DE69414498T2 - Licht-emittierende Halbleitervorrichtung - Google Patents

Licht-emittierende Halbleitervorrichtung

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Description

    Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung und genauer ein sichtbares Licht emittierendes Element (Halbleiterleser, Leuchtdiode, usw.), insbesondere die Struktur einer Leuchtdiode, die eine mittels epitaxialem Wachstum auf einem GaAs-Substrat gebildete, aktive AlGaInP-Schicht aufweist.
    • 2. Stand der Technik
  • Eine Leuchtdiode, in welcher ein lichtemittierender Schichtabschnitt aus einer AlGaInP-Doppel-Heterojunction-Struktur besteht, ist dafür bekannt, einen sehr hohen Quantenwirkungsgrad aufzuweisen, und wurde als sichtbares Licht emittierende Diode mit hoher Helligkeit in praktischem Gebrauch genommen. Der lichtemittierende Schichtabschnitt umfaßt eine aktive AlGaInP-Schicht und erste und zweite AlGaInP-Hüllschichten, die die aktive Schicht sandwichartig einfassen. Diese AlGaInP-Schichten weisen unterschiedliche Zusammensetzungsverhältnisse auf und sind auf ein GaAs-Substrat aufgewachsen, während eine Gitteranpassung beibehalten wurde.
  • Die Energie der von der aktiven AlGaInP-Schicht emittierten Photonen ist jedoch größer als der Bandabstand des GaAs, das das Substrat bildet. Das GaAs-Substrat wirkt somit als Absorptionsschicht für das emittierte Licht. Daher wird das zum GaAs-Substrat hin emittierte Licht durch das GaAs-Substrat absorbiert, so daß nur das zu einer Lichtauslaßseite hin emittierte Licht zur Helligkeit der lichtemittierenden Diode beiträgt und in einer ineffizienten Helligkeit resultiert.
  • Um die Absorption des emittierten Lichts durch das GaAs-Substrat zu reduzieren, gibt es ein Verfahren, bei welchem eine lichtreflektierende Schicht, die abwechselnd laminierte Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfaßt, zwischen dem GaAs-Substrat und dem lichtemittierenden Lichtabschnitt vorgesehen ist, so daß das zum GaAs-Substrat hin emittierte Licht durch die lichtreflektierende Schicht zur Lichtauslaßseite hin reflektiert wird, um die Lichtausbeute zu verbessern. Die Lichtreflektionsschicht wird im allgemeinen durch abwechselndes Laminieren einer großen Anzahl von Schichten mit hohem Brechungsindex und Schichten mit niedrigem Brechungsindex gebildet, wobei die optische Dicke von jeder Schicht etwa 1/4 der Wellenlänge des emittierten Lichts beträgt. AlGaAs, AlGaInP oder eine Kombination dieser Materialen wird für die lichtreflektierenden Schichten benutzt.
  • Meistens wird eine lichtreflektierende Schicht unter Benutzung von AlwGa1-wAs benutzt, teilweise weil AlwGa1-wAs mit GaAs nahezu in Gitteranpassung ist. Insbesondere wird zum Beispiel eine lichtreflektierende Schicht benutzt, die durch alternierendes Laminieren von Al0,6Ga0,4As- und Al0,8Ga0,2As-Schichten gebildet ist.
  • Fig. 3 zeigt eine Querschnittsstruktur einer herkömmlichen Leuchtdiode, die eine lichtreflektierende Schicht unter Benutzung von AlwGa1-wAs aufweist. In dieser Leuchtdiode sind eine lichtreflektierende Schicht 11, ein lichtemittierender Schichtabschnitt 15 und eine Stromverteilschicht 16 vom p-Typ eine nach der anderen auf einem GaAs-Substrat 10 vom n-Typ ausgebildet. Der lichtemittierende Lichtabschnitt 15 weist eine Doppel-Heterojunktion-Struktur mit einer Al-GaInP-Deck- oder Hüllschicht 12 vom n-Typ, einer aktiven AlGaInP-Schicht 13 und einer AlGaInP-Deck- oder Hüllschicht 14 vom p-Typ auf, die eine nach der anderen übereinander geschichtet sind. Das Zusammensetzungsverhältnis in der aktiven Schicht 13 wird entsprechend einer gewünschten Emissionswellenlänge bestimmt. Ein Beispiel wäre (AlyGa1-y)0,51In0,49P (wobei 0 ≤ y ≤ 0,7). Die lichtreflektierende Schicht umfaßt eine große Anzahl von alternierend laminierten Al0,6Ga0,4As-Schichten 11a vom n-Typ und Al0,8Ga0,2As-Schichten 11b vom n-Typ, von denen jede eine Dicke von etwa 40 nm aufweist. Die Stromverteilschicht 16 vom p-Typ (zum Beispiel eine p-Typ Al0,7Ga0,3As-Stromverteilschicht) ist vorgesehen, um den Strom von einer p-Elektrode (in der Zeichnung nicht gezeigt), die auf der Stromverteilschicht 16 ausgebildet ist, in den gesamten Bereich der aktiven AlGaInP-Schicht 13 zu verteilen, die eine lichtemittierende Schicht ist, so daß die Lichtemission wirkungsvoller ist.
  • Wie oben beschrieben, sind Al0,6Ga0,4As und Al0,8Ga0,2As in relativ guter Gitteranpassung mit GaAs. Jedoch gibt es eine etwa 0,1% Gitterfehlanpassung bei Raumtemperatur, die eine innere Spannung in der lichtreflektierenden Schicht bewirkt. Dies führt zu einer Verschlechterung der Lichtemissionseigenschaften, wenn der Leuchtdiode über eine längere Zeit Elektrizität zugeführt wird, um Licht zu emittieren.
  • Wenn AlGaInP für die lichtreflektierende Schicht benutzt wird, kann die Gitterfehlanpassung mit GaAs bei Zimmertemperatur durch Steuerung der Mischkristall-Zusammensetzung, insbesondere der In-Zusammensetzung, sehr klein gemacht werden. Daher ist es möglich, eine lichtreflektierende Schicht mit einem beachtlichen Reflektionsvermögen und keiner inneren Spannung durch Optimieren der Zusammensetzung der alternierend laminierten AlGaInP-Schichten zu bilden. Da es jedoch schwierig ist, eine AlGaInP-Schicht mit einer Gesamtdicke von über 3 bis 4 um auf ein GaAs-Substrat aufzuwachsen, ohne Kompromisse bei der Kristallqualität hinnehmen zu müssen, wird dieses Material für lichtreflektierende Schichten vorzugsweise nicht benutzt.
  • Ein bekannter verteilter Bragg-Reflektor für InGaAlP Leuchtdioden (Proceedings of the 19th, International Symposion on GaAs and Related Compounds, Karuiza, JP, 28.09.-02.10.1992, Institute of Physics Conference Series No. 129, pages 845 to 850) umfaßt eine Viertel-Wellenlängenstruktur von alternierend laminierten Schichten, die aus Materialien mit hohen und niedrigen Brechungsindizes bestehen. Eine InAlP-Dreifachlegierung wird für die Schichten mit nierigem Brechungsindex benutzt, während die InGaAlP, InGaP oder GaAs alternativ für die Schichten mit hohem Brechungsindex benutzt werden.
  • Ein bekannter DH-Laser (US-A-3 958 263) mit einer verbesserten Gitteranpassung bei Zimmertemperatur umfaßt in dieser Reihenfolge ein n-GaAs-Substrat, eine n-AlwGa1-wAs1-vpv-Schicht, eine n-Typ, p-Typ oder kompensierte GaAs- Schicht, eine p-AlxGa1-xAs1-zPz-Schicht und eine p-GaAs-Schicht. Die GaAs- Schicht, die sandwichartig von den AlGaAsP-Schichten eingefaßt wird, kann auch Al oder Al und P aufweisen.
    • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit einer lichtreflektierenden Schicht zu schaffen, in welcher es keine innere Spannung gibt und die Lichtemissionseigenschaften nicht nach einer längeren Zeit der Stromzuführung für den Leuchtbetrieb verschlechtert sind.
  • Diese Aufgabe wird durch die lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die für die alternierend laminierten Schichten der Lichtreflektionsschicht benutzten Materialien sind beispielsweise Al0,6Ga0,4As0,98P0,02 und Al0,8Ga0,2As0,97P0,03. Ein Material einer aktiven Schicht, die den lichtemittierenden Schichtabschnitt bildet, ist beispielsweise (AlyGa1-y)0,51In0,49P (wobei 0 ≤ y ≤ 0,7).
  • Der bei der Erfindung für die lichtreflektierende Schicht benutzte AlwGa1-wAs1-vPv (wobei 0 < w &le; 1,0 < v &le; 0,05w), Mischkristall weist eine sehr gute Gitteranpassung mit dem GaAs-Substrat und eine signifikant reduzierte innere Spannung auf, die durch die Gitterfehlanpassung zwischen den Schichten bei Raumtemperatur bewirkt wird. Sie kann also relativ dick auf dem GaAs-Substrat aufgewachsen werden, ohne Kompromisse bei der Kristallqualität einzugehen. Da die Menge von P, die zur Gitteranpassung mit dem GaAs-Substrat zugefügt ist, sehr klein ist, sind die elektrischen und optischen Eigenschaften von AlGaAsP nicht sehr verschieden von denen von AlGaAs. Wenn AlwGa1-wAs1-vPv für die lichtreflektierende Schicht benutzt wird, kann daher die lichtreflektierende Schicht, die keine innere Spannung und ein hohes Lichtreflektionsvermögen aufweist, ohne Kompromisse bei der Kristallqualität erhalten werden, was zu einer Verbesserung der Langzeitzuverlässigkeit führt.
  • AlwGa1-wAs1-vPv, z. B. Al0,6Ga0,4As0,98P0,02 und Al0,8Ga0,2As0,97P0,03 weist einen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten auf, der von dem von GaAs verschieden ist, daher sind AlwGa1-wAs1-vPv und GaAs bei einer Wachstumstemperatur von beispielsweise 710ºC tatsächlich in einem Zustand der Gitterfehlanpassung. Die Gitterfehlanpassung bei Wachstumstemperatur ist etwa 0,1%, was grob das gleiche ist, wie die Gitterfehlanpassung zwischen Al0,6Ga0,4As und GaAs bei Raumtemperatur ist. Wenn Kristalle in einem Zustand der Gitterfehlanpassung epitaxial aufgewachsen werden, werden im allgemeinen Fehlanpassungsversetzungen eingeführt, die die Vorrichtungseigenschaften nachteilig beeinträchtigen. In dem Fall der lichtreflektierenden Schicht ist jedoch die Dicke jeder Schicht, nur etwa 40 nm dünn. Die Gitterfehlanpassung wird somit durch die elastische Deformation der epitaxialen Schichten aufgenommen, und Fehlanpassungsversetzungen werden nicht eingeführt. Es ist bekannt, daß, wenn eine Vielfachschicht unter derartigen Bedingungen gebildet wird, die Dichte von eindringenden Versetzungen von dem Substrat zu der Epitaxialschicht in Folge des sogenannten "Übergitter-Effekts verspannter Schichten (strained letter superlayer's effect)" verringert ist. Daher können zweifache Verbesserungen der Vorrich tungseigenschaften durch die Benutzung von AlwGa1-wAs1-vPv erreicht werden.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 zeigt die Querschnittsstruktur der Leuchtdiode eines Beispiels dieser Erfindung.
  • Fig. 2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm der Aufwachsvorrichtung, die zum Aufwachsen jeder Schicht durch das MOVPE-Verfahren benutzt wird.
  • Fig. 3 zeigt die Querschnittsstruktur einer herkömmlichen Leuchtdiode.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Beispiele dieser Erfindung werden unten im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt die Querschnittsstruktur einer Leuchtdiode eines Beispiels dieser Erfindung. Außer für die lichtreflektierende Schicht ist die Grundstruktur der Leuchtdiode dieses Beispiels die gleiche wie die der konventionellen Leuchtdiode, die in Fig. 3 gezeigt ist. Teile in Fig. 1, die identisch oder äquivalent zu den entsprechenden Teilen in Fig. 3 sind, sind mit denselben Bezugszeichen und Symbolen versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen. Bei der erfindungsgemäßen Leuchtdiode werden eine lichtreflektierende Schicht 20, ein lichtemittierender Schichtabschnitt 15 und ein Al0,7Ga0,3As0,97P0,03 Stromverteilschicht 16 vom p-Typ eine nach der anderen auf einem GaAs-Substrat 10 vom n-Typ ausgebildet. Die lichtreflektierende Schicht 20 umfaßt eine große Anzahl von alternierend laminierten Al0,6Ga0,4As0,98P0,02- und Al0,8Ga0,2As0,97P0,03- Schichten 20a bzw. 20b, von denen jede eine Dicke von etwa 40 nm aufweist.
  • Für das Kristallwachstum jeder epitaxialen Schicht einschließlich der Lichtreflektionsschicht 20 kann beispielsweise das MOVPE-Verfahren benutzt werden. Fig. 2 zeigt eine Beispielskonfiguration einer Aufwachsvorrichtung, die zum Aufwachsen der Schichten mit dem MOVPE-Verfahren benutzt wird. Der diese Vorrichtung benutzende Aufwachsprozeß ist folgender: Der Dampf von verschiedenen metallorganischen Komponenten von Metallelementen der Gruppe III und Hydride von Elementen der Gruppe V in der Gasphase werden gemischt und das erhaltene Mischgas wird in einen Prozeßbehälter mit Partialdrücken und Flußra ten eingeleitet, die entsprechend der gewünschten Zusammensetzung der Wachstumsschicht eingestellt sind, dann werden die gewünschten Wachstumsschichten eine nach der anderen auf dem GaAs-Substrat 10 vom n-Typ ausgebildet, das in dem Prozeßbehälter 30 angeordnet ist.
  • Als Quellenmaterialien für die Matrix werden Trimethylaluminium (in Fig. 2 als "TMAl" bezeichnet) als Quelle für Al, Trimethylgallium (in Fig. 2 als "TMGa" bezeichnet) für Ga, Trimethylindium (in Figur zwei als "TMIn" bezeichnet) für In, Phosphin (Ph&sub3;) für P und Arsin (AsH&sub3;) für As benutzt. Als Dotierstoffe werden Dlmethylzink (in Fig. 2 als "DMZn" bezeichnet) und Wasserstoffselenit (H&sub2;Se) benutzt. Es ist unnötig zu sagen, daß auch andere Materialien als diese benutzt werden können. Für das Substrat wird ein zwei-Inch-GaAs-(100)-Wafer benutzt. Das MOVPE-Wachstum kann unter folgenden Bedingungen ausgeführt werden: Die Wachstumstemperatur ist 710ºC, das Zuführverhältnis von Elementen der Gruppen V und III (V/III-Verhältnis) ist 100 und die Wachstumsrate ist 4 um/h.
  • Beim Aufwachsen der AlGaAsP-Mischkristalle ist es nötig, die Konzentrationen von Ph&sub3; als Quelle für P und AsH&sub3; für As genau zu steuern. Dies kann einfach durch ein Verfahren erreicht werden, bei dem eine herkömmliche Massenflußsteuervorrichtung benutzt wird, um die Flußrate von jedem Gas zu steuern. Da eine viel größere Menge von Ph&sub3; während des Wachstums von AlGaInP zugeführt werden muß und die zuzuführende Menge von Ph&sub3; beträchtlich unterschiedlich von der während des AlGaAsP-Wachstums ist, ist es wünschenswert zwei oder mehr Zuführleitungen für Ph&sub3; zu haben, wie in Fig. 2 gezeigt.
  • Der Lichtemissionsbetrieb der wie oben beschrieben hergestellten Leuchtdiode wurde für einen Lebensdauertest für 1.000 Stunden bei 50 mA Gleichstrom in einer Umgebung mit einer Temperatur von 85ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 85% ausgeführt. Das Verhältnis der Helligkeit nach 1.000 Stunden verglichen mit der Anfangshelligkeit war 85%. Dies war eine Verbesserung gegenüber dem 65%-Verhältnis für die in Fig. 3 gezeigte herkömmliche Leuchtdiode, bei welcher für Vergleichszwecke das identische p-Typ Al0,7Ga0,3As0,97P0,03-Material wie beim Beispiel für die p-Typ-Stromverteilschicht benutzt wurde. Es wurde daher bestätigt, daß die Leuchtdiode dieses Beispiels eine bessere Langzeitzuverlässigkeit aufweist.
  • Bei dem oben beschriebenen Beispiel umfassen die alternierend laminierten Schichten AlwGa1-wAs1-vPv. Es ist jedoch auch möglich, eine Kombination von AlGaAsP und AlGaInP zu benutzen.
  • In dem oben beschriebenen Beispiel werden zwei Arten von dünnen Schichten periodisch in einer regelmäßigen Weise laminiert. Es ist jedoch auch möglich, die regelmäßige Ordnung der alternierenden Lamination zu unterbrechen, um das Reflektionsband der lichtreflektierenden Schicht zu erweitern. Im allgemeinen wäre dies für eine Leuchtdiode mit einer breiten Halbwertsbreite des Lichtemissionsspektrums wirkungsvoll. Beispielsweise ist es möglich die Reflektionsbanderweiterung durch beliebige Änderungen des Mischkristallverhältnisses oder der Dicke jeder Schicht bei den alternierend laminierten Schichten zu erreichen.
  • Wie soweit beschrieben ist es erfindungsgemäß möglich die innere Spannung signifikant zu verringern und die Vorrichtungseigenschaften, insbesondere die Langzeitzuverlässigkeit der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung zu verbessern.

Claims (5)

1. Licht emittierende Halbleitervorrichtung, in welcher ein lichtemittierender Schicht-Abschnitt (15) mit AlGaInP-Schichten auf einem GaAs Substrat (10) und dazwischen eine lichtreflektierende Schicht (20) gebildet ist, die zumindest erste und zweite abwechselnd geschichtete Schichten (20a, 20b) mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten Schichten (20a) AlwGa1-wAs1-vPv umfassen, wobei
0 < w &le; 1 und
0 < v &le; 0,05w; und
die zweiten Schichten (20b) AlxGa1-xAs1-zPz umfassen, wobei
0 < x &le; 1, x &ne; w,
0 < z &le; 0,05x und z &ne; v.
2. Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Schicht, die den lichtemittierenden Schicht-Abschnitt (15) bildet, eine (AlyGa1-y)0,51In0,49P-Schicht umfaßt (wobei 0 &le; y &le; 0,7).
3. Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (20) Al0,6Ga0,4As0,98P0,02-Schichten (20a) und Al0,8Ga0,2As0,97P0,03- Schichten (20b) umfaßt, die abwechselnd geschichtet sind.
4. Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der abwechselnd geschichteten. Schichten (20a und 20b) in der lichtreflektierenden Schicht (20) eine Dicke von etwa 40 nm (400 Å) aufweist.
5. Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromverteilschicht (16) auf dem lichtemittierenden Schicht-Abschnitt (15) vorgesehen ist.
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