DE3587451T2 - Halbleiterübergitterstruktur. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Halbleiterübergitterstruktur, die auf ein lichtemittierendes Bauelement anwendbar ist.
• Ein lichtemittierendes Bauelement unter Verwendung einer halbleitenden III-V-Verbindung ist entwickelt worden und erreichte Emissionen im sichtbaren (roten) bis infraroten Wellenlängenbereich. Die Voraussetzung für ein lichtemittierendes Material ist, daß die für das Material spezifische Energielücke Eg eine direkte Übergangslücke ist. Bei der Verwendung eines solchen Materials für eine aktive (Emissions-) Schicht einer Leuchtdiode, eines Halbleiterlasers oder eines ähnlichen Bauelements lassen sich Emissionen mit einer durch die Energielücke bestimmten Wellenlänge λg (Nanometer) = 1240/Eg (Elektronenvolt) erzielen. Gewöhnlich wird eine aktive Schicht durch Aufbringen einer halbleitenden Verbindung mit einer Energielücke Eg, die einer erwünschten Emissionswellenlänge λg entspricht, in einer Dicke von mehreren hundert Angström oder mehr hergestellt. Wenn eine Energielücke, die einer erwünschten Wellenlänge entspricht, nicht mit GaAs oder einer ähnlichen halbleitenden Verbindung aus zwei verschiedenen Elementen, d. h. einer binären halbleitenden Verbindung verwirklicht werden kann, dann ein geeigneter Mischkristall verwendet werden, der aus drei oder vier verschiedenen Elementen besteht und eine gleichmäßige Zusammensetzung hat, d. h. eine ternäre halbleitende Mischkristallverbindung wie AlxGa1-xAs oder eine quartäre halbleitende Mischkristallverbindung wie In1-xGaxAsyP1-y.
• Ein lichtemittierendes Bauelement mit einer aktiven Schicht gemäß der vorstehenden Beschreibung wird im weiteren als gewöhnliches lichtemittierendes Bauelement bezeichnet. In diesem Fall ist der als kürzeste Emissionswellenlänge auswählbare Wert von der größten der Energielücken mit Direktübergang oder direkten Energielücken Eg abhängig. Bei halbleitenden III-V-Verbindungen beträgt die größte direkte Energielücke Eg = 2,3 Elektronenvolt, wobei es sich um die Energielücke von Al0,45In0,55P handelt, einer ternären halbleitenden Mischkristallverbindung; eine Wellenlänge λg, die einer solchen Energielücke entspricht, beträgt annähernd 540 Nanometer (H. C. Casey Jr. und M. B. Panish "Heterostructure Lasers; part B", Academic Press, New York, 1978, S. 43-45). In der Praxis lassen sich hochqualitative Schichten aus halbleitenden Kristallverbindungen nicht erzielen, sofern sie nicht so aufgebracht werden, daß ihre Gitterkonstanten im wesentlichen übereinstimmend auf einem geeigneten Einkristallsubstrat angeordnet werden; und in dieser Hinsicht gilt AlxGayIn1-x-yP, aufgebracht mit übereinstimmenden Gitterkonstanten auf einem GaAs-Einkristallsubstrat, gegenwärtig als Material mit der kürzesten Wellenlänge, die sich mit einer halbleitenden III-V-Verbindung verwirklichen läßt. Auf der Grundlage dieses Leitgedankens gab es Versuche, die Emissionswellenlänge lichtemittierender Bauelemente zu verkürzen (H. Asahi, Y. Kawamura und H. Nagai, J. Appl. Phys. 53 (1982), S. 4928-4391, Y. Kawamura, H. Asahi, H. Nagai und T. Ikegami, Electron. Lett. 19 (5) (1983), S. 163-165). In diesem Fall beträgt der größte Wert der direkten Energielücken 2,2 Elektronenvolt, und die kürzeste Emissionswellenlänge liegt im wesentlichen bei 560 Nanometer (grün).
• Vom Standpunkt der Anwendung aus gesehen, ist jedoch ein lichtemittierendes Bauelement in einem kürzeren Wellenlängenbereich, d. h. im Bereich von blaugrün bis grün, wünschenswert. Eine Verwirklichung dieses Wunsches durch Verwendung einer III-V-Verbindung gilt jedoch allgemein aus den zuvor genannten Gründen als schwierig. Ein lichtemittierendes Material mit Emissionen im Bereich von blaugrün bis grün könnte durch ZnSe oder eine ähnliche halbleitende II-VI-Verbindung realisiert werden. Dies erwies sich jedoch ebenfalls als ungeeignet, weil viele der Elementarbestandteile einer halbleitenden II-VI-Verbindung im Vergleich zu denen einer halbleitenden III-V-Verbindung einen hohen Dampfdruck haben, wodurch eine Verringerung von Gitterfehlern, die im Verlaufe des Kristallwachstums entstehen, bei einer halbleitenden II- VI-Verbindung wesentlich schwieriger als bei einer halbleitenden III-V-Verbindung ist. Unter diesem Gesichtspunkt wäre eine Verkürzung der Emissionswellenlänge unter Verwendung einer halbleitenden III-V-Verbindung, deren Gitterfehler sich relativ einfach beherrschen lassen, ein unschätzbarer Beitrag zum Fachgebiet.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Halbleiterstruktur zu schaffen, die die Beschränkungen für die kürzeste Emissionswellenlänge im Zusammenhang mit der Verwendung der vorstehend diskutierten halbleitenden III-V-Verbindung als aktive Schicht eines lichtemittierenden Bauelements verringert und dadurch zu einem sichtbares Licht emittierenden Bauelement mit einer Wellenlänge λg unter 560 Nanometer durch Verwendung einer halbleitenden III-V-Verbindung führen kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst, indem als aktive Schicht eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements eine Halbleiterübergitterstruktur verwendet wird, in der ein Schichtenaufbau aus binären halbleitenden III-V- Verbindungen AlP, GaP und InP, die jeweils in einer vorbestimmten Dicke von 1 bis 10 Atomschichten aufgebracht werden, eine Periode bildet. Es dürfte deutlich sein, daß "Übergitterstruktur" eine Struktur bezeichnet, die durch periodische und wiederholte Schichtung einer Stapelstruktur aus verschiedenen Halbleitern geschaffen wird.
• Die Erfindung beruht auf folgender Tatsache: Auch wenn halbleitende Mischkristallverbindungen, die die jeweiligen Schichten einer Halbleiterübergitterstruktur bilden, oder eine binäre Verbindung eine indirekte Energielücke haben, oder auch wenn eine durch Ersetzen einer Übergitterstruktur durch einen Mischkristall geschaffene halbleitende Mischkristallverbindung, die einer durchschnittlichen Zusammensetzung von einer Periode entspricht, eine indirekte Energielücke hat, kann die Energielücke der Halbleiterübergitterstruktur infolge der Periodenstruktur direkt zu einer direkten Übergangslücke werden (A. Madhukar, J. Vac. Sci. Technol. 20 (2) (1982), S. 149-161). Dies wurde theoretisch nachgewiesen unter Verwendung eines GaP-AlP-Übergitters (J. Y. Kim und A. Madhukar, J. Vac. Sci. Technol. 21 (2) (1982), S. 528-530) (GaP, AlP und Ga1-xAlxP haben gewöhnlich eine indirekte Energielücke) oder eines GaAs-AlAs-Übergitters (J. N. Schulman und T. C. McGill, Phys. Rev. Lett. 39 (26) (1977), S. 1680- 1683) (sowohl AlAs und AlxGa1-xAs (x > 0,4) haben indirekte Energielücken).
• Ein gleichmäßiger AlxGayIn1-x-yP-Mischkristall hat, wenn seine Zusammensetzung in den Gitterkonstanten mit GaAs übereinstimmt, eine direkte Energielücke, d. h., sowohl das untere Ende eines Leitungsbands als auch das obere Ende eines Valenzbands der Elektronenenergie liegen am &Gamma;-Punkt ( k = 0) des Vektorraums der Wellenzahl (Brillouin-Zone), solange x &le; 0,21 ist. Wenn aber x > 0,21 ist, verschiebt sich das obere Ende des Leitungsbands zum X-Punkt ( k = 2&pi;/a (1, 0, 0)), so daß die Energielücke des Mischkristalls zu einer indirekten Übergangslücke wird. Die Quantenmechanik lehrt, daß der Kristall mit einer indirekten Energielücke nur eine wesentlich geringere, Emissionen verursachende Übergangswahrscheinlichkeit erreicht und daher als lichtemittierendes Material ungeeignet ist. Wenn jedoch eine Periodenstruktur, deren Periode ein ganzzahliges Vielfaches der Gitterperiode ist, in eine Kristallstruktur eingefügt wird, dürfte durch das vorläufige Prinzip der Kristallelektronik deutlich werden, daß der Vektorraum der Wellenzahl entsprechend der Periode verkleinert wird. Wenn z. B. die Periode das N-fache der Gitterperiode beträgt (ausgedrückt als "Superperiode N"), wird der Vektor der Wellenzahl entlang der Periodenstruktur auf 1/N verringert. Besonders wenn die Periodenstruktur in Richtung < 100> eines Kristalls verläuft und die Superperiode N geradzahlig ist, verschiebt sich die Energie am X-Punkt zum &Gamma;-Punkt infolge des sogenannten Bandfaltungseffekts. Das bedeutet nichts anderes als die Tatsache, daß die Energielücke von einer indirekten Übergangslücke zu einer direkten Übergangslücke ohne Änderung ihrer Breite umgewandelt wird.
• Wenn also AlxGayIn1-x-yP eine Superperiodenstruktur in Richtung < 100> erhält, könnte selbst dieses Material eine direkte Energielücke in einem Energiebereich (Eg > 2,2 Elektronenvolt) erhalten, in dem erwartet werden kann, daß es eine indirekte Energielücke in einer gleichmäßigen Mischkristallphase aufweist. Tatsächlich aber wird die Herausbildung einer ausgeprägten Periodenstruktur ohne Veränderung der Mischkristallmaterialien der jeweiligen Schichten im allgemeinen schwieriger, weil jede Schicht nur einige Atomschichten dünn wird; folglich ist es vorteilhaft, eine Schichtung von Einzelstrukturen zu verwenden, die jeweils aus AlP, GaP und InP bestehen. Dadurch wird eine scharfe Grenzfläche zwischen den benachbarten Schichten definiert. Außerdem muß jede der die Einheitsstruktur bildenden Schichten ausreichend dünn sein, um eine signifikante Zunahme der binären Verbindungscharakteristik zu verhindern, d. h., die Dicke muß ein bis zehn Atomschichten betragen, was ausreichend unterhalb der Broglie-Wellenlänge der Elektronen (etwa 100 Ångström) liegt. Unter diesen Bedingungen werden Elektronen gegenüber einem Durchschnittspotential des gesamten Übergitters anstelle von spezifischen Potentialen der jeweiligen Binärverbindungen empfindlich, wobei sich der Effekt eines Supergitters auf diese Weise einstellt.
• Fig. 1 ist ein Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Übergitterstruktur und
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterlasers, auf den die Übergitterstruktur der Erfindung angewendet wird.
• Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine erfindungsgemäße Übergitterstruktur, die allgemein durch die Bezugszahl 200 bezeichnet ist. Die Übergitterstruktur 200 ist auf einem GaAs-Substrat aufgebracht und besteht aus mindestens Dutzenden bis Hunderten von Einzelstrukturen 50, die nacheinander in Richtung < 100> des GaAs-Substrats 1 schichtenweise aufgebracht werden. Jede Einzelstruktur 50 definiert eine Periode und weist eine einzelne InP-Atomschicht 21, eine einzelne AlP-Atomschicht 31, eine einzelne InP-Atomschicht 22, eine einzelne GaP-Atomschicht 40, eine einzelne InP-Atomschicht 23 und eine einzelne AlP-Atomschicht 32 auf. Da jede dieser Schichten in der Einzelstruktur 50 ausreichend dünn ist, sind Verzerrungen infolge einer Nichtübereinstimmung von Kristallkonstanten innerhalb des Übergitters nicht so schwerwiegend, als daß Kristallgitterfehler eingetragen werden. Bezüglich einer durchschnittlichen Zusammensetzung entspricht die Übergitterstruktur Al0,33Ga0,17In0,5P. Obwohl ein Mischkristall mit einer solchen Zusammensetzung gewöhnlich eine indirekte Energielücke hat, erlangt er erfindungsgemäß infolge der verwendeten Übergitterstruktur eine direkte Energielücke mit Eg = 2,35 Elektronenvolt.
• Die vorstehend beschriebene Reihenfolge der nacheinander aufgebrachten, eine Einzelstruktur bildenden Halbleiterschichten soll keine Einschränkung darstellen. Insbesondere gilt, daß die Reihenfolge in der veranschaulichten Ausführungsform zwar InP-AlP-Inp-GaP-InP-AlP ist, sie alternativ jedoch auch InP-InP-InP-AlP-AlP-GaP oder InP-InP-GaP-InP-AlP- AlP sein kann. In jedem alternativen Fall sollte, wenn die konjugierten Schichten, wie z. B. die Inp-Schichten oder AlP- Schichten, dieselbe Verbindung aufweisen, die Summe ihrer Dicken vorzugsweise höchstens zehn Atomschichten betragen. Ferner kann jede Schicht in der Einzelstruktur anstelle der gezeigten und beschriebenen einzelnen Atomschicht im Bereich von einer bis zehn Atomschichten ausgewählt werden. Da die Energielücke einer Übergitterstruktur im wesentlichen von einer Durchschnittszusammensetzung bestimmt wird, kann jede gewünschte Bandlücke durch Steuern der Dicke jeder Schicht erzielt werden. Unabhängig von der ausgewählten Schichtenreihenfolge in der Einzelstruktur wird der Umwandlungseffekt von einer indirekten zu einer direkten Energielücke ausgenutzt.
• Fig. 2 zeigt einen Halbleiterlaser, auf den die Übergitterstruktur der Erfindung angewendet wird. Der Halbleiterlaser weist ein n-GaAs-Substrat 2, eine Hüllschicht 6, eine aktive Schicht 5 mit einer Übergitterstruktur und eine Hüllschicht 7 auf, die nacheinander durch Molekularstrahl- Epitaxie auf das Substrat 2 aufgebracht werden. Eine nleitende Elektrode 10 wird am Substrat 2 und eine p-leitende Elektrode 11 an der Hüllschicht 7 angebracht. Die aktive Schicht 5 mit dem Übergitter gemäß Fig. 1 hat eine Gesamtdicke von etwa 0,1 um (Mikrometer) und eine Durchschnittszusammensetzung, die Al0,33Ga0,17In0,5P entspricht. Die Hüllschichten 6 und 7 weisen n-Al0,5In0,5P bzw. p-Al0,5In0,5P auf und haben jeweils eine größere effektive Energielücke als die Übergitterstruktur. Die Hüllschichten 6 und 7 bilden gemeinsam mit der aktiven Schicht 5 eine Doppelheterostruktur. In dieser Struktur können injizierte Elektronen und Licht wirksam in der aktiven Schicht 5 eingeschlossen werden.
• Zusammenfassend dürfte ersichtlich sein, daß erfindungsgemäß eine Leuchtdiode, ein Halbleiterlaser oder ein ähnliches lichtemittierendes Bauelement, dessen Emissionswellenlänge lediglich 560 Nanometer oder weniger beträgt, nur mit einer halbleitenden III-V-Verbindung verwirklicht werden kann, indem als aktive Schicht des lichtemittierenden Bauelements eine Halbleiterübergitterstruktur verwendet wird, die aus einer AlP-Schicht, einer GaP-Schicht und einer InP- Schicht besteht, die jeweils ein bis zehn Atomschichten dick sind.

Claims (3)

1. Halbleiterübergitterstruktur mit mehreren Einzelstrukturen (50), wobei jede Einzelstruktur (50) eine GaP- Schicht (40) und zwei AlP-Schichten (31, 32) sowie eine durchschnittliche Zusammensetzung entsprechend einem Mischkristall hat, der aus den die Einzelstruktur (50) bildenden Elementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzelstruktur (50) ferner drei InP-Schichten (21, 22, 23) aufweist, wobei jede Schicht der Einzelstruktur eine Dicke von ein bis zehn Atomschichten und die Einzelstruktur eine direkte Energielücke von mehr als 2,35 Elektronenvolt hat und wobei der entsprechende Mischkristall aus AlxGayIn1-x-yP besteht und eine indirekte Energielücke hat.

2. Halbleiterübergitterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkristall aus Al0,33Ga0,17In0,5P besteht.

3. Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch eine aktive Schicht (5) mit einer Halbleiterübergitterstruktur nach Anspruch 2.