DE1278002B - A B -Lumineszenzdiode, insbesondere auf GaAs-Basis, mit hoher Lichtausbeute infolge geringer Absorption der p-Lumineszenz in der n-Zone - Google Patents

Description

DEUTSCHES JmWWl· PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21 f-89/03

Nummer: 1278 002

Aktenzeichen: P 12 78 002.8-33 (S101435)

1 278 002 Anmeldetag: 14.Januar 1966

Auslegetag: 19. September 1968

Es ist bekannt, daß in einer A^m !^-Lumineszenzdiode die Photonenenergie in der η-Zone der Diode meist größer ist als in der p-Zone. Das bedeutet umgekehrt, daß praktisch nur die p-Lumineszenzstrahlung auf dem Wege durch die η-Zone nach außen gelangen kann, ohne stark absorbiert zu werden. Bei üblichen Betriebstemperaturen, insbesondere für GaAs bei Zimmertemperatur, sind die Absorptionsverluste in einer AⁱⁿB^v-Lumineszenzdiode mit homogenem Grundmaterial aber noch so hoch, daß nur wenige Prozente der am pn-übergang entstandenen p-Lumineszenzstrahlung die η-Zone durchdringen.

Zur Verringerung der Absorptionsverluste in der η-Zone wurde bereits vorgeschlagen (J. Appl. Phys., Bd. 36, Nr. 2 [1965], S. 460 bis 461), eine Lumineszenzdiode auf GaAs-GaP-Basis zu verwenden, deren Absorptionsverluste beim Durchgang der am pn-übergang der Diode entstandenen p-Lumineszenzstrahlung durch die η-Zone der Diode dadurch vermindert sind, daß mittels kontinuierlicher Änderung der Zusammensetzung des halbleitenden Grundmaterials die η-Zone einen mit zunehmendem Abstand vom pn-übergang wachsenden effektiven Bandabstand hat.

Eine so aufgebaute AⁱⁿB^v-Lumineszenzdiode mit kontinuierlicher Zunahme des effektiven Bandabstandes hat aber noch folgende Nachteile:

1. Ein beachtlicher Anteil der Lumineszenzstrahlung, insbesondere der kurzwellige Teil, wird in dem an den pn-übergang angrenzenden Bereich der η-Zone bereits absorbiert.

2. In einer solchen, in ihrer Zusammensetzung stetig veränderten Diode bilden die Flächen mit gleichen optischen Eigenschaften Ebenen parallel zur pn-Übergangszone; wenn die äußere Grenzfläche der Dioden-n-Zone nicht gerade mit einer solchen Ebene zusammenfällt, ändern sich die optischen Eigenschaften über die ganze äußere Oberfläche der η-Zone. In vielen Fällen ist das nicht erwünscht.

3. Ein wesentlicher Nachteil besteht noch darin, daß bei der stetigen Änderung der Zusammensetzung des Grundmaterials ein bestimmter Konzentrationsgradient eingehalten werden muß, da die Strahlungsquelle selbst innerhalb dieses Grundmaterials liegt. Andernfalls wären die so aufgebauten Lumineszenzdioden nicht reproduzierbar bezüglich Ausbeute und Wellenlänge des Lumineszenzmaximums.

Es ist außerdem bekannt, daß die Intensität der austretenden Strahlung noch dadurch merklich erhöht AⁱⁿB^v-Lumineszenzdiode,
insbesondere auf GaAs-Basis, mit hoher
Lichtausbeute infolge geringer Absorption der
p-Lumineszenz in der n-Zone

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dr. Günter Winstel,

Dipl.-Phys. Karl-Heinz Zschauer, 8000 München

werden kann, daß man dem η-dotierten Teil der Diode ao an der Außengrenze eine solche Form, etwa Weierstrass-Geometrie (vgl. Fig. 2 bzw. 3), gibt, daß die Strahlung auf diese Grenzfläche so auftrifft, daß sie praktisch ohne Totalreflexionsverluste nach außen durchtreten kann,
as Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Lichtausbeute der A^lllB^v-Lumineszenzdiode darüber hinaus noch dadurch zu erhöhen, daß die Absorptionsverluste an Lumineszenzstrahlung längs des Weges von ihrer Entstehung am pn-übergang durch die n-Zone der Diode bis hin zur äußeren Grenzfläche möglichst vollkommen unterdrückt werden.

Entsprechend dem Gedanken der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß in der A^lllB^v-Lumineszenzdiode, insbesondere J5 in einer GaAs-Diode, der effektive Bandabstand des halbleitenden Grundmaterials der n-Zone gegenüber dem der p-Zone unmittelbar am pn-übergang sprunghaft um etwa die Halbwertsbreite des Lumineszenzbandes oder mehr zunimmt, so daß selbst der kurz-(.o wellige Anteil der p-Lumineszenzstrahlung die n-Zone im wesentlichen ohne Absorption durchdringt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und an Hand der F i g. 1 und den in Fig. 2 bzw. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen, bei denen die p-Zone epitaktisch auf der n-Zone niedergeschlagen bzw. in diese einlegiert ist, näher erläutert.

Das gewünschte, im wesentlichen absorptionsfreie Durchdringen der n-Zone wird möglich, wenn die So folgende Ungleichung gilt:

hv_p + Ä{hv_p) < Ak .

809 617/231

Claims (7)

Dabei bedeutet: hvp = Energie des Maximums der p-Lumineszenzbande (vgl. Fig. 1); Δ (Jivv) = Halbwertsbreitederp-Lumineszenzbande (vgl. Fig. 1); Ak- Absorptionskante in der η-Zone der Diode (vgl. Fig. 1), die definiert sei durch ιχη· d = 0,1; d. h., von der Strahlung mit der Energie Ak wird an einer Stelle innerhalb der η-Zone im Abstand d vom pn-übergang dann noch etwa 90 °/0 durchgelassen, <xn ist dabei der Absorptionskoeffizient (eine Funktion von Wellenlänge und Dotierung). F i g. 1 zeigt die spektrale Verteilung der p-Lumineszenzbande und die nach der Erfindung geforderte Lage der Absorptionskante. Dabei bedeuten / = Intensität, a0 E = Energie. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird diese Bedingung dadurch erfüllt, daß sich die Zusammensetzung des halbleitenden Grundmaterials der Am Bv-Lumineszenzdiode unmittelbar am pn-übergang (3 in F i g. 2 und 3) in dem erforderlichen Ausmaß ändert. Lumineszenzdioden dieser Art auf GaAs-Basis sind vorteilhaft wie folgt aufgebaut: a) durch Vergrößerung des effektiven Bandabstandes AEn in der η-Zone (1 in Fig. 2 und 3), insbesondere gemäß p-GaAs, H-(Ga1-ZAlz) (As1-^P2,) mit ausreichenden Beimischungen χ > 0, y > 0 undx + j>>0; b) durch Verkleinerung des effektiven Bandabstandes AEp in der p-Zone (2 in Fig. 2 und 3) gemäß ^-(Ga1-T Inj·) (As1-S Sbs) mit ausreichenden Beimischungen r > 0, s > 0 und r + s > 0 und/ oder durch ausreichend starke Gegendotierung mit Donatoren, z. B. Sn bei p-Dotierung mit Zn, wodurch der Bandaufbau so verändert wird, daß der effektive Bandabstand im gewünschten Maß verringert ist; n-GaAs; c) durch gleichzeitige Verringerung des effektiven Bandabstands AEp in der p-Zone und Vergrößerung des effektiven Bandabstands AEn in der η-Zone, insbesondere gemäß p-Zone nach b), η-Zone nach a), x, y, r und s sind dabei feste Werte zwischen 0 und 1, die jedoch je nach Wahl des speziellen A111Bv-Materials und der gewünschten Wellenlänge des Lumineszenzmaximums verschieden sein können. 55 Ein solcher Aufbau der Lumineszenzdiode aus zwei unterschiedlichen, in sich aber jeweils homogenen Grundmaterialien hat gegenüber anderen Aufbauarten, wie z. B. mit der obenerwähnten stetigen Veränderung der Zusammensetzung des Grundmaterials, folgende Vorteile:

1. Der äußeren Grenzfläche der η-Zone der Diode kann jede gewünschte Form gegeben werden, etwa sogenannte Weierstrass-Geometrie, entsprechend F i g. 2 oder 3, mit möglichst niedri- 6g gen Totalreflexionsverlusten beim Durchgang der p-Lumineszenzstrahlung durch diese äußere Grenzfläche der n-Zone.

2. Die optischen Eigenschaften des n-dotierten Materials bleiben dabei an der Oberfläche der n-Zone der Diode stets dieselben, wie das für bestimmte Anwendungszwecke von Interesse sein kann.

3. Die Zusammensetzung des Grundmaterials, gekennzeichnet durch χ, y, r und s, ist unkritisch. Lediglich die Ungleichung

hvp + A(hvp) < Ak muß erfüllt sein.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sollen die p- und die n-Zone der Diode trotz unterschiedlicher Zusammensetzung des halbleitenden A¹¹¹B^v-Grundmaterials möglichst gleiche Gitterkonstanten haben, um den pn-übergang technisch möglichst einfach, insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen der p-Zone auf die n-Zone, durchzuführen.

Patentansprüche:

1. A^lllB^v-Lumineszenzdiode, deren Absorptionsverluste beim Durchgang der im pn-übergang der Diode erzeugten p-Lumineszenzstrahlung durch die n-Zone der Diode dadurch vermindert sind, daß mittels Änderung der Zusammensetzung des halbleitenden Grundmaterials die n-Zone einen größeren effektiven Bandabstand hat als der Frequenz der p-Lumineszenzstrahlung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Bandabstand des halbleitenden Grundmaterials der n-Zone gegenüber dem der p-Zone unmittelbar am pn-übergang sprunghaft um etwa die Halbwertsbreite des Lumineszenzbandes oder mehr zunimmt, so daß selbst der kurzwellige Anteil der p-Lumineszenzstrahlung die n-Zone im wesentlichen noch ohne Absorption durchdringt.

2. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als A¹¹¹B^v-Material GaAs dient.

3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Grundmaterialien der p- und der n-Zone angenähert gleiche Gitterkonstanten haben.

4. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der p-Zone aus p-GaAs und das der n-Zone aus U-(Ga ₁-ZAlz)(As₁-^Py) mit den Beimischungsanteilen χ > 0, y > 0 und x+y > 0 gebildet ist.

5. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der p-Zone aus P-(Ga₁^_rIn_r)(As₁-SSb_s) mit den Beimischungsanteilen r > 0, s > 0 und r + s > 0 gebildet ist.

6. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Bandabstand der p-Zone durch Gegendotierung mit Donatoren gegenüber der Bandbreite des undotierten Grundmaterials verringert, insbesondere die mit Zn p-dotierte GaAs-Zone durch Sn gegendotiert ist.

7. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine p-Zone nach Anspruch 5 oder 6 mit einer n-Zone nach Anspruch 4 verbunden ist.