt, die im wesentlichen der der Figur 2 entspricht. Aus der Figur wird jedoch deutlich, daß die erfindungsgemäße Anordnung eine Diodenstruktur darstellt, die entgegengesetzt zu der herkömmlicher Dioden ist. Auf einem Trägerkörper 8 ist die Halbleiteranordnung befestigt, wobei der pn-Übergag in möglichst geringem Abstand von der Metallschicht im Halbleiterkörper verläuft. Die Halbleiterzone 7 ist wesentlich dicker als die Halbleiterzone 5, in der die Minoritätsladungsträger unter Abgabe von Licht rekombiniien. Die Schicht 7 sollte jedoch nicht zu dick sein, um Absorptionsverluste- möglichst klein zu halten. Die Zone 5 wird beispielsweise durch Diffusion unter Bildung eines pn-Überganges 6 erzeugt. Die Halbleiterzone 5 kann jedoch auch epitaktisch auf einem Halbleiterkörper 7 abgeschieden werden, was besonders dann der Fall sein wird, wenn es sich um ileterostrukturen handelt. Bei den Anordnungen der Figuren 2 und 3 werden die ,tromanschluß-Kontakte - wie durch die Anschlußpunkte angedeutet - an die .tetallschicht 1 bzw. den Trägerkörper 8 und an die Halbleiterzone 7 angebracht.

Claims

Patentansprüche y Halbleiteranordnung, insbesondere optoelektronisches Bauelement, mit Mitteln zur Begrenzung von Minoritätsladungsträgern auf einen schmalen Halbleiterbereich zur Erzeugung ~einer großen Ladungsträgerdichte in die-sem'floreich-, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich () von einer Schicht (1) aus Metall begrenzt ist, dessen Austrittsarbeit (WM) im Verhältnis zu der des Halbleitermaterials (WH) so H groß ist, daß sich im Halbleiterbereich eine an die ,4etallschicht angrenzende Anreicherungsrandschicht (3) ausbildet.
2) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Metallschicht (1) an einer Randfläche begrenzte Halbleiterbereich (5) schwach p-doticrt ist und an der der Metallschicht gegenüberliegenden Randfläche von einer n-leitenden Halbleiterzone (7) begrenzt ist.
3). Halbleiteranordnung. nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der p-leitende Halbleiterbereich (5) zwischen der vetallschicht (1) und der n-leitenden one (7) kürzer als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger ist,
4) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Anspriiche, dadurch gekennzeichnet, laß das Halbleiternaterial Silizium und die Metallschicht Wolframsilizid oder Nickelsilizid ist-.
5) Haibleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Sallium-Arsenid ist und die Metallschicht aus Platin, Nickel oder Gold besteht.
6) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die p=-leitende und die n-leitende Halbleiterzone aus unterschiedlichem Halbleitermaterial unter Bildung eines Hetero-Übergangs bestehen, wobei der Bandabstand des Materials der n-leitenden Schicht größer. ist als der des p#-leitenden Materials.
7) Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der p -leitenden Halbleiterzone größer ist als der der n-leitenden Zone.
8) Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die p--le~itende Zone aus Gallium-Arsenid und die n-leitende Zone aus Al Ga As besteht, wobei x den x Wert 0,3 - 0,5 aufweist.
9) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine "LASER-Anordnung handelt, bei der die Metallschicht als Ladungsträger-Confinement" dient.
10) Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Lumine-szenzdiode handelt, bei der die Metallschicht als "Ladungsträger-Confinement" und zugleich in der Funktion als Lichtreflektor als 'optisches Confinement" dient.