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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtemitter auf der
Basis eines Nitrids eines Metalls der Gruppe III, wie
Leuchtdioden und Laserdioden.
Hintergrund der Erfindung
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Von den Leuchtdioden emittiert eine Leuchtdiode auf der Basis
eines Nitrids eines Metalls der Gruppe III kurze Wellenlängen,
zum Beispiel grünes bis ultraviolettes Licht. Einige davon
weisen eine doppelte Heterostruktur auf, die im wesentlichen
eine Plattierschicht des n-Typs, eine aktive Schicht und eine
Plattierschicht des p-Typs umfaßt, die über eine Pufferschicht
nacheinander auf einem Substrat gebildet werden.
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Diese Plattierschicht des n-Typs, die aktive Schicht und die
Plattierschicht des p-Typs sind mit verschiedenen
Dotierungsmitteln dotiert, um den Leitungstyp zu steuern oder ein
lichtemittierendes Zentrum zu bilden, wobei als Dotierungsmittel
zum Beispiel häufig Si, Ge und dergleichen für die
Plattierschicht des n-Typs, Zn, Cd, Si und dergleichen für die aktive
Schicht und Zn, Mg, Cd, Be und dergleichen für die
Plattierschicht des p-Typs verwendet werden.
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Wie zum Beispiel in Fig. 2 dargestellt, umfaßt eine bekannte
Leuchtdiode auf der Basis eines Nitrids eines Metalls der
Gruppe III mit einer doppelten Heterostruktur eine
Plattierschicht des n-Typs 13, eine aktive Schicht 14 und eine
Plattierschicht des p-Typs 16, die über eine Pufferschicht 12
nacheinander auf einem Substrat 11 gebildet werden.
Insbesondere wird als Substrat 11 ein Saphirsubstrat verwendet; für
die Plattierschicht des n-Typs 13 und die Plattierschicht des
p-Typs 16 werden AlGaN-Materialien verwendet; für die aktive
Schicht 14 wird InGaN-Material verwendet; als Dotierungsmittel
für die Plattierschicht des n-Typs 13 wird Si verwendet; als
Dotierungsmittel für die Plattierschicht des p-Typs 16 wird Mg
verwendet; und als Dotierungsmittel für die aktive Schicht 14
werden Zn, Si und dergleichen verwendet.
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Von den verschiedenen Dotierungsmitteln, die für diese
Plattierschicht des n-Typs, die aktive Schicht und die
Plattierschicht des p-Typs verwendet werden, diffundieren Mg, Zn und
dergleichen, mit denen die aktive Schicht und die
Plattierschicht des p-Typs dotiert werden, während des Abscheidens
jeder oben genannten Schicht und während der Lichtemission der
hergestellten Diode leicht in die benachbarten
Halbleiterschichten. Als Ergebnis reduziert zum Beispiel das
Dotierungsmittel, das sich aufgrund der Diffusion aus der
Plattierschicht des p-Typs zur aktiven Schicht bewegt, die Menge des
Dotierungsmittels in der Plattierschicht des p-Typs. Außerdem
kann das in die aktive Schicht diffundierte Dotierungsmittel
ein strahlungsloses Rekombinationszentrum bilden. Folglich
nimmt die Leuchtintensität der Leuchtdiode ab, was die
Lebensdauer der Diode letztlich verkürzt. Zum Beispiel kann die
Verwendung der Diode während 5000 Stunden die Leuchtintensität
auf weniger als 50% der ursprünglichen Leuchtintensität
reduzieren.
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Die Diffusion wird im allgemeinen mit zunehmender Temperatur
gefördert, und die Temperatur während des Abscheidens der
Halbleiterschichten variiert je nach dem Schmelzpunkt der für
jede Schicht verwendeten Materialien. Jede Schicht einer
Leuchtdiode auf der Basis eines Nitrids eines Metalls der
Gruppe III, die aus GaN, AlGaN-Materialien, InGaN-Materialien
und dergleichen besteht, muß bei höheren Temperaturen
abgeschieden werden, wodurch die Diffusion von Dotierungsmitteln
gefördert wird. Außerdem geht mit der Emission des Lichts die
Bildung von Wärme einher, was unvermeidlich eine, wenn auch
nur allmähliche, Diffusion von Dotierungsmitteln bewirkt.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die
Diffusion von Dotierungsmitteln in einem Lichtemitter auf der Basis
eines Nitrids eines Metalls der Gruppe III, wie Galliumnitrid,
zu unterdrücken und dadurch eine Verschlechterung seiner
Eigenschaften zu verhindern.
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JP-A-06283825 offenbart eine diffusionsunterdrückende AlGaN-
Schicht zwischen einer aktiven GaN-Schicht und einer AlGaN-
Plattierschicht des p-Typs. US-A-5,345,463 offenbart eine
mehrschichtige diffusionsunterdrückende AlGaInP-Schicht.
Kurzbeschreibung der Erfindung
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Der Lichtemitter auf der Basis eines Nitrids eines Metalls der
Gruppe III, wie Leuchtdioden und Laserdioden, gemäß der
Erfindung hat eine doppelte Heterostruktur, wie es in den
Ansprüchen skizziert ist.
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Die mehrschichtige diffusionsunterdrückende InGaAlN-Schicht
soll die wechselseitige Diffusion von Dotierungsmitteln
unterdrücken, die zwischen der Plattierschicht des p-Typs und der
aktiven Schicht erfolgt und die die Eigenschaften des Emitters
beeinträchtigt. Insbesondere soll die diffusionsunterdrückende
Schicht die. Diffusion des Dotierungsmittels der
Plattierschicht des p-Typs in die aktive Schicht unterdrücken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Leuchtdiode auf der
Basis eines Nitrids eines Metalls der Gruppe III.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine herkömmliche
Leuchtdiode auf Galliumnitridbasis.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Diode von Fig. 1 hat eine doppelte Heterostruktur, wobei
auf einem Substrat 1 eine Pufferschicht 2 gebildet wird, und
nacheinander eine Plattierschicht des n-Typs 3, eine aktive
Schicht 4, eine diffusionsunterdrückende Schicht 5 und eine
Plattierschicht des p-Typs 6 darauf gebildet werden.
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Die Materialien für die Plattierschicht des n-Typs 3 und für
die Plattierschicht des p-Typs 6 werden gemäß dem für die
aktive Schicht 4 verwendeten Material bestimmt; Beispiele
dafür sind GaN, AlGaN-Materialien, wie Al0,1Ga0,9N, InGaN-
Materialien, wie In0,1Ga0,9N, und InGaAIN-Materialien. Die
Dicke jeder Schicht beträgt 2-6 um für die Plattierschicht des
n-Typs 3 und etwa 0,3-1,5 um für die Plattierschicht des p-
Typs 6. Während das Material der aktiven Schicht 4 je nach dem
Wellenlängenbereich des Lichts, das von der herzustellenden
Diode emittiert wird, variiert, können InGaN-Materialien, wie
In0,1Ga0,9N, In0,2Ga0,8N und In0,4Ga0,6N, GaN und dergleichen
verwendet werden, und die Dicke beträgt etwa 0,001-0,1 um. Die
Dotierungsmittel für die Plattierschicht des n-Typs 3 sind im
Hinblick auf die Leitung des n-Typs vorzugsweise die Elemente
Si, Ge, Sn und dergleichen. Si ist besonders zu bevorzugen, da
es eine hohe Dotierungseffizienz und eine feine Oberfläche der
dotierten Schicht liefert. Die Dotierung wird so durchgeführt,
daß die Konzentration der Ladungsträger 1 · 10¹&sup7; bis 1 · 10¹&sup9;
cm 3 beträgt. Ähnlich sind für die Plattierschicht des p-Typs 6
im Hinblick auf die Leitung des p-Typs die Elemente Zn, Mg,
Cd, Be und dergleichen zu bevorzugen. Von diesen ist Mg
besonders zu bevorzugen, da es ein niedrigeres Akzeptorniveau zeigt
und leicht aktiviert werden kann. In diesem Fall wird die
Dotierung so durchgeführt, daß die Konzentration der
Ladungsträger 3 · 10¹&sup7; bis 8 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ beträgt. Für die aktive
Schicht 4 werden je nach der Wellenlänge des von der Diode
emittierten Lichts verschiedene Dotierungsmittel verwendet.
Zum Emittieren von ultraviolettem Licht wird vorzugsweise Si
verwendet, und zum Emittieren von blauem bis blaugrünem Licht
werden vorzugsweise Zn, Cd, Si und dergleichen verwendet. Von
den zum Emittieren von blauem bis blaugrünem Licht verwendeten
Dotierungsmitteln sind Zn und Si im Hinblick auf die
Handhabung ihrer Vorstufe besonders zu bevorzugen.
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Von den verschiedenen Dotierungsmitteln, mit denen die oben
genannte Plattierschicht des n-Typs 3, Plattierschicht des p-
Typs 6 und aktive Schicht 4 dotiert werden, diffundieren Zn
und Mg jedoch leicht in die benachbarten Schichten. Daher wird
in der Leuchtdiode auf der Basis eines Nitrids eines Metalls
der Gruppe III der vorliegenden Erfindung, die eine doppelte
Heterostruktur aufweist, zwischen der Plattierschicht des p-
Typs 6, die mit Mg und dergleichen dotiert wird, und der
aktiven Schicht 4 eine diffusionsunterdrückende Schicht 5
gebildet, um die Diffusion solcher leicht beweglicher
Dotierungsmittel zu unterdrücken oder zu verhindern. Solche leicht
beweglichen Dotierungsmittel können sich aufgrund von
Diffusion oder Migration bewegen. Die diffusionsunterdrückende
Schicht unterdrückt oder verhindert die Bewegung der
Dotierungsmittel aufgrund von Diffusion und/oder Migration.
Entsprechend umfaßt die Diffusion der Dotierungsmittel hier auch
die Bewegung aufgrund von Migration.
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Die diffusionsunterdrückende Schicht 5 genügt zur Verwendung,
solange sie wenigstens den größten Teil der Diffusion der
Dotierungsmittel zwischen der Plattierschicht des p-Typs 6 und
der aktiven Schicht 4 unterdrücken kann. Vorzugsweise
unterdrückt sie die Diffusion im wesentlichen und sicher, oder sie
verhindert die Diffusion. Zur Verbesserung der Unterdrückungs-
oder Verhinderungseigenschaften der diffusionsunterdrückenden
Schicht 5 wird die Dicke der diffusionsunterdrückenden Schicht
5 im allgemeinen erhöht; in diesem Fall muß auch die für die
Lichtemission erforderliche Vorwärtsspannung erhöht werden,
was zu Problemen wie einer geringen Lichtemissionseffizienz
führt. Wenn die Dicke der diffusionsunterdrückenden Schicht 5
andererseits unzureichend ist, ist ihre Unterdrückungswirkung
gering. Die Dicke der diffusionsunterdrückenden Schicht 5
beträgt daher 0,001-2 um, insbesondere 0,005-0,5 um,
insbesondere 0,01-0,2 um.
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Kleinere Konzentrationen der Fremdatome in der
diffusionsunterdrückenden Schicht 5 sind zu bevorzugen, da die Diffusion
der Dotierungsmittel zwischen den oben genannten Schichten in
der diffusionsunterdrückenden Schicht 5 absorbiert werden
kann, während der Grad der Diffusion von Fremdatomen in der
diffusionsunterdrückenden Schicht 5 gesenkt werden kann, so
daß die Diffusion noch effektiver unterdrückt wird. Zu diesem
Zweck ist die diffusionsunterdrückende Schicht 5 insbesondere
vorzugsweise eine undotierte Schicht.
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Wenn die Leuchtdiode auf der Basis eines Nitrids eines Metalls
der Gruppe III durch epitaktisches Aufwachsen hergestellt
wird, unterliegt das Material der diffusionsunterdrückenden
Schicht 5 keiner besonderen Einschränkung, solange sein Gitter
entweder zu dem der Plattierschicht des p-Typs 6 und zu dem
der aktiven Schicht 4 paßt, wobei unter dem Aspekt des oben
genannten Zusammenpassens der Gitter InXGayAl1-x-yN bevorzugt
wird, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y 1 und x + y ≤ 1, da die
Materialien der beiden Schichten, die die diffusionsunterdrückende
Schicht 5 zwischen sich einschließen, hauptsächlich GaN,
AlGaN-Materialien, InGaN-Materialien und InGaAlN-Materialien
sind. Insbesondere seien GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlN
und InGaAlN als Beispiele für das Material der
diffusionsunterdrückenden Schicht 5 genannt.
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Die diffusionsunterdrückende Schicht 5 gemäß der vorliegenden
Erfindung hat eine mehrschichtige Struktur. Die Grenzfläche
zwischen Schichten in der mehrschichtigen Struktur neigt dazu,
die Dotierungsmittel, die in die diffusionsunterdrückende
Schicht 5 eingetreten sind, abzufangen, wodurch die
unterdrückende Wirkung der diffusionsunterdrückenden Schicht 5 auf die
Diffusion des Dotierungsmittels in vorteilhafter Weise
verbessert werden kann. Eine solche mehrschichtige Struktur kann
gebildet werden, indem man wenigstens zwei Arten von
Materialien, wie sie oben genannt sind, abwechselnd laminiert. Zum
Beispiel wird eine erste Schicht aus GaN hergestellt, und eine
zweite Schicht wird aus AlGaN gebildet. Dieses Schichtenpaar
wird laminiert, indem man die Schichten jeweils abwechselnd
bildet, was eine gewünschte mehrschichtige Struktur ergibt.
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Während zur Bildung der mehrschichtigen Struktur eine
beliebige Zahl von Schichten und Materialien verwendet werden kann,
beträgt die Gesamtzahl der Schichten vorzugsweise 2-50, noch
mehr bevorzugt 2-10, und die Anzahl der Materialien ist aus
Gründen der leichten Herstellbarkeit 2-4, vorzugsweise 2.
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Die Materialien der obersten und der untersten Schicht, die
mit der Plattierschicht des p-Typs oder der aktiven Schicht in
Kontakt kommen, haben vorzugsweise überlegene Eigenschaften
hinsichtlich des Zusammenpassens der Gitter, um die
Herstellung zu erleichtern.
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In der Vorrichtung von Fig. 1 kann die unmittelbar auf der
Pufferschicht 2 gebildete Plattierschicht des n-Typs durch die
Plattierschicht des p-Typs ausgetauscht werden; in diesem Fall
werden auf der Substratschicht nacheinander eine
Pufferschicht, eine Plattierschicht des p-Typs, eine
diffusionsunterdrückende Schicht, eine aktive Schicht und eine
Plattierschicht des n-Typs gebildet.
Beispiel 1, kein Bestandteil der Erfindung
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Eine LED mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur wurde
hergestellt. Ein Saphir-(0001)-Substrat wurde als Substrat 1
verwendet, eine AlN-Schicht wurde als Pufferschicht 2 gebildet,
eine Si-dotierte GaN-Schicht wurde als Plattierschicht des n-
Typs 3 gebildet, eine Zn-dotierte InGaN-Schicht wurde als
aktive Schicht 4 gebildet, eine undotierte GaN-Schicht wurde
als diffusionsunterdrückende Schicht 5 gebildet, und eine
Mgdotierte GaN-Schicht wurde als Plattierschicht des p-Typs 6
gebildet.
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Die LED wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Zuerst
wurde das Substrat 1 in eine Abscheidungskammer gelegt, wobei
die Temperatur des Substrats in einer Wasserstoffatmosphäre
auf 1050ºC eingestellt wurde und das Substrat 10 min lang
einer Wärmebehandlung unterzogen wurde. Dann wurde die
Substrattemperatur auf 500ºC gesenkt, und die AlN-Pufferschicht 2
(0,03 um) wurde gebildet, indem man Trimethylaluminium (TMA)
in einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 cm³/min und NH&sub3; in
einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 l/min in die
Abscheidungskammer einleitete. Die Substrattemperatur wurde auf
1020ºC erhöht, und die Si-dotierte GaN-Plattierschicht des n-
Typs 3 (ca. 3 um) wurde gebildet, indem man Trimethylgallium
(TMG) in einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 cm /min. NH&sub3; in
einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 l/min und SiH&sub4; in einer
Strömungsgeschwindigkeit von 30 cm /min in die
Abscheidungskammer einleitete. Dann wurde die Substrattemperatur auf 700ºC
gesenkt, und die aktive Zn-dotierte In0,2Ga0,8N-Schicht 4 (ca.
0,01 um) wurde gebildet, indem man Trimethylindium (TMI) in
einer Strömungsgeschwindigkeit von 200 cm /min. TMG in einer
Strömungsgeschwindigkeit von 40 cm /min. NH&sub3; in einer
Strömungsgeschwindigkeit von 4 l/min und Dimethylzink (DMZ) in
einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 cm /min in die
Abscheidungskammer einleitete. Die Substrattemperatur wurde auf
1020ºC erhöht, und die diffusionsunterdrückende undotierte
GaN-Schicht 5 (ca. 0,03 um) wurde gebildet, indem man TMG in
einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 cm³/min und NH&sub3; in einer
Strömungsgeschwindigkeit von 4 l/min in die Abscheidungskammer
einleitete. Schließlich wurde die Mgdotierte
GaN-Plattierschicht des p-Typs 6 (ca. 0,8 um) gebildet, indem man bei
einer Substrattemperatur von 1020ºC TMG in einer
Strömungsgeschwindigkeit von 50 cm /min. NH&sub3; in einer
Strömungsgeschwin
digkeit von 4 l/min und Bis(cyclopentadienyl)magnesium (Cp&sub2;Mg)
in einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 cm /min in die
Abscheidungskammer einleitete. Auf diese Weise wurde eine
Leuchtdiode auf der Basis eines Nitrids eines Metalls der
Gruppe III hergestellt. Dann wurde bei 700ºC eine
Hitzebehandlung von 15 min in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, um
Mg zu aktivieren. Die Konzentration an Ladungsträgern in der
Plattierschicht des n-Typs 3 und der Plattierschicht des p-
Typs 6 betrug 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ bzw. 7 · 10¹&sup7; cm&supmin;³.
Beispiel 2, kein Bestandteil der Erfindung
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Eine Diode wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 unter
Verwendung derselben Materialien, Verfahren und Bedingungen
hergestellt, außer daß die Dicke der diffusionsunterdrückenden
Schicht 5 auf 0,1 um eingestellt wurde.
Beispiel 3, kein Bestandteil der Erfindung
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Eine Diode wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1
hergestellt, außer daß die Dicke der diffusionsunterdrückenden
Schicht 5 auf 0,5 um eingestellt wurde.
Beispiel 4, kein Bestandteil der Erfindung
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Eine Diode wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1
hergestellt, außer daß eine 0,03 um dicke diffusionsunterdrückende
undotierte In0,2Ga0,9N-Schicht 5 bei einer Substrattemperatur
von 700ºC, einer TMI-Strömungsgeschwindigkeit von 200 cm /min.
einer TMG-Strömungsgeschwindigkeit von 40 cm³/min und einer
NH&sub3;-Strömungsgeschwindigkeit von 4 l/min abgeschieden wurde.
Beispiel 5
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Eine Diode mit der mehrschichtigen diffusionsunterdrückenden
Schicht gemäß der Erfindung wurde in derselben Weise wie in
Beispiel 1 hergestellt, außer daß 0,005 um dickes GaN bei
einer Substrattemperatur von 1050ºC, einer
TMG-Strömungsgeschwindigkeit von 50 cm³/min und einer
NH&sub3;-Strömungsgeschwindigkeit von 4 l/min abgeschieden wurde und 0,005 um dickes
Al0,05Ga0,95N bei einer TMG-Strömungsgeschwindigkeit von
50 cm /min. einer TMA-Strömungsgeschwindigkeit von 10 cm /min
und einer NH&sub3;-Strömungsgeschwindigkeit von 4 l/min
abgeschieden wurde, wodurch man eine Schicht von GaN/Al0,05Ga0,95N
erhielt; das ganze wurde zweimal wiederholt, so daß man eine
0,03 um dicke diffusionsunterdrückende Schicht 5, die aus drei
Schichten GaN/Al0,05Ga0,95N bestand, als einzelne Schicht
erhielt.
Vergleichsbeispiel
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Eine Diode wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1
hergestellt, außer daß keine diffusionsunterdrückende Schicht 5
gebildet wurde.
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Bei den Dioden von Beispiel 1-5 und dem Vergleichsbeispiel
wurden die Lichtstärke, die Vorwärtsspannung und die
Lebensdauer der Lichtemission bestimmt, und die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt. Die Vorwärtsspannung wurde bei einem
Vorwärtsstrom von 20 mA gemessen, und die Lebensdauer der
Lichtemission war die Zeit, bis die Lichtstärke noch 50% ihres
ursprünglichen Wertes betrug, wenn der Vorwärtsstrom auf 50 mA
eingestellt war.
Tabelle 1
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Wie in Tabelle 1 gezeigt, war die Lichtstärke der Dioden von
Beispiel 1-5 etwa 1,2-1,5 mal so groß wie die der Diode des
Vergleichsbeispiels, und die Vorwärtsspannung war in Beispiel
3 größer als im Vergleichsbeispiel, und die Diode von Beispiel
2 zeigte eine etwas größere Spannung. Die Lebensdauer der
Diode war in den Beispielen 1-5 mehr als doppelt so lang als
im Vergleichsbeispiel.
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Die Dioden der Beispiele mit einer diffusionsunterdrückenden
Schicht zeigten eine etwa 1,2-1,5 mal so große Lichtstärke der
Lichtemission als ohne die diffusionsunterdrückende Schicht,
und die Lebensdauer war nicht kürzer als 10000 Stunden, das
war mehr als doppelt so lang wie bei den herkömmlichen Dioden.
Es wurde außerdem bestätigt, daß eine dickere
diffusionsunterdrückende Schicht höhere Vorwärtsspannungen hat.