DE4203134A1

DE4203134A1 - Lichtemittierende halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE4203134A1
Application number: DE4203134A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Yagi; Tsuneo Okada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1992-02-04
Publication date: 1992-08-13
Also published as: GB2253303A; GB9126843D0; CA2057977C; GB2253303B; US5272362A; JPH04258182A; CA2057977A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittie rende Halbleitervorrichtung. Insbesondere bezieht sich die Er findung auf eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung vom AlGaAs/GaAs-Typ.

Die Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik. In Fig. 10 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein GaAs-Substrat vom n-Typ (nachfolgend durch "n-" abgekürzt). Eine erste n- Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 2 ist auf dem n-GaAs-Sub strat 1 aufgebracht. Eine aktive Al_0,06iGa_0,94As-Schicht 3 vom p-Typ (nachfolgend durch "p-" bezeichnet) ist auf der ersten n- Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 2 aufgebracht. Eine zweite p-Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 4 ist auf der aktiven p- Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 3 aufgebracht. Eine n-Al_0,10Ga_0,90As Kontaktschicht 5 ist auf der zweiten p-Al_0,35Ga_0,65As-Plattie rungsschicht 4 aufgebracht. Eine Kontaktöffnung 7 ist in der Mitte der Kontaktschicht 5 vorgesehen. Die Kontaktschicht 5 ist so dotiert, daß ein Zn-diffundierter p⁺-Bereich 6 gebildet wird, wobei dessen Diffusionstiefe so gesteuert ist, daß die Diffusionsgrenze die zweite p-Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungs schicht 4 an einem Bereich unterhalb der Kontaktöffnung 7 er reicht, während sie in den anderen Bereichen innerhalb der n- Al_0,10Ga_0,90As-Kontaktschicht 5 bleibt.

Es folgt eine Beschreibung des Betriebes.

Eine Vorspannung wird zwischen dem Zn-diffundierten p⁺-Bereich 6 der n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontaktschicht 5 und dem n-GaAs-Substrat 1 angelegt, wobei der erstere positiv ist. In den Bereichen, in denen die Kontaktöffnung 7 nicht vorgesehen ist, fließt kein Strom, denn ein pnpn-Übergang wird erzeugt (aus der Sicht von oben auf die Vorrichtung). Andererseits fließt ein Strom im Be reich der Kontaktöffnung 7, da die n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontakt schicht 5 in den p⁺-Bereich durch die Zn-Diffusion konvertiert wird, und nur ein pn-Übergang wird zwischen der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 3 und in der ersten n-Al_0,35Ga_0,65As- Plattierungsschicht 2 gebildet, die durch die Vorspannung in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Der Strom fließt daher ent lang des in Fig. 10 gezeigten Strompfades 8. Durch den Strom 8 in die aktive p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 3 injizierte Löcher und Elektronen rekombinieren und strahlen Licht aus. Die Licht energie entspricht der Energiebandlücke des Materials, das die aktive Schicht bildet. Wenn z. B. die aktive Schicht aus Al_0,06Ga_0,94As gebildet wird, liegt das Wellenlängenmaximum des Lichtes bei etwa 830 nm.

Bei der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik regt Licht, das in der aktiven p-Al_0,06GA_0,94As Schicht 3 erzeugt wurde und sich in Richtung auf das Substrat ausbreitet, das n-GaAs-Substrat 1 an, und Elektronen-Loch-Paare werden im n-GaAS-Substrat erzeugt. Da das n-GaAs-Substrat im allgemeinen durch das horizontale Bridgman-Verfahren (HB) erzeugt wird, kann es nicht mit hoher Konzentration dotiert werden und wird üblicherweise mit einer Konzentration von 1 bis 3×10¹⁸cm^-3 dotiert. Bei dieser Ladungsträgerkonzentration ist die Intensität von Photolumineszenzlicht (nachfolgend mit PL bezeichnet), das durch den Band-Band-Übergang erzeugt wird, hinreichend stark. Folglich werden die durch die Lichtausbrei tung der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 3 in Richtung auf das Substrat angeregten Elektronen-Loch-Paare im Substrat rekombi niert, so daß die Band-Band-Übergänge von GaAs auftreten und PL-Licht mit einer Wellenlänge von 870 nm erzeugen. Als Ergeb nis wird in der aktiven Schicht 3 erzeugtes Licht mit darüber überlagertem PL-Licht aus der Vorrichtung emittiert. Die Fig. 11 zeigt ein Spektrum des aus der Vorrichtung emittierten Lichts. Wie in Fig. 11 gezeigt, weist das Spektrum ein Haupt maximum von 830 nm auf, gefolgt von einem Nebenmaximum von 870 nm. Die lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit einem der artigen Spektrum kann nicht für optische Nachrichtenübertragung mit mehreren Wellenlängen, wie z. B. den 3 Wellenlängen 830 nm, 850 nm und 870 nm, benutzt werden, da zwischen diesen eine ge genseitige Überlagerung (Interferenz) auftritt.

Die Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht mit dem Aufbau einer lichtemittierenden Diode (nachfolgend als LED bezeichnet) nach dem Stand der Technik, die in der Lage ist, das Nebenmaximum in der Strahlungscharakteristik zu unterdrücken, wie sie in der Japanischen Offenlegungsschrift 63-2 40 083 offenbart ist. In der Fig. 12 werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 10 für entsprechende Bereiche verwendet. Das Bezugszeichen 102 be zeichnet eine nichtdotierte GaAS-Schicht mit einer Dotierungs konzentration von weniger als 1×10¹⁶cm^-3, die zwischen dem n-GaAS-Substrat 1 und der n-AlGaAs-Plattierungsschicht 2 vorge sehen ist. Das Diagramm in Fig. 13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Dotierungskonzentration der GaAs-Schicht und der Intensität von PL-Licht.

Wie in Fig. 13 gezeigt, beträgt die PL-Intensität der GaAs- Schicht mit einer Dotierungskonzentration von weniger als 1×10¹⁶cm^-3 weniger als ein Hundertstel als die der GaAs-Schicht mit einer Dotierungskonzentration von etwa 1 bis 3×10¹⁸cm^-3, die im allgemeinen als Substrat benutzt wird. Bei dieser LED nach dem Stand der Technik ist die nicht dotierte GaAs-Schicht 102 mit einer Dotierungskonzentration von weniger als 1×10¹⁶cm^-3 zwischen dem n-GaAs-Substrat 1 und der n-AlGaAs-Plattierungsschicht 2 vorgesehen, und fast das ganze Licht, das in der aktiven Schicht 3 erzeugt wurde und sich in Richtung auf das Substrat 1 ausbreitet, wird durch die Rekombi nationen zerstreut, die nicht zur Lichtemission in der nicht dotierten GaAs-Schicht 102 beitragen, womit das Nebenmaximum in der Licht-Emission unterdrückt wird.

Die LED nach dem Stand der Technik, die das Nebenmaximum in der Lichtemissionsintensität wie oben beschrieben unterdrückt, führt zu folgenden Problemen.

Zuerst kann zum Zeitpunkt des Aufwachsens der nicht-dotierten Schicht eine Schicht mit niedriger Dotierungskonzentration in einer Wachstumseinrichtung erzeugt werden, die ein reines Inneres aufweist. Sie kann allerdings nicht erzeugt werden, wenn das Innere der Wachstumseinrichtung durch die Störstellen während der Wiederholungen der Wachstumsschritte verunreinigt ist. Der Innenraum der Wachstumseinrichtung muß daher stets sauber gehalten werden, was zu niedriger Produktivität führt.

Selbst wenn zweitens die nicht-dotierte Schicht mit einem epi taxialen Wachstumsprozeß erzeugt wird, werden die Störstellen aus dem n-GaAS-Substrat von 1 bis 3×10¹⁸cm^-3 Dotierungskon zentration und der n-AlGaAs-Plattierungsschicht mit 1 bis 5×10¹⁷cm^-3-Dotierungskonzentration in die nicht-dotierte Schicht während des anschließenden Glühprozesses eindiffundiert, wie dem Zn-Diffusionsprozeß, und daher würde die Dotierungskonzen tration der nicht-dotierten Schicht angehoben. Daher steigt die PL-Intensität und die Intensität der Lichtemission bekommt ein Nebenmaximum.

Drittens erhöht das Einbringen der nicht-dotierten Schicht den Reihenwiderstand des Elements, wodurch der Stromverbrauch erhöht wird. Der Verfall des Elements wird daher beschleunigt und seine Lebensdauer verkürzt.

Ziel der Erfindung ist es, eine lichtemittierende Halbleiter vorrichtung zu schaffen, welches kein Nebenmaximum in ihrem Lichtemissionsspektrum aufweist und hohe Produktivität sowie lange Lebensdauer erlaubt.

Die Aufgabe wird durch die lichtemittierende Halbleitervorrich tung nach den Patentansprüchen 1, 5, 9, 13, 16, 22 gelöst. Vor teilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrie ben.

Eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung umfaßt eine Al_zGa_1-zAs-Pufferschicht (0 < = z), die zwischen einem GaAs- Substrat und einer auf der Substratseite vorgesehenen AlGaAs- Plattierungsschicht aufgebracht ist. Diese Pufferschicht weist eine kleinere Energiebandlücke auf als die Energie eines von der lichtemittierenden Vorrichtung emittierten Photons und weist eine so hohe Störstellenkonzentration auf, daß die Intensität von Photolumineszenzlicht, das durch Band-zu-Band- Übergänge erzeugt wird, hinreichend klein ist. Daher wird Licht, das in einer aktiven Schicht erzeugt wird und sich in Richtung auf das Substrat ausbreitet, in der Pufferschicht absorbiert, bevor es das Substrat erreicht. Außerdem ist die Intensität von PL-Licht, das durch Rekombinationen von Elektronen-Loch-Paaren, die, angeregt durch Licht aus der aktiven Schicht, in der Puf ferschicht erzeugt werden, extrem niedrig, wodurch ein Neben maximum im Lichtemissionsspektrum der lichtemittierenden Halb leitervorrichtung verhindert wird.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfaßt eine licht emittierende Halbleitervorrichtung eine Pufferschicht, deren Energie-Band-Lücke geringer als die von der lichtemittierenden Vorrichtung selbst ausgestrahlten Lichtenergie ist, und die eine Energie-Band-Struktur vom indirekten Übergangstyp (indirect transition type) aufweist, wobei die Pufferschicht zwischen einem GaAs-Substrat und einer auf der Substratseite vorgesehenen AlGaAS-Plattierungsschicht eingefügt ist. Daher wird in einer aktiven Schicht erzeugtes und sich in Richtung auf das Substrat erstreckendes Licht von der Pufferschicht absorbiert, bevor es das Substrat erreicht. Ferner bewirken wenige Elektronen-Loch-Paare, die in der durch Licht aus der aktiven Schicht angeregten Pufferschicht erzeugt werden, kaum eine Lichtemission durch Band-zu-Band-Übergang, wodurch ein Nebenmaximum im Lichtemissionsspektrum der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung verhindert wird.

In einer dritten Ausführungsform umfaßt eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung eine Al_zGa_1-zAs-Pufferschicht (0 < = z), die zwischen einem GaAs-Substrat und einer auf der Substrat seite vorgesehenen AlGaAs-Plattierungsschicht eingefügt ist, die mit Störstellen einer solchen Konzentration dotiert ist, daß die Energiespitze des Photolumineszenzlichts fast die gleiche wie die Energie des von der lichtemittierenden Vor richtung selbst emittierten Lichts ist. Daher wird in einer aktiven Schicht erzeugtes und sich in Richtung auf das Substrat ausbreitendes Licht durch die Pufferschicht absorbiert, bevor es das Substrat erreicht. Außerdem ist die Energiespitze des durch die Rekombination der Elektronen-Loch-Paare erzeugten Lichts, die in der durch Licht aus der aktiven Schicht angereg ten Pufferschicht erzeugt wurden, fast gleich wie die Licht energie, die von der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung selbst emittiert wird, wodurch ein Nebenmaximum im Lichtemis sionsspektrum der lichtemittierden Halbleitervorrichtung ver hindert wird.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergehen sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht mit einer licht emittierenden Halbleitervorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Schnittansicht der lichtemittierenden Halb leitervorrichtung entlang einer Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm mit einem Zusammenhang zwischen der Intensität von durch einen Band-Band-Übergang erzeugten PL-Lichts und einer Ladungsträgerkon zentration in n-GaAs;

Fig. 4 ein Diagramm zum Illustrieren eines Lichtemis sionsspektrums einer lichtemittierenden Halblei tervorrichtung entsprechend der ersten Ausfüh rungsform;

Fig. 5 eine Schnittansicht zum Verdeutlichen einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung ent sprechend einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 6 ein Diagramm zum Verdeutlichen eines Lichtemis sionsspektrums einer lichtemittierenden Halblei tervorrichtung entsprechend der zweiten Ausfüh rungsform;

Fig. 7 eine Schnittansicht zum Verdeutlichen einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung ent sprechend einer dritten Ausführungsform;

Fig. 8 ein Diagramm mit einem Zusammenhang zwischen dem Wellenlängenmaximum von PL-Licht und der La dungsträgerkonzentration in n-GaAs;

Fig. 9 ein Diagramm zum Verdeutlichen des Lichtemis sionsspektrums einer lichtemittierenden Halblei tervorrichtung entsprechend einer Weiterbildung der dritten Ausführungsform;

Fig. 10 eine Schnittansicht zum Verdeutlichen einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 11 ein Diagramm zum Verdeutlichen des Lichtemis sionsspektrums der lichtemittierenden Halblei tervorrichtung nach Fig. 10;

Fig. 12 eine Schnittansicht zum Verdeutlichen einer wei teren Halbleiter-LED nach dem Stand der Technik; und

Fig. 13 ein Diagramm mit einem Zusammenhang zwischen der Intensität von durch Band-Band-Übergänge erzeug ten PL-Lichts und der Ladungsträgerkonzentration in n-GaAs.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform unter Bezug auf die Figuren im Detail beschrieben.

Die Fig. 1 ist eine Perspektivansicht zum Verdeutlichen des Aufbaus einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung entspre chend der ersten Ausführungsform. In Fig. 1 bezeichnet das Be zugszeichen 11 ein n-GaAs-Substrat, auf dem eine n⁺-GaAs-Puf ferschicht 12 mit Se als n-Typ Störstellen mit hoher Dotie rungskonzentration aufgebracht ist. Eine erste n-Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 13 ist auf der n⁺-GaAs- Pufferschicht 12 aufgebracht. Eine aktive p-Al_0,06Ga_0,94As- Schicht 14 ist darauf vorgesehen. Eine zweite p-Al_0,35Ga_0,65As- Plattierungsschicht 15 ist auf der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As- Schicht 14 aufgebracht, und eine n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontakt schicht 16 ist auf dieser aufgebracht. Eine Kontaktöffnung 18 mit vorbestimmter Tiefe ist an einem zentralen Bereich der Kon taktschicht 16 vorgesehen. Eine n-Seitenelektrode 20 ist auf der Unterfläche des Substrates 11 vorgesehen, und eine p-Sei tenelektrode 21 ist auf der Oberfläche der Kontaktschicht 16 mit Ausnahme der Kontaktöffnung aufgebracht. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet einen p⁺-Bereich, der in der Kontaktöffnung 16 durch Zn-Diffusion geschaffen ist.

Bezüglich von typischen Dicken der betreffenden Schichten sind dies für die Kontaktschicht 16 etwa 3 Micron, für die zweite Plattierungsschicht 15 etwa 2 Micron, für die aktive Schicht 14 etwa 1 Micron, für die erste Plattierungsschicht 13 etwa 2 Mi cron und für die Pufferschicht 12 etwa 0,2 Micron. Die Kontakt öffnung 18 weist einen Durchmesser von etwa 35 Micron und eine Tiefe von etwa 2 Micron auf.

Die Fig. 2 ist eine Schnittansicht der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung entlang einer Linie II-II in Fig. 1. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist ein Zn-Diffusionsbereich 17 eine Diffusionstiefe auf, die derart vorgesehen ist, daß die Diffu sionsgrenze die zweite p-Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 15 in einem Bereich unterhalb der Kontaktöffnung 18 erreicht, wäh rend sie innerhalb der n-Al_0,10Ga0,90As-Kontaktschicht 16 in den anderen Bereichen bleibt.

Nachfolgend wird eine Beschreibung des Betriebes vorgenommen. Eine Vorspannung wird zwischen dem Zn-diffundierten p⁺-Bereich 17 der n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontaktschicht 16 und dem n-GaAs-Sub strat 11 angelegt, wobei der erstere auf der positiven Seite liegt. In den Bereichen, in denen das Kontaktloch 18 nicht ge bildet ist, fließt kein Strom, denn ein pnpn-Übergang wird ge bildet (aus der Sicht von oberhalb der Vorrichtung), während ein Strom in dem Bereich fließt, indem die Kontaktöffnung 18 gebildet ist, da die n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontaktschicht 16 in den p⁺-Bereich durch die Zn-Diffusion konvertiert wird, und nur ein pn-Übergang zwischen der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 und der ersten n-Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 13 gebildet ist, der in Vorwärtsrichtung durch die Spannung vorgespannt ist. Daher fließt der Strom in einem in Fig. 2 gezeigten Strompfad 19. In die aktive p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 durch den Strom 19 injizierte Löcher und Elektronen rekombinieren und strahlen Licht aus. Das Licht besitzt eine Energie, die der Energie-Band-Lücke des die aktive Schicht bildenden Materials entspricht. Wenn beispielsweise die aktive Schicht aus Al_0,06Ga_0,94As gebildet wird, liegt die Wellenlängespitze des Lichts bei etwa 830 nm.

Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist auf dem n-GaAs- Substrat 11 eine n⁺-GaAs-Pufferschicht 12 aufgebrqacht, die mit Se als n-Typ Störstellen mit hoher Konzentration von etwa 1×10¹⁹cm^-3 dotiert ist. Im Zusammenhang zwischen der Intensität von durch Band-zu-Band-Übergänge erzeugten PL-Lichts und der Ladungsträgerkonzentration in n-GaAs steigt die Intensität des PL-Lichts mit dem Anstieg der Ladungsträgerkonzentration an, in einem Bereich der Ladungsträgerkonzentration von der Größen ordnung von 10¹⁶cm^-3 bis zu 10¹⁸cm^-3, wie in Fig. 13 gezeigt. Wenn allerdings die Ladungsträgerkonzentration höher als 10¹⁸cm^-3 ist, nimmt die PL-Lichtintensität ab mit ansteigender Ladungsträgerkonzentration, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn die Ladungsträgerkonzentration 5×10¹⁸cm^-3 übersteigt, ist die Lichtemission durch Band-zu-Band-Übergang selten zu sehen. Folglich wird bei dieser Ausführungsform die n⁺GaAs-Puffer schicht 12 durch das Licht angeregt, das sich aus der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 in Richtung auf das Substrat hin erstreckt, so daß Elektronen-Loch-Paare in der aktiven Schicht 14 erzeugt werden. Die Lichtemission durch Band-zu-Band-Über gang tritt allerdings selten auf, da die Pufferschicht 12 eine hinreichend hohe Ladungsträgerkonzentration aufweist. Als Er gebnis wird Licht nur aus der aktiven Schicht emittiert, und das Lichtemissionsspektrum weist kein Untermaximum auf, wie in Fig. 4 gezeigt.

Da die n⁺-GaAs-Pufferschicht mit hinreichend hoher Ladungsträ gerdichte auf dem Substrat aufgebracht ist, wird bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform das in der aktiven Schicht erzeugte und sich in Richtung auf das Substrat erstreckende Licht durch die Pufferschicht absorbiert, bevor es das Substrat erreicht, und die Elektronen-Loch-Paare, die in der durch das Licht aus der aktiven Schicht angeregten Pufferschicht erzeugt werden, bewirken keine Lichtemission durch Band-zu-Band-Über gang, wodurch ein Untermaximum im Lichtemissionsspektrum der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung vermieden wird. Da die Verunreinigung im Inneren der Wachstumsvorrichtung durch die Störstellen das Wachsen einer Schicht mit hoher Ladungsträger konzentration kaum beeinflußt, kann zusätzlich der Produktions prozeß leicht wiederholt werden, wodurch die Produktivität ver bessert wird. Verglichen mit der LED nach dem Stand der Tech nik, die die nichtdotierte Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Plattierungsschicht aufweist, nimmt der Glühprozeß nach dem Herstellen der Pufferschicht weniger negativen Einfluß, und die Charakteristik wird hierdurch nicht verschlechtert. Zusätz lich kann, verglichen mit der LED mit nicht-dotierter Puffer schicht, der Reihenwiderstand des Elements vermindert werden, wodurch der elektrische Stromverbrauch reduziert und Zerstörung des Elements durch Wärmeerzeugung verhindert wird. Hierdurch kann ein Bauelement mit langer Lebensdauer erreicht werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird GaAs als Material für die Pufferschicht benutzt, jedoch kann auch AlGaAs, das eine kleinere Energie-Band-Lücke als das die aktive Schicht bildende Material aufweist, benutzt werden.

Anschließend wird eine zweite Ausführungsform beschrieben.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht mit einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform. In Fig. 2 bezeichnen identische Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 gleiche oder entsprechende Bereiche. Eine n-Ge- Pufferschicht 32 ist auf dem Substrat 11 aufgebracht.

Übliche Dicken von Schichten mit Ausnahme der Pufferschicht 32 entsprechen denen der ersten Ausführungsform. Die Dicke der n- Ge-Pufferschicht 32 beträgt etwa 1 Micron, größer als die der Pufferschicht 12 der ersten Ausführungsform, da die Lichtab sorbtion von Ge kleiner als die von GaAs ist. Durchmesser und Tiefe der Kontaktöffnung 18 entsprechen denen der ersten Aus führungsform.

Es folgt eine Beschreibung des Betriebes.

Eine Vorspannung wird zwischen dem Zn-Diffusionsbereich 17 auf der Oberfläche der n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontaktschicht 16 sowie an dem n-GaAs-Substrat 11 angelegt, wobei der erstere positiv ge wählt wird. In Bereichen, in denen die Kontaktöffnung 18 nicht gebildet ist, fließt kein Strom, da ein pnpn-Übergang gebildet wird (aus der Sicht von oben auf die Vorrichtung), während ein Strom in dem Bereich fließt, wo die Kontaktöffnung 18 gebildet ist, da die n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontaktschicht 16 durch Zn- Diffusion in den p⁺-Bereich konvertiert wird und nur ein pn- Übergang zwischen der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 und der ersten n-Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 13 gebildet wird, die durch die Vorspannung in Vorwärtsrichtung vorge spannt sind. Der Strom fließt daher entlang des in Fig. 5 ge zeigten Strompfades 19. Durch den Strom 19 in die aktive p- Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 injizierte Löcher und Elektronen rekombinieren und strahlen Licht aus. Das Licht weist eine Energie auf, die dem Energiebandabstand des die aktive Schicht bildenden Materials entspricht. Wenn die aktive Schicht bei spielsweise aus Al_0,06Ga_0,94As gebildet ist, entspricht das Wellenlängenmaximum des Lichts etwa 830 nm.

Bei dieser zweiten Ausführungsform ist die n-Ge-Pufferschicht auf dem n-GaAs-Substrat 11 aufgebracht. Ge weist eine Energiebandstruktur vom indirekten Übergangstyp auf, in welcher Extremwert des Leitungsbandes nicht dem Extremwert des Valenzbandes gegenüber liegt, und deren Energie-Band-Lücke kleiner als die von Al_0,06Ga_0,94As ist, welches die aktive Schicht bildet. Da die Gitterkonstante von Ge fast identisch mit der von GaAs ist, kann es leicht auf dem GaAs-Substrat wachsen. Die Relaxationszeit der strahlenden Rekombination beim Halbleiter vom indirekten Übergangstyp wie Ge beträgt etwa eine Sekunde, selbst beim einfachsten Band-zu-Band-Übergang, während die mittlere Lebensdauer des Minoritätsladungsträgers längstens eine Millisekunde beträgt. Folglich ist die Wahrscheinlichkeit, daß eine strahlende Rekombination auftritt, relativ klein, ver glichen mit der der nicht-strahlenden Rekombination beim Halb leiter vom indirekten Übergangstyp. Obwohl hei dieser Ausfüh rungsform die n-Ge-Pufferschicht 32 durch aus der aktiven p- Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 austretendes und sich in Richtung auf das Substrat ausbreitendes Licht angeregt wird und Elektronen- Loch-Paare in der n-Ge-Pufferschicht 32 gebildet werden, findet bei fast allen Elektronen-Loch-Paaren eine nicht-strahlende Rekombination statt, da die Pufferschicht 32 ein Halbleiter vom indirekten Übergangstyp ist, und Lichtemission durch Band-zu- Band-Übergang findet kaum statt. Als Ergebnis wird Licht nur aus der aktiven Schicht 14 emittiert, und das Lichtemissions spektrum weist kein Nebenmaximum auf, wie in Fig. 6 gezeigt.

Bei der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform ist die n- Ge-Pufferschicht, die eine kleinere Energie-Band-Lücke als die des von der aktiven Schicht emittierten Lichts und eine Band struktur vom indirekten Übergangstyp aufweist, auf dem n-GaAs- Substrat aufgebracht. In der aktiven Schicht erzeugtes und sich in Richtung auf das Substrat ausbreitendes Licht wird daher von der Pufferschicht absorbiert, bevor es das Substrat erreicht, und die Elektronen-Loch-Paare, die in der durch das Licht aus der aktiven Schicht angeregten Pufferschicht erzeugt werden, führen zu keiner Lichtemission durch Band-zu-Band-Übergang, wo durch ein Nebenmaximum im Lichtemissionsspektrum der licht emittierenden Halbleitervorrichtung verhindert wird. Zusätzlich kann, verglichen mit der Halbleiter-LED mit nicht-dotierter Pufferschicht, der Reihenwiderstand des Elements vermindert werden, wodurch der Stromverbrauch vermindert wird und Schädi gung des Elements durch Wärmeerzeugung vermindert wird. Hier durch kann ein Element mit langer Lebensdauer erreicht werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird Ge als Material für die Pufferschicht benutzt, es können aber auch andere Halb leiter vom indirekten Übergangstyp mit einer Energie-Band-Lücke kleiner als die des Materials, das die aktive Schicht bildet, benutzt werden.

Es folgt eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform.

Die Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung entsprechend der dritten Ausführungs form. In Fig. 7 bezeichnen die in den Fig. 1 und 2 gezeig ten Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Bereiche. Das Bezugszeichen 42 bezeichnet eine auf einem Substrat 11 aufge brachte n-GaAs-Pufferschicht, die mit Se als n-Störstellen derart dotiert ist, daß die Energiespitze von PL-Licht fast der Lichtenergie entspricht, die von der aktiven Schicht emittiert wird.

Die Dicke der n-GaAs-Pufferschicht 42 beträgt etwa 0,2 Micron und ist identisch mit der Dicke der Pufferschicht 12 der ersten Ausführungsform. Die Dicken der anderen Schichten und Durchmes ser und Tiefe der Kontaktöffnung 18 entsprechen ebenfalls dem ersten Ausführungsbeispiel.

Es folgt eine Beschreibung des Betriebes.

Eine Vorspannung wird zwischen dem Zn-Diffusionsbereich 17 auf der Oberfläche der n-Al_0,10Ga_0,90As-Kontaktschicht 16 sowie dem n-GaAs-Substrat 11 angelegt, wobei der erstere positiv ist. Kein Strom fließt in den Bereichen, in denen die Kontaktöffnung 18 nicht vorgesehen ist, denn ein pnpn-Übergang wird gebildet (aus Sicht von oben auf die Vorrichtung), während ein Strom im Bereich der Kontaktöffnung 18 fließt, da die n-Al_0,10Ga_0,90As- Kontaktschicht 16 in den p⁺-Bereich durch die Zn-Diffusion kon vertiert wird, und nur ein pn-Übergang wird zwischen der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 und der ersten n- Al_0,35Ga_0,65As-Plattierungsschicht 13 gebildet, der durch die Vorspannung in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Daher fließt der Strom in einem in Fig. 7 gezeigten Strompfad 19. Durch den Strom 19 in die aktive p-Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 injizierte Löcher und Elektronen rekombinieren und strahlen Licht aus. Die Energie des Lichts entspricht der Energie-Band-Lücke des Materials, das die aktive Schicht bildet. Wenn die aktive Schicht z. B. aus Al_0,06Ga_0,94As gebildet wird, beträgt die Wellenlängenspitze des Lichts etwa 830 nm.

Bei dieser dritten Ausführungsform ist auf dem n-GaAs-Substrat 11 die n-GaAs-Pufferschicht 42 aufgebracht, die mit n-Typ Stör stellen so dotiert ist, daß die Energiespitze des PL-Lichts fast dieselbe wie die des von der aktiven Schicht emittierten Lichts ist. Die Fig. 8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Wellenlängenspitze des PL-Lichts und der Ladungsträgerkonzen tration beim Band zu-Band-Übergang im n-GaAs. Wenn, wie in Fig. 8 gezeigt, die Ladungsträgerkonzentration 2 bis 3×10¹⁸cm^-3 übersteigt, sinkt die Wellenlängenspitze des PL-Lichts allmählich auf etwa 820 nm bei der Ladungsträgerkonzentration von 1×10¹⁹cm^-3. Die Wellenlängenspitze von PL-Licht von 830 nm kann mit einer Ladungsträgerkonzentration von 7×10¹⁸cm^-3 erreicht werden.

Bei dieser Ausführungsform wird die n-GaAs-Pufferschicht 42 durch das Licht angeregt, das sich aus der aktiven p- Al_0,06Ga_0,94As-Schicht 14 in Richtung auf das Substrat ausbrei tet, und die Elektronen-Loch-Paare werden in der n-GaAs-Puffer schicht 42 erzeugt. Da allerdings die Ladungsträgerkonzentra tion der Pufferschicht 42 zu 7×10¹⁸cm^-3 eingestellt wird, be trägt die Wellenlängenspitze von PL-Licht, das durch die Rekom binationen von Elektronen-Loch-Paaren ausgestrahlt wird, 830 nm, was der Energiespitze des aus der aktiven p-Al_0,06Ga_0,94As- Schicht 14 emittierten Licht entspricht. Als Ergebnis besitzt das Lichtemissionsspektrum der lichtemittierenden Vorrichtung eine Form mit nur einer Spitze.

Während bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die aktive Schicht Al_0,06Ga_0,94As aufweist, dessen Wellenlängenspitze bei etwa 830 nm liegt, wird die Wirkung dieser dritten Ausführungs form deutlicher, wenn Material mit einem längeren Wellenlän genmaximum im Lichtemissionsspektrum für die aktive Schicht be nutzt wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Intensität von PL- Licht bei Ladungsträgerkonzentration von 7×10¹⁸cm^-3 extrem niedrig, und hierbei kann das Nebenmaximum im Lichtemissions spektrum ohne die Wirkung der dritten Ausführungsform unter drückt werden. Wenn allerdings Al_0,03Ga_0,97As mit einer Wel lenlängenspitze von etwa 850 nm für die aktive Schicht Genutzt wird, kann das Wellenlängenmaximum von PL-Licht von etwa 850 nm erhalten werden, wenn die Ladungsträgerkonzentration der n- GaAs-Pufferschicht 43 auf 3×10¹⁸cm^-3 gesetzt wird, wobei das Lichtemissionsspektrum der lichtemittierenden Vorrichtung lediglich eine Spitze aufweist, wie in Fig. 9 gezeigt. Obwohl die Intensität von PL-Licht bei der Ladungsträgerkonzentration von 3×10¹⁸cm^-3 der Pufferschicht hoch ist und das Nebenma ximum nur durch die Wirkung der ersten Ausführungsform nicht verhindert werden kann, kann durch diese dritte Ausführungsform eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung geschaffen werden, die Licht ausstrahlt, das in seiner Intensität kein Nebenma ximum aufweist, wie in Fig. 3 gezeigt, womit sie für die optische Nachrichtentechnik geeignet ist.

Bei der oben beschriebenen dritten Ausführungsform ist die n- GaAs-Pufferschicht auf dem n-GaAs-Substrat gebildet und mit n- Typ Störstellen so dotiert, daß die Energiespitze von PL-Licht fast derjenigen von aus der aktiven Schicht emittierten Lichts entspricht, so daß das in der aktiven Schicht erzeugte und sich in einer Richtung auf das Substrat hin ausbreitende Licht durch die Pufferschicht absorbiert wird, bevor es das Substrat er reicht. Ferner ist die Wellenlängenspitze von PL-Licht, das durch die Rekombinationen der Elektronen-Loch-Paare ausge strahlt wird, die in der durch das Licht aus der aktiven Schicht angeregten Pufferschicht erzeugt werden, identisch mit der des aus der aktiven Schicht emittierten Lichts, womit ein Nebenmaximum im Lichtemissionsspektrum der lichtemittierenden Vorrichtung vermieden wird. Selbst wenn das Innere der Wachs tumsanlage durch die Störstellen verunreinigt ist, beeinflußt dies kaum das Wachstum einer Schicht mit hoher Ladungsträger konzentration, wodurch der Produktionsvorgang verbessert und die Produktivität erhöht werden. Verglichen mit der lichtemit tierenden Diode nach dem Stand der Technik mit nicht-dotierter Pufferschicht zwischen Substrat und Plattierungsschicht hat der Glühprozeß nach dem Herstellen der Pufferschicht weniger Ein fluß, wobei die Gesamteigenschaften der Vorrichtung kaum ver schlechtert werden. Zusätzlich kann, verglichen der lichtemit tierenden Vorrichtung mit nicht-dotierter Pufferschicht, der Reihenwiderstand des Elements vermindert werden, wodurch der Stromverbrauch vermindert und Verschlechterung des Elements durch Wärmeerzeugung verhindert werden. Hierdurch kann ein Element mit langer Lebensdauer erreicht werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde GaAs als Material für die Pufferschicht benutzt. Aber auch AlGaAs, das eine kleinere Energie-Band-Lücke als das die aktive Schicht bildende Material aufweist, kann benutzt werden.

Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wurde, wird eine Al_zGa_1-zAs(o < = z) Pufferschicht zwischen dem GaAs-Substrat und der auf der Substratseite angeordneten AlGaAs-Plattierungs schicht vorgesehen, die mit einer Störstellen von einer so hohen Konzentration versehen ist, daß die Pufferschicht eine kleinere Energie-Band Lücke aufweist als die des von der licht emittierenden Vorrichtung emittierten Lichtes, und daß die In tensität von durch den Band-zu-Band-Übergang erzeugten PL- Lichts deutlich vermindert ist. Hierdurch wird eine licht emittierende Halbleitervorrichtung ohne Nebenmaximum im Emis sionslichtspektrum erreicht, die eine lange Lebensdauer besitzt und mit hoher Produktivität herstellbar ist.

Die Pufferschicht mit kleinerer Energie-Band-Lücke als die des von der lichtemittierenden Vorrichtung emittierten Lichtes und mit einer Energiebandstruktur vom indirekten Übergangstyp ist zwischen dem GaAs-Substrat und der an der Substratseite befind lichen AlGaAs-Plattierungsschicht angeordnet. Daher kann eine lichtemittierende Vorrichtung ohne Nebenmaximum im Lichtemis sionsspektrum leicht mit hoher Produktivität und langer Lebens dauer hergestellt werden.

Die Al_zGa_1-zAs (0 < = z)-Pufferschicht ist zwischen dem GaAs- Substrat und der an der Substratseite befindlichen AlGaAs- Plattierungsschicht vorgesehen, und sie ist mit einer Verun reinigung so dotiert, daß die Energiespitze von PL-Licht fast der von aus der lichtemittierenden Vorrichtung emittierten Lichts entspricht. Daher kann eine lichtemittierende Halblei tervorrichtung mit langer Lebensdauer ohne Nebenmaximum im Emissionslichtspektrum erreicht werden, bei hoher Produktivität.

Claims

1. AlGaAs/GaAs lichtemittierende Vorrichtung mit
einem mit Störstellen eines ersten Leitungstyps dotierten GaAs- Substrat (11),
einer ersten Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (13) vom ersten Leitungstyp, einer Al_xGA_1-xAs (0 < x < y) aktiven Schicht (15) und einer zweiten Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (15) mit einem dem ersten Leitungstyp entgegengesetzen Leitungstyp, die nacheinander auf dem Substrat (11) aufgebracht sind, wobei Licht (22) von der Oberfläche der zweiten Plattierungsschicht (15) entnommen wird und
einer Al_zGa_1-zAs (0 < = z) Pufferschicht (12), die zwischen dem GaAs-Substrat (11) und der ersten Plattierungsschicht (13) an geordnet ist, die mit Störstellen vom ersten Leitungstyp in einer hohen Dotierungskonzentration so dotiert ist, daß die In tensität von Photolumineszenzlicht, das durch die Band-zu-Band- Übergänge erzeugt wird, hinreichend vermindert wird, und die eine geringere Energie-Band-Lücke aufweist als die des von der licht-emittierenden Vorrichtung selbst emittierten Lichts.

2. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (12) GaAs umfaßt.

3. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit
einem n-Typ GaAs-Substrat (11),
einer ersten n-Typ Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (13), einer Al_xGa_1-xAs (0 < x < y) aktiven Schicht (14) und einer zweiten p-Typ Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (15), die nacheinander auf dem Substrat (11) aufgebracht sind, und
einer GaAs-Pufferschicht (12), die zwischen dem Substrat (11) und der ersten Plattierungsschicht (13) angeordnet ist, die mit n-Typ Störstellen mit einer hohen Konzentration so dotiert ist, daß die Intensität von durch die Band-zu-Band-Übergange erzeugten Photolumineszenzlichts hinreichend vermindert ist.

4. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerkonzentration des GaAs-Substrats (11) 1×10¹⁸cm^-3 bis 3×10¹⁸cm^-3 beträgt und die Ladungsträgerkonzen tration der Pufferschicht (12) 5×10¹⁸cm^-3 oder mehr beträgt.

5. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerkonzentration der Pufferschicht (12) etwa 1×10¹⁹cm^-3 beträgt.

6. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Pufferschicht (12) etwa 0,2 Micron beträgt.

7. AlGaAs/GaAs lichtemittierende Vorrichtung mit
einem mit Störstellen eines ersten Leitungstyps dotierten GaAs- Substrat (11),
einer ersten Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (13) eines ersten Leitungstyps, einer Al_xGa_1-xAs (0 < x < y) aktiven Schicht (14) und einer zweiten Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (15) mit einem dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp, die nacheinander auf dem Substrat (11) aufgebracht sind,
wobei Licht aus der Oberfläche der zweiten Plattierungsschicht (15) entnommen wird und
eine Pufferschicht (32) zwischen dem GaAs-Substrat (11) und der ersten Plattierungsschicht (13) angeordnet ist, die eine Energiebandstruktur vom indirekten Übergangstyp aufweist, deren Energie-Band-Lücke kleiner als die des von der lichtemittierenden Vorrichtung selbst emittierten Lichts ist.

8. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerkonzentration des GaAs-Substrats (11) 1×10¹⁸cm^-3 bis 3×10¹⁸cm^×3 beträgt.

9. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (12) mit Störstellen vom ersten Leitungstyp dotiertes Ge umfaßt.

10. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit
einem n-Typ GaAs-Substrat (11),
einer ersten n-Typ Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (13), einer Al_xGa_1-xAs (0 < x < y) aktiven Schicht (14) und einer zweiten p-Typ Al_yGA_1-yAs-Plattierungsschicht (15), die nacheinander auf dem Substrat (11) aufgebracht sind, und
einer Pufferschicht (32), die zwischen dem Substrat (11) und der ersten Plattierungsschicht (13) vorgesehen ist und eine Energiebandstruktur vom indirekten Übergangstyp aufweist, deren Energie-Band-Lücke kleiner als die des Lichts ist, das von der lichtemittierenden Vorrichtung selbst ausgestrahlt wird.

11. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (32) eine Schicht aus n-Typ Ge ist.

12. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Pufferschicht (32) etwa 1 Micron beträgt.

13. AlGaAs/GaAs-lichtemittierende Vorrichtung mit
einem mit Störstellen eines ersten Leitungstyps dotierten GaAs- Substrat (11),
einer ersten Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (13) eines ersten Leitungstyps, einer Al_xGa_1-xAs (0 < x y)-aktiven Schicht (14) und einer zweiten Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (15) eines dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, die nachein ander auf dem Substrat (11) angeordnet sind, wobei Licht (22) der Oberfläche der zweiten Plattierungsschicht (15) entnommen wird und
eine GaAs-Pufferschicht (42) zwischen dem GaAs-Substrat (11) und der ersten Plattierungsschicht (13) angeordnet ist, die mit Störstellen des ersten Leitungstyps so dotiert ist, daß das Energiemaximum von Photolumineszenzlicht fast dem des Lichts entspricht, das von der lichtemittierenden Vorrichtung selbst ausgestrahlt wird.

14. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerkonzentration des GaAs-Substrats (11) 1×10¹⁸cm^-3 bis 3×10¹⁸cm^-3 beträgt.

15. Lichtemittierende Halbleiterdiode mit
einem n-Typ GaAs-Substrat (11),
einer ersten n-Typ Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (13),
einer Al_xGa_1-xAs (0 < x < y) aktiven Schicht (14) und einer zweiten p-Typ Al_yGa_1-yAs-Plattierungsschicht (15), die nach einander auf dem Substrat (11) angeordnet sind, und
einer zwischen dem GaAs-Substrat (11) und der ersten Plat tierungsschicht (13) vorgesehenen GaAs-Pufferschicht (52), die mit n-Typ Störstellen so dotiert ist, daß die Energiespitze von Photoluminiszenzlicht fast dieselbe des Lichts ist, das von der lichtemittierenden Diode selbst ausgestrahlt wird.

16. Lichtemittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß x des Al_xGa_1-xAs etwa 0,06 beträgt und die Ladungsträgerkon zentration der GaAs-Pufferschicht (42) etwa 7×10¹⁸cm^-3 beträgt.

17. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß x des Al_xGa_1-xAs etwa 0,03 beträgt und die Ladungsträgerkon zentration der GaAs-Pufferschicht (42) etwa 3×10¹⁸cm^-3 be trägt.

18. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Pufferschicht (42) etwa 0,2 Micron beträgt.