EP1284038A1 - Licht emittierendes halbleiterbauelement - Google Patents

Licht emittierendes halbleiterbauelement

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Publication number
EP1284038A1
EP1284038A1 EP01947152A EP01947152A EP1284038A1 EP 1284038 A1 EP1284038 A1 EP 1284038A1 EP 01947152 A EP01947152 A EP 01947152A EP 01947152 A EP01947152 A EP 01947152A EP 1284038 A1 EP1284038 A1 EP 1284038A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
doped
semiconductor component
light
layers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01947152A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Faschinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1284038A1 publication Critical patent/EP1284038A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/28—Materials of the light emitting region containing only elements of Group II and Group VI of the Periodic Table
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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    • H01S5/347—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIBVI compounds, e.g. ZnCdSe- laser
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    • H01S5/0218—Substrates comprising semiconducting materials from other groups of the Periodic Table than the materials of the active layer

Definitions

  • the invention relates to a light-emitting semiconductor component with a number of layers which predominantly consist of elements of groups II and VI of the periodic table.
  • the layers are applied epitaxially on a substrate, preferably made of InP, and have a p-doped cover layer and an n-doped cover layer, the lattice constants of which correspond to those of the substrate.
  • An undoped active layer lies between the two layers, which, in cooperation with its neighboring layers, forms a quantum well structure.
  • Semiconductor components with a quantum well structure are used in wide areas of technology. They are used as light emitting diodes, for example for signaling different operating states, or as laser diodes, e.g. B. in the optical recording or reproduction of images and sound on carrier material, laser printers, medical laser devices or material processing. Laser diodes of this type are characterized by a low threshold current, high output power and low beam divergence. These properties have led to light-emitting semiconductor components with a quantum well structure occupying a preferred position in application and development.
  • GaAs galium arsenide
  • GaAlAs galium aluminum arsenide
  • GaN galium nitride
  • ZnSeTe forms together with ZnCdSe a so-called type II system, which means that the electrons and holes are concentrated in different layers and therefore recombine spatially indirectly, i.e. inefficiently and strongly red-shifted.
  • This structure is generally not suitable for a laser, for example.
  • n-doped top layer n-ZnMgCdSe doped with Cl waveguide layer ZnMgCdSe active layer ZnCdSe undoped
  • the lattice constant of the active layer being equal to that of the neighboring layers and that of the substrate.
  • the object of the invention is to remedy these disadvantages and to meet the need for a light-emitting semiconductor component which provides light in the spectral range from green to blue and at the same time has a long service life.
  • a light-emitting semiconductor component which is composed of a number of layers, which consist predominantly of elements of groups II and VI of the periodic table, and have a p-doped cover layer and an n-doped cover layer, the respective lattice constant of which corresponds to that of the substrate , and contain an undoped active layer lying between the two layers, which forms a quantum well structure in cooperation with its neighboring layers, this object is achieved in that the lattice constant of the active layer is made smaller than that of the neighboring layers.
  • the performance increase achieved in semiconductor components according to the present invention is based on the knowledge that the drastic drop in performance in known semiconductor components from elements of groups II and VI of the periodic table has fundamental causes of a thermodynamic nature. To have recognized these connections is a credit present invention.
  • the causes are to be briefly explained on the basis of the above-mentioned layer structure of known semiconductor components.
  • the p — doping of ZnSe with nitrogen leads to an unstable nitrogen acceptor. It breaks down into a stable complex (N ⁇ -V se ) 3+ , consisting of an interstitial nitrogen atom Ni, and a selenium vacancy V se . This complex is positively charged and diffuses into the quantum well region of the active zone, particularly when the semiconductor component is in operation. There these complexes are captured, accumulated and, at higher concentrations, ultimately lead to the dark line defects.
  • the capture process is controlled by the mechanical stress between the active layer and the neighboring layers. Since the ZnCdSe of the active layer has a larger lattice constant than the ZnSe of the neighboring layer, the active layer has a compressive stress in relation to its two neighboring layers.
  • the compressive stress in the active zone of known laser diodes which are made up of elements from groups II and VI of the periodic table, favors the trapping of vacancies, since this process leads to a reduction in the lattice constants and thus to a decrease in the energy caused by stress. According to the laws of thermodynamics, this state, which is energetically smaller than that before the capture process, is the more stable state of both.
  • the trapping process can therefore be prevented if the active layer and neighboring layers are formed in such a way that a tensile stress prevails between them. In this case, the tension causes vacancies to be pushed back, thereby avoiding the formation of dark line defects.
  • the individual layers of the semiconductor component are applied to a substrate made of InP and have a p-doped cover layer, an n-doped cover layer and an undoped active layer in between.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the p- and n-doped cover layers have different chemical compositions.
  • the n-doped layer has Cd, the n-doped layer instead Te.
  • the Te in the p-doped layer not only has the role of setting the lattice constants of the active layer and neighboring layers to a defined difference and thus keeping vacancies away from the active layer, but also actively preventing the formation of vacancies.
  • Calculations and experiments have shown that in the case of semiconductor components whose p- and n-doped layers contain ZnSe, by introducing, for example, Te into the p-doped layer during the p-doping with nitrogen, the (N ⁇ -V SE ) 3+ - Complex is not stable and therefore does not form. Because of this instability, this complex therefore has no chance of diffusing into the active layer and generating dark line defects.
  • Te By introducing Te into the p-doped layer, the formation of the above-mentioned. stable complexes reduced proportionately, the formation of dark line defects during operation of the semiconductor device is further reduced.
  • the optimal effect is achieved by the greatest possible concentration of Te in the p-doped layer, i.e. H. when an element of the n-doped layer in the p-doped layer is completely replaced by Te.
  • Variants of this form of training are designed so that their p-doped layer contain the element Be and / or Cd.
  • the semiconductor component according to the invention can be designed as a spontaneously emitting light-emitting diode or an induced-emitting laser diode.
  • the structure described above from p-do- tied layer, active layer and n-doped layer is characteristic of a light emitting diode. If the semiconductor component is designed as a laser diode, additional layers are required, which can be found in the following overview.
  • the layer structure has two waveguide layers which enclose the active layer, the energy gap of which is smaller than that of the cover layer and two buffer layers between the substrate and p-doped layer.
  • the waveguide layers have the task of being perpendicular to the layer plane for the light generated in the active layer
  • the buffer layers have the task of intercepting electrical or crystallographic problems during the transition between the different materials.
  • the diode body thereby forms an optical resonator, in which laser light is generated when a current is applied, the strength of which exceeds the threshold current strength.
  • the structure and quantitative composition of the active layer have a significant influence on the properties of the emitted light.
  • the semiconductor component according to the invention can be designed in such a way that different forms of construction each produce light with properties that are different from one another.
  • the frequency or wavelength of the emitted light is of particular interest. It is determined by the energy gap between the valence and conduction band (or between their sub-levels) of the quantum well structure in the active layer.
  • the frequency can be specified within certain limits by the mixing ratio of the individual elements of the active layer to one another.
  • the lattice constant is determined by the mixing ratio and thereby the frequency of the emitted light is determined.
  • the quantitative composition of the individual layers from the elements mentioned is given by the following formulas. Layers with the elements are sufficient
  • ZnMgCdSe of the formula: Zn (1 _ x _y) Mg x Cd y Se with 0.4 ⁇ x ⁇ 0.6 and 0.15 ⁇ x ⁇ 0.3,
  • ZnMgSeTe of the formula: Zn ( ⁇ _ x - y) Mg x Se ( ⁇ . Y ) Te y with 0.4 ⁇ x ⁇ 0.6 and O, 15 ⁇ y ⁇ 0.3, ZnCdSe of the formula: Zn ⁇ ⁇ - x) Cd x Se with 0 ⁇ x ⁇ 0.5.
  • the Zn and Cd content of the active layer can be varied within wide limits and light of different wavelengths can be generated.
  • a variant of the present embodiment is designed such that the active layer has a high proportion of Cd and, accordingly, a low proportion of Zn.
  • the Light emitted by this variant is in the green spectral range.
  • a low proportion of Cd or a high proportion of Zn is specified in the active layer. This variant emits light in the blue spectral range.
  • An essential advantage of the semiconductor component according to the invention is that the wavelength of the emitted light can be set to any value between blue and green by specifying appropriate mixing ratios during manufacture.
  • the intensity of the radiation generated by the semiconductor component is determined by the current intensity of the current applied.
  • the intensity of the radiation increases with increasing current.
  • the intentiveness of the radiation emitted by the semiconductor component can also be varied by design specifications. These design specifications concern the number of quantum wells present in the active layer.
  • design specifications concern the number of quantum wells present in the active layer.
  • a structure with multiple quantum carriers is accordingly formed in the active layer. With this structure, the current of the externally applied current is the same
  • buffer layers are provided in addition to the layers forming the actual semiconductor component.
  • the task of these layers is to intercept electrical or crystallographic problems in the transition between the different materials.
  • a further development of this type has 2 further layers between the substrate and the n-doped cover layer, which layers are formed by n-GalnAs and n-ZnCdSe. Problems in the transition between the different materials can also be dealt with by the fact that the proportion of one or more elements within a layer changes continuously over the layer thickness.
  • Such a structure is used for the power supply of an advantageous variant of the semiconductor component according to the present invention.
  • the supply of the electrical current in the case of layered semiconductor components takes place i. d. R. across the layers.
  • Gold is mainly used as the contact material. If a gold layer is applied directly to a p-doped layer containing ZnSe, a contact with a relatively high resistance results. Contacts with lower resistance and also almost linear, i.e. H. ohmic current / voltage curve is obtained on layers containing ZnTe.
  • a further layer is therefore applied to the p-doped layer on the side facing away from the active layer, within which the proportion of Se continuously decreases, while that of Te continuously increases.
  • the contact for the power supply is attached to the layer surface with the high percentage of Te.
  • FIG. 1 energy level diagram of the semiconductor component according to the invention
  • FIG. 1 shows the course of this energy gap in the individual layers of the semiconductor component.
  • the individual layers of the semiconductor component are indicated in the drawing. They include one
  • p-doped cover layer 1 made of p-ZnMgTeSe with a thickness of 6 waveguide layer 2 made of ZnMgCdSe with a thickness of 7 active layer 3 made of ZnCdSe with a thickness of 8
  • Waveguide layer 4 made of ZnMgCdSe with a thickness of 9
  • n-doped cover layer 4 made of n-ZnMgCdSe with a thickness of 10
  • the valence band edge 11 and conduction band edge 12 are shown within the individual layers.
  • the energy gap between these two edges is represented by the distance 13 between the two curves. 14 indicates the energy gap within the active layer. The size of this gap is a measure of the frequency of the light radiation generated in the active layer.
  • An essential feature of the present invention is the asymmetrical expression of the course of the two band edges over the individual layers. This asymmetry is evident from the unequal step heights 15 and 16 or 15 'and 16'. The cause of this asymmetry is the asymmetrical, i.e. consisting of different elements, expansion of the p- and n-doped layer.
  • the semiconductor devices according to the present invention have a long service life. Measurement curves for this are shown in FIG. 2.
  • the first curve 20 shows the course of the intensity of the emitted radiation in a semiconductor component according to the prior art, which is based on GaAs and whose p-doped layer contains the elements ZnMgSSe, as a function of time.
  • the second curve 21 shows the corresponding profile for a semiconductor component according to the invention, built on InP with a p-doped layer made of ZnMgTeSe. Boundary conditions for this measurement are: room temperature, continuous wave operation (ie continuously emitting semiconductor element), current density 50A / cm 2 .
  • continuous wave operation ie continuously emitting semiconductor element
  • current density 50A / cm 2 One knows easily on both measurement curves that the service life of the semiconductor component according to the invention differs by orders of magnitude from that of the semiconductor component according to the prior art.

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Abstract

Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einer Anzahl von Schichten, die überwiegend aus Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems bestehen, auf einem Substrat, vorzugsweise aus InP, epitaktisch aufgebracht sind und eine p-dotierte Deckschicht und eine n-dotierte Deckschicht aufweisen, deren Gitterkonstanten der des Substrats entsprechen, und eine zwischen diesen beiden Schichten liegende undotierte aktive Schicht enthalten, welche in Zusammenwirkung mit ihren Nachbarschichten eine Quantentrog-Struktur bildet, wobei die Gitterkonstante der aktiven Schicht kleiner als die der Nachbarschichten ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Licht emittierendes Halbleiterbauelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Licht emittierendes Halb- leiterbauelelment mit einer Anzahl von Schichten, die überwiegend aus Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems bestehen. Die Schichten sind auf einem Substrat, vorzugsweise aus InP, epitaktisch aufgebracht und weisen eine p- dotierte Deckschicht und eine n-dotierte Deckschicht auf, deren Gitterkonstanten der des Substrats entsprechen. Zwischen beiden Schichten liegt eine undotierte aktive Schicht, die in Zusammenwirkung mit ihren Nachbarschichten eine Quantentrog- Struktur bildet .
Halbleiterbauelemente mit Quantentrog-Struktur werden in weiten Bereichen der Technik eingesetzt. Sie finden Anwendung als Leuchtdiode, beispielsweise zur Signalisierung von verschiedenen Betriebszuständen, oder als Laserdiode, z. B. bei der optischen Aufzeichnung oder Wiedergabe von Bild und Ton auf Trägermaterial, Laserdruckern, medizinischen Lasergeräten oder der Materialbearbeitung. Laserdioden dieses Typs zeichnen sich durch einen niedrigen Schwellenstrom, hohe Ausgangsleistung und niedrige Strahldivergenz aus. Diese Eigenschaf- ten führten dazu, daß Licht emittierende Halbleiterbauelemente mit einer Quantentrog-Struktur eine bevorzugte Stellung bei Anwendung und Entwicklung einnehmen.
Derzeit technisch einsetzbare Halbleiterbauelemente mit Quan- tentrog verwenden Elemente aus der Gruppe III und V der Periodensystems. Sie basieren auf den Werkstoffen Galiumarsenid (GaAs) , Galiumaluminiumarsenid (GaAlAs) und Galiumnitrid (GaN) . Das durch diese Bauelemente erzeugte Licht liegt in den Spektralbereichen infrarot, gelb und violett.
Durch die Entwicklung von Verfahren zur p-Dotierung von Zink- selenit (ZnSe) mit Hilfe von Stickstoff-Plasma haben Halblei- terbauelemente, deren Schichten überwiegend aus Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems aufgebaut sind, großes Interesse in Forschung und Entwicklung gewonnen, da sie den bisher fehlenden Spektralbereich von grün bis blau abdecken würden. Dieser Spektralbereich ist auch deshalb interessant, weil Licht dieser Wellenlängen den Vorteil einer hoher Auflösung bietet, die - aufgrund der durch Beugung bedingten Auf- lösungsgrenze - um so größer ausfällt, je kürzer die Wellenlänge ist.
In I. Nomura et al . , Journal of Crystal Growth 159 (1996) 11- 15, ist ein theoretisches Modell einer ZnCdSe/MgZnCdSe-Lasers beschrieben, das aufgrund unzureichender p-Dotierbarkeit von MgZnCdSe in der Praxis erhebliche Probleme bereitet.
Aus W. Hang and F. C. Jain, Appl . Phys . Lett . 66 (13), 27 March 1995, 1596-1598, ist eine Berechnung des Systems ZnSeTe-ZnCdSe bekannt. ZnSeTe bildet zusammen mit ZnCdSe ein sogenanntes Typ-II-System, was heißt, daß die Elektronen und Löcher in unterschiedlichen Schichten konzentriert werden und deshalb räumlich indirekt rekombinieren, das heißt ineffizient und stark rotverschoben. Diese Struktur ist beispielsweise für einen Laser grundsätzlich nicht geeignet.
Ein Vorschlag entsprechend Applied. Physics. Letters, Vol 68,
June 1996 verwendet InP als Substrat und folgenden Schichtenaufbau :
n-dotierte Deckschicht n-ZnMgCdSe dotiert mit Cl Wellenleiterschicht ZnMgCdSe aktive Schicht ZnCdSe undotiert
Wellenleiterschicht ZnMgCdSe p-dotierte Deckschicht p-ZnMgCdSe dotiert mit N,
wobei die Gitterkonstante der aktiven Schicht gleich der der Nachbarschichten und der des Substrats entspricht. Als Problem dieses Aufbaus hat sich gezeigt, daß die Dotierung mit Stickstoff bei dieser Zusammensetzung der p-dotierten Schicht nur zu geringen Akzeptor-Konzentrationen führt, so dass bisher keine Elektrolumineszenz demonstriert werden konnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diesen Nachteilen abzuhelfen und dem Bedarf nach einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement zu entsprechen, das Licht im Spektralbereich grün bis blau zur Verfügung stellt und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer aufweist.
Ausgehend von einem Licht emittierenden Halbleiterbauelement, das aus einer Anzahl von Schichten aufgebaut ist, die überwiegend aus Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems bestehen, und eine p-dotierte Deckschicht und eine n- dotierte Deckschicht aufweisen, deren jeweilige Gitterkonstante der des Substrats entspricht, und eine zwischen beiden Schichten liegende undotierte aktive Schicht enthalten, welche in Zusammenwirkung mit ihren Nachbarschichten eine Quantentrog-Struktur bildet, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gitterkonstante der aktiven Schicht kleiner als die der Nachbarschichten ausgebildet ist.
Infolge der unterschiedlichen Gitterkonstanten zwischen aktiver Schicht und deren Nachbarschichten entsteht innerhalb der aktiven Schicht eine Zugspannung. Diese Zugspannung führt zu einer erheblichen Vergrößerung der Lebensdauer des Halbleiterbauelementes. Unter technischen Betriebsbedingungen werden Lebensdauern erreicht, die gegenüber dem Stand der Technik mit vergleichbarer Dichte makroskopischer Defekte um wenigstens 3 Größenordnungen höher liegen.
Die erzielte Leistungsstiegerung bei Halbleiterbauelementen entsprechend der vorliegender Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der drastische Leistungsabfall bei bekannten Halbleiterbauelementen aus Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems prinzipielle Ursachen thermodynamischer Natur hat. Diese Zusammenhänge erkannt zu haben, ist ein Verdienst vorliegender Erfindung. Anhand des o.g. Schichtenaufbaus von bekannten Halbleiterbauelementen sollen die Ursachen kurz dargelegt werden.
Die p—Dotierung von ZnSe mittels Stickstoff führt zu einem instabilen Stickstoffakzeptor. Er zerfällt in einen stabilen Komplex (Nι-Vse) 3+, bestehend aus einem Zwischengitter-Stickstoffatom Ni, und einer Selenleerstelle Vse. Dieser Komplex ist positiv geladen und diffundiert insbesondere bei Betrieb des Halbleiterbauelementes in den Quantentrog-Bereich der aktiven Zone. Dort werden diese Komplexe eingefangen, angesammelt und führen bei höherer Konzentration schließlich zu den Dunkellinien-Defekten.
Der Einfangvorgang wird durch die mechanische Spannung zwischen der aktiven Schicht und den Nachbarschichten gesteuert . Da das ZnCdSe der aktiven Schicht eine größere Gitterkonstante als das ZnSe der Nachbarschicht hat, weist die aktive Schicht eine Druckverspannung gegenüber ihren beiden Nachbar- schichten aus. Die Druckverspannung in der aktiven Zone bekannter Laserdioden, die aus Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems aufgebaut sind, begünstigt jedoch das Einfangen von Leerstellen, da dieser Vorgang zu einer Verringerung der Gitterkonstanten und damit zu einer Abnahme der durch Spannung bedingten Energie führt. Nach den Gesetzen der Thermodynamik ist dieser Zustand, der energetisch kleiner ist als der vor dem Einf ngvorgang, der stabilere Zustand von beiden.
Der Einfangvorgang läßt sich daher verhindern, wenn man aktive Schicht und Nachbarschichten so ausbildet, daß eine Zugspannung zwischen ihnen herrscht . In diesem Fall bewirkt die Spannung ein Zurückdrängen von Leerstellen, wodurch die Ausbildung von Dunkellinien-Defekten vermieden wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes weist folgenden Schichtenaufbau auf:
Die einzelnen Schichten des Halbleiterbauelementes sind auf einem Substrat aus InP aufgebracht und weisen eine p-dotierte Deckschicht, eine n-dotierte Deckschicht und eine dazwischen liegende undotierte aktive Schicht auf. Als Verfahren zum Aufbringen der Schichten wird MBE (molecular beam epitaxy) angewandt. Klarzustellen ist, daß die Dotierung der p-Schicht mit Stickstoffplasma, die der n-Schicht mit Zinkchlorid durchgeführt werden kann, jedoch nicht zwingend durchgeführt werden muß.
Aus der Übersicht lassen sich auch die Elemente - überwiegend Elemente der Gruppe II und VI der Periodensystems - entnehmen aus denen die einzelnen Schichten aufgebaut sind. Diese Auswahl der Elemente stellt sicher, daß zwischen aktiver Schicht und Nachbarschichten eine Zugspannung vorherrscht, da die Gitterkonstante von ZnCdSe kleiner ist als die von ZnMgTeSe bzw. ZnMgCdSe.
In Abweichung zum Stand der Technik weisen die p- und n-dotierte Deckschicht unterschiedliche chemische Zusammensetzungen auf. Neben den in beiden Schichten gemeinsam vertretenen Elementen ZnMgSe weist die n-dotierte Schicht Cd, die n-dotierte Schicht dagegen stattdessen Te auf.
Dem Te in der p-dotierten Schicht kommt dabei nicht nur die Rolle zu, die Gitterkonstanten von aktiver Schicht und Nachbarschichten auf eine definierte Differenz einzustellen und damit Leerstellen von der aktiven Schicht fernzuhalten, son- dern auch die Bildung von Leerstellen aktiv zu verhindern. Rechnungen und Experimente haben nämlich gezeigt, daß bei Halbleiterbauelementen, deren p- und n-dotierte Schichten ZnSe enthalten, durch Einbringen von beispielsweise Te in die p-dotierte Schicht bei der p-Dotierung mittels Stickstoff der (Nι-VSE) 3+-Komplex nicht stabil ist und sich deshalb nicht bildet. Aufgrund diese Instabilität hat dieser Komplex daher keine Chance, in die aktive Schicht zu diffundieren und Dunkellinien-Defekte zu erzeugen.
Durch Einbringen von Te in die p-dotierte Schicht wird daher die Bildung der o. g. stabilen Komplexe anteilig reduziert, die Ausbildung von Dunkellinien-Defekten währen des Betriebes des Halbleiterbauelementes wird dadurch weiter vermindert. Den optimalen Effekt erreicht man durch die größt mögliche Konzentration von Te in der p-dotierten Schicht, d. h. dann, wenn ein Element der n-dotierten Schicht in der p-dotierten Schicht vollkommen durch Te ausgetauscht wird. Varianten dieser Ausbildungsform sind so ausgebildet, daß ihre p-dotierte Schicht das Element Be und/oder Cd enthalten. Durch Einbringen dieser Elemente in die p-dotierte Schicht werden ähnlichte Effekte wie durch Einbringen von Te erreicht .
In Kenntnis dieses Sachverhaltes sind weitere bevorzugte Aus- fuhrungsformen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes so ausgebildet, daß die p-dotierte Schicht durch Übergitter, vorzugsweise der Kombinationen
ZnMgSe/ZnTe ZnMgSe/ZnMgTe
MgSe/ZnTe
gebildet wird.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement läßt sich als spontan emittierende Leuchtdiode oder induziert emittierende Laserdiode ausbilden. Der oben beschriebene Aufbau aus p-do- tierter Schicht, aktiver Schicht und n-dotierter Schicht ist für eine Leuchtdiode kennzeichnend. Bei Ausbildung des Halbleiterbauelementes als Laserdiode sind zusätzliche Schichten erforderlich, die sich der nachfolgen Übersicht entnehmen lassen.
Der Schichtaufbau weist zusätzlich zur p-dotierten Deckschicht, der n-dotierten Deckschicht und der dazwischen lie- genden undotierten aktiven Schicht, zwei Wellenleiterschichten auf, welche die aktive Schicht einschließen, wobei deren Energielücke kleiner ist als die der Deckschicht und zwei Pufferschichten zwischen Substrat und p-dotierter Schicht. Die Wellenleiterschichten haben die Aufgabe, senkrecht zur Schichtebene für das in der aktiven Schicht erzeugte Licht
Totalreflexion zu bewirken und damit den Austritt des Lichtes in diesen Richtungen zu verhindern. Die Pufferschichten hingegen haben die Aufgabe, elektrische oder kristallographische Probleme beim Übergang zwischen den verschiedenen Werkstoffen abzufangen.
Für den Laserbetrieb ist weiterhin erforderlich, daß die Stirnflächen der aktiven Schicht und ihrer benachbarten Schichten eine hohe optische Güte aufweisen. Der Diodenkörper bildet hierdurch einen optischen Resonator, in dem beim Anlegen eines Stroms, dessen Stärke die SchwellStromstärke überschreitet, Laserlicht erzeugt wird. Aufbau und quantitative Zusammensetzung der aktiven Schicht haben wesentlichen Einfluß auf die Eigenschaften des emittierten Lichtes. Das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung läßt sich so ausbilden, daß verschiedene Ausbildungsformen jeweils Licht mit von einander verschieden Eigenschaften erzeugen.
Von besonderem Interesse ist die Frequenz bzw. Wellenlänge des emittierten Lichtes. Sie wird bestimmt durch die Energie- lücke zwischen Valenz- und Leitungsband (bzw. zwischen deren Subniveaus) der Quantentrogstruktur in der aktiven Schicht.
Bei Halbleiterbauelementen mit Quantenttrog-Struktur läßt sich in gewissen Grenzen die Frequenz durch das Mischungsver- hältnis der einzelnen Elemente der aktiven Schicht zu einander vorgeben. Durch das Mischungsverhältnis wird die Gitterkonstante festgelegt und hierdurch die Frequnz des emittierten Lichtes bestimmt.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Halbleiterbauelementes ist die quantitative Zusammensetzung der einzelnen Schichten aus den genannten Elementen durch die folgenden Formeln geben. Es genügen Schichten mit den Elementen
ZnMgCdSe der Formel: Zn(1_x_y)MgxCdySe mit 0,4<x<0,6 und 0,15<x<0,3,
ZnMgSeTe der Formel: Zn(ι_x-y)MgxSe(ι.y)Tey mit 0,4<x<0,6 und O,15≤y<0,3, ZnCdSe der Formel: Zn{ι-x)CdxSe mit 0<x<0 , 5.
Entsprechend der vorgegebenen Formel kann der Zn- und Cd-Anteil der aktiven Schicht in weiten Grenzen variiert und damit Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt werden.
Eine Variante der vorliegenden Ausfuhrungsform ist so ausgebildet, daß die aktive Schicht einen hohen Anteil von Cd und dementsprechend einen niedrigen Anteil von Zn aufweist. Das von dieser Variante emittierte Licht liegt im grünen Spektralbereich. Bei einer weiteren Variante dagegen ist ein niedriger Anteil von Cd bzw. ein hoher Anteil von Zn in der aktiven Schicht vorgegeben. Diese Variante emittiert Licht im blauen Spektralbereich.
Als wesentlicher Vorteil des Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung ist anzusehen, daß durch Vorgabe entsprechender Mischungsverhältnisse bei der Herstellung die Wellenlänge des emittierten Lichtes auf beliebige Werte zwischen blau und grün eingestellt werden kann.
Die Intensität der vom Halbleiterbauelement erzeugten Strahlung wird durch die Stromstärke des angelegten Stromes be- stimmt. Mit steigender Stromstärke nimmt die Intensität der Strahlung zu.
Aber auch durch konstruktive Vorgaben läßt sich die Intentsi- tät der von dem Halbleiterbauelement emittierten Strahlung variieren. Diese konstruktiven Vorgaben betreffen die Zahl der in der aktiven Schicht vorhandenen Quantentröge . Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ist dementsprechend in der aktiven Schicht eine Struktur mit Mehrfach-Quantentrδgen ausgebildet. Durch diese Struktur wird bei gleicher Stromstärke des von außen angelegten Stromes die
Intensität des emittierten Lichtes erhöht .
Bei dem betrachteten Halbleiterbauelement sind neben den das eigentliche Halbleiterbauelement bildenden Schichten noch weitere Pufferschichten vorgesehen. Aufgabe dieser Schichten ist es, elektrische oder kristallographische Probleme beim Übergang zwischen den verschiedenen Werkstoffen abzufangen.
Eine Weiterbildung dieser Art weist zwischen Substrat und n- dotierter Deckschicht 2 weitere Schichten aus, welche durch n-GalnAs und n-ZnCdSe gebildet werden. Probleme beim Übergang zwischen den verschiedenen Werkstoffen können auch dadurch abgefangen werden, daß sich innerhalb einer Schicht der Anteil eines oder mehrerer Elemente über die Schichtdicke kontinuierlich ändert.
Ein derartiger Aufbau wird bei der Stromzufuhr einer vorteilhaften Variante des Halbleiterbauelementes gemäß vorliegender Erfindung angewandt. Die Zufuhr des elektrischen Stroms bei geschichteten Halbleiterbauelementen erfolgt i. d. R. quer zu den Schichten. Als Kontaktmaterial wird überwiegend Gold verwendet. Bringt man auf einer ZnSe enthaltenden, p-dotierten Schicht eine Goldschicht direkt auf, resultiert ein Kontakt mit relativ hohen Widerstand. Kontakte mit geringerem Widerstand und zudem nahezu linearem, d. h. ohmschen Strom- /Spannungsverlauf erhält man auf Schichten, welche ZnTe enthalten.
Bei der angesprochenen Variante ist daher auf der p-dotierten Schicht an der der aktiven Schicht abgewandten Seite eine weitere Schicht aufgebracht, innerhalb derer sich der Anteil von Se kontinuierlich verringert, der von Te dagegen kontinuierlich erhöht. Auf der Schichtoberfläche mit dem hohen Te- Anteil ist der Kontakt für die Stromzufuhr angebracht.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen. In diesem Teil wird ein Ausführungsbeispiel des Licht emittierenden Halbleiterbauelementes als Laserdiode beschrieben und anhand von Zeichnungen näher erläutert . Die Zeichnungen zeigen:
Figur 1 Energieniveau-Schema des erfindungemäßen Halbleiterbaue1ementes Figur 2 Lebenszeit-Messungen
Figur 1 zeigt den Verlauf dieser Energielücke in den einzelnen Schichten des Halbleiterbauelementes. Im unteren Teil der Zeichnung sind die einzelnen Schichten des Halbleiterbauelementes angedeutet . Sie umfassen eine
p-dotierte Deckschicht 1 aus p-ZnMgTeSe der Dicke 6 Wellenleiterschicht 2 aus ZnMgCdSe der Dicke 7 aktive Schicht 3 aus ZnCdSe der Dicke 8
Wellenleiterschicht 4 aus ZnMgCdSe der Dicke 9 n-dotierte Deckschicht 4 aus n-ZnMgCdSe der Dicke 10
Im oberen Teil der Zeichnung ist die Valenzbandkante 11 und Leitungsbandkante 12 innerhalb der einzelnen Schichten wiedergegeben. Die Energielücke zwischen diesen beiden Kanten wird durch den Abstand 13 zwischen beiden Kurven wiedergegeben. 14 kennzeichnet die Energielücke innerhalb der aktiven Schicht. Die Größe dieser Lücke ist ein Maß für die Frequenz der in der aktiven Schicht erzeugten Lichtstrahlung.
Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die unsymmetrische Ausprägung des Verlaufs der beiden Bandkanten über die einzelnen Schichten. Diese Asymmetrie wird ersichtlich an den ungleichen Stufenhöhen 15 und 16 bzw. 15' und 16' . Ursache für diese Unsymmetrie ist der unsymmetrische, d.h. aus verschiedenen Elementen bestehende, Ausbau der p-und n-dotierten Schicht.
Halbleiterbauelemente entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigen eine hohe Lebensdauer. Meßkurven hierzu sind in Figur 2 wiedergegeben. Die erste Kurve 20 zeigt in Abhängigkeit der Zeit den Verlauf der Intensität der emittierten Strahlung bei einem Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik, das auf GaAs aufgebaut ist und dessen p-dotierte Schicht die Elemente ZnMgSSe enthält. Die zweite Kurve 21 gibt den entsprechenden Verlauf für ein Halbleiterbauelement entsprechend der Erfindung wieder, aufgebaut auf InP mit einer p-dotierten Schicht aus ZnMgTeSe. Randbedingungen für diese Messung sind: Raumtemperatur, Dauerstrichbetrieb (d.h. kontinuierlich emittierendes Halbleiterelement), Stromdichte 50A/cm2. Man er- kennt an beiden Meßkurven unschwer, daß sich die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes um Größenordnungen von der des Halbleiterbauelementes nach dem Stand der Technik unterscheidet .

Claims

Patentansprüche
1. Licht emittierendes Halbleiterbauelement mit einer Anzahl von Schichten, die überwiegend aus Elementen der Gruppe II und VI des Periodensystems bestehen, auf einem Substrat, vorzugsweise aus InP, epitaktisch aufgebracht sind, eine p-dotierte Deckschicht und eine n-dotierte Deckschicht aufweisen, mindestens eine zwischen diesen beiden Deckschichten liegende aktive Schicht enthalten, welche in Zusammenwirkung mit Nach- barschichten eine Quantentrog-Struktur bildet, dadurch gekennzeichnet, daß
- die p-dotierte und die n-dotierte Deckschicht unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen und - die Gitterkonstante der aktiven Schicht kleiner als die der Nachbarschichten ausgebildet ist.
2. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- die p-dotierte Schicht aus den Elementen Zn,Mg,Se,Te,
- und/oder die n-dotierte Schicht aus den Elementen Zn,Mg,Cd,SE
- und/oder die dazwischenliegende aktive Schicht aus den Ele- menten Zn,Cd,Se gebildet ist.
3. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
- die p-dotierte Schicht Beimengungen von Be und/oder Cd enthält.
4. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
- die p-dotierte Schicht durch Übergitter, insbesondere der Kombinationen ZnMgSe/ZnTe, ZnMgSe/ZnMgTe und/oder MgSe/ZnTe
gebildet ist .
5. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß
- zwischen n-dotierter Schicht und aktiver Schicht
- und/oder zwischen p-dotierter Schicht und aktiver Schicht je eine weitere aus Zn,Mg,Cd,Se zusammengesetzte Schicht jedoch mit kleinerer Energielücke als die Deckschicht vorgesehen ist.
6. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein Halbleiterlaser ist.
7. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß
- die quantitative Zusammensetzung der die Elemente Zn,Mg,Cd,Se enthaltenden Schichten der Formel Zn(1.x. y)MgxCdySe genügt, mit 0,4<x<0,6 und 0,15<y<0,3,
- der die Elemente Zn,Mg,Se,Te enthaltenden Schichten der Formel Zn(i-x_y)MgxSe(i-y)Tey, mit 0 , 4<x<0 , 6 und 0,15 y<0,3, und
- der die Elemente Zn,Cd,Se enthaltenden Schichten der Formel Zn(ι_X)CdxSe, mit 0<x<0 , 5.
8. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß - die Zusammensetzung in der aktiven Schicht entweder einen hohen Anteil von Cd und einen niedrigen Anteil von Zn oder umgekehrt einen niedrigen Anteil von Cd und einen hohen Anteil von Zn aufweist.
9. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- in der aktiven Schicht eine Struktur mit Mehrfach-Quanten- trögen ausgebildet ist.
10. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- zwischen n-dotierter Schicht und Substrat zwei weitere Schichten aus n-dotiertem ZnCdSe und n-dotiertem GalnAs vorgesehen sind.
11. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- sich innerhalb einer Schicht der Anteil eines oder mehrerer Elemente über die Schichtdicke ändert.
12. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
in einer auf der p-dotierten Deckschicht aufgebrachten weiteren Schicht sich der Anteil von Se über die Schicht- dicke kontinuierlich oder stufenweise vermindert, der von
Te dagegen kontinuierlich oder stufenweise erhöht.
13. Licht emittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die aktive Schicht undotiert ist
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