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Beschreibung
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"Lichtemittierende HetercmJunction-Diodel Die Erfindung betrifft
eine strahlungsfähige Halbleitereinri(htung und insbesondere eine lichtemittierende
Diode mit einer Hetero-Junction oder Hetero-Grenzschicht zum Ausstrahlen von inkoherentem
Licht.
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Strahlungsfähige Halbleitereinrichtungen werden gewöhnlich aus Verbindungshalbleitern
gegebenenfalls vom Mischkristalltyp gebildet.
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Herstellungsverfahren führen zu verschiedenen Begrenzungen bezüglich
der Struktur der Halbleitereinrichtungen. Die Bildung eines gedopten Bereichs wird
gewöhnlich mittels Diffusion oder Epitaxialwachstum in flüssiger Phase vorgencumen.
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Nachstehend werden einige typische Beispiele von lichtemittierenden
Dioden beschrieben.
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Eine Eine lichtemittierende Diode aus GaAsP wird aus einem n -leitenden
GaAs-Substrat gebildet, wobei eine n-leitende GaAsP Epitaxialschicht auf dem n -
leitenden GaAs-Substrat gebildet und ein p leitender Bereich selektiv in die n-leitende
GaAsP-Schicht eindiffundiert wird.
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Der p-leitende Diffusionsbereich besitzt eine typische Verunreinigungs
konzentration von etwa 1 x 1018 cm-3 und wird dUnn ausgebildet, unterhalb von mehreren
Mikrometern, um zu vermeiden, daß das sich ausbreitente Licht übermäßig in dem p-leitenden
Bereich absorbiert wird. Das Ausgangslicht tritt auf der Seite des p-leitenden Bereichs
aus, die dem Substrat gegenüberliegt.
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Eine lichtemittiertende GaP-Diode wird aus einem n +-leitendem GaP-Substrat
gebildet, aus dem sich eine n-leitende Epitaxialschicht aus GaP und eine p-leitende
Epitaxialschicht aus GaP befindet, wobei die beiden letzteren Epitaxialschichten
aufeinanderfolgen auf dem + n -leitenden GaP-Substrat aufgewachsen sind. Die p-leitende
Schicht besitzt eine typische Verunreinigungskonzentration von etwa 1x1018 cm-3
Das Ausgangslicht tritt an der Seite der p-leitenden Schicht aus.
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Eine lichtemittierende GaAs-Diode besitzt eine ähnliche Struktur
wie die oben genannte GaP-Diode. Die pleitende Oberflächenschicht besitzt eine typische
Verunreinigungskonzentration von etwa 2x10 3.
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Das Ausgangslicht tritt entweder an der Seite der p-leitenden Oberflächenschicht
oder an der Seite des n+-leitenden Substrats aus (im letzteren Falle ist das Substrat
teilweise an den Stellen weggeätzt, wo das Ausgangslicht austreten soll).
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Eine lichtemittierende GaAlAs-Diode wird aus einem p+-leitenden GaAs-Substrat,
einer p-leitenden Ga1-xAlxAs-Epitaxialschicht, die auf dem GaAs-Substrat gebildet
ist und einer n-leitenden Gal -yAlyAs-Epitaxialschicht gebildet, die auf der p-leitenden
Epitaxialschicht ausgebildet ist. Die Größen (Mischungsverthaltnisse) x und y sind
so gewählt, daß die Bedingung x<y erfüllt ist, um wirksam das Ausgangslicht an
der n-leitenden Epitaxialschicht austreten zu lassen. Die n-leitende Epitaxialschicht
besitzt eine typische Verunreinigungskonzentration von etwa 1x1017 cm-3.
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Es ist verständlich, daß verschiedene Strukturtypen für lichtemittierende
Dioden existieren und daß unterschiedliche Betrachtungen bezüglich der unterschiedlichen
Strukuren notwendig sind.
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Gewöhnlich ist es bei lichtemittierenden Dioden aus Verbindungshalbleitern
der Gruppe III bis V leichter, eine bessere Lichtemissionseffizienz in p-leitenden
Bereichen als in n-leitenden Bereichen zu erhalten.
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Lichtemittierende Dioden verwenden die spontane Strahlungsemission
im Gegensatz zur erzwungenen Strahlungsemission in Halbleiterlasern.
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Daher ist die Minoritätsträträgerlebensdauer in einer lichtemittierenden
Diode relativ lang. Minoritätsträger, die in einen strahlungsfähigen
Bereich
über ein pn-Grenzschicht injiziert sind, besitzen eine große Möglichkeit, daß sie
von nicht strzfilenden Rekombinationszentren ehgefangen und mit Majoritätsträgern
dort ohne Lichtausstrahlung rekombiniert werden. Es ist daher sehr wichtig, die
nicht strahlenden Rekcnbinationszentren in dem strahlenden Bereich der lichtemittierenden
Diode zu reduzieren.
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Gitterfehlstellen sind weitgehend fUr die Erzeugung von nicht strahlenden
Rekombinationszentren verantwortlich. Gewöhnlich besitzt einer der pleitenden und
n-leitenden Bereiche,die ein pn-Grenzschicht bilden, eine geringere Dichte von nicht
strahlenden Pekombinationszentre und bildet daher einen Hauptstrahlungsbereich.
Im GaAs und GaxAl1-xAs werden Fehlstellen eher in einem n-leitenden Bereich als
in einem p-leitenden Bereich gebildet. In n-leitenden Bereich, der mit einer Donatorverunreinigung
wie Te, Se oder S gedopt ist, können Leerstellen gebildet werden, die elektrisch
die Dcnaboratome kompensieren. Die Dichte dieser Leerstellen wird als proportional
zu der gedopten Konzentration betrachtet. Derartige Leerstellen und/oder die Kombinationen
von Leerstelle und Donatorvenmreinigung werden als sehr effektive nichtstrahlende
Zentren betrachtet.
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In einer hcitemittierenden Diode, die eine eindiffundierte pn-Homojunction
oder pn-Homo-Grenzschicht besitzt, wird gewöhnlich Zn als Akzeptorverunreinigung
in einem n-leitenden Kristall eindiffuniert. Es ist sehr schwierig, eine Donatorverunreinigung
in einem p-leitenden Kristall einzudiffundieren, da dort keine Donatorverunreinigung
vorhanden ist, die eine große Diffusionskcnstante wie diejenige von Zink besitzt.
Das Eindiffundieren von Zink vergrößert die Iadungträgerkonzentration in dem p-leitenden
Bereich gegenüber derjenigen im n-leitenden Bereich. Die Konzentration von eindiffundierten
Zink sollte nicht zu groß werden, um die guten Kristalleigenschaften des diffundierten
p-leitenden Bereichs zu behalten. Der n-leitende Bereich, in dem Zink eindiffundiert
ist, sollte eine niedrigere Verunreinigungskonzentration als diejenige in dem p-leitenden
Diffusionsbereich besitzen. Daher ist es schwierig, das Injizieren von Minoritätsträger
in dem Strahlungsbereich durch die pn-Grenzschicht anzuheben.
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Lichtemittierende Dioden, die durch Epitalwachstum in flüssiger Phase
hergestelltwerden, zeigen allgemein eine höhere Lichtemissionsleistung als durch
Diffusion hergestellte lichtemittierende Dioden.
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Epitaxialschichten haben geringere Fehistelleddichten als durch Diffusion
gebildete Bereiche. Weiterhin kann eine Rombination von Verunreinigungskonzentrationen
für eine durch Epitaxialwachstum entstandene pn-Grenzschicht ausgewählt werden.
Daher werden in einer durch Epitaxial-Wachstum hergestellten pn-Homo-Junction-Dioden
Ladungsträgerkanzentrationen der entsprechenden Bereiche so ausgewählt, daß die
Injektionseffizienz der Minoritätsträger in dem strahlenden Bereich maximal ist.
In einer lichtemittierenden Diode beispielsweise, die einen p-leitenden Strahlungsbereich
aufweist, wird die Ladungsträgerkonzentration des pleitenden Bereichs genügend niedrig
im Vergleich mit derjenigen des nleitenden Bereichs gewählt, so daß die Elektroneninjektion
in den pleitenden Bereich verglichen mit der Lochinjektion in den n-leitenden Bereich
angehcben ist. In jedem Fall wird der strahlenden Bereich mit einer niedrigen Verunreinigungskcnzentration
zum Anheben der Injektionseffizienz und der Lichtemissionseffizienz versehen.
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Die lichtemittierende HeteromJunction-Diode besitzt den Vorteil,
daß sie einen Fenstereffekt, wie oben beschrieben, liefert und einen höheren nußenwirkungsgrad
als Homo-Junction-Dioden besitzt.
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Die HeteroJunction-Diode kann weitere Vorteile gegenüber der Homo-Junction-Diode
besitzen, jedoch sind ihre Uberlegenheiten noch nicht voll ausgeschöpft.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine lichtemittierende Hetero-Junction-Diode
zu schaffen, die einen ausgezeichneten Wirkungsgrad hinsichtlich Lichtausbeute besitzt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine lichtemittierende
Hetero-Junction-Diode des oben beschriebenen Typs zu schaffen, die optimale Iadungsträgerkonzentration
in den entsprechenden p- und nleitenden Bereichen besitzt, die die p-Grenzschicht
bilden.
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Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine lichtemittierende Hetero-Juncticn-Diode
des oben beschriebenen Typs zu schaffen, die einen Strahlungsbereich einer optimalen
Dicke besitzt.
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Bei einer lichtemittierenden Hetero-Junction-Diode können der p-und
n-leitende Bereich verschiedene Bandlücken aufweisen. In einem derartigen Fall wird
die Injektionseffizienz in die entsprechenden p- und n-leitenden Bereiche hauptsächlich
durch die Differenz der Bandlücken, jedoch nicht länger durch die Ladungsträgerkonzentrationen
in den entsprechenden p- und n-leitenden Bereichen bestimmt. Der strahlende Bereich
kann erfindungsgeeäß eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweisen, um die Konzentration
von stellenden Rekart>inationszentren zu vergrößern. übermäßig hohe Verunreinigungskonzentrationen
vergrößern jedoch verschiedene Kristallfehlstellen wie und werden daher Leerstellen
die Lichtemissionsleistung verringern. Daher sollte ein optimaler Bereich für die
Ladungsträgerkonzentratbn für den strahlenden Bereich bestehen. Der andere bereich
zum Injizieren von Minoritätsträgern in den strahlenden Bereich besitzt vorzugsweise
eine hohe Ladungsträgerkonzentration zum Erniedrigen des spezifischen Widerstands
und zum Injizieren einer genügenden Menge von Minoritätsträgern in den strahlenden
Bereich. Übermäßig hohe Verunreinigungskonzentrattn wird jedoch verschiedene Kristallfehlstellen
vergrößern und daher die Lichtemissionsleistung verringern. Deshalb solte auch ein
optimaler Bereich der Ladungsträgerkonzentration für den Injektorbereich existieren.
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In lichtemittierenden GaAs- und GaA1-Dioden ist der Hauptstrahlungsbereich
vorzugsweise ein p-leitender Bereich, da die Gitterfehlstellen eher in einem n-leitenden
Bereich als in einem pleitenden Bereich auftreten. Die gleitende Verunreinigung
kann Zn, Ge etc. sein. Unter verschiedenen p-leitenden Verunreinigungen liefert
Zink die beste Emissionsleistung. Zink besitzt jedoch eine große diffusionskonstante
und kann daher während des Wachstums in den n-leitenden Bereich eindiffundieren.
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Wenn die Eindiffusion von Zink in den n-leitenden Bereich intensiv
ist, kann ein Teil des n-leitenden Bereichs, der sich benachbart zu dem pleitenden
Bereich befindet in p-leitend verwandelt und dadurch die Stelle der pnrenzschicht
verschoben werden. Diese Verschiebung der pn-Grenzschicht ändert die Emissionswellenlänge
zu einer kürzeren und ändert die pn-Heterogrenzschicht in eine pn-Homogrenzschicht.
Dieser Faktor verlangt
auch eine obere Genze der Ladungsträgerkonzentration
in den pleitenden Bereichen.
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Es wurde gefunden, daß bessere Leistungen für die externe Emission
erzielt werden, wenn der pleitende Bereich eine Iadungsträgerkonzentration p im
Bereich von 4,5x1017< p < 2,5x1018 (cm-3) und der nleitende Bereich eine £adungsträgerkonzentration
n in dem Bereich von 2 x 1017< n < 1 x 1018 (cm-3) aufweist.
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Bei einer lichtemittierenden Diode kann die Diffusionslänge der Minoritätsträger
groß werden. Ein dünner Strahlungsbereich ist ungetugend, um zu bewirken, daß die
meisten der injizierten Minoritätsträger darin rekombiniert werden. Von diesem Gesichtspunkt
aus wird die Emissionsleistung je höher, je dicker der strahlende Bereich ist.
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Jedoch existiert auch ein innerer Absorptionsverlust und optimale
Bedingungen zum Beduzieren von Gitterfehlstellen usw., die eine obere Grenze bezbglich
der Dicke des strahlungsfähigen Bereichs bedingen.
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Es wurde gefunden, da die Emissionsleistung mit dem Anstieg der Dicke
des strahlungsfähigen Bereichs auf wenigstens 40µm ansteigt. Die Dicke des strahlungsfähigen
Bereichs ist vorzugsweise gleich oder größer als etwa 10µm zum Vergrößern der Emissionsleistung
und vorzugsweise kleiner als 40µm vom Standpunkt des Herstellungsverfahrens und
der Ökonomie gesehen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Anspruche zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1A und 1B zeigen schematisch ausschnittsweise im Schnitt eine
lichtemittierende Hetero-Junction-Diode und ein Energielückendiagramm hierfür.
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Fog. 2A und 2B sind Diagramme bezüglich der Ladungsträgerkonzentration
und der Energie lücke für die lichtemittierende Diode von Fig. 1A.
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Fig. 3 und 4 zeigen Diagramme betreffend die Relation der Leuchtdichte
gegenüber der Ladungsträerkonzentration.
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Fi.g 5 zeigt ein Diagramm betreffend die Relation der Leuchtdichte
gegenüber der Stärke der strahlungsfähigen Schicht.
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Fig. 6A und 6B zeigen schematisch im Schnitt eine weitere lichtemittierende
Diode und ein dazugehöriges Bandlückendiagramn.
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Fig. 1A zeigt eine lichtemittierende Heteronlunction-Diode aus GaAAs.
Auf einem pleitenden GaAs-Substrat 1 befindet sich eine pleitende Ga1-xAlx As-Schicht
2 durch Epitaxialwachstum aufgebracht. Eine durch Epitaxialwachstum aufgebrachte
n-leitende Ga1-y AlyAs-Schicht 3 befindet sich über der p-leitenden Schicht 2, um
eine pn-Hetero-Gr»nzschicht 6 zu bilden. Die Größen xundysind so gewählt, daß x
< y erfüllt ist, um ein Bandlückenprofil gemäß Fig. 1B zu realisieren, so daß
die n-leitende Schicht 3 für Licht transparent ist, das in der p-leitenden Schicht
frei emittiert wird. Hierbei besitzt die n-leitende Schicht 3 eine größere Bandlücke
als die p-leitende Schicht 2 und das in der p-leitenden Schicht 2 emittierte Licht
ganz wirksam durch die n-leitende Schicht 3, jedoch nicht durch das Substrat 1 nach
außen gelangen. Die pleitende Schicht 2 besitzt denselben Absorptionskoeffizienten
für das darin emittierte Licht. Je näher daher die Position der Lichtemission zu
der pn-Grenzschicht ist, desto weniger Absorption des emittierten Lichts findet
statt.
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Bei dem in Fig. 1A dargestellten Aufbau wurden die Ladungsträgerkonzentrationen
der p-leitenden Schicht 2 und der n-leitenden Schicht 3 stark variiert, um eine
optimale Kombination vt n Ladungsträgerkonzentrationen in den Schichten 2 und 3
zu finden. Epitaxialwachstum aus einer Lösung heraus wurde zur Ausbildung der pn-Hetero-Grenzschicht
verwendet.
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Das Epitaxialwachstum ist vorteilhaft, um entsprechende Schichten,
die gleichmäßigen elektronischen Eigenschaften und guten Kristalleigenschaften zu
bilden. Um die pn-Grenzschicht herum tritt jedoch gegenseitige Atomdiffusion auf,
wodurch sich ein bestimmter Grad eines Verunreinigungskonzentrationsgradienten ergibt.
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Fig. 2A und 2B zeigen schematisch die Verteilung der Verunreinigungskonzentration
(Fig.2A) und die Bandlückenverteilung, um die pnrenzschicht von 1A herum. Die Abzisse
zeigt den Abstand in senkrechter Richtung zur pn-Grenzschicht und ist in Fig. 2A
und Fig. 2B aufgetragen. Die Ordinate von Fig. 2A stellt den Abstand ND-NA zwischen
der Donatorkonzentration ND und der Akzeptorkonzentration NA dar. Die Donatorkonzentration,
die ursprünglich in die n-leitende Schicht 3 eingebracht wurde ist , während die
ursprünglich eingebrachte Akzeptorkonzentration in den p-leitenden Bereich 2 NAD
ist.
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Während des Wachstums werden die p und n-leitenden Verunreinigungen
einer Diffusion unterworfen. Die resultierende Donatorverteilung ist durch eine
gestrichelte Kurve 13 und die resultierende Akzeptorverteilung durch eine gestrichelte
Kurve 12 dargestellt. Daher zeigt die Kurve 10 die gesamte resultierende Verunre
inigungsverteilung. Die den Halbleiter bildenden Atome werden in geringerem Maße
einer Diffusion unterworfen. Daher ist die resultierende Bandlückenverteilung schärfer
als die Verunreinigungsverteilung, wie durch die Kurve 14 von Fig. 2B dargestellt
ist.
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Wenn Akzeptoren (beispielsweise Zink) in den n-leitenden Bereich
durch die pnGrenzschicht 6 eindiffundieren, nimmt die Akzeptorkonzentration in diesem
Abschnitt des p-leitenden Bereichs 2 benachbart zu der pnGrenzschicht 6 ab. Weiter
kompensieren Donatoren, die in den p-leitenden Bereich 2 eindiffundiert sind, dort
befindliche Akzeptoren. Daher nimmt die Größe der Netlwerunreinigungskonzentration
um die pn-Grenzschicht 6 herum ab, jedoch tritt die Verschiebung der pn-Grenzschicht
relativ kaum auf. Wenn die Zinkkonzentration im gleitenden Bereich 2 verglichen
mit der Donatorkonzentration in dem n-leitenden Bereich zu hoch gewählt ist, kann
jedoch die pn-Grenzschicht in den ursprünglich n-leitenden Bereich 3 verschoben
werden, der eine breitere Bandlücke besitzt. Dies führt zur Emission von kürzerwelligem
Licht und ferner zu einer Abnahme der Emissionsleistung aufgrund eines Anstiegs
der Elektronendichte an der indirekten Leitungsbandkante.
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Experimente wurden in einem solchen Bereich durchgeführt, daß die
oben genannte Verschiebung der pn-Grenzschicht nicht auftritt oder praktisch vernachlässigbar
ist. Epitaxialwachstum wird durch Temperaturdifferenzverfahren, etwa entsprechend
der JA-PS 857,545 erzielt. Epitaxialwachstum durch allmähliches
Abkühlen
der Lösung wird durch Veränderungen in der Zusammensetzung, Verunre inigungskonzentration
und dem Grad von Nichts toichi ametrie begleitet. Daher kann die Verunreinigungs-
und Bandlückenverteilung nicht so flach wie in den Fig. 2A und 2B gemacht werden
und ferner können Gitterfehlstellen nicht ausgezeichnet ausgeschaltet werden. Dann
kann die Relation zwischen der Leuchtdichte und den Verunreinigungskonzentrationen
in den entsprechenden Bereichen nicht klar erhalten werden. Andererseits werden
gemäß dem Temperaturdifferenzverfahren ein Hochtemperaturversorgungsabschnitt und
ein Niedertenperaturwachstumabschnitt auf entsprechend konstanten Temperaturen gehalten.
Rohmaterial löst sich in dem Versorgungsabschnitt, diffundiert durch die Lösung
und wächst in dem Wachstumsabschnitt auf. Daher vollzieht sich Epitaxialwachstum
bei einer konstanten Wachstumstemperatur aus einer Lösung konstanter Zusammensetzung.
Hierdurch kann eine Epitaxialschicht mit gleichförmigen Eigenschaften erhalten werden.
Durch Verwendung einer Vielzahl von Lösungstigeln und einen Schieber, der Substrate
trägt, können viele aufeinanderfolgende Epitaxialwachstumsvorgänge vorgenommen werden.
Außer für die Fn-Grenzschicht, an der Atomdiffusion in Feststoffphase die Verunreinigungskonzentration
und die Zusaaensetzung,wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, verändert, können die
Änderungen der Zusammenstzung der entsprechenden Ga1-xAlxAs-Schicht 2 und Ga1-yAlyAs-Schicht
3, tx und fSy leicht auf Werte nicht größer als 0,01 und unter 0,002 herabgedrückt
werden, selbst wenn die Epitaxialschicht eine Dicke von nicht, weniger 10µm aufweist.
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Vergleichsweise besitzt die Al-Konzentration x in einer Ga1-xAlxAs-Schicht,
die durch alimähliches Abkühlen gewachsen ist, eine abnme Tendenz bezüglich x mit
Anstieg der Wachstums zeit und wird gewöhnlich durch eine Snderung ti x der Größenordnung
# # #x 0,02 pro 10im Stärke begleitet.
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Experimentelle Ergebnisse sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt, in
denen die Abzisse die Ladungsträgerkonzentrationen p und n der pleitenden Schicht
(Fig. 3) und der n-leitenden Schicht (FIg. 4) zeigen, während die Ordinaten die
Leuchtdichte in Millicandela zeigen.
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Es ist ersichtlich, daß die Leuchtdichte, d.h.die Emissionsleistung
hoch ist in ded Bereichen von 4.5 x 1017cm-3 4 p < 2,5 x 1018cm 3 2.0 x 1017cm-3
< n < 1,0x1018cm-3.
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Insbesondere können die Ladungsträgerkonzentrationen p und n in den
Bereichen von
8,0 x 1017cm-3 # p # 2.0 x 10.18cm-3 2.0 x 1017cm-3
# n # 8,0 x 1017cm-3 gewählt werden. Die Ladungsträgerkonzentrationsbereiche von
8,0 x 1017cm-3 # p # 2,0 x 1018cm-3 4,0 x 1017cm-3 # n # 8,0 x 1017cm-3 sind besonders
bevorzugt.
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Es ist ferner bevorzugt, daß die Akzeptorkonzentration p größer als
die donatorkonzentration n gewählt wird, p> n, um die Fehlerdichte in dem n-leitenden
Bereich herabzusetzen. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Ladungsträgerkonzentrationen
p und n wie oben angegeben, den zeptor- und Donatorkonzentrationen N10 und N@@ entsprechen,
wie sie im Zusammenhang mit Fig. 2A erläutert wurden.
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Die Größe x für die p-leitende Ga1-x AlxAs-Schicht 2 worde im Bereich
von 0,30 S x # 0,37 ausgewählt, während die Größe x für den n-leitenden GA1-yAlyAs-Schicht
3 in dem Bereich von 0,40 C y # 0,70 ausgewählt wurde.
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Wenn die Größe x für Aluminium den Wert von 0,40 Uberschreitet, wird
der indirekte Ubergang dannant und die Emissionsleistung erniedrigt. Wenn er dagegen
unter etwa 0,30 fällt, verlagert sich die Wellenlänge des emittierten Lichtes in
den Bereich geringer visueller Empfindlichkeit.
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Die Zusammensetzung kann durch Röntgenstrahlenmikroanalyse bestimmt
werden, jedoch kann der Wert entsprechend der verwendeten Eichmethode variieren.
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Die Zusammensetzung kann genauer durch Messen der Spitzenwellenlänge
der Emission bestimmt werden. Die Photonenenergie nvund die Größe x in dem Direktübergangsbereich
von Ga1-xAlxAs kann dargestellt werden durch nv(ev) = 1,371 + 1,429 x.
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Die Photonenenergie h und die EmissionswellenlängeA') stehen durch
folgende Gleichung miteinander in Beziehung = 12400 / nv (Å) In dem engen Bereich
von 6550R < #<6900Å kann die Beziehung zwischen der Emissionswellenlänge und
der Größe x näherungsweise wie folgt dargestellt werden: X (A) = 8468 - 5260x.
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Die Streuung der Spitzenwellenlänge, die in den Emissionsspektren
beobachtet wurde, war geringer als - 5A (-0,0015eV) um 6650t. Dieser Wert entspricht
einer Streuung des Wertes für x um weniger als etwa 0,002. Die Ladungsträgerkonzentration
kann beispielsweise gemessen werden, indem Schottky-Kontakte auf einer Winkel Uberlappten
Oberflache gebildet werden.
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Wenn der strahlungsfähige Bereich keine Absorption bezüglich des
emittierten Lichtes zeigt, ist die Dicke des strahlungsfähigen Bereichs vorzugsweise
viel größer als die Diffusionslänge 1, e . Eine durch allmähliches Abkühlen gewachsene
Epitaxialschit besitzt eine Minoritätslebensdauer # in der Größenordnung von 3ns
oder weniger und eine Diffusionskonstante in der Größenordnung von 100 cm2/s oder
weniger, wobei die Diffusionslänge in der Größenordnung von 5m liegend abgeschätzt
wurde.
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Damit bewirkt wird, daß die meisten der injizierten Minoritätsträger
in dem strahlungsfähigen Bereich rekombiniert werden, sollte der strahlungsfähige
Bereich eine sehr viel größere Dicke als die Diffusionslänge besitzen. Licht jedoch,
das innerhalb des strahlungsfähigen Bereichs emittiert wird, unterliegt einer internen
Absorption und das Auswachsen einer sehr dicken Schicht ist mittels des Verfahrens
durch allmähliches Abkühlen schwierig und macht die lichtemittierende Diode teuer.
Gewöhnlich wird für den strahlungsfähigen Bereich eine Dicke von etwa 1 bis 2Wm
gewahlt.
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Gemäß der Tepperaturdifferenzmethode konnten Epitaxialschichten mit
guten Eigenschaften erhalten werden. Beispielsweise kann die Minoritätsträgerlebensdauer
in der Größenordnung von 50ns und die Diffusionskonstante in der Größenordnung von
300cm2 /s liegen. Experimentelle Ergebnisse bei lichtemittierenden Dioden mit einer
Spitzenemissionswellenlänge von 6650A sind in Fig. 3 dargestellt. Lichtemittierende
Diode mit einer spitzenemissionswellenlänge von etwa 6650 bis 6900A zeigen eine
ähnlidSe Tendenz wie in Fig. 5 dargestellt ist.
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Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß wenigstens bis zu etwa 40µm eine
höhere Emisionsleistung von einer dickeren Schicht des strahlungsfähigen Bereichs
erhalten wird. Es sei darauf hingewiesen, daß der strahlungsfähige Bereich durch
Wachstum, beruhend auf Anwendung der Temperaturdifferenzmethode erhalten wurde und
sehr gleichmäßige Eigenschaften über die gesamte Stärke besitzt.
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Wenn die Stärke geringer als etwa 5µm ist, fällt die Emissionsleistung
schnell. Zwischen 5Fm und etwa 17an wächst die Emissionsleistung mit der Dicke,
zeigt jedoch eine Sättigungstendenz. Eine Art Knick wird bei etwa 17Wm beobachtet.
Oberhalb von 17µm steigt die Emissionsleistung erneut an. Oberhalb von 30µm wird
wiederum eine gewisse Sättigungstendenz beobachtet. Es ist daher wiinschenswert,
eine Stärke für den strahlungsfähigen Bereich von etwa wenigstens 5µm, vorzugsweise
größer 10µm und insbesondere als 17µm zu wählen. Eine Stärke oberhalb von 40µm ist
zumindestens beim derzeitigen Stand der Herstellungstechnik nicht einfach zu erhalten
und unökonomisch.
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Bei den optimalisierten Bedingungen bezüglich der Stärke, Verunreinigungskonzentrationen
und Zusammensetzung zeigten lichtemittierende GaAlAs-Dioden, die mit Epoxyharz geformt
wurden, eine externe Emissionsleistung von etwa 4% (interne Emissionsleistung von
etwa 27%).
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Der rapide Abfall der Emissionsleistung unterhalb einer Stärke von
etwa 5µm kann folgenderrnaßen erklärt werden: Obwohl das Gitter van Gal xAlxAs gut
mit demjenigen von GaAs zusammenpaßt, im Vergleich zu anderen Heterogrenzschichten
wie GaAs-GaAs1-@P@, besitzt das GaAs-Substrat gewöhnlich eine geringere Reinheit
und eine größere Fehlstellendichte als die GEL xAlxAs-Epitaxialschicht. Somit können
diese Gitterfehlstellen und Verunreinigungsatome übertragen werden und in der Epitaxialschicht
über der Hetero-Grenzschicht bis zu einem gewissen Umfang Effekte hervorrufen. Übermäßig
dünne Epitaxialsctichten können mehr durch die Fehlstellen und/oder Verunreinigungen
in dem Substrat beeinflußt werden, durch eine niedrigere Emissionsleistung bewirkt
wird. Die obere Grenze für die praktische Dichte der Epitaxialschicht wird durch
die Herstellungsverfahren und Kosten bestimmt.
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Eine Modifikation der Struktur der lichtemittierenden Diode, die
durch ein einfaches Verfahren eine hohe Emissionsleistung liefert, wird nachstehend
beschrieben: Wenn man eine pleitende Ga1-xAlxAs-Schicht 2 auf ein p+-leitendes GaAs-Substrat
1 aufwachsen läßt, das eine viel höhere Akzeptorkonzentraticn als die Epitaxialschicht
2 aufweist, diffundieren die Akzeptoratane aus dem Substrat 1 in die p-leitende
Ga1-xAlxAs-Epitaxialschicht ein, um
eine dünne p+-leitende Ga1-xAlxAs-Schicht
8 zu bilden, wie in Fig, 6A dargestellt ist. Die p+-leitende Ga 1-xAlxAs-Schicht
8 besitzt ein hdheres Potential als die gleitende Ga1-xAlxAs-Schicht 2 für Elektronen,
wie in Fig. 6B dargestellt ist. Die Potentialdifferenz @ gemäß Fig.6B dient dazu,
von der n-leitenden Ga1-xAlxAs-Schicht 3 durch die pn-Grenzschicht 6 injizierte
Elektronen zu reflektieren. Die reflektierten Elektropen können die Möglichkeit
der strahlenden Rekombination in der pleitenden Ga1-xAlxAs-Schicht 2 haben. Die
p+-leitende Ga1-xAlxAs-Schicht 8 kann gegebenenfalls für Epitaxialwachstum hergestellt
werden, wird jedoch vorzugsweise durch Diffusion aus dem Substrat ohne Vergrößenmig
der Anzahl der oben beschriebenen Herstellungsschritte gebildet. Um eine solche
Diffusion zu bewirken, sollte das Substrat mit einem Akzeptor gedopt sein, der eine
große Diffusionskonstante aufweist. Daher wird vorzugsweise ein mit Zink gedoptes
p+-leitendes Substrat verwendet.
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Die Potentialschwelle, die durch die Differenz in der Ladungsträgerkonzentration
gebildet wird, ist nicht sehr hoch. Daher ist es wünschenswert, daß die Dicke der
p -leitenden Ga1~xAlxAs-Schicht 8 nicht viel kleiner als die Diffusionslänge hiervon
ist.
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Die Hähe der Potentialschwelle @ wird bestimmt durch die Akzeptorkonzentration
p der stark gedopten Ga1-xAlxAs-Schicht 8 und durch die Akzeptorkonzentration p
der gewachsenen Ga1-xAlxAs-Schicht 2: 4 kTt'n(p+/p).
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Etwa eine Hälfte der Elektronen wird an der Diffusion gehindert,
wenn p+# 2,7p...........(1), und die meisten Elektronen werden an der Diffusion
gehindert, wenn p+# 7,5p...........(2) entsprechend der Maxwell-Boltzman-Verteilung.
Wenn die Verunreinigung des p+-leitenden GaAs-Substrats 1 Zink ist, nähert sich
die Verunreinigungskonzentration in dem Teil der Ga1~xAl X -Schicht 2 benachbart
zu dem Substrat 1 beträchtlich demjenigen des Substrats 1. Wenn beispielsweise das
p leitende GaAs-Substrat 1 eine Zinkverunreinigungskonzentration von etwa lx1019cm
3 aufweist und wenn eine p-leitende Ga1-xAlxAs-Schicht 2 eine
Akzeptorkonzentration
von etwa 1xlO18om durch Epitaxia lwachstum hergestellt aufweist, kann eine p+-leitende
Ga1-xAlxAs-Schicht 8 erzeugt werden, die die Bedingung (2) erfüllt. Es sei darauf
hingwiesen, daß dieser Effekt nur dann auftritt, wenn die Epitaxialschicht eine
gleichmäßige Zusammensetzung aufweist, da eine Potentialschwelle von etwa 46meV
einer Schwankung # x von etwa 0,03 entspricht.
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Eine geringe zunge Phosphor kann den p- und/oder n-leitenden Bereich
zur weiteren Verbesserung des Zusammenpassens des Kristallgitters zugesetzt werden
ohne eine wesentliche minderung der anderen physikalischen Eigenschaften zu bewirken.
Ein besseres Zusammenpassen des Gitters reduziert Gitterfehlstellen wie schlecht
passende Versetzungen an der Hetero-Grenzschicht und verbessern die Emissionsleistung.