DE4310571A1 - Leuchtdiode - Google Patents

Leuchtdiode

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DE4310571A1 DE19934310571 DE4310571A DE4310571A1 DE 4310571 A1 DE4310571 A1 DE 4310571A1 DE 19934310571 DE19934310571 DE 19934310571 DE 4310571 A DE4310571 A DE 4310571A DE 4310571 A1 DE4310571 A1 DE 4310571A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode mit einer auf ein Siliziumsubstrat aufgewachsenen Schichtenfolge aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
Derartige Leuchtdioden sind beispielsweise bekannt als In- AlGaAs-Verbindungshalbleiter auf Silizium. Nachteilig an den bisher bekannten Lösungen ist die geringe Quantenaus­ beute aufgrund von durch Gitterverzerrungen verursachte nichtstrahlende Rekombination und für die Verwendung in der Anzeigetechnik die Emission im Infrarotbereich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leuchtdi­ ode auf Silizium-Substrat anzugeben, die mit guter Effizi­ enz im sichtbaren Bereich emittiert.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Wesentlich an der Erfindung ist die Gitteranpassung an das Silizium-Substrat. Der Anteil x von Stickstoff gegenüber Arsen in der B(V)-Komponente As1-xNx des A(III)-B(V)-Ver­ bindungshalbleitermaterials liegt hierfür vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2. Die relative Differenz in den Git­ terkonstanten ist vorzugsweise <10-3. Mit Gallium als Hauptbestandteil der B(III)-Komponente in der aktiven Schicht ergibt sich ein direkter Bandübergang für die Lichtemission, deren Wellenlänge über den Gehalt von Aluminium und in geringerem Maße auch Indium in der A(III)-Komponente InAlGa der aktiven Schicht von ca. 500 nm bis über 800 nm gezielt eingestellt werden kann.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Abbildung noch eingehend veranschaulicht.
Der in Fig. 1 nicht maßstabstreu skizzierte Aufbau einer Leuchtdiode mit einer Halbleiterschichtenfolge 1 bis 5 weist als unterste Schicht ein n-dotiertes Si-Substrat auf, auf welches eine an das gitterangepaßte n-dotierte AlGaAs1-xNx (0,1 x 0,2) Cladding Schicht 6 als ca. 500 nm dicke Zwischenschicht mit einer Dotierung n ≈ 3 · 1018 cm-3 aufgewachsen ist. Die Heterobarriere zwischen Schicht 4 und dem Substrat läßt sich durch eine Graduierung reduzieren, die insbesondere den Heterowider­ stand vermindert.
Auf die Claddingschicht 4 ist eine ca. 100 nm dicke aktive Schicht 3 aus an das Si-Substrat gitterangepaßtem AlyGa1-yAs1-xNxx mit 2-3 verspannten 5-8 nm dicken AlyGa1-y Quantenwell-Schichten aufgewachsen. Die gesamte aktive Schicht ist undotiert. Mit beispielsweise y ≈ 0,1 liegt die Wellenlänge der Lichtemission zwischen 600 und 700 nm.
In den Quantenwellschichten kann teilweise Gallium gegen Indium ausgetauscht und auf diese Weise durch Kontrolle der Verspannung ein Feinabstimmung der Emissionswellen­ länge vorgenommen werden.
Auf die aktive Schicht 4 folgt eine weitere ca. 500 nm dicke Claddingschicht 2 die wie die Schicht 4 aus an das Si-Substrat gitterangepaßtem AlGaAs1-xNx besteht.
Die auf die aktive Schicht 3 aufgewachsene Schicht 2 ist wieder ein ca. 500 nm dicke Claddingschicht und besteht wie die Claddingschicht 4 aus AlGaAs1-xNx. Sie ist p-dotiert mit einer Konzentration von p ≈ 5 · 1018cm-3. Der Al-Ge­ halt in den Cladding-Schichten 2 und 4 ist so groß zu wäh­ len, daß die Bandlücke energetisch größer ist als in der aktiven Schicht. Zur Kontaktierung ist eine abschließende ca. 20 nm dicke Kontaktschicht aus p⁺-GaAs vorgesehen, die mit einem metallischen Kontakt aus beispielsweise TiAu versehen ist. Die metallische Schicht ist in den Randbe­ reichen durch eine dielektrische Schicht, z. B. aus SiO2 gegen die Kontaktschicht isoliert und läßt ein Fenster F für den Austritt des emittierten Lichts frei. Für den ge­ genpoligen Kontakt kann beispielsweise auf die Unterseite des Si-Substrats eine metallisch AuGeNi-Schicht aufge­ bracht sein.
Die Herstellung einer der beschriebenen Schichtenfolgen kann beispielsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder MO(metall organic)MBE in an sich bekannter Weise er­ folgen. Zur p-Dotierung kann beispielsweise Beryllium, zur n-Dotierung Silizium dienen.
Die erfindungsgemäße Leuchtdiode ist durch das Aufwachsen auf ein Silizium-Substrat besonders zur monolithischen In­ tegration mit weiteren Bauelementen oder mit vollständigen integrierten Schaltkreisen in Silizium-Technologie ge­ eignet und vor allem für die optische Verbindungs- und Kommunikationstechnik, aber auch für die Anzeige- und Be­ leuchtungstechnik vorteilhaft.
Die Erfindung ist in entsprechender Weise auch auf andere, von der skizzierten Bauform abweichende Bauarten von Leuchtdioden anwendbar.

Claims (7)

1. Leuchtdiode mit einer auf ein Siliziumsubstrat aufge­ wachsenen Schichtenfolge aus A(111) B (V) -Verbindungshalb­ leitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbin­ dungshalbleitermaterial an das Siliziumsubstrat gitteran­ gepaßt ist und als B(V)-Komponente As1-xNx enthält.
2. Leuchtdiode nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht als A(III)-Komponente überwiegend Gallium enthält.
3. Leuchtdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aktive Schicht der Schichtenfolge aus AlGaAsNx mit mehreren eingebetteten verspannten Quanten­ well-Schichten aus AlGaAs besteht.
4. Leuchtdiode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aktive Schicht undotiert ist.
5. Leuchtdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwell-Schichten zusätzlich In enthalten.
6. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gekenn­ zeichnet durch die Emission von Licht im sichtbaren Be­ reich.
7. Leuchtdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die monolithische Integration mit Si­ lizium-Bauelementen.
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