DE10306311B4 - Radiation-emitting semiconductor device with diffusion stop layer - Google Patents
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Abstract
Strahlungsemittierendes
Halbleiterbauelement mit einer Schichtstruktur, die
– eine n-dotierte
Mantelschicht (18),
– eine
p-dotierte Mantelschicht (20),
– eine zwischen der n-dotierten
Mantelschicht (18) und der p-dotierten
Mantelschicht (20) angeordnete aktive Schicht (14) auf Basis von
InGaAlP,
– eine
zwischen der aktiven Schicht (14) und der p-dotierten Mantelschicht
(20) angeordnete Diffusionsstoppschicht (16) enthält, die
ein verspanntes Übergitter
aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
– die Diffusionsstoppschicht
(16) mit einer Dotierstoffkonzentration oberhalb von 0,5 × 1018 cm–3 n-dotiert ist.Radiation-emitting semiconductor component with a layer structure, the
An n-doped cladding layer (18),
A p-doped cladding layer (20),
An active layer (14) based on InGaAlP, which is arranged between the n-doped cladding layer (18) and the p-doped cladding layer (20),
A diffusion stop layer (16) arranged between the active layer (14) and the p-doped cladding layer (20) and comprising a strained superlattice,
characterized in that
- The diffusion stop layer (16) with a dopant concentration above 0.5 × 10 18 cm -3 n-doped.
Description
Die Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer Schichtstruktur, die eine n-dotierte Mantelschicht, eine p-dotierte Mantelschicht, eine zwischen der n-dotierten Mantelschicht und der p-dotierten Mantelschicht angeordnete aktive Schicht auf Basis von InGaAlP, und eine zwischen der aktiven Schicht und der p-dotierten Mantelschicht angeordnete Diffusionsstoppschicht enthält.The The invention relates to a radiation-emitting semiconductor component with a layered structure comprising an n-doped cladding layer, a p-doped cladding layer, one between the n-doped cladding layer and the p-type cladding layer disposed active layer Base of InGaAlP, and one between the active layer and the Contains p-doped cladding layer disposed diffusion stop layer.
Vorliegend zählen zu den Materialien auf der Basis von InGaAlP alle Mischkristalle mit einer Zusammensetzung, die unter die Formel Inx(GayAl1-x)1-xP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 fällt.In the present case, the materials based on InGaAlP include all mixed crystals having a composition which falls under the formula In x (Ga y Al 1-x ) 1-x P with 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1.
Leuchtdioden auf der Basis von InGaAlP können durch Variation des Al-Anteils mit Emission in einem weiten Spektralbereich von Rot bis Gelbgrün hergestellt werden. Durch die Änderung des Al-Gehalts kann die Bandlücke des InGaAlP-Systems von 1,9 eV bis 2,2 eV durchgestimmt werden.LEDs based on InGaAlP by varying the Al content with emission in a wide spectral range made from red to yellowgreen become. By the change the Al content may be the bandgap of the InGaAlP system from 1.9 eV to 2.2 eV are tuned.
Im Betrieb solcher Leuchtdioden beobachtet man eine Abnahme der Lichtleistung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen. Als Hauptursache für diese Alterung wird die absichtlich eingebrachte Magnesium-Dotierung der p-Mantelschicht angesehen. Dabei kann es schon während des Epitaxieprozesses beim Aufwachsen einer GaP-Fensterschicht, die bei hohen Temperaturen erfolgt, zu einer Diffusion der Mg-Dotieratome entlang des Konzentrationsgradienten zur aktiven Schicht hin kommen.in the Operation of such LEDs is observed a decrease in the light output in dependence of the operating conditions. The main cause of this aging is deliberately introduced magnesium doping of the p-type cladding layer considered. there It may already be during the epitaxy process when growing a GaP window layer, which occurs at high temperatures, to a diffusion of Mg dopant atoms come along the concentration gradient towards the active layer.
Auch im Betrieb der Leuchtdioden kommt es zu Alterungserscheinungen.Also During operation of the LEDs, aging occurs.
Ein Ansatz, dem Alterungsproblem zu begegnen, besteht darin, die Diffusion der Mg-Dotieratome von der p-dotierten Mantelschicht in die aktive Schicht zu reduzieren. In Hinblick auf eine möglichst lange Lebensdauer der Leuchtdioden ist es wünschenswert, die Magnesium-Diffusion weitestgehend zu verhindern.One Approach to countering the aging problem is diffusion the Mg dopant atoms from the p-doped cladding layer into the active layer to reduce. In order to maximize the life of the Light-emitting diodes it is desirable to prevent the magnesium diffusion as far as possible.
Die
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement anzugeben, das verbesserte Alterungseigenschaften aufweist.Of the Invention is based on the object, a generic radiation-emitting Specify semiconductor device, the improved aging properties having.
Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10.These The object is achieved by a radiation-emitting semiconductor component solved with the features of claim 1. Further advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims 2 to 10th
Erfindungsgemäß ist bei einem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art vorgesehen, daß eine Diffusionsstoppschicht durch ein verspanntes Übergitter gebildet und mit einer Dotierstoffkonzentration oberhalb von 0,5 × 1018 cm–3 n-dotiert ist. Es hat sich überraschend herausgestellt, daß durch ein derartiges Übergitter die Diffusion von p-Dotierstoffatomen wesentlich stärker unterdrückt wird, als bei dem Einsatz herkömmlicher Diffusionsstoppschichten.According to the invention, it is provided in a radiation-emitting semiconductor component of the aforementioned type that a diffusion stop layer is formed by a strained superlattice and n-doped with a dopant concentration above 0.5 × 10 18 cm -3 . It has surprisingly been found that the diffusion of p-type dopant atoms is suppressed substantially more strongly by such a superlattice than in the case of conventional diffusion stop layers.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Diffusionsstoppschicht durch ein alternierend tensil/kompressiv verspanntes Übergitter gebildet ist. Dies führt zu einer besonders effizienten Unterdrückung der Dotierstoff-Diffusion durch die Stoppschicht.In a preferred embodiment The invention provides that the diffusion stop layer by an alternating tensil / compressively strained superlattice is formed. this leads to to a particularly efficient suppression of dopant diffusion through the stop layer.
Insbesondere kann mit Vorteil vorgesehen sein, daß das Übergitter der Diffusionsstoppschicht aus N Perioden von tensil verspannten Inx(GayAl1-y)1-xP-Schichten (mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) und kompressiv verspannten Inx(GayAl1-y)1-xP-Schichten (mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) besteht, wobei N zwischen 2 und 40, insbesondere zwischen 5 und 20 und bevorzugt zwischen 8 und 15 liegt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist N beispielsweise gleich 10. Weiterhin bevorzugt weisen die Schichten des Übergitters die gleiche Zusammensetzung auf.In particular, it can advantageously be provided that the superlattice of the diffusion stop layer consists of N periods of tensilely strained In x (Ga y Al 1-y ) 1-x P layers (with 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) and compressively In x (Ga y Al 1-y ) 1-x P layers (with 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), where N is between 2 and 40, in particular between 5 and 20 and preferably between 8 and 15 lies. In a particularly preferred embodiment, N is for example equal to 10. Furthermore, the layers of the superlattice preferably have the same composition.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements besteht das Übergitter der Diffusionsstoppschicht aus InxAl1-xP-Schichten (mit 0 < x < 1).In an advantageous embodiment of the device according to the invention, the superlattice of the diffusion stop layer consists of In x Al 1-x P layers (with 0 <x <1).
In vorstehendem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Verspannung im Bereich von 0,1% bis 5%, bevorzugt im Bereich von 0,5% bis 2%, besonders bevorzugt von 0,7% bis 1% liegt.In In the above context, it has been found to be expedient if the Stress in the range of 0.1% to 5%, preferably in the range of 0.5% to 2%, more preferably from 0.7% to 1%.
Die Erfindung bietet besonders große Vorteile, wenn die p-dotierte Mantelschicht mit Magnesium p-dotiert ist.The Invention offers particularly large Advantages when the p-doped cladding layer p-doped with magnesium is.
Bevorzugt sind beide Schichttypen des Übergitters mit einer Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen einschließlich 0,75 und einschließlich 1,5 × 1018 cm–3 versehen.Both types of layers are preferred Superlattice with a dopant concentration in the range between 0.75 inclusive and including 1.5 × 10 18 cm -3 provided.
Dabei hat sich insbesondere eine n-Dotierung mit Tellur als vorteilhaft herausgestellt. Die Tellur-Dotierungsspitze, die durch das Übergitter gepinnt wird, dient dann als wirkungsvoller Diffusionsstopp für die p-Dotierstoffatome.there In particular, an n-doping with tellurium has been found to be advantageous exposed. The tellurium doping tip passing through the superlattice is pinned, then serves as an effective diffusion stop for the p-type dopant atoms.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist auf der obersten Mantelschicht der Schichtstruktur eine transparente Auskoppelschicht angeordnet. Insbesondere kann die transparente Auskoppelschicht im wesentlichen aus GaP bestehen. Diese Auskoppelschicht wird typischerweise unter Verwendung von Phosphin (PH3) für ein bis zwei Stunden bei einer Temperatur oberhalb von 800°C epitaktisch abgeschieden. Die erforderlichen hohen Temperaturen begünstigen die Diffusion von Dotierstoffatomen aus der p-dotierten Mantelschicht in die aktive Schicht.In a preferred embodiment, a transparent coupling-out layer is arranged on the uppermost jacket layer of the layer structure. In particular, the transparent coupling-out layer may consist essentially of GaP. This coupling-out layer is typically epitaxially deposited using phosphine (PH 3 ) for one to two hours at a temperature above 800 ° C. The required high temperatures favor the diffusion of dopant atoms from the p-doped cladding layer into the active layer.
Die aktive Schicht kann beispielsweise durch einen p-n-Übergang, einen Quantentopf oder einen Mehrfachquantentopf gebildet sein.The active layer may be defined, for example, by a p-n junction, be formed a quantum well or a Mehrfachquantentopf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und der Zeichnung.Further advantageous embodiments, features and details of the invention arise from the dependent ones claims, the description of the embodiment and the drawing.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigtThe Invention will be related to an embodiment in the context closer to the drawing explained. There are only those for the understanding the invention essential elements shown. It shows
Es versteht sich jedoch, daß weitere Schicht, wie etwa Pufferschichten, Zwischenschichten, Rampen und dergleichen ebenfalls vorhanden sein können.It It is understood, however, that more Layer, such as buffer layers, interlayers, ramps and may also be present.
Bei
der InGaAlP-Leuchtdiode
Um
die Diffusion von Mg-Dotieratomen aus der p-Mantelschicht
Wie
am besten in der Darstellung der
Die
Punkte ober- und unterhalb der Schichten in
Beide
Schichttypen sind mit Tellur bei einer Dotierstoffkonzentration
von 0,75 bis 1,5 × 1018 cm–3 hoch n-dotiert. Die
Tellur-Dotierstoffspitze, die durch das Übergitter gepinnt wird, wirkt
dann als effektiver Diffusionsstop für die Magnesium-Dotieratome
aus der p-Mantelschicht
Um
die Wirkung der erfindungsgemäßen Diffusionsstoppschicht
zu überprüfen, wurden
SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) Tiefenprofile einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode
Bei der Vergleichs-Leuchtdiode findet sich, ausgehend von der p-Mantelschicht eine nur flach abfallende und damit weit in die lichteerzeugenden Schichten hineinragende Magnesium-Konzentration oberhalb von 1 × 1017 cm–3.In the comparative light-emitting diode, starting from the p-type cladding layer, there is a magnesium concentration only slightly decreasing and thus far into the light-generating layers, above 1 × 10 17 cm -3 .
Demgegenüber wird
die Diffusion der Mg-Atome durch das Einbringen der beschriebenen Diffusionsstoppschicht
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