DE4017632C2 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtung - Google Patents

Lichtemittierende Halbleitervorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleitervor­ richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Von den Halbleitern aus Verbindungen der Gruppen III-V, mit zu GaAs passendem Gitter besitzen In1-y(Ga1-xAlx)yP-Misch­ kristalle (0 ≦ × ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 1) den größten direkten Übergangsbandabstand und haben somit erhebliche Beachtung als Materialien zur Herstellung lichtemittierender Vorrich­ tungen für den Bereich sichtbaren Lichts gefunden.
Ein Material aus dem InGaAlP-System besitzt bis zu einem Grünbereich eine direkte Übergangsbandstruktur, so daß sich unter Verwendung eines solchen Materials eine lichtemittierende Diode hoher Leuchtkraft über einen breiten Bereich sichtbaren Lichts herstellen läßt. Zur Herstellung einer solchen Vorrichtung muß jedoch zur Verminderung des Systemwiderstands der Vorrichtung InGaAlP niedrigen spezifischen Widerstands gezüchtet werden. Es bereitet jedoch Schwierigkeiten, einen niedrigen Widerstand aufweisendes InGaAlP bereitzu­ stellen, und zwar insbesondere in einer Schicht vom p-Leitfähigkeitstyp (im folgenden kurz "p-Typ" genannt. Zur Senkung des Widerstands einer Schicht vom p-Typ muß hoch­ konzentriert mit Fremdatomen vom p-Typ dotiert werden. Wenn jedoch bei einem Material vom InGaAlP-System Fremdatome in hoher Konzentration eindotiert werden, läßt sich lediglich ein Teil der eindotierten Fremdatomen elektrisch aktivieren, d. h. die Aktivität sinkt unter Sättigung der Ladungsträgerkonzen­ tration.
Darüber hinaus ist die Mobilität der Ladungsträger in InGaAlP ver­ gleichsweise gering. Insbesondere ist die Mobilität der Löcher ausgesprochen gering und liegt in der Größenordnung von 10-20 cm2/V·s. Folglich läßt sich der Widerstand beim Dotieren in einer Konzentration von etwa 1018 cm-3 nicht be­ sonders stark vermindern. Aus diesem Grund verbreitern sich in eine LED-Gebilde, bei dem in der angegebene n Reihenfolge auf ein Substrat aus GaAs vom n-Leitfähigkeitstyp (im folgenden kurz "n-Typ" genannt) eine erste Plattier­ schicht mit InGaAlP vom n-Typ, eine aktive Schicht aus InGaAlP und eine zweite Plattierschicht aus InGaAlP vom p-Typ aufgetragen sind, von einer Elektrode injizierte Löcher nicht ohne weiteres in seitliche Richtung, wobei der Hauptteil der Lichtemissionsrekombination in der aktiven Schicht unterhalb einer Elektrode auf der Seite der Schicht vom p-Typ stattfindet. Folglich erfolgt eine Lichtemission in lediglich einem peripheren Bereich der Elektrode auf der Seite der Schicht vom p-Typ, was zu einem sehr niedrigen Emissionslichtextraktionsgrad führt. Da Dotiermittel vom n-Typ relativ einfach in hoher Konzentration dotiert werden können, läßt sich durch Aufeinanderstapeln einer ersten Plattierschicht aus InGaAlP vom p-Typ, einer aktiven Schicht aus InGaAlP und einer zweiten Plattierschicht aus InGaAlP in der angegebenen Reihenfolge auf ein Substrat aus GaAs vom p-Typ ein LED-Gebilde herstellen. Die Elektro­ nenmobilität in in einer Plattierschicht zu verwendendem InGaAlP ist in einem Zusammensetzungsbereich mit hohem Al- Anteil nicht so hoch, d. h. etwa 100 cm2/V·s. Zur Verbreitung eines Injektionsstroms in seitliche Richtung muß folglich die Dicke der zweiten Plattierschicht vom n-Typ auf einige 10 µm oder mehr erhöht werden. Theoretisch ist es nicht un­ möglich, nach dem als Kristallzüchtungsverfahren für das InGaAlP-Material geeigneten MOCVD-Verfahren einen dicken Film der angegebenen Stärke zu züchten. Diese Technik ist jedoch nicht praktikabel, da sie beispielsweise eine sehr lange Wachstumszeit oder eine sehr große Menge an gasförmi­ gem Lieferanten für das Material der Gruppe V erfordert.
Eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung der ein­ gangs genannten Art ist aus "Appl. Phys. Ltt." 43 (1983), Seiten 987 bis 989, bekannt. Bei dieser Halb­ leitervorrichtung handelt es sich um einen Laser mit einer Doppelheterostruktur-InGaAlP-Schicht und seitli­ cher Lichtabstrahlung.
Weiterhin ist aus "J. Appl. Phys." 62 (1987), Seiten 2541 bis 2544, die Herstellung von Einzelheterostruk­ tur-AlGaAs/InGaP-Leuchtdioden mit seitlicher Lichtab­ strahlung bekannt, bei denen eine obere p-Typ GaAs- Schicht hochdotiert ist, um eine ohmsche Kontaktierung zu erleichtern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine licht­ emittierende Halbleitervorrichtung der eingangs genann­ ten Art mit einer für die Lichtabstrahlung senkrecht zur aktiven Schicht geeigneten Geometrie zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einer lichtemittierenden Halb­ leitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnen­ dem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung strahlt das Licht senkrecht zur aktiven Schicht mit hoher Leucht­ kraft ab.
Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen in den Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zei­ gen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine LED (Leucht­ diode) gemäß einer Ausführungsform der Er­ findung; und
Fig. 2 einen Querschnitt zur Veranschaulichung der Stromverteilung und eines lichtemittierenden Bereichs der LED gemäß Fig. 1.
Wie bereits erwähnt, ist in Fig. 1 in schematischem Querschnitt der Aufbau einer Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen lichtemittierenden Halbleitervorrich­ tung dargestellt.
Fig. 1 zeigt, daß nach und nach auf eine Hauptfläche eines aus n-GaAs bestehenden Substrats 11 eine untere Plattier­ schicht 12 aus n-In0,5(Ga1-xAlx)0,5P, eine aktive Schicht 13 aus In0,5(Ga11-yAly)0,5P, eine obere Plattierschicht 14 aus p-In0,5(Ga1-zAlz)0,5P, eine p-Ga1-pAlpAs-Schicht 15 und eine aus p-GaAs bestehende Kontaktschicht 16 aufgetragen sind. Auf der Kontaktschicht 16 befindet sich eine p-typseitige erste Elektrode 17 aus Au-Zn, während auf der anderen Hauptfläche des Substrats 11 eine n-typseitige zweite Elektrode 18 aus Au-Ge vorgesehen ist. Die Dicke der p-GaAlAs-Schicht 15 ist größer als diejenige der oberen Plattierschicht ,14.
Die Fig. 2 zeigt die Stromverteilung und den lichtemittieren­ den Bereich im Inneren der Vorrichtung gemäß Fig. 1. In Fig. 2 zeigen gestrichelt dargestellte Pfeile 19 die Strom­ verteilung in der Vorrichtung, mit der Bezugszahl 10 ist der lichtemittierende Bereich bezeichnet. Zur Gewährleistung eines hohen Lichtemissionsgrades genügen die Al-Anteile x, y und z in jeder InGaAlP-Schicht folgenden Erfordernissen: y < x und y < z. Dies bedeutet, daß ein solcher Doppel­ heteroübergang gebildet wird, daß der Bandabstand der als lichtemittierende Schicht dienenden aktiven Schicht 13 ge­ ringer ist als diejenigen der beiden Plattierschichten 12 und 14 vom p- bzw. n-Typ. Jeder Index x, y und z genügt einer der folgenden Ungleichungen:
0 < x < 1, vorzugsweise 0,5 ≦ x < 1 0 < y < 1, vorzugsweise 0 ≦< y < 0,6
0 < z < 1, vorzugsweise 0,5 ≦< z < 1.
Für die p-GaAlAs-Schicht 15 wird der Bandabstand größer ge­ wählt als für die aktiv Schicht 13, so daß die Schicht 15 in bezug auf die Wellenlänge des durch die aktive Schicht 13 emittierten Lichts durchlässig wird. So genügt beispiels­ weise p in Ga1-pAlpAs der Ungleichung 0,45 ≦ p <1.
Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Aufbau sind die Dicke und Trägerkonzentration jeder Schicht im folgenden in Klammern angegeben: Substrat 11 (80 µm, 3 × 1018 cm-3), untere Plattierschicht 12 (1 µm, 5 × 1017 cm-3), aktive Schicht 13 (0,5 µm, nicht dotiert), obere Plattierschicht 14 (0,2 µm, 4 × 1017 cm-3), p-GaAlAs-Schicht 15 (3 µm, 3 × 1018 cm-3) und Kontaktschicht 16 (0,1 µm, 3 × 1018 cm-3). Es sei darauf hingewiesen, daß die Dicke der p-GaAlAs-Schicht 15 vorzugs­ weise 1 µm bis 20 µm beträgt.
Ein Merkmal des beschriebenen Aufbaus ist, daß auf der Schicht 12 eine p-GaAlAs-Schicht 15 weit größerer Dicke als sie die obere Plattierschicht 14 aus p-InGaAlP aufweist, gebildet ist. Die Überlegenheit dieses Aufbaus wird noch näher erläutert werden.
Wenn die p-GaAlAs-Schicht 15 in der in Fig. 1 dargestellten Struktur nicht vorhanden ist, ist die Stromausbreitung in der oberen Plattierschicht aus p-InGaAlP gering, da ihr spezifischer Widerstand hoch ist. Die Stromausbreitung kann durch Er­ höhen der Dicke der Schicht aufgeweitet werden. Da jedoch in einem Material aus dem InGaAlP-System die Wärmeleit­ fähigkeit gering ist, ist wegen einer Verschlechterung der Kristallqualität und Beeinträchtigung der darüberliegenden Schicht eine große Filmdicke nicht erwünscht. Darüber hinaus muß bei einem Halbleitermaterial aus dem InGaAlP-System wegen der begrenzten Wachstumsgeschwindigkeit im Hinblick auf die Kristallqualität die Wachstumsdauer verlängert werden, um einen dicken Film wachsen zu lassen. Wenn in der Plattierschicht Fremdatome hohen Diffusionsvermögens ver­ wendet werden, erfolgt folglich eine Fremdatomdiffusion zu der aktiven Schicht unter Beeinträchtigung der Eigenschaften der betreffenden Vorrichtung. Aus diesem Grunde bereitet es Schwierigkeiten, eine dicke InGaAlP-Schicht zu züchten. Durch Ausbilden der p-GaAlAs-Schicht 15 mit Gitteranpassung an GaAs zur Gewährleistung eines niedrigen Widerstands und einer hohen Wachstumsgeschwindigkeit auf der oberen Plattier­ schicht 14 aus p-InGaAlP kann sich ein aus der Elektrode injizierter Strom in der p-GaAlAs-Schicht 15 ausbreiten und dabei eine Lichtemession in einem breiten Bereich mit Aus­ nahme eines Teils unmittelbar unterhalb der Elektrode her­ beiführen. Die Widerstandswerte der oberen Plattierschicht 14 aus p-In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P und der p-(Ga0,2Al0,8)As-Schicht 15 dieser Ausführungsform und bei der angegebenen Träger­ konzentration betragen 1 Ωcm bzw. 0,05 Ωcm. Da der Wider­ standsunterschied groß ist, verbreitet sich ein aus der Elektrode injizierter Strom in hohem Maße in der p-GaAlAs- Schicht 15, bevor er die Plattierschicht 14 vom p-Typ er­ reicht.
In der dargestellten Stapelstruktur beträgt bei der betref­ fenden Vorrichtung der Al-Gehalt y in der aus In0,5(Ga1-yAly)0,5P bestehenden aktiven Schicht 0,3. Um einen Strom zum Fließen zu bringen, wird in Vorwärtsrich­ tung eine Spannung angelegt. Dies führt zu der in Fig. 2 dargestellten Stromverteilung. Über einen breiten Ober­ flächenbereich der Vorrichtung mit Ausnahme der p-typseiti­ gen Elektrode (Au-Zn) 17 erfolgt eine Lichtemission mit einem Wellenlängenmaximum bei 610 mm.
Bei der geschilderten Ausführungsform be­ sitzt die aktive Schicht 13 die Zusammensetzung In0,5(Ga0,7Al0,3)0,5P. Durch Ändern des Al-Gehalts dieser Zusammensetzung läßt sich eine Lichtemission im Bereich des sichtbaren Lichts von Rot nach Grün erreichen. Die Zu­ sammensetzung der Plattierschicht beträgt bei der geschil­ derten Ausführungsform In0,5(Ga0,3Al0,7)0,5P. Auch diese Zusammensetzung ist nicht zwingend, vielmehr kann jede Zusammen­ setzung gewählt werden, sofern in bezug auf die aktive Schicht 13 ein akzeptabler Bandabstandunterschied zum Ein­ fangen von Ladungssatzträgern gewährleistet ist. Bei der geschilderten Ausführungsform befindet sich zwischen der aktiven InGaAlP- Schicht 13 und dem p-GaAlAs-Schicht 15 eine obere Plattier­ schicht 14 aus p-InGaAlP.
Bei der geschilderten Ausführungsform beträgt der Al-Gehalt der Ga1-pAlpAs-Schicht 0,8. Die Zusammensetzung ist jedoch nicht auf diese Zusammensetzung beschränkt, vielmehr kann jede Zusammensetzung gewählt werden, deren Bandabstand für eine Durchlässigkeit für die Wellenlänge des vom lichtemittieren­ den Bereich emittierten Lichts ausreicht.
Bei der in Fig. 1 dargestellten LED besitzt die auf der Plattierschicht vorgesehene p-GaAlAs-Schicht eine weit größere Filmdicke und einen niedrigeren Widerstand als sie die p-InGaAIP-Plattierschicht aufweist. Folglich breitet sich ein aus dem Elektrodenbereich injizierter Strom in der p-GaAlAs-Schicht über einen weiten Bereich mit Ausnahme einer Stelle unmittelbar unterhalb der Elektrode aus, bevor er die p-InGaAlP-Plattierschicht erreicht. Da in diesem Falle der lichtemittierende Bereich über einen breiten Be­ reich mit Ausnahme der Stelle unmittelbar unterhalb der Elektrode verbreitert werden kann, erhöht sich der Licht­ extraktionsgrad unter Gewährleistung einer kräftig leuchten­ den Lichtemission, d. h. einer hohen Leuchtdichte.

Claims (5)

1. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit
  • - einem aus einem Verbindungshalbleiter bestehenden Substrat (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
  • - einer ersten aus InGaAlP des ersten Leitfähigkeits­ typs bestehenden Plattierschicht (12) auf dem Sub­ strat (11),
  • - einer aus InGaAlP bestehenden aktiven Schicht (13) auf der ersten Plattierschicht (12),
  • - einer aus InGaAlP des zweiten Leitfähigkeitstyps bestehenden zweiten Plattierschicht (14) auf der aktiven Schicht (13), deren Bandabstand größer als der der Aktiven Schicht ist, und
  • - einer stromzuführenden, Schicht (15, 16, 17) auf der zweiten Plattierschicht (14), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die stromzuführende Schicht (15, 16, 17) eine aus GaAlAs des zweiten Leitfähigkeitstyps geformte Stromausbreitungsschicht (15) auf der zweiten Plattierschicht (14) und eine die Stromaus­ breitungsschicht (15) teilweise bedeckende Elektro­ de (16, 17) umfaßt, wobei auch die Stromausbrei­ tungsschicht (15) einen größeren Bandabstand auf­ weist, als die aktive Schicht (13), so daß in der Halbleitervorrichtung erzeugtes Licht diese durch die Stromausbreitungsschicht (15) außer bei der diese teilweise bedeckenden Elektrode (16, 17) verlassen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (13) die Zusammensetzung In0,5(Ga1-yAly)0,5P aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Plattierschicht (12) aus In0,5(Ga1-xAlx)0,5P und die zweite Plattierschicht (14) aus In0,5(Ga1-zAlz)0,5P besteht, wobei x, y und z den Bedingungen y < x und y < z genügen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stromausbreitungs­ schicht (15) eine größere Schichtdicke aufweist als die zweite Plattierschicht (14).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Elektrode (16, 17) aus einer GaAs-Schicht und einer Metallschicht besteht.
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