DE3721761A1 - Leuchtdiode aus iii/v-verbindungs-halbleitermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode aus III/V-Ver­ bindungs-Halbleitermaterial mit von der jeweiligen Ma­ terialzusammensetzung des Mischkristalls stark abhängiger Gitterkonstanten, insbesondere eine GaAsP-Leuchtdiode.

Eine Leuchtdiode aus einem derartigen Halbleitermaterial, wie beispielsweise GaAsP oder GaInP ist aus dem Fachbuch Optoelektronik I, Springer Verlag, 1980, Seiten 139 bis 142, bekannt. Insbesondere ist in dieser Druckschrift auf Seite 140, Figur 5.5, der schematische Aufbau einer derartigen GaAs_0,6P_0,4-Leuchtdiode dargestellt.

Die Lumineszenzerscheinung in Halbleitern von III/V-Ver­ bindungen beruht auf der strahlenden Rekombination von Elektronen des Leitungsbandes mit Löchern aus dem Va­ lenzband, wobei die freiwerdende Energie in Form von Photonen emittiert wird. Diese Strahlungsrekombination erfolgt in der Nähe oder innerhalb eines pn-Überganges und liefert fast monochromatisches Licht, das durch Übergänge zwischen zwei nahezu diskreten Energieniveaus entsteht. Zuvor muß jedoch der Halbleiter angeregt werden, um die Dichte der Ladungsträger über ihre Gleich­ gewichtskonzentration zu erhöhen. Die gattungsgemäßen Leuchtdioden arbeiten mit der Minoritätsträgerinjektion bei in Flußrichtung gepolten pn-Übergängen, der sogenannten Injektionslumineszenz.

Die bekannten rotemittierenden GaAs_0,6P_0,4-Leuchtdioden weisen einen niedrigen externen Quantenwirkungsgrad von ca. 0,4 bis 0,6% auf.

Neben Ursachen, wie beispielsweise nichtstrahlenden Rekombinationsprozessen oder nicht zur Injektion beitragenden Ströme, ist die Absorption im Halbleiterinneren, die Volumenabsorption, ein wichtiger Grund für den niedrigen externen Quantenwirkungsgrad bei diesen GaAsP- Leuchtdioden. Dieser Verlustmechanismus vor der Auskopplung der Strahlung aus der Leuchtdiode entsteht infolge der direkten Bandlücke von GaAs_0,6P_0,4. Zur Minimalisierung der Volumenabsorptionsverluste müssen grund­ sätzlich die vor dem Austritt aus dem Halbleiterkristall zurückgelegten Wege der Strahlen kleingemacht werden, das heißt der pn-Übergang sollte möglichst nahe bei der Oberfläche liegen. Für die GaAs-Diode bedeutet das, daß die p-Schicht möglichst dünn gehalten werden muß. Der pn-Übergang läßt sich jedoch andererseits nicht beliebig nahe an die Oberfläche legen, da sonst durch strahlungslose Oberflächenrekombination der innere Quan­ tenwirkungsgrad und somit auch der äußere Quantenwir­ kungsgrad der Leuchtdiode verringert wird. Daher ist die Dicke der p-Schicht so zu wählen, daß ein Kompromiß zwischen den Volumenabsorptionsverlusten und der strah­ lungslosen Oberflächenrekombination gefunden wird.

Aus der Zeitschrift "Journal of Applied Physics", Bd. 49, September 1978, Seiten 4838 bis 4842, insbesondere Figur 6, ist bekannt, daß die Volumenabsorptionsverluste und die Verluste durch Oberflächenrekombinationen minimiert werden, wenn die Diffusionstiefe des pn-Überganges das 2,7fache der Diffusionslänge der Minoritätsträger beträgt. Sowohl größere als auch geringere Diffu­ sionstiefen führen zu höheren Gesamtverlusten durch Volumenabsorptionen bzw. Verluste durch Oberflächenre­ kombinationen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den externen Quan­ tenwirkungsgrad dadurch zu verbessern, daß die Verluste durch die Oberflächenrekombinationen vermindert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Leuchtdiode der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der die p-Zone enthaltende Schicht des Mischkristalls aus dem gleichen Mischkristall eine dünne Ober­ flächenschicht angeordnet ist, wobei die Materialzusam­ mensetzung der Oberflächenschicht so gewählt ist, daß ihr Bandabstand gegenüber dem des bedeckten Materials vergrößert ist, und daß sich durch diese Oberflächenschicht die p-Zone erstreckt.

Da diese erfindungsgemäße, qualitativ hochwertige Ober­ flächenschicht verhindert, daß die Ladungsträger an die Oberfläche kommen und dort rekombinieren, kann die Dif­ fusionstiefe des pn-Überganges verringert werden und dadurch über eine Verringerung der Volumenabsorptions­ verluste der äußere Quantenwirkungsgrad erhöht werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leuchtdiode kennzeichnet sich dadurch, daß die dünne Oberflächenschicht mittels einer abrupten Änderung der Kristallzusammensetzung so dünn aufgebracht wird, daß die Deckschicht monokristallin wächst und keine wesentlichen Anpassungsversetzungen auftreten. Daß dies gelingt ist überraschend, da beim Stand der Technik Schichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten mit Hilfe von Gradientenschichten aneinander angepaßt werden, wobei ein kontrolliertes Netzwerk von Anpassungsverset­ zungen entsteht.

Besonders günstige Ergebnisse wurden mit Leuchtdioden erzielt, deren Substratmaterial aus Galliumarsenid (GaAs) und deren aktive Schicht aus Galliumarsenidphosphid (GaAs_1-x₀P _x₀) bestehen, wobei für die Dotierung bevorzugt Schwefel und Zink in Betracht kommen. Wie oben erwähnt, wird dem Stand der Technik entsprechend zwischen dem Substratmaterial und der aktiven Schicht eine Gradientenschicht aus GaAs_1-x P _x mit x = 0 bis zum kon­ stanten Wert x₀ angeordnet. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist auf der aktiven Schicht 2 eine erfin­ dungsgemäße Oberflächenschicht GaAs_{1-(x₀+Δ x)} P _{(x₀+Δ x)} angeordnet, wobei Δ x zwischen 0,04 und 0,2 liegt und die Dicke dieser Oberflächenschicht zwischen 5 und 500 nm betragen sollte. Als besonders günstig erwies sich der Wert 0,08 für Δ x und 100 nm ± 50 nm für die Dicke der Oberflächenschicht. Hierbei erweist sich, daß eine optimale Diffusionstiefe beim 1- bis 1,5fachen der Diffu­ sionslängen der injizierten Minoritätsträger ausreichend ist, während sie beim Stand der Technik etwa drei Diffusionslängen beträgt.

Die mit einer solchen erfindungsgemäßen Oberflächenschicht versehene GaAs-Leuchtdiode weist einen um 60% erhöhten Photolumineszenzwirkungsgrad gegenüber solchen GaAs-Leuchtdioden ohne Oberflächenschicht auf, gleichzeitig erhöht sich auch der externe Quantenwirkungsgrad um 30-50%.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leuchtdiode wird nunmehr anhand der Zeichnung erläutert.

Die Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen GaAsP-Leuchtdiode.

Die in der Figur dargestellte Schichtenfolge ist zwecks besserer Übersichtlichkeit nicht maßstäblich gezeichnet.

Die Leuchtdiode nach der Figur besteht aus einem Sub­ stratmaterial 4 aus monokristallinem Galliumarsenid (GaAs) mit n-Leitfähigkeit und einer Dicke von 200 bis 300 µm. Der sich daran anschließende Bereich 3 dient als Gradientenschicht zur Anpassung der Gitterkonstanten der Halbleiterschicht 4 und der n-leitenden Schicht 2, die aus dem Mischkristall GaAs_0,6P_0,4 besteht und ca. 20 µm dick ist. Die Gradientenschicht 3 mit einer Dicke von ca. 30 µm ist ebenfalls n-leitend und besteht aus dem Mischkristall GaAs_1-x P _x mit x = 0 bis x = 0,4. Hierdurch wird die zu kleine Gitterkonstante des Sub­ stratmaterials 4 durch Bildung von Anpassungsversetzungen an die Gitterkonstante der Halbleiterschicht 2 an­ geglichen. Der Bereich 1, unmittelbar im Anschluß an die Schicht 2, stellt die erfindungsgemäße Oberflächen­ schicht aus dem Mischkristall GaAs_0,52P_0,48 und mit einer Dicke von ca. 100 nm dar, wobei diese Oberflä­ chenschicht ebenso epitaktisch wie die darunterliegenden Schichten 2 und 3 hergestellt sind. Somit läßt sich die Herstellung der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht einer GaAsP-Leuchtdiode ohne Mühe in die Prozeßfolge integrieren.

Die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße GaAsP- Leuchtdiode wird in einem Gasphasenepitaxiereaktor nach dem Tietjen-Rührwein-Verfahren, wobei H₂S als Dotiergas verwendet wird, hergestellt. Das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren endet mit der Abscheidung der GaAs_0,6P_0,4-Schicht 2.

Der abrupte Übergang zur erfindungsgemäßen Oberflächen­ schicht 1 erfolgt dadurch, daß zunächst das Wachstum unterbrochen wird, indem die AsH₃- und PH₃-Gasströme über einen Bypass am Reaktionsrohr vorbeigeleitet werden. Anschließend wird das Verhältnis AsH₃/PH₃ um etwa ein Sechstel abgesenkt. Nach Stabilisierung der Flußraten und weitestgehender Verarmung des Reaktorvolumens an AsH₃ und PH₃, typischerweise nach 5 Minuten, wird das Gas in der geänderten Zusammensetzung in das Reak­ tionsrohr eingeleitet. Nach wenigen Minuten Wachstum der Oberflächenschicht ist der Prozeß beendet. Die Re­ aktionsgase werden abgeschaltet und die Temperatur ab­ gesenkt. Die Oberfläche der epitaxierten Scheiben weist keinerlei durch die Oberflächenschicht bedingte Stö­ rungen auf.

Die p-leitende Zone 5 wird durch Diffusion mit Zink hergestellt und erfolgt durch die erfindungsgemäße Ober­ flächenschicht 1 in die GaAs_0,6P_0,4-Schicht 2 hinein, wobei die Dicke x der in der Schicht 2 liegenden p- Schicht ca. 1,2 µm und die Gesamtdicke a der p-Schicht ca. 1,3 µm beträgt. Auf der Si₃N₄-Passivierungsschicht 7 ist ein Metallkontakt 8, beispielsweise aus Al aufge­ bracht, auf der Rückseite der Leuchtdiode ist ein Kontakt 9, beispielsweise aus AuGe, zur Kontaktierung angeordnet.

Das Galliumarsenidsubstrat der in der Figur dargestellten Leuchtdiode kann auch durch Galliumphosphid ersetzt werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Ober­ flächenschicht auch auf GaInP-Leuchtdioden, deren Sub­ stratmaterial aus Indiumphosphid besteht, angeordnet werden. Eine weitere Anwendung der Erfindung ergibt sich auch für Mischkristalle aus GaInAsP.

Claims (10)

1. Leuchtdiode aus III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial mit von der jeweiligen Materialzusammensetzung des Mischkristalls stark abhängiger Gitterkonstanten, ins­ besondere GaAsP-Leuchtdiode, dadurch gekennzeichnet, daß auf der die p-Zone (5) enthaltende Schicht (2) des Mischkristalls aus dem gleichen Mischkristall eine dünne Oberflächenschicht (1) angeordnet ist, wobei die Materialzusammensetzung der Oberflächenschicht (1) so gewählt ist, daß ihr Bandabstand gegenüber dem des be­ deckten Materials vergrößert ist, und daß sich durch diese Oberflächenschicht (1) die p-Zone (5) erstreckt.

2. Leuchtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang in der Gitterstruktur zwischen den beiden Schichten abrupt erfolgt.

3. Leuchtdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (1) so dünn ist, daß sie monokristallin ist und keine wesentlichen An­ passungsversetzungen aufweist.

4. Leuchtdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus GaAsP besteht, wobei die den pn-Übergang (6) enthaltende Schicht (2) aus GaAs_1-x₀P _x₀ mit konstantem x₀ über dem Querschnitt der Schicht ist.

5. Leuchtdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (1) aus GaAs_{1-(x₀+Δ x)} P _{(x₀+Δ x)} besteht, wobei Δ x zwischen 0,04 und 0,2 liegt.

6. Leuchtdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Δ x gleich 0,08 ist.

7. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Oberflächenschicht (1) zwischen 5 nm und 500 nm liegt.

8. Leuchtdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Oberflächenschicht (1) 100 nm ± 50 nm beträgt.

9. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem n-leitenden Sub­ stratmaterial (4) aus GaAs eine n-leitende Gradienten­ schicht (3) aus GaAs_1-x P _x (x = 0 bis x₀) und daran an­ schließend die n-leitende Schicht (2) aus GaAs_1-x₀P _x₀ und darauf die n-leitende Oberflächenschicht (1) aus GaAs_{1-(x₀+Δ x)} P _{(x₀+Δ x)} angeordnet ist, und daß sich die p-leitende Zone (5) durch die Oberflächenschicht (1) bis in die darunterliegende Schicht (2) erstreckt.

10. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem n-leitenden Sub­ stratmaterial (4) aus GaP eine n-leitende Gradienten­ schicht (3) aus GaAs_1-x P _x (x = 1 bis x₀) und daran an­ schließend die n-leitende Schicht (2) aus GaAs_1-x₀P _x₀ und darauf die n-leitende Oberflächenschicht (1) aus GaAs_{1-(x₀+Δ x)} P _{(x₀+Δ x)} angeordnet ist, und daß sich die p-leitende Zone (5) durch die Oberflächenschicht (1) bis in die darunterliegende Schicht (2) erstreckt.