DE3411191A1 - SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION - Google Patents

SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION

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Lodewijk Johan van Eindhoven Ruyven
Ferd Elton Prof. Newark Del. Williams
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Description

PHN 10.639PHN 10.639

"Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektromagnetischer ο ζ χ-οί U"Semiconductor arrangement for generating electromagnetic ο ζ χ-οί U

Die Erfindung bezielit sich auf eine Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung in einem aktiven Gebiet eines ersten Halbleitermaterials, Matrixmaterial, das auf eine strukturierte Weise mit einem zweiten Halbleitermaterial versehen ist.The invention is directed to a semiconductor device for generating electromagnetic radiation in an active region of a first semiconductor material, Matrix material which is provided with a second semiconductor material in a structured manner.

Eine Halbleiteranordnung dieser Art ist aus der am 11. November 1982 veröffentlichten internationalen (POT) Patentanmeldung ¥082-03946 bekannt.A semiconductor device of this type is from the International (POT) published on November 11, 1982 Patent application ¥ 082-03946 known.

Halblei teranordniir^r-T1 ~i.::n Err'vu.'ysn. ίΐ ikcrcnas1-netischer Strahlung werden in mehreren Bereichen der Technik verwendet. Sie lassen sich unterscheiden in Anordnungen, deren Strahlung nicht koherent ist und solche, deren ausgesendete Strahlung koherent ist. In dem ersten Fall spricht man meistens von LED's ("Light Emitting Diode") im letzteren Pail von Lasern. Die Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung kann dabei in dem sichtbaren Bereich des Spektrums liegen, aber auch beispielsweise in dem IR- oder UV-Bereich.Semiconductor teranordniir ^ rT 1 ~ i. :: n Err'vu.'ysn. ίΐ ikcrcnas 1 -netic radiation are used in several areas of technology. They can be divided into arrangements whose radiation is not coherent and those whose emitted radiation is coherent. In the first case one usually speaks of LEDs ("Light Emitting Diode") in the latter package of lasers. The wavelength of the emitted radiation can be in the visible range of the spectrum, but also, for example, in the IR or UV range.

Die von bekannten Halbleiterlasern erzeugte Strahlung· ha.t (in Luft) rneiateus eine Wellenlänge von 800 bis 900 nm. Aus mehreren Gründen ist es erwünscht, Laser herzustellen, die Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge aussenden. So ist beispielsweise beim Speichern von Information in Bild- und Tonträgern (VLP, DOR, compact disc) die erforderliche Oberflächenmenge für nur eine Bitinformation dem Quadrat der Wellenlänge der Laserstrahlung umgekehrt proportional. Eine Halbierung dieser Wellenlänge bietet hier also die Möglichkeit einer Vervierfachung der Informationsdichte. Ein hinzutretender Vorteil ist, dass bei kürzeren Wellenlängen eine einfachere Optik ausreicht.The radiation generated by known semiconductor lasers has a wavelength of 800 (in air) to 900 nm. It is desirable to use lasers for several reasons that emit radiation with a shorter wavelength. This is the case for example when storing information in video and sound carriers (VLP, DOR, compact disc) the required surface area for just one bit of information the square of the wavelength of the laser radiation is reversed proportional. Halving this wavelength offers the possibility of quadrupling the information density. An additional advantage is that a simpler optics is sufficient for shorter wavelengths.

Eine praktische Ausführungsform einer LED, die grünes Licht ausstrahlt, ist bekannt aus dem Aufsatz "An Experimental Study of High Efficiency GaP:N Green-Light-A practical embodiment of an LED that emits green light is known from the article "An Experimental Study of High Efficiency GaP: N Green-Light-

PHN 10.639 ? 1-3-1984PHN 10,639 ? 1-3-1984

Emitting Diodes", erschienen in RCA Review, HeTt 33, Sept. 1972, Seiten 5I7-526. Darin werden LED's beschrieben, deren Diode durch monokristallines Halbleitermaterial gebildet wird, beispielsweise Galliumphosphid, wobei Hetero-Übergänge zwischen Galliumphosphid und Aluminium—Galliumphosphid gebildet werden, wobei das Galliumphosphid psowie η-leitend sein kann.Emitting Diodes ", published in RCA Review, HeTt 33, Sept. 1972, pp. 5I7-526. LEDs are described in it, whose diode is formed by monocrystalline semiconductor material, for example gallium phosphide, with heterojunctions between gallium phosphide and aluminum — gallium phosphide be formed, wherein the gallium phosphide can be p and η-conductive.

Um die Quantenausbeute derartiger LED's zu erhöhen, wird das Galliumphosphid mit Stickstoff dotiert.To increase the quantum yield of such LEDs, the gallium phosphide is doped with nitrogen.

Es stellt sich heraus, dass die Quatenausbeute bis zu einer gewissen Höhe mit der Stickstoffverunreinigung zunimmt. Eine zu grosse Stickstoffmenge führt jedoch zu Gitterverformung in dem Galliumphosphid durch Komplexbildung und damit zu einer Verringerung der Quantenausbeute.It turns out that the quatene yield increases up to a certain level with nitrogen pollution. However, too large an amount of nitrogen leads to Lattice deformation in the gallium phosphide due to complex formation and thus to a reduction in the quantum yield.

Ausserdera wird Stickstoff, der weiter von dem pn—Übergang entfernt ist, die Strahlung stark absorbieren, so dass die Menge wirklich ausgesendeter Strahlung noch weiter abnimmt. Das Lösen von Stickstoff in Galliumphosphid bis zu der Lösbarkeitsgrenze ist daher nicht sinnvoll.In addition, there is nitrogen, which continues from the pn junction away, strongly absorb the radiation, so that the amount of radiation actually emitted decreases even further. Dissolving nitrogen in gallium phosphide up to the solubility limit is therefore not advisable.

In der bereits genannten PTC-Anmeldung ¥082-03946 wird eine Laserstruktur beschrieben, bei der das aktive Gebiet aus einer relativ grossen Anzahl aktiver Schichten eines Halbleitermaterials mit direktem Bandabstand wie Galliumarsenid besteht, die zwischen Sperrschichten aus Halbleitermaterial rn'it indirektem Bandabstand, wie Aluminiumarsenid liegen und durch diese voneinander getrennt sind. Diese aktiven Schichten und Sperrschichten bilden zusammen ein sogenanntes Supergitter, das einen effektiven Bandabstand zwischen dem von GaAs (1,35 eV) und AlAs (2,30 eV) nämlich 1,57 eV aufweist, so dass die erzeugte Strahlung eine wesentlich kürzere Wellenlänge hat als es bei Verwendung einer nur aus Galliumarsenid bestehenden aktiven Schicht der Fall wäre.In the already mentioned PTC application ¥ 082-03946, a laser structure is described in which the active area consists of a relatively large number of active layers of a semiconductor material with a direct band gap such as gallium arsenide, which are sandwiched between barrier layers made of semiconductor material with an indirect band gap such as aluminum arsenide and are separated from each other by them. These active layers and barrier layers together form what is known as a superlattice, which has an effective band gap between that of GaAs (1.35 eV ) and AlAs (2.30 eV), namely 1.57 eV, so that the radiation generated has a significantly shorter wavelength than would be the case if an active layer consisting only of gallium arsenide was used.

Dieser Effekt wird erreicht durch den Auftritt des sogenannten "quantum well"-Effektes und des Supergittereffektes. Der "quantum well"-Effekt tritt in dem aktiven Gebiet auf, wenn eine sehr dünne Schicht eines zweiten Ualbleitermaterials zwischen zwei Schichten einesThis effect is achieved through the appearance of the so-called "quantum well" effect and the superlattice effect. The "quantum well" effect occurs in that active area when a very thin layer of a second semiconductor material between two layers of a

PIIN 10.639 2 1-3-1984PIIN 10.639 2 1-3-1984

ersten Halbleitermaterials mit grösserem Bandabstand als der des zweiten Materials eingeschlossen liegt. Dies führt dazu, dass der effektive Bandabstand in der dünnen Schicht des zweiten Materials grosser und daher die Wellenlänge der erzeugten Strahlung kleiner wird. Der Supergittereffekt tritt auf infolge der Supergitterstruktur und führt zu einer Umwandlung des "indirekten" Halbleitermaterials zu, in bezug auf die Bandübergänge der Ladungsträger effektiven, "direkten" Halbleitermaterial. Dies erhöht die Strahlungsübergangswahrscheinlichkeit der Ladungsträger, so dass eine hohe Strahlungsdichte erreicht werden kann. Für eine Beschreibung des "quantum well"-Effektes sei verwiesen u.a. auf "Quantum Well Heterostructure Lasers" von N. Holonyak und anderen, I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Heft GE-16, Nr. 2, Febr. 1980, Seiten 170-186. Bei der Herstellung derartiger Supergitterstrukturen, deren die Dicke der aktiven Schichten zwischen 2 nm und 50 nm variiert und die Dicke der Sperrschichten zwischen 1 und 20 nm variiert, werden namentlich an die Periodizitat der Struktur hohe Anforderungen gestellt.first semiconductor material with a larger band gap than that of the second material is included. This leads to the effective band gap in the thin layer of the second material is larger and therefore the wavelength of the generated radiation is smaller. The superlattice effect occurs as a result of the superlattice structure and leads to a conversion of the "indirect" semiconductor material in relation to the band transitions of the charge carriers effective, "direct" semiconductor material. This increases the radiation transfer probability of the charge carriers, so that a high radiation density can be achieved. Reference is made to a description of the “quantum well” effect i.a. on "Quantum Well Heterostructure Lasers" by N. Holonyak and others, I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Issue GE-16, No. 2, Feb. 1980, pages 170-186. In the production of such superlattice structures, the thickness of the active layers between 2 nm and 50 nm and the thickness of the barrier layers between 1 and 20 nm, high demands are made on the periodicity of the structure.

Die Erfindung liat nun zur Aufgabe, u.a. eineThe invention now has the object, inter alia a

Halbleiteranordnung für LED's oder Laser zu schaffen bei der insbesondere bei Raumtemperatur, eine möglichst hohe Strahlungsdichte bei einer bestimmten Stromstärke auftritt.To create semiconductor arrangements for LEDs or lasers in the in particular at room temperature, the highest possible radiation density occurs at a certain current intensity.

Ausserdem hat die Erfindung zur Aufgabe, einen Laser der obengenannten Struktur zu schaffen, der Strahlung mit einer möglichst kurzen Wellenlänge ausstrahlt.Another object of the invention is to create a laser of the above structure that emits radiation emits with as short a wavelength as possible.

Nach der Erfindung weist eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art dazu das Kennzeichen auf, dass das zweite Material draht— oder schichtförmig angebracht ist, wobei die Abmessungen des Drahtes bzw. der Schicht, in einer Richtung senkrecht zu dem Draht bzw. der Schicht, höchstens der Dicke zweier monomolekularer Schichten des zweiten Halbleitermaterials entspricht und die Abmessung in einer Längsrichtung des Drahtes bzw. der Schicht mindestens der hundertfachen Dicke des Drahtes bzw. der Schicht entspricht.According to the invention, a semiconductor device of the type mentioned at the outset has the characteristic that the second material is attached in the form of a wire or layer is, the dimensions of the wire or the layer, in a direction perpendicular to the wire or the layer corresponds to at most the thickness of two monomolecular layers of the second semiconductor material and the dimension in a longitudinal direction of the wire or the layer at least one hundred times the thickness of the wire or corresponds to the layer.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde,The invention is based, inter alia, on the knowledge

■ φ * *■ φ * *

PHN 10.639 X 1-3-1984PHN 10,639 X 1-3-1984

dass die genannten Drähte bzw. Schichten dünn genug sind, dass diese für das umgebende Halbleitermaterial als normale Verunreinigungen betrachtet werden können, während sie dennoch mit modernen Techniken wie molekulare Bündel— epitaxie (MBE) oder metalloorganische Dampfphasenepitaxie auf strukturierte Weise angebracht werden können.that the wires or layers mentioned are thin enough, that these can be regarded as normal impurities for the surrounding semiconductor material while they nevertheless with modern techniques such as molecular bundle epitaxy (MBE) or metallo-organic vapor phase epitaxy can be applied in a structured manner.

Ausserdem liegt der Erfindung u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass in dem Fall, dass die Drähte bzw. Schichten aus Halbleitermaterial mit einem kleineren Bandabstand als das Matrixmaterial bestehen, dennoch ein "quantum well"-artiger Störungseffekt auftritt. Ausserdem können dabei derartige Materialen gewählt werden, dass eine gute Gitteranpassung auftritt. Die Abmessungen in der Längsrichtung der Schicht bzw. des Drahtes reichen aus um dasIn addition, the invention is based, inter alia, on the knowledge that in the event that the wires or layers consist of semiconductor material with a smaller band gap than the matrix material, but still a "quantum well "-like disturbance effect occurs such materials are selected that a good lattice adaptation occurs. The dimensions in the longitudinal direction the layer or the wire are sufficient to

γζ Vorhandensein gebundener Zustände zu gewährleisten. γ ζ to ensure the presence of bound states.

Ausserdem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass in der genannten GaP:N-Struktür des obengenannten Aufsatzes gutstrukturierte Schichten (Drähte) von Stickstoffatomen in dem Matrixmaterial angebracht werden können, ohne dass Komplexbildung des Stickstoffs in dem eigentlichen Matrixmaterial auftritt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Schichten (Drähte) bei relativ niedrigen Temperaturen angebracht werden und auch später keine Wärmebehandlung stattfindet. In dem Matrixmaterial tritt daher keine Absorption der erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf.In addition, the invention is based on the knowledge that in the mentioned GaP: N structure of the above Attachment well-structured layers (wires) of nitrogen atoms in the matrix material without complex formation of the nitrogen in the actual matrix material. this will achieved in that the layers (wires) are attached at relatively low temperatures and also later no heat treatment takes place. There is therefore no absorption of the electromagnetic generated in the matrix material Radiation on.

Eine Halbleiteranordnung nach der ErfindungA semiconductor device according to the invention

weist weiterhin den Vorteil auf, dass nur an die strukturierten Schichten bzw. Drähte strenge Anforderungen in bezug auf die Abmessungen gestellt werden (höchstens 2 monomolekulare Schichten dick), die Struktur aber nicht unbedingt periodisch zu sein braucht.furthermore has the advantage that only the structured layers or wires are subject to strict requirements in in relation to the dimensions (no more than 2 monomolecular layers thick), but not the structure absolutely needs to be periodic.

Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform bestellen das erste und das zweite Material aus Aluminiumarsenid bzw. Galliumarsenid. Ein Laser mit einem derartigen aktiven Ilalbleitergebiet strahlt rotes (ca. 63Ο nrn) Licht aus (in Luft).According to a first preferred embodiment order the first and second materials from aluminum arsenide and gallium arsenide, respectively. A laser with one of these active semiconductor area emits red (approx. 63Ο nrn) light off (in air).

Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform be-According to a second preferred embodiment,

PHN 10.639 /Γ 1-3-19Β4PHN 10.639 / Γ 1-3-19Β4

stellen das erste und das zweite Material aus Aluminiumphospläd bzw. Galliumphosphid. Ein Laser mit einem derartigen aktiven Halbleitergebiet strahlt grünes (etwa 54θ nm) Licht aus (in Luft).make the first and second material from aluminum phospläd and gallium phosphide, respectively. A laser with such an active semiconductor region emits green (about 54θ nm) light off (in air).

In den beiden Fällen tritt ausserdem eine gute Gitteranpassung der beiden Materialien auf. In den genannten Beispielen läuft die Anforderung in bezug auf die Dicke bzw. den Durchmesser der Schicht bzw. des Drahtes darauf hinaus, dass diese(r) höchstens 0,6 nm beträgt. Andere Beispiele eines zweiten Materials in einem Matrixmaterial mit grösserem Bandabstand sind beispielsweise: Indiumphosphid in Galliumphosphid und Iadumarsenid oder Galliumantimon in Galliumarsenid, Ausser Lasern können aus diesen Materialien auch LED's hergestellt werden, die eine hohe Lichtausbeute bei geringer Stromstärke haben.In both cases, there is also a good lattice match between the two materials. In the mentioned Examples run the requirement with respect to the thickness or the diameter of the layer or the wire in addition to the fact that this is at most 0.6 nm. Other examples of a second material in one Matrix material with a larger band gap are, for example: indium phosphide in gallium phosphide and iadum arsenide or gallium antimony in gallium arsenide. In addition to lasers, these materials can also be used to manufacture LEDs that have a high luminous efficacy at low amperage.

Ausserdem führt hier die Verformung des Gitters durch eine weniger gute Gitteranpassung zu einer erhöhten Bindungsenergie der Exzitonen (Loch-Elektron-Paare), so dass die Ubergangswahrscheinlichkeit der elektromagnetischen Strahlung erhöht wird.In addition, the deformation of the lattice here leads to an increased binding energy of the excitons (hole-electron pairs) due to a less good lattice adaptation, so that the Transfer probability of electromagnetic radiation is increased.

Letzteres (Erhöhung der Ubergangswahrscheinlichkeit durch eine erhöhte Bindungsenergie der Exzitonen) tritt auch auf, wenn das zweite Material Galliumnitird und das erste Galliumphosphid ist, obschon in diesem Fall das zweite Material einen grösseren Bandabstand hat.The latter (increase in the transition probability due to an increased binding energy of the excitons) also occurs when the second material is gallium nitride and the first is gallium phosphide, although in this case it is second material has a larger band gap.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer lichtemittierenden Diode (LED) nach der Erfindung,Fig. 1 is a schematic view of a light emitting Diode (LED) according to the invention,

Fig. 2 einen schematisehen vergrösserten Schnitt durch einen Teil der Anordnung nach Fig. 1,2 shows a schematic enlarged section by part of the arrangement according to FIG. 1,

Fig. 3 eine Abwandlung der Fig. 2 gemäss der Linie III—III in Fig. 4, in der die Draufsicht einer aktiven Schicht in einer erfindungsgemässen LED dargestellt ist,FIG. 3 shows a modification of FIG. 2 according to FIG Line III-III in FIG. 4, which shows the top view of an active layer in an LED according to the invention is,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Energiepegel in dem aktiven Material,Fig. 5 is a schematic representation of the energy levels in the active material,

341Ί1S1341Ί1S1

PHN 10.039 tf |_·)-|08/|·PHN 10.039 tf | _ ·) - | 08 / | ·

Fig. 6 einen Laser nach, der Erfindung, und Fig. 7 eine Abwandlung der Anordnung nach. Fig. Die Figuren sind schematisch und nicht massgerecht, wobei deutlichkeitshalber in den Schnitten insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung stark übertrieben sind. Halbleiterzonen desselben Leitungstyps sind im allgemeinen in derselben Richtung schraffiert; in den Figuren sind entsprechende Teile meistens mit denselben Bezugszeichen angegeben.
Die lichtemittierende Diode (LED) 1 nach Fig. 1 enthält ein η -Substrat 2 aus Galliumarsenid, das beispiels-
6 shows a laser according to the invention, and FIG. 7 shows a modification of the arrangement according to the invention. The figures are schematic and not true to size, with the dimensions in the thickness direction in particular being greatly exaggerated for the sake of clarity in the sections. Semiconductor regions of the same conductivity type are generally hatched in the same direction; In the figures, corresponding parts are usually given the same reference symbols.
The light emitting diode (LED) 1 according to Fig. 1 contains an η substrate 2 made of gallium arsenide, the example

1 8 weise mit Schwefel mit einer Konzentration von etwa 10 Atomen/cm dotiert ist. -A-uf diesem Substrat ist beispielsweise durch molekulare Bündelepitaxie (MBE) oder metallo-1 8 wise with sulfur with a concentration of about 10 Atoms / cm is doped. -A-uf this substrate is for example through molecular bundle epitaxy (MBE) or metallo-

ib organische Dampfphaserepitaxie (ΠΟΥΡΕ) die n-leitende aktive Schicht 3 angebracht. Weiterhin ist die Anordnung nach Fig. 1 mit einer ringförmigen ρ -Zone 4 versehen, die beispielsweise mit Hilfe eines zweiten Epitaxieschrittes nach dem Atzen in der gewünschten Form erhalten wird. Die Zone 4 ist zwecks einer Kontaktierung mit einer Metallschicht 5 versehen. Der andere Diodenkontakt wird mittels einer Metallschicht 6, die das Substrat kontaktiert, erhalten. ib organic vapor phase epitaxy (ΠΟΥΡΕ) the n-type active layer 3 attached. Furthermore, the arrangement of FIG. 1 is provided with an annular ρ zone 4 which is obtained in the desired shape, for example with the aid of a second epitaxy step after etching. the Zone 4 is provided with a metal layer 5 for the purpose of contacting. The other diode contact is via a metal layer 6 contacting the substrate.

Die aktive Schicht 3 besteht aus einem Matrixmaterial 7» in diesem Beispiel Aluminiumarsenid vom n-Typ, wobei die η-Leitfähigkeit verursachenden Verunreinigungen beim epitaxialen Anwachsen dem Matrixmaterial zugefügt worden sind.The active layer 3 consists of a matrix material 7 »in this example n-type aluminum arsenide, the impurities causing η conductivity being added to the matrix material during epitaxial growth have been.

Nach der Erfindung (siehe Fig. 2) ist das Material 7 auf strukturierte Weise mit einem zweiten Material versehen. In diesem Beispiel sind die Schichten 8 aus Galliumarsenid mit einer Dicke von nur einer monoinolekularen Schicht Galliumarsenid angewachsen (etwa 0.3 nrn). Die Schicht ist ausserdem mindestens 100 mal (etwa 30 nm) länger oder breiter. In dem betreffenden Beispiel enthält das Matrixmaterial 7 mehrere Schichten 8, die getrennt durch Schichten aus Aluminiumarsenid von etwa 10 nionomolekularen Schichtdicken Aluininiumarsenid in einem AbstandAccording to the invention (see FIG. 2) the material 7 is provided with a second material in a structured manner. In this example, the layers 8 made of gallium arsenide have grown to a thickness of only one mono-molecular layer of gallium arsenide (about 0.3 nm). The layer is also at least 100 times (about 30 nm ) longer or wider. In the example in question, the matrix material 7 contains several layers 8, which are separated by layers of aluminum arsenide of about 10 ionomolecular layer thicknesses of aluminum arsenide at a distance

PHN 10. 63S) Z 1-3-I 9«'+PHN 10. 63S) Z 1-3-I 9 "'+

von etwa 3 um auseinander liegen. Dieser Abstand reicht aus um die Potentialstörungen (gebundene Zustände) zweier unterschiedlicher Schichten. 8 einander nicht beeinflussen zu lassen.about 3 µm apart. This distance is enough from the potential disturbances (bound states) of two different layers. 8 not to be influenced by one another.

Die Schichten 8 brauchen nicht die ganze Überfläche des Gebietes 3 zu bedecken, sondern dürfen als Teilschichten in unterschiedlicher Höhe angebracht werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wo die Schichten 8 , 8,8,8 in unterschiedlichen Ebenen liegen und einander teilweise überlappen (siehe Fig. 4).The layers 8 do not need to cover the entire surface of the area 3, but may as Partial layers are attached at different heights, as shown in Fig. 3, where the layers 8, 8,8,8 lie in different planes and partially overlap one another (see Fig. 4).

Fig. 5 zeigt ein schematisches Energiediagramm der Schicht 3 gemäss der Linie V-V in. Fig. 3· Durch das Vorhandensein der Schicht 8 tritt eine Störung in der Bandstruktur des Matrixmaterials 7 auf, die eine andere Gestalt hat als in dem Fall eines "Quatum wells", wie durch die strichpunktierte Linie 9 angegeben. In diesem letzteren Fall befinden sich innerhalb des Quantum wells" eine Anzahl diskreter Energiepegel für Löcher und Elektronen, wobei Strahlungsrekombination im wesentlichen zwischen dem niedrigsten Pegel in dem Leitungsband und dem höchsten Pegel des Valenzbandes des Materials auftritt, das den "Quantum well" verursacht (siehe beispielsweise "Quantum-Well Heterostructure Lasers" von N. Holonyak Jr. und andere, erschienen in I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Heft Ge-16, Nr. 2, .Februar I98O, Selten I70 usw. insbesondere Seiten 170-171)· Die Rekombination erfolgt dabei mit einer Frequenz zwischen denjenigen, die zu den Bandabständen der zusammengestellten Materialen gehören. In der Ausführungsform nach der Erfindung (eine Störung mit einer Schichtdicke von höchstens zwei monomolekularen Schichten) gilt die Schicht 8 praktisch als Verunreinigung. In Richtung der Linie V-V gesehen, kann die daurch eingeführte Störung (Quantummechanisch als eine symmetrische untiefe Potentialmulde betrachtet werden, die man darlegen kann, dass darin nur ein Energiepegel in der Nähe der Oberseite der Mulde verfügbar ist (siehe beispielsweise Landau und Lifshitz "Quantum Mechanics", 2nd Edition, Pergarnon Press, 1965, Seiten 65-67, IO9-IIO,Fig. 5 shows a schematic energy diagram of the layer 3 according to the line V-V in If the layer 8 is present, a disruption occurs in the band structure of the matrix material 7, which has a different shape has than in the case of a "quatum wells" as indicated by the dash-dotted line 9. In this latter Case there are a number of discrete energy levels for holes and electrons within the quantum well, radiation recombination being essentially between the lowest level in the conduction band and the highest Level of the valence band of the material that causes the "quantum well" occurs (see, for example, "quantum well Heterostructure Lasers "by N. Holonyak Jr. and others, published in I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Booklet Ge-16, No. 2, February I98O, rare I70 etc. especially pages 170-171) · The recombination takes place with a frequency between those that belong to the band gaps of the assembled materials. In the embodiment according to the invention (a Interference with a layer thickness of at most two monomolecular layers) the layer 8 is practically considered to be Pollution. Seen in the direction of the line V-V, the disturbance introduced thereby (quantum mechanical as A symmetrical shallow potential well can be considered, which can be shown that there is only an energy level in is available near the top of the trough (see, for example, Landau and Lifshitz "Quantum Mechanics", 2nd Edition, Pergarnon Press, 1965, pages 65-67, IO9-IIO,

W W « * ««WWWW W «*« «WWW

4040

PHN 10.639 p PHN 10,639 p

156). Durch eine Schicht S gebundene Löcher oder Elektronen beaufschlagen daher Energiepegel unmittelbar Über bzw. unter dem Valenzband bzw. dem Leitungsband des Matrixmaterials und bilden mit Elektronen bzw. Löchern gebundene Exzitonen. Der zugeordnete Energieabstand, der ein Mass für die Frequenz der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung ist, ist in Fig. 5 durch das Bezugszeichen 10 angegeben. 156). Holes or electrons bound by a layer S. therefore apply energy levels immediately above or below the valence band or the conduction band of the matrix material and form bound with electrons or holes Excitons. The assigned energy distance, which is a measure of the frequency of the emitted electromagnetic Radiation is indicated in FIG. 5 by the reference numeral 10.

Die Schicht 8 verhält sich wie eine sogenannte "iso-elektronische Fläche", d.h. wie eine Schicht von Verunreinigungen, die sich als iso-elektronische Strahlungszentren dartun. Derartige Zentren werden durch Verunreinigungen gebildet, die die karakteristische Eigenschaft aufweisen, ein Elektron und ein Loch (ein sogenanntes Exziton) mit einer endlichen Energie zu binden ohne selber eine Reinladung bzw. ausschlxesslich ein Elektron oder ein Loch bilden zu können.The layer 8 behaves like a so-called "iso-electronic surface", i.e. like a layer of impurities, which present themselves as iso-electronic radiation centers. Such centers are caused by impurities which have the characteristic property of an electron and a hole (a so-called Exciton) to bind with a finite energy without itself to be able to form a pure charge or exclusively an electron or a hole.

Durch die hohe Bindungsenergie, in diesem Fall herrührend von dem Energiepegel der symmetrischen Potentialmulde, ist nun Rekombination in der Schicht aus Galliumarsenid mit einer Frequenz, die einer Energie zugeordnet ist, die fast dem Energieabstand in dem Aluminiumarsenid entspricht, möglich. Auf diese Weise wird Strahlung mit einer kleineren Wellenlänge erhalten als in dem eigentliehen Material der Schicht 8 möglich ist.Because of the high binding energy, in this case resulting from the energy level of the symmetrical potential well, there is now recombination in the gallium arsenide layer at a frequency associated with an energy almost the same as the energy gap in the aluminum arsenide corresponds, possible. This way, radiation is using a shorter wavelength than in the real one Material of the layer 8 is possible.

Durch die genannte hohe Bindungsenergie weisen die Exzitonen auch eine grosse Stabilität auf, die zusammen mit der hohen Dichte in nur einer iso-elektronischen Schicht die Möglichkeit einer Strahlungsrekombination mit der Frequenz, die der genannten Bindungsenergie zugeordnet ist, namentlich bei Raumtemperatur, wesentlich erhöht. Die Exzitonen bleiben gleichsam an die Schicht gebunden. Dies ergibt eine hohe Strahlungsdichte längs der Schicht, die durch Verluste anderswo in dem Material nicht gestört wird, weil die Strahlung hauptsächlich längs der Schicht erzeugt wird, während ausserdem das Aluininiumarsenid praktisch keine Rekornbinationszentren enthält. Auch treten in dem betreffenden Beispiel keine StrahluiigsVerluste an GitterdefektenDue to the high binding energy mentioned, the excitons also have great stability, which together with the high density in only one iso-electronic layer the possibility of radiation recombination with the frequency associated with the binding energy mentioned is significantly increased, especially at room temperature. The excitons remain, as it were, bound to the layer. this results in a high radiation density along the layer, which is not disturbed by losses elsewhere in the material, because the radiation is mainly generated along the layer, while the aluminum arsenide also produces practically none Contains recombination centers. In the example in question, there are also no radiation losses at lattice defects

Ρΐίχ ίο.ο;}') $ ι_-,_Ρΐίχ ίο.ο;} ') $ ι _-, _

auf μ η rl :'.vy.:r cladurcii., class Aluniiniumarsonie und Galliumarsenid praktiscli dieselbe Gitterkonstante aufweisen. Dasselbe Beispiel gilfc auch für Schickten oder Drähte aus Galliumphosphid in Alurainiuraphosphid. LED's mit einer derartigen aktiven Schichtsfcruktur haben, daher die Vorteile einer geringeren Wellenlänge, eines höheren Wirkungsgrades, während ausserdem die Lebensdauer länger ist.on μ η rl: '. vy.:r cladurcii., class aluminum arsenic and gallium arsenide practically have the same lattice constant. The same example applies to sent or wires out Gallium phosphide in alurainiuraphosphide. LEDs with one have such an active layer structure, therefore the advantages a shorter wavelength, a higher degree of efficiency, while also the service life is longer.

Bei Schichten aus Galliumphosphid in Indiumphosphid oder aus Galliumarsenid in Indiumarsenid oder in Galliumantimon treten Unterschiede in den Gitterkonstanten auf. Dadurch könnten Rekombinationszentren eingeführt werden; es ist jedoch bekannt, dass in sehr dünnen Schichten (etwa 10 monomolekularen Schichten) die Gitterverformung elastisch ausgeglichen wird ohne zu Rekombinationszentren zu führen (siehe: Continuous 3^0 K-Laser operation of strained Superlattices, von M.J. Ludowise und anderen, Appl. Phys. Lett. 42 (6), I5. März I983, Seite 487). Wohl wird gleichzeitig die Bindungsenergie der Exzitonen wesentlich erhöht, so dass diese eine grössere Stabilität aufweisen. In layers of gallium phosphide in indium phosphide or from gallium arsenide in indium arsenide or in gallium antimony there are differences in the lattice constants on. This could introduce recombination centers; however, it is known to be in very thin layers (about 10 monomolecular layers) the lattice deformation is elastically compensated without creating recombination centers (see: Continuous 3 ^ 0 K-Laser operation of strained Superlattices, by M.J. Ludowise and others, Appl. Phys. Lett. 42 (6), I5. March 1983, p. 487). Well At the same time, the binding energy of the excitons becomes essential increased so that they have greater stability.

Eine ähnlicher Vorteil gilt beim Anbringen von Schichten oder Drähten aus Galliumnitrid in Galliumphosphid, wobei zwar das Matrixmaterial einen kleineren Bandabstand hat als das zweite Material aber durch das strukturierte Anbringen eine höhere Reinexzitonendichte in Galliumphosphid erhalten werden kann, nämlich auf iso-elektronisclaen Flächen bzw. Drähten als nach den bekannten Verfahren. Dadurch, dass ausserdem in dem Matrixmaterial selbst nun keine unerwünschten Rekornbiiia tionszentren vorhanden sind, wird damit eine LED mit einer höheren Ausbeute erhalten.A similar advantage applies when attaching layers or wires made of gallium nitride in gallium phosphide, although the matrix material has a smaller band gap As the second material, however, due to the structured attachment, it has a higher pure exciton density in gallium phosphide can be obtained, namely on iso-electronic Surfaces or wires than according to the known method. Because also in the matrix material itself now there are no undesired regeneration centers, an LED with a higher yield is thus obtained.

Die Anordnung nach Fig. 6 zeigt einen Halbleiterlaser 11, aufgebaut aus einem Substrat 12 aus hochdotiertem η-leitendem Galliumarsenid (GaAs), auf das mehrere Schichten aufgewachsen sind mit Hilfe molekularer Bündelepitaxie oder metallo—organischer Dampfphasenepitaxie. Das Substrat 12 hat beispielsweise eine Dicke von 200/umThe arrangement according to FIG. 6 shows a semiconductor laser 11, constructed from a substrate 12 made of highly doped η-conductive gallium arsenide (GaAs), on which several layers have grown with the help of molecular bundle epitaxy or metallo-organic vapor phase epitaxy. The substrate 12 has a thickness of 200 μm, for example

-|Q r\ j - | Q r \ j

und ist mit circa 5·10 Selenatomen/cm dotiert. Darauf sind eine Schicht I3 aus hochdotiertem 11—leitendem Gallium-and is doped with about 5 · 10 7 selenium atoms / cm. Thereon are a layer I3 made of highly doped 11-conductive gallium

* * ti * * ti * H · WWVV-* H WWVV-

PHN 10.639PHN 10.639

arsenid (GaAs) mit einer Dici.e von circa 0,3/urii und mit einer Dotierung von 3·10 ' Selenatomen/cin^, eine Schichtarsenide (GaAs) with a Dici.e of about 0.3 / urii and with a doping of 3 · 10 'selenium atoms / cin ^, one layer

14 aus hochdotiertem η-leitendem Ga_ «Al oA.s (ca. 1,5« 10 Selenatomen/cm ) mit einer Dicke von etwa 0,5/um und eine η-leitende Schicht 15 aus Aluminiumarsenid mit einer Dicke14 of highly doped η-type Ga_ "Al o As (1.5" 10 selenium atoms / cm) having a thickness of about 0.5 / um and a η-type layer 15 of aluminum arsenide having a thickness

16 *}16 *}

von 1,5/um und einer Dotierung von 8„1O Selenatomen/cm angewachsen.of 1.5 / μm and a doping of 8 "10 selenium atoms / cm grown.

Darauf ist die aktive Schicht 16 angebracht mit einer Dicke von ca. 50 um. Diese Schicht besteht aus einem Matrixmaterial aus Aluminiumarsenid, worin auf strukturierte Weise eine oder mehrere Schichten aus Galliumarsenid angebracht sind entsprechend dem Aufbau der aktiven Schicht 3 der LED. wie an Hand der Fig·, 1 bis 4 beschrieben wurde.The active layer 16 is applied thereon with a thickness of approximately 50 μm. This layer consists of one Matrix material made of aluminum arsenide, in which structured Way one or more layers of gallium arsenide are attached according to the structure of the active layer 3 of the LED. as has been described with reference to FIGS. 1 to 4.

Der Laser 11 enthält weiterhin eine mit Zink dotierte 1,5 /um dicke p-leitende Schicht 17 aus Aluminium-The laser 11 also contains a zinc-doped 1.5 μm thick p-conductive layer 17 made of aluminum

' 17/3'17/3

arsenid mit einer Dotierung von etwa 3·10 Atomen/cm und mit einer hochdotierten p-leitenden Kontaktschicht 18 mitarsenide with a doping of about 3 · 10 6 atoms / cm and with a highly doped p-conductive contact layer 18 with

19 /3 einer Dotierung von circa 1.10 Atomen/cm und mit einer Dicke von 0,1 /um.19/3 a doping of about 1.10 atoms / cm and with a Thickness of 0.1 / µm.

Weiterhin ist der Laser 11 mit Metallkontakten 19 und 20 für Strominjektion versehen. Beim Überschreiten eines gewissen Schwellenstromes wird der Laser 11 elektromagnetische Strahlung aussenden in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene.Furthermore, the laser 11 has metal contacts 19 and 20 provided for current injection. When crossing a certain threshold current, the laser 11 becomes electromagnetic Emit radiation in a direction perpendicular to the plane of the drawing.

In der Anordnung nach Fig. 6 wird die Breite des aktiven Gebietes auf beispielsweise 6 /um beschränkt und zwar dadurch, dass mit der Elektrode 20 als Maske ein Protonenbeschuss durchgeführt wird, der sich bis an das Gebiet erstreckt, das durch die gestrichelte Linie 21 begrenzt ist. Dadurch wird das Gebiet 16 zum grossen Teil unaktiv gemacht und die Laserwirkung tritt nur in einem engen Streifen auf.In the arrangement according to FIG. 6, the width of the active region is limited to, for example, 6 μm and by the fact that a proton bombardment is carried out with the electrode 20 as a mask, which extends up to the Area which is delimited by the dashed line 21 extends. This makes area 16 a large part made inactive and the laser effect only occurs in a narrow strip.

Dasselbe lässt sich dadurch erreichen, dass mit der Elektrode 20 als Maske ein Teil der Schichtsnstructur weggeätzt wird. In diesem Fall wird eine Anordnung erhalten, wie diese auf schematische Weise in Fig. 7 dargestellt ist, wobei die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung haben wie in Fig. 6. Der geätzte Hohlraum wird meistens späterThe same can be achieved by using the electrode 20 as a mask to form part of the layer structure is etched away. In this case an arrangement is obtained as shown in a schematic manner in FIG where the reference numerals have the same meaning as in Fig. 6. The etched cavity is mostly later

PHN 1Ο.(>39 Vf 1-3-19^PHN 1Ο. (> 39 Vf 1-3-19 ^

wieder mit einem geeigneten Schutzmaterial gefüllt.again filled with a suitable protective material.

Es dürfte einleuchten, dass sich die Erfindung nicht auf die obenstehend dargestellten Beispiele beschränkt sondern dass für den Fachmann im Rahmen der Erfindung mehrere Abwandlungen möglich sind. So kann man für die aktive Schicht mehrere andere Kombinationen von Materialien wählen, die dann beispiels\veise Strahlung mit einer grosseren Wellenlange aussenden. Für das Matrixmaterial kann beispielsweise Indiumphosphid gewählt werden u~d für die Schichten Indiumantimonid oder Indiumarsenid. Auch können geeignet gewählte ternäre oder quaternäre Verbindungen benutzt werden. Ausserdem können, wie bereits erwähnt, statt SchichtStrukturen drahtförmige Strukturen angebracht werden.It should be clear that the invention is not limited to the examples presented above rather, several modifications are possible for the person skilled in the art within the scope of the invention. So you can for select the active layer several other combinations of materials, which then, for example, radiation with a emit larger wavelengths. For the matrix material For example, indium phosphide can be selected and indium antimonide or indium arsenide for the layers. Even appropriately chosen ternary or quaternary compounds can be used. In addition, as already mentioned, instead of layer structures, wire-like structures are attached.

Ausserdem kann statt Strominjektion Elektroneninjektion angewandt werden, beispielsweise wenn eine Schicht einer der obengenannten Zusammensetzungen in einer Anordnung benutzt wird, wie diese in der niederländischen Patentanmeldung Nr. 83OO63I der Anmelderin beschrieben wird.In addition, electron injection can be used instead of current injection be applied, for example when a layer of one of the above compositions in a Arrangement is used as described in the applicant's Dutch patent application no. 83OO63I will.

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Claims (10)

PHN 10.639 J-£ 1-3-1984PHN 10,639 J- £ 1-3-1984 PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung in einem aktiven Gebiet eines ersten Halbleitermaterial? das auJf strukturierte 'Ä&Lse mir oinem zweiten Halbleitermaterial versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Halbleitermaterial drahtförmig oder schachtförmig angebracht ist, wobei die Dicke des Drahtes bzw. der Schicht in eine Richtung senkrecht zu dem Draht bzw. zu der Schicht gesehen höchstens der Dicke zweier monomulekularer Schichten des zweiten Halbleitermaterials entspricht und die Abmessung in einer Längsrichtung des Drahtes beziigsweise der Schicht mindestens der hundertfachen Dicke des Drahtes bzw. der Schicht entspricht.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial einen grösseren Bandabstand aufweist als das zweite Material. 3· Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass di'j Struktur des zweiten Halbleitermaterials mehrere Drähte oder Schichten enthält mit einem gegenseitigen Abstand grosser als die Dicke von acht monomolekularen Schichten des ersten Halbleitermaterials.
Semiconductor arrangement for generating electromagnetic radiation in an active region of a first semiconductor material? the structured overlay is provided with a second semiconductor material, characterized in that the second semiconductor material is attached in the form of a wire or a shaft, the thickness of the wire or the layer in a direction perpendicular to the wire or the layer at most the thickness corresponds to two monomolecular layers of the second semiconductor material and the dimension in a longitudinal direction of the wire with respect to the layer corresponds to at least one hundred times the thickness of the wire or the layer.
2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the first semiconductor material has a larger band gap than the second material. 3. Semiconductor arrangement according to Claim 2, characterized in that the structure of the second semiconductor material contains a plurality of wires or layers with a mutual spacing greater than the thickness of eight monomolecular layers of the first semiconductor material.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial aus Aluminiumarsenid und das zweite Halbleitermaterial aus Galliumarsenid besteht.4. Semiconductor arrangement according to claim 2, characterized in that the first semiconductor material made of aluminum arsenide and the second semiconductor material consists of gallium arsenide. 5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial aus AIuminiurirphosphid und das zweite Halbleitermaterial aus Galliumphosphid besteht.5. Semiconductor arrangement according to claim 2, characterized in that the first semiconductor material is made of Aluminiurirphosphid and the second semiconductor material consists of gallium phosphide. 6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht oder der Durchmesser des Drahtes höchstens 0.6 nm beträgt. 6. Semiconductor arrangement according to claim 4 or 5 »characterized in that the thickness of the layer or the diameter of the wire is no more than 0.6 nm. 7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge-7. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that OHlIlOlOHlIlOl PHN 10.639 >? 1-3-1984PHN 10.639>? 1-3-1984 kennzeichnet,dass das erste Halbleitermaterial aus Galliumphosphid und das zweite Halbleitermaterial aus Galliumnitrid besteht.
indicates that the first semiconductor material consists of gallium phosphide and the second semiconductor material consists of gallium nitride.
8. Lichtemittierende Diode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein emittierender pn-Ubergang zwischen dem aktiven Ilalbleitergebiet, das einen ersten Leitungstyp aufweist, und einer zweiten Halbleiterzone mit einem dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp befindet.8. Light-emitting diode according to one of the preceding Claims, characterized in that there is an emitting pn junction between the active semiconductor area, which has a first conductivity type, and a second semiconductor zone with one opposite to the first Line type is located. 9· Lichtemittierende Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht auf einer Schicht9 · Light-emitting diode according to claim 8, characterized in that the active layer is on a layer ■ ·■ · vom zweiten Leitungstyp angebracht ist und der pn—Übergang weiterhin dui-ch ein ringförmig durch die aktive Schicht hindurch versenktes Gebiet vom zweiten Leitungstyp gebildet wird.of the second type of conduction is attached and the pn junction furthermore you have a ring through the active layer second conductivity type buried region therethrough is formed. 10. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Halbleitergebiet schichtförinig ist und sich zwischen einerseits mehreren Halbleiterschichten vom ersten Leitungstyp und andererseits mehreren Halbleiterschichten von einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp befindet.10. Semiconductor laser according to one of claims 1 to 7> characterized in that the active semiconductor region is schichtförinig and is between on the one hand several Semiconductor layers of the first conductivity type and, on the other hand, a plurality of semiconductor layers of a second, the first opposite line type is located.
DE19843411191 1983-04-05 1984-03-27 SEMICONDUCTOR ARRANGEMENT FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION Withdrawn DE3411191A1 (en)

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