DE3721761C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode aus GaAs_1-xP_x-Mischkristallsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Leuchtdiode ist aus dem Fachbuch "Optoelektronik I", Springer Verlag Berlin - Heidelberg - New York, 1981, Seiten 139 bis 141 bekannt.

Aus der US-PS 40 37 241 ist weiterhin eine Leuchtdiode bekannt, bei der auf einem n-dotierten GaAs-Substrat eine erste n-dotierte GaAs-Schicht angeordnet ist, und daran anschließend eine zweite Schicht auf­ gebracht ist, die aus einem n-dotierten GaAs- Verbindungshalbleitermaterial mit höherem Bandabstand besteht, wobei die p-Zone durch die zweite Schicht bis in die erste Schicht hinein­ reicht. Da bei dieser bekannten Leuchtdiode der Bandabstand von Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) größer als derjenige von Galliumarsenid (GaAs) ist, reduziert sich der nichtstrahlende Anteil des Stromes, der auf der strah­ lungslosen Oberflächenrekombination beruht.

Die technologische Realisierung einer solchen GaAl_1-xAs_x-Leuchtdiode bereitet kein Problem, da die Gitterkonstante in Abhängigkeit des Bandabstandes in dem System GaAlAs kaum differenzieren, somit keine Pufferschicht zur Anpas­ sung der Gitterkonstante von der GaAs-Schicht an die GaAlAs-Schicht erforderlich ist. Dieses vorteilhafte Verhalten der Gitterkonstanten entfällt jedoch beim Übergang auf das Mischkristallsystem GaAsP, bei dem je nach Zusammensetzung die Änderung der Gitterkonstante in Abhängigkeit der Zusammensetzung bis zum 20fachen derjenigen des Systems GaAlAs betragen kann.

Neben der Oberflächenrekombination als Verlustmechanis­ mus ist die Absorption im Halbleiterinneren, die Volu­ menabsorption, ein wichtiger Grund für einen niedrigen externen Quantenwirkungsgrad der Leuchtdioden. Zur Mi­ nimalisierung der Volumenabsorptionsverluste müssen grundsätzlich die vor dem Austritt aus dem Halbleiter­ kristall zurückgelegten Wege der Strahlen klein gemacht werden, d. h. der pn-Übergang sollte möglichst nahe bei der Oberfläche liegen. Der pn-Übergang läßt sich jedoch andererseits nicht be­ liebig nahe an die Oberfläche legen, da sonst durch strahlungslose Oberflächenrekombination der innere Quantenwirkungsgrad und somit auch der äußere Quanten­ wirkungsgrad der Leuchtdiode verringert wird. Daher ist die Tiefe des ph-Übergangs 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 Fig. 6, ist es bekannt, daß die Volumenabsorptionsver­ luste und die Verluste durch Oberflächenrekombinationen minimiert werden, wenn die Diffusionstiefe des pn-Über­ ganges das 2,7fache der Diffusionslänge der Minori­ tätsladungsträger beträgt. Sowohl größere als auch geringere Diffusionstiefen führen zu höheren Gesamtverlusten durch Volumenabsorptionen bzw. Verluste durch Oberflä­ chenrekombinationen.

Aus der DD-PS 2 05 284 ist eine Epitaxieschichtstruktur für Lumineszenzdioden bekannt, bei der in einer stick­ stoffdotierten aktiven Schicht, die zwischen dem Sub­ strat und dem pn-Übergang liegt, eine abrupte Änderung der Zusammensetzung des GaAs_1-xP_x-Mischkristalls durch­ geführt wird, wobei diese Änderung in einem Abstand zum pn-Übergang durchgeführt wird, der größer als die mitt­ lere Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, bei einer eingangs genannten Leuchtdiode aus einem GaAsP-Mischkristallsystem die Verluste durch Ober­ flächenrekombination und Volumenabsorption zu minimieren.

Diese Aufgabe wird bei einer Leuchtdiode der eingangs beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Demnach besteht das Wesen der Erfindung darin, auf der die p-Zone enthaltenden -Schicht mit kon­ stantem Wert x₀ aus dem gleichen Mischkristallsystem eine zwischen 5 und 500 nm dicke, monokristalline -Oberflächenschicht anzuord­ nen, wobei der Wert Δx fü die Vergrößerung des Bandabstandes gegenüber der bedeckten Schicht zwischen 0,04 und 0,2 liegt. Ferner erstreckt sich durch diese Oberflächenschicht die p-Zone mit lediglich einer Diffusionstiefe vom 1 bis 1,5fachen der Diffusions­ länge der injizierten Minoritätsladungsträger. Somit wird die Oberflächenrekombination dadurch vermindert, daß die Oberflächenschicht das Wandern der Ladungsträ­ ger an die Oberfläche zur dortigen Rekombination ver­ hindert. Gleichzeitig kann die Diffusionstiefe des pn-Überganges verringert werden, wodurch sich auch die Volumenabsorptionsverluste verringern. Somit wird ins­ gesamt der äußere Quantenwirkungsgrad erhöht. Da die Oberflächenschicht lediglich mit einer Dicke von 5 bis 500 nm aufgebracht wird, führt diese abrupte Änderung der Kristallzusammensetzung zu keinen wesentlichen Anpassungsversetzungen, so daß hierdurch eine weitere Verminderung des Wirkungsgrades der Lichterzeugung ver­ hindert werden kann.

Besonders günstige Ergebnisse wurden mit Leuchtdioden erzielt, deren Oberflächenschicht eine Dicke von 100±50 nm aufweisen.

Die mit einer solchen erfindungsgemäßen Oberflächen­ schicht versehene GaAsP-Leuchtdiode weist einen um 60% erhöhten Photolumineszenzwirkungsgrad gegenüber solchen GaAsP-Leuchtdioden ohne Oberflächenschicht, gleich­ zeitig erhöht sich auch der externe Quantenwirkungsgrad um 30 bis 50%.

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 gezeich­ net.

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 anschließender 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 ebenfalls n-leitend und besteht aus dem Mischkristall GaAs_1-xP_x mit x=0 bis x=0,4. Hierdurch wird die zu kleine Gitterkonstante des Sub­ stratmaterials 4 durch Bildung von Anpassungsversetzun­ gen an die Gitterkonstante der Halbleiterschicht 2 an­ geglichen. Der Bereich 1, unmittelbar im Anschluß an die Schicht 2, ist eine Schicht aus dem Mischkristall GaAs_0,52P_0,48 mit einer Dicke von ca. 100 nm, wobei diese Oberflä­ chenschicht ebenso epitaktisch wie die darunterliegen­ den Schichten 2 und 3 hergestellt sind. Somit läßt sich die Herstellung dieser 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 Oberflächen­ schicht 1 erfolgt dadurch, daß zunächst das Wachstum unterbrochen wird, indem die AsH₃- und PH₃-Gasströme über einen Bypass am Reaktionsrohr vorbeigeleitet wer­ den. 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 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 Kon­ takt 9, beispielsweise aus AuGe, zur Kontaktierung angeordnet.

Das Galliumarsenidsubstrat der in der Figur dargestell­ ten Leuchtdiode kann auch durch Galliumphosphid ersetzt werden.

Claims (3)

1. Leuchtdiode aus einem GaAs_1-xP_x-Mischkristallsystem, wobei sich eine durch Diffusion hergestellte p-leitende Zone (5) unter Bildung eines pn-Überganges (6) in einem Bereich (2) mit konstantem x=x₀ erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Bereich (2) mit einer mono­ kristallinen Oberflächenschicht (1) von 5 bis 500 nm Dicke aus mit Δx=0,04 bis 0,2 bedeckt ist und daß sich die p-Zone (5) durch diese Oberflächenschicht (1) in den Bereich (2) mit konstan­ tem Wert x₀ mit einer Tiefe vom 1 bis 1,5fachen der Diffusionslänge der injizierten Minoritätsladungsträger er­ streckt.

2. Leuchtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Δx=0,08 ist.

3. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Oberflächen­ schicht (1) 100 nm±50 nm beträgt.