NO320885B1 - Lysdiode for utsendelse av midtre infrarodt lys - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en lysutsendende diode for frembringelse av stråling i det midtre infrarøde område av det elektromagnetiske spektrum og har særlig (men ikke utelukkende) relevans med hensyn til problemet ved gassavføling.

Lysutsendende dioder (LED - Light Emitting Diodes) er i en rekke år blitt studert primært for fremviser- og kommunikasjonsformål (se f.eks. A.A. Bergh og P.J. Dean: " Light Emitting Diodes", Clarendon Press Oxford 1976). Teknologier basert på GaAs, GaP og InP samt legeringer dyrket som tynne sjikt på sådanne materialer (f.eks. ALGa^/Æ dyrket på GaAs) er velutviklet og fremskaffer innretninger som avgir stråling med bølge-lengder fra 0,5 x 10"<6> til 1,7 x 10"6 m.

US-patent nr. 4 144 540 beskriver en infrarød detektor bestående av fire lag epitaksialt dyrket material som er dopet for absorpsjon av utvalgte bølgelengder. Denne anordning har en smalbåndet avstembar response. De øverste lag er kraftig dopede n-type lag over et lag av p-type. Absorpsjonens nedre grensebølgelengde bestemmes av dopings-mengden i det aller øverste lag og absorpsjonens øvre grensebølgelengde kan varieres ved å påtrykke en revers forspenning på p/n-overgangen dannet av disse lag.

US-patent nr. 4 008 485 beskriver en galliumarsenid-diode som avgir infrarødt lys, hvor det er dannet et Si-dopet GaAs-lag av p-type på et Si-dopet GaAs-lag av n-type som selv er dannet på et n-type GaAs-substrat som er dopet med minst ett element valgt blant Sn, Se, Te og S.

Historisk sett har behovet for LED'er med arbeidsbølgelengder lengre enn 1,55 x 10"6 m vært meget begrenset og følgelig har sådanne innretninger vært gjenstand for mye mindre utviklingsaktivitet enn andre typer.

For tiden er det en stigende interesse for utvikling av billig, kvantitativ, selektiv apparatur av laveffektstype for gasspåvisning. Mange gasser har vibrasjons/rotasjons-absorpsjons-bånd i bølgelengdeområdet (2 til 5) x 10"<6> m, som gir vedkommende gass en karakteris-tisk signatur. Et optisk system basert på en lysdiode (LED) som arbeider ved den karakteristiske absorpsjonsbølgelengde har muligheten av å tilfredsstille sådanne systemfordringer. Et sådant LED-basert system vil dessuten være mer effektivt med hensyn til effektforbruk enn alternative systemer basert på en termisk infrarød kilde. Gasser av særlig interesse innbefatter metan med absorpsjon ved 3,3 * 10"<6> m, karbon-dioksyd med absorpsjon ved 4,2 x 10"<6> m og karbonmonoksyd med absorpsjon ved 4,7 x 10-6 m.

I en konvensjonell LED-struktur er en pådampet metallkontakt påført toppoverflaten av en lagstruktur som inneholder en p/n-overgang. Denne kontakt kan tilsløre en betraktelig andel av LED'ens utsendelsesareal og således føre til en reduksjon med hensyn til ekstern effektivitet. I tynne materialsjikt er det dessuten sannsynlig at strømopphopning skjer, dvs. at den vertikale strøm gjennom kontaktsjiktet i stor grad hindres fra å flyte inn i arealet av innretningen under toppkontakten (se W.B. Joyce og S.H. Wemple, Journal of Applied Physics, 41, 3818 (1970)). Dette reduserer ytterligere lysavgivelsen fra innretningens toppoverflate. Denne virkning er særlig alvorlig i innretninger fremstilt med øvre kontaktsjikt av p-type på grunn av hullenes lave mobilitet i Ill/V-halvledere.

Med hensyn til infrarøde LED'er av GaAs/AIGaAs-type er sådanne lysuttrekkproblemer blitt møtt med å invertere innretningens struktur og trekke ut lyset fra substratsiden. Det er da nødvendig enten å etse et vindu i substratet for å frembringe en Burrus-struktur (CA. Burrus og B.l. Miller, Optical Communications, 4, 307 (1971)), eller å dyrke innretningen på et substrat med et bredere båndgap som i hovedsak er transparent ved innretningens arbeidsbølgelengde. Begge disse løsninger fører til vanskeligheter under produksjonen av innretningen.

Den tidligere løsning innfører ytterligere prosesstrinn sammen med tilhørende problemer med styring av etsedybde (som muligens fordrer dyrking av ytterligere stoppsjikt for etsingen) og kan føre til økt tilgangsmotstand samt oppvarming av innretningen. I sist-nevnte tilfelle er det nødvendig å finne egnede substratmaterialer som har tilpassede bredgapsgitterverk, hvilket nødvendiggjør bruk av ternære eller kvaternære legeringer som ofte er vanskelige å oppnå.

Problemene nevnt ovenfor er like relevante med hensyn til produksjon av innretninger som skal arbeide i det midtre infrarøde område.

I henhold tii foreliggende oppfinnelse er det således fremskaffet en lysutsendende diode for frembringelse av stråling i bølgelengdeområdet 2,5 x 10"<6> - 5 x 10~<6> m, som omfatter:

- flere halvledermaterialsjikt,

- et halvledersubstrat, og

- et par elektroder anordnet for å muliggjøre påføring av en spenning over innretningen, idet dioden har som særtrekk at substratet er transparent overfor stråling frembragt av innretningen på grunn av en Moss-Burstein-forskyvning bevirket av en passende doping av substratmaterialet.

I en foretrukket utførelse omfatter substratmaterialet et sjikt av n-type dopet med InAs innenfor området 10<18> cm"<3> - 5 x 10<18> cm"<3>, alternativt innenfor området 3 x 10<18> cm"3 - 5 x 1018 cm"3.

I en foretrukket utførelse omfatter halvledermaterialet som består av flere sjikt, et sjikt av n-type dopet med InAs til et nivå på 5 x 10<17> cm'<3> og et sjikt av p-type dopet med InAs til et nivå på 5 x 1018 cm"3.

I en annen variant omfatter halvledermaterialet som består av flere sjikt, et sjikt av n-type dopet med InAs til et nivå på 10 cm, et sjikt ikke dopet med InAs og et sjikt av p-type dopet med InAs til et nivå på 5 x io<18>cm"<3>.

Det transparente substrat kan med fordel være formet som en linse.

lnAs-LED'er, som har kontaktsjikt av p-type dopet til et nivå på 5 x 10<18> cm"<3>, er blitt fremstilt på substrater av n-type med et dopenivå på 10<16> cm"<3>. En sådan innretning har et utsendelsesspektrum med en topp ved 3,44 * 10"6 m (tilsvarende en energi E = 0,36 eV) og et fullbredde-halvmaksimum (FWHM - Full Width Harf Maximum) på 0,4 x 10"<6> m (E = 0,04 eV). Substratet er transparent bare overfor lys i "haleområdet" av utsend-elsesspektrene (bølgelengder > 3,7 x 10"<6> m, E < 0,335 eV), og lys fra dette område er det blitt dannet bilde av ved bruk av en mekanisk rasteravsøkning. De resulterende bilder har vist at, som et resultat av strømopphopning, finner nærmest all optisk utsendelse sted under kontaktmetalliseringen.

En innretning for midtre infrarødt lys tilsvarende den ovenfor, og hvor substratet er transparent over hele lysspekteret generert i det aktive område, vil muliggjøre uttrekk av mye mer lys.

Med foreliggende oppfinnelse gjøres substratet i innretningen for utsendelse av midtre infrarødt lys transparent ved å utnytte Moss-Burstein-forskyvningen (E. Burstein, Phys, Rev., 93 104 (1954); T.S. Moss, Proe. Phys. Soc. 1367 775 (1954)). Dette tillater at det brukes dyrking av aktive sjikt for å generere lys på et transparent substrat som ikke har kjemisk forskjellig sammensetning.

Når en halvleder er kraftig dopet med et dopemiddel av n-type, foreligger det en kritisk dopetetthet over hvilken materialet oppfører seg som et metall med hensyn til ledeevne. Fermi-energien (Ef) forskyves til å ligge innenfor ledebåndet, slik at sannsynligheten for at elektroner inntar noen tilstander innen ledebåndet, er betraktelig. Under sådanne forhold undertrykkes optisk absorpsjon (for stråling innenfor spesifikke bølgelengde-områder) og materialet blir hovedsakelig transparent.

Størrelsen av Moss-Burstein-forskyvningen E (definert som den energi hvor absorpsjonskoeffisienten faller til halvparten av sin verdi i udopet material) er gitt ved uttrykket::

hvor me og mh er de effektive elektron- og hullmasser, og Ef ved en gitt dopetetthet, er omtrentlig gitt ved den implisitte ligning: hvor n er dopetettheten og m(E) er den energiavhengige masse av elektroner i ledebåndet, og som er gitt ved:

hvor EG er halvlederens båndgap og A er spinnbanespiittingen i valensbåndet. (Se N.W. Ashcroft og D. Mermin: " Solid State Physics", Saunders College Philadelphia 1976, sidene 36-37, og G. Bastard, Acta Electronica 25 147 (1983) med hensyn til utledelse av henholdsvis ligning (2) og (3)).

Størrelsen av Moss-Burstein-forskyvningen er omtrent omvendt proporsjonal med båndgapet for en IIIAZ-halvleder (ved en gitt dopetetthet). Båndgapet for InAs er en fjerdedel av det for GaAs, og Moss-Burstein-forskyvningen blir derfor fire ganger større. Definisjonen av substratets transparens settes til å være en absorpsjonskoeffisient Hk 100 cm"<1>, hvilket tilsvarer en absorpsjonslengde av 100 x 10"<6> m. Optiske målinger har vist at i InAs har energien hvor absorpsjonskoeffisienten har denne verdi, økt fra 0,34 eV (3,64 x 10"<6> m) i nominelt udopet material, til 0,48 eV (2,3 x 10"<6> m) ved en dopetetthet på 3,8 x 10<18> cm"<3> (J.R. Dixon & J.M. Ellis, Phys. Rev., 123, 1560 (1961)). Denne forskyvning med hensyn til absorpsjon gjør substratet hovedsakelig transparent overfor stråling utsendt fra lett dopet InAs, hvis karakteristiske spektrum er beskrevet ovenfor.

Som et eksempel vil oppfinnelsen nå bli beskrevet med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 anskueliggjør en typisk lysutsendende diode i henhold til tidligere kjent teknikk, Fig. 2 anskueliggjær en foreslått struktur som er typisk for foreliggende oppfinnelse,

Fig. 3 anskueliggjør en foretrukket struktur i henhold til foreliggende oppfinnelse,

Fig. 4a anskueliggjør en lagstruktur som brukes for å danne en virkelig utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, fig. 4b den virkelige utførelsesform dannet på denne måte, og 4c en innretning tilsvarende den som er tidligere kjent, men dannet for sammenligningsformål, Fig. 5 viser en sammenligning av kurver som angir utgangsstyrke i forhold til driver- strøm for innretningene anskueliggjort i fig. 4b og 4c, Fig. 6a anskueliggjør en lagstruktur som brukes for å danne en andre utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, fig. 6b den virkelige utførelse dannet på denne måte, og fig. 6c en innretning tilsvarende den i henhold til tidligere kjent teknikk og dannet for sammenligningsformål, og Fig. 7 viser en sammenligning av kurver som angir utgangsstyrke i forhold til driver-strøm for innretningene anskueliggjort i fig. 6b og 6c.

Det henvises til fig. 1 som viser at en typisk LED 1 i henhold til tidligere kjent teknikk omfatter et opakt substratsjikt 2 av p-type material, et sjikt 3 av p-type material og et sjikt 4 av n-type material. En pådampet metallkontakt 5 er påført toppen av innretningen og en andre kontakt 6 er påført substratet 2.

Under bruk påføres en potensialforskjell mellom kontaktene 5 og 6, og den vertikale strøm (anskueliggjort ved hjelp av pilene 7) gjennom innretningen er i stor grad begrenset til å flyte under kontakten 5. Følgelig er innretningens aktive område 8 begrenset til det areal av overgangen mellom sjiktene 3 og 4, som befinner seg direkte under kontakten 5. Utsendelsen av lys (anskueliggjort ved hjelp av brudte piler 9) fra en sådan innretning er begrenset av det opake substrat 2 og metaflkontakten 5.

Det henvises nå til fig. 2 som viser en typisk innretning 10 i henhold til oppfinnelsen og som utnytter et sterkt dopet substrat 11 av n-type for å frembringe en utgangsbane som er transparent overfor strålingen frembragt av innretningen. Et sjikt 4 av n-type er dyrket på substratet og et tynt kontaktsjikt 3 av p-type er dyrket aller øverst. Kontaktsjiktet 3 av p-type er belagt med et isolasjonssjikt 12 hvor det er åpnet et vindu 13 for å avgrense et kontaktareal mellom kontaktsjiktet 3 av p-type og et metalsjikt 14. Siden metalsjiktet 14 strekker seg over overflaten av isolasjonssjiktet 12, kan kontaktarealet mellom sjiktene 3 og 14 gjøres så lite som litografien vil tillate, uten å innføre bindingsproblemer. Enkelt-innretninger kan bindes til et egnet toppsjikt 15 ved å bruke et egnet ledemedium 16, slik som ledende epoksyharpiks.

Elektrisk kontakt med substratet 11 av n-type er frembragt ved hjelp av en egnet metallkontakt påført fjernt fra innretningens utsendelsesområde. Den høye elektroniske mobilitet i materialet som utgjør substratet 11 sammen med nærheten av det aktive område overfor kontakten 3 av p-type, forhindrer at strømopphopningen i substratet 11 blir betraktelig med denne type geometri.

Under bruk påføres en potensialforskjell mellom toppsjiktet 15 og kontakten 6, og strøm flyter gjennom innretningen. Lys (anskueliggjort ved hjelp av piler 9) frembringes ved det aktive område av innretningen og kan slippe ut fra innretningen gjennom substratet 11. Det aktive område 8 er begrenset av strømopphopning i sjiktet 3, til det areal av overgangen mellom sjiktene 3 og 4, som befinner seg direkte under vinduet 13.

Den eksterne effektivitet av innretningen anskueliggjort i fig. 2 er begrenset av intern refleksjon ved grensesnittet mellom substratet 11 og luft. Det henvises til fig. 3 hvor innretningens eksterne effektivitet er forbedret ved å forme substratet 11 til en halv-kuleformet eller parabolsk linse. Dette kan oppnås ved hjelp av vanlige polerings- eller etseteknikker som er velkjent for fagfolk på området. Alternativt kan en linse festes til et plant substrat.

Det henvises til fig. 4a som viser at det ble dannet en utgangslagstruktur 17 som omfatter et 300 * 10"<6> m tykt n-type substrat 2 dopet med InAs til en grad av 5 x 10<16> cm"<3>, et 10 x 10"<6> m tykt n-type sjikt 11 dopet med InAs til en grad av 4 x 10<18> cm"<3>, et 2 x 10"<6> m tykt n-type sjikt 4 dopet med InAs til en grad av 5 x 10<17> cm"<3> og et 2 x 10"<6> m tykt p-type sjikt 3 dopet med InAs til en grad av 5 x 10<18> cm"<3>. I dette eksempel ble sjiktene 3, 4 og 11 avsatt ved hjelp av kjemisk, metallorganisk dampavleiring (Metal Organic Chemical Vapour Deposition), men andre egnede teknikker, slik som molekylær stråle-epitaksi (Molecular Beam Epitaxy), vil være nærliggende for fagfolk på området.

Dessuten er et antall mulige dopemidler kjent. I dette tilfelle ble svovel benyttet som dopemiddel av n-type mens sink ble brukt som dopemiddel av p-type.

Med henvisning til fig. 4b ble det, for å produsere en innretning 18 i henhold til foreliggende oppfinnelse, tatt ut et prøvestykke av utgangslagstrukturen anskueliggjort i fig. 4a, og det nedre substratsjikt 2 ble først fortynnet til en tykkelse på 100 x 10"<6> m. Et

100 * 10"<6> m kvadrat 5 av Au/Ti-kontaktmetallisering ble avsatt på toppen av lagstrukturen og en metallkontakt 6 av NiGeAu ble avsatt på bunnen av substratet 2. Denne nedre kontakt 6 inneholdt et hull 19 midtstilt i forhold til toppkontakten 5 og noe større enn sist-nevnte. Substratsjiktet 2 som er ugjennomtrengelig overfor stråling frembragt av innretningen, ble etset under toppkontakten 5 for å avdekke det kraftig dopede substratsjikt 11, som er gjennomtrengelig for stråling frembragt av innretningen.

Det henvises til fig. 4c som viser at det for sammenligningsformål, ut fra den samme grunnleggende lagstruktur som anskueliggjort i fig. 4a, ble fremstilt en frontutsendende innretning 20 tilsvarende den som er kjent fra teknikkens stilling. Innretningen ble fremstilt ved å avsette en TiAu-kontakt 5 med en diameter av 50 x 10"<6> m på toppen av lagstrukturen og etse et ~3 x 10"<6> m platå 21 omkring toppkontakten. En metallkontakt 6 av NiGeAu ble avsatt på bunnen av substratet.

Fig. 5 viser en sammenligning av kurver som angir utgangsstyrke i forhold til driverstrøm for innretningen 22 i henhold til foreliggende oppfinnelse (slik som anskueliggjort i fig. 4b) og en innretning 23 ifølge tidligere kjent teknikk (slik som anskueliggjort i fig. 4c), og den viser at for en gitt driverstrøm er den midlere utgangseffekt typisk omtrent fem ganger større for innretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Det henvises til fig. 6a som viser at det ble fremstilt en andre utførelsesform av oppfinnelsen ut fra en lagstruktur (dyrket ved hjelp av molekylær stråle-epitaksi) på et n-type substrat 11 dopet med InAs og gjort transparent i det bølgelengdeområde som er av interesse ved å bli dopet til en grad av 2 x io<18> cm"<3.> Strukturen omfatter et 10"<6> m n-type sjikt 4 dopet med InAs til et nivå på 10<18> cm, et 2 x 10"<6> m sjikt 24 som ikke er dopet med InAs, og et 2 x 10"<6> m p-type sjikt 3 dopet med InAs til et nivå på 5 x 10<18> cm<*3.>

Med henvisning til fig. 6b ble det, for å produsere en innretning 18 i henhold til foreliggende oppfinnelse, etset et 10"<4> x 10"<4> m kvadratisk platå 21 i den epitaksiale struktur anskueliggjort i fig. 6a, mens en Ti/Au-kontakt 5 som var noe mindre enn platået, ble avsatt på toppen. En NiGeAu-kontakt 6 ble avsatt på substratet 11 og denne hadde et hull med en diameter på 5 x 10"<4> m midtstilt på platået 21 i den hensikt å tillate lys å slippe ut fra innretningen. En linse (ikke vist) kan tilpasses på substratet 11 i den hensikt å forbedre LED'ens ytelse i et optisk system.

Det henvises til fig. 6c som viser at det for sammenligningsformål, ut fra den samme grunnleggende lagstruktur som anskueliggjort i fig. 6a, ble fremstilt en frontutsendende innretning 20 tilsvarende den som finnes i tidligere kjent teknikk. Innretningen ble fremstilt ved å avsette en TiAu-kontakt 5 med en diameter på 50 x 10"<6> m på toppen av lagstrukturen og etse et 2 x 10~4 m platå 21 omkring kontakten. En metallkontakt 6 av NiGeAu ble avsatt på bunnen av substratet.

Fig. 7 viser en sammenligning av kurver som angir utgangsstyrke i forhold til driverstrøm for innretningen 22 i henhold til foreliggende oppfinnelse (slik som anskueliggjort i fig. 6b) og en innretning 23 ifølge tidligere kjent teknikk (slik som anskueliggjort i fig. 6c), og den viser at for en gitt driverstrøm er den midlere utgangseffekt omtrent ni ganger større for innretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Claims (6)

1. Lysutsendende diode for frembringelse av stråling i bølgelengdeområdet 2,5 x 10"6 - 5 x 10"<6> m, og som omfatter: - flere halvledermaterialsjikt, - et halvledersubstrat, og - et par elektroder anordnet for å muliggjøre påføring av en spenning over innretningen, karakterisert ved at substratet er transparent overfor stråling frembragt av innretningen på grunn av en Moss-Burstein-forskyvning bevirket av passende doping av substratmaterialet.

2. Lysutsendende diode som angitt i krav 1, og hvor substratmaterialet omfatter et n-type sjikt dopet med InAs til en grad innenfor området 10<18> cm"<3> - 5 x 10<18>cm"<3>.

3. Lysutsendende diode som angitt i krav 1, og hvor substratmaterialet omfatter et n-type sjikt dopet med InAs til en grad innenfor området 3 x 10<18> cm"<3> - 5 x 10<18>cm"<3>.

4. Lysutsendende diode som angitt i krav 1, og hvor nevnte flere halvledermaterialsjikt omfatter et n-type sjikt dopet med InAs til et nivå på 5 x 10<17> cm"<3> og et p-type sjikt dopet med InAs til et nivå på 5 x to<18> cm"<3.>

5. Lysutsendende diode som angitt i krav 1, og hvor nevnte flere halvledermaterialsjikt omfatter et n-type sjikt dopet med InAs til et nivå på 10<18> cm, et sjikt ikke dopet med InAs og et p-type sjikt dopet med InAs til et nivå på 5 x 10<18>cm"<3>.

6. Lysutsendende diode som angitt i krav 1, og hvor det transparente substrat har form av en linse.