DE19524655A1 - LED-Struktur - Google Patents

LED-Struktur

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Description

Die Erfindung betrifft eine Struktur einer LED (Licht emittie­ rende Diode) und insbesondere eine LED-Struktur, umfassend eine Mehrfach-Potentialtopf-Struktur (multiple quantum wells structu­ re) oder eine gespannte Mehrfach-Potentialtopf-Struktur (strai­ ned multiple quantum wells structure).
In den letzten Jahren sind LEDs in vielen Anwendungen eingesetzt worden. Die Verbesserung der Lichtintensität der LEDs ist inten­ siv erforscht worden. Es gab viele Entwicklungen in der Gestal­ tung der Struktur von LEDs, die eine bessere Qualität und eine höhere Lichtintensität erzielen. Unter den neuesten LEDs beruhen viele auf einer Doppelheterostruktur, umfassend eine obere Deck­ schicht, eine untere Deckschicht und eine aktive Zone da­ zwischen. Im allgemeinen ist der Wirkungsgrad der Lichtemission wegen des hohen Widerstandes der oberen Deckschicht ziemlich be­ grenzt, die die Ausbreitung des elektrischen Stromes behindert.
Einige Techniken und Strukturen sind entwickelt worden, um den Wirkungsgrad der Lichtemission für LEDs zu verbessern. Die mei­ sten Ansätze, die hierfür entwickelt worden sind, konzentrieren sich auf die Bildung von Fensterschichten mit hoher Leitfähig­ keit oder oben auf der Doppelheterostruktur angeordneter Schich­ ten, um eine verbesserte Stromausbreitung zu erreichen. Die US 5,008,718 beschreibt eine transparente Fensterschicht mit großem Bandabstand, um die Lichtintensität der LED zu verbessern. Die US 5,359,209 beschreibt eine Doppellagenfensterstruktur, umfas­ send eine Schicht mit geringem Bandabstand und eine Schicht mit großem Bandabstand.
Obwohl der Wirkungsgrad der Lichtemission einer LED in den letz­ ten Jahren deutlich verbessert worden ist, besteht dennoch ein starker Bedarf nach noch größeren Lichtintensitäten für viele Anwendungen. Zusätzlich ist eine bessere und zuverlässigere Struktur einer LED mit weniger Strukturdefekten und längerer Lebenserwartung auch sehr wichtig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine LED mit einer höheren Lichtintensität und besserer Qualität zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine neue Struktur für LEDs gelöst. Die verbesserten LED-Strukturen gemäß US 5,153,889 und US 5,008,718 erfordern bei der Herstellung zwei MOVPE-Pro­ zesse oder einen MOVPE-Prozeß zusammen mit einem VPE-Prozeß. Im vorliegenden Verfahren ist nur ein MOVPE-Prozeß erforderlich. Daher verringern sich die Herstellungskosten, und der Gewinn wird erhöht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die aktive Zone der Dop­ pelheterostruktur durch eine Mehrfach-Potentialtopf-Struktur oder eine gespannte Mehrfach-Potentialtopf-Struktur ersetzt. Die neue Struktur ergibt eine höhere Lichtintensität und eine höhere relative Lichtintensität gegenüber der Stromkurve bei Vorwärts­ polung. Das mit der erfindungsgemäßen Struktur emittierte Licht hat eine engere Halbwertsbreite (FWHM - full width half maxi­ mum). Die Erfindung umfaßt ferner einen verteilten Bragg-Reflek­ tor zwischen dem Substrat und der Doppelheterostruktur. Die Lichtintensität wird durch die Reflektorschicht verstärkt. Bei einer Fensterstruktur verwendet die Erfindung eine Zweilagen- Fensterstruktur ähnlich zu der in der US 5,359,209 beschriebenen Fensterstruktur. Durch Zusetzen einer geringen Menge von In in die Fensterschicht mit großem Bandabstand wird die Defektdichte in der GaP-Fensterschicht durch den Verunreinigungs-Härtungs­ effekt vermindert.
Das Prinzip dieser Erfindung und andere Vorteile werden aufgrund der folgenden genauen Beschreibung und der begleitenden Zeich­ nungen verstanden.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt der Struktur der erfindungsgemäßen LED;
Fig. 2 die Beziehung zwischen der Lichtintensität und des Diodenstroms sowohl für die vorliegende Erfindung als auch für eine herkömmliche Doppelhetero-LED;
Fig. 3 die emittierte Lichtintensität als Funktion der Wel­ lenlänge für eine herkömmliche LED mit einer zentralen Wellenlänge von etwa 620 nm;
Fig. 4 die emittierte Lichtintensität als Funktion der Wel­ lenlänge für die LED der vorliegenden Erfindung mit einer zentralen Wellenlänge von etwa 620 nm;
Fig. 5 Lichtintensitäten als Funktionen der abgelaufenen Zeit für die LED der vorliegenden Erfindung und einer her­ kömmlichen Doppelheterostruktur-LED;
Fig. 6(a) den Aufbau der Mehrfach-Potentialtopf-Struktur der vorliegenden Erfindung mit Abstandsschichten aus einer festen Zusammensetzung;
Fig. 6(b) einen anderen Aufbau der Mehrfach-Potentialtopf-Struk­ tur der vorliegenden Erfindung mit Abstandsschichten mit einer linear veränderten Zusammensetzung;
Fig. 6(c) einen anderen Aufbau der Mehrfach-Potentialtopf-Struk­ tur der vorliegenden Erfindung mit Abstandsschichten mit einer parabolisch veränderten Zusammensetzung; und
Fig. 7 einen Querschnitt durch eine weitere Struktur der LED der vorliegenden Erfindung mit einer verteilten Bragg- Reflektorschicht.
Fig. 1 zeigt die Struktur der LED gemäß der Erfindung, umfassend ein GaAS-Substrat eines ersten Leitungstyps. Eine Deckschicht aus AlGaInP eines ersten Leitungstyps ist auf dem Substrat auf­ gewachsen. Über der Deckschicht befindet sich eine Mehrfach- Potentialtopf-Struktur, umfassend eine Anzahl von Potentialtopf- Schichten und Barriereschichten. Die Potentialtopf-Schicht der vorliegenden Erfindung ist aus (AlxGa1-x)InP ausgebildet. Der Gehalt an Al in der Potentialtopf-Schicht hat einen x-Wert zwi­ schen 0 und 0,5. In der Barriereschicht liegt der Wert von x zwischen 0,3 und 1, je nach dem, welche Wellenlänge an emittier­ tem Licht gewünscht wird. Die Dicke der Potentialtopf-Schicht oder der Barriereschicht liegt zwischen 10 bis 500 Å.
Oben auf der Potentialtopf-Struktur befindet sich eine obere Deckschicht aus einem zweiten Leitungstyp AlGaInP. Eine Fenster­ struktur wird dann auf der oberen Deckschicht ausgebildet. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Fensterstruktur der vor­ liegenden Erfindung zwei Schichten aus einem Material des zwei­ ten Leitungstyps. Die erste Schicht ist eine dünne Lage mit einem geringen Bandabstand aus sehr gut leitendem Material. Die zweite Schicht ist eine dicke Lage mit einem großen Bandabstand aus einem transparenten Material. Das Material der ersten dünnen Lage kann GaAs oder GaInP sein. Das Material der zweiten Lage ist GaP, das eine geringe Menge von In enthält. Wegen der Exi­ stenz von In in GaP wird ein Verunreinigungs- bzw. Störstellen- Härtungseffekt bewirkt. Daher wird die Defektdichte in der GaP- Fensterschicht vermindert.
Die LED gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine signifikant erhöhte Lichtintensität. Insbesondere wird der Quantenwirkungs­ grad fast verdreifacht, wenn der Diodenstrom klein ist. Die Lichtintensität der LED ist ungefähr 1,5 bis 2 mal größer als die einer herkömmlichen LED, wenn die Diode mit einem Strom von 20 mA betrieben wird. Wegen der Verbesserung des Quantenwir­ kungsgrades besteht eine bessere lineare Beziehung zwischen der Lichtintensität und dem Diodenstrom.
Fig. 2 zeigt die Lichtintensität als Funktion des Stromes sowohl für die LED gemäß der Erfindung mit einer aktiven Zone mit einem Mehrfach-Potentialtopf als auch einer herkömmlichen Doppelhete­ rostruktur-LED. Aus Fig. 2 kann leicht erkannt werden, daß die Lichtintensität der vorliegenden Erfindung bei geringen Strömen deutlich verbessert ist. Eine weitere wesentliche Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist, daß die LED eine engere Band­ breite hat. Fig. 3 zeigt die Lichtintensität mit bezug auf die Wellenlänge für eine herkömmliche LED, bei der das emittierte Licht eine mittige Wellenlänge von etwa 620 nm aufweist. Die Bandbreite der Diode beträgt ungefähr 17 nm. Die Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge für die LED mit Mehrfach-Potential­ topf-Struktur gemäß der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Die Bandbreite bzw. Halbwertsbreite der Erfindung beträgt etwa 14 nm. Bei Dioden mit einer Wellenlänge von 595 nm beträgt die Bandbreite einer herkömmlichen Diode etwa 15 nm und bei Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Bandbreite etwa 13 nm.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die LED eine höhere Lebenserwartung hat. Wegen des geringeren Aluminiumge­ halts und der höheren strahlenden Rekombinationsrate der Poten­ tialtopf-Struktur oder der gespannten Potentialtopf-Struktur weist die LED gemäß der Erfindung eine langsamere Zerfallsrate auf. Fig. 5 vergleicht die Änderung der Lichtintensität nach einer langen Lebensdauer für herkömmliche Dioden und Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung die jeweils bei 50 mA, RT be­ trieben werden. Daraus kann man erkennen, daß die Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung eine deutlich höhere relative Licht­ intensität aufweisen, nachdem sie mehr als etwa 700 Stunden betrieben worden sind.
Der Aufbau der Potentialtopf-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht einige unterschiedliche Abwandlungen. Die unterschiedlichen Abwandlungen können alle ähnliche Effekte erzielen. Fig. 6(a), 6(b) und 6(c) zeigen einige Beispiele für einen unterschiedlichen Aufbau der Struktur auf. Bei dem Aufbau gemäß Fig. 6(a) bestehen die Abstandsschichten zwischen der Potentialtopf-Struktur und der Deckschicht aus einer festen Zusammensetzung. Die Abstandsschichten gemäß dem Aufbau in Fig. 6(b) haben eine sich linear verändernde Zusammensetzung. In Fig. 6(c) sind die Abstandsschichten aus einer Zusammensetzung ausge­ bildet, die sich parabolisch verändert.
Ferner kann die oben beschriebene Mehrfach-Potentialtopf-Struk­ tur dahingehend abgewandelt werden, daß die aktive Zone als gespannte Mehrfach-Potentialtopf-Struktur ausgebildet ist. Eine vorbestimmte Spannung kann an den Potentialtopf angelegt werden. Die Spannung drückt den Potentialtopf entweder zusammen oder zieht ihn auseinander. Die Spannung kann auch nur an die Poten­ tialtopf-Schicht oder die Barriereschicht angelegt werden, um gleiche Effekte zu erzielen. Außerdem können sowohl die Potenti­ altopf-Schichten als auch die Barriereschichten mit einer Span­ nung beaufschlagt werden. Beispielsweise hat die Potentialtopf- Schicht eine zusammendrückende Spannung und die Barriereschicht eine auseinanderziehende Spannung. Deshalb kann die gesamte Span­ nung an der Mehrfach-Potentialtopf-Struktur gut kompensiert sein.
Die vorliegende Erfindung weist ferner eine weitere Verbesserung des Aufbaus der LED auf. Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wird eine verteilte Bragg-Reflektorschicht des ersten Leitungstyps auf das GaAs-Substrat vor der Deckschicht, der Potentialtopf-Struktur und der Fensterschichten aufgewachsen, wie sie in Fig. 1, auf dem Substrat aufgewachsen, dargestellt sind. Wegen der Einfügung der verteilten Bragg-Reflektorschicht wird ein Teil des Lichts, das ansonsten von dem GaAs-Substrat absorbiert worden wäre, reflektiert. Daher wird die Lichtintensität der Diode um einen Faktor von 1,5 bis 2 im Vergleich zu der vorhergehend beschrie­ benen Diode verbessert. Daher wird mit der Erfindung eine Ge­ samtverbesserung des Wirkungsgrades der Lichtemission um einen Faktor von 2,25 bis 4 erreicht.
Zusammenfassend wird festgestellt, daß die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrfach-Potentialtopf-Struktur oder eine gespannte Mehrfach-Potentialtopf-Struktur aufweist, um die Lichtintensität deutlich zu erhöhen. Die Lichtintensität gegen­ über dem Diodenstrom weist eine bessere lineare Beziehung auf. Die Bandbreite bzw. die Halbwertsbreite der LED ist enger als im Vergleich zu herkömmlichen LEDs. Wegen des Zusatzes von In in die GaP-Fensterschicht wird die Defektdichte in der GaP-Fenster­ schicht vermindert, folglich die Lebensdauer der LED erhöht.
Die verbesserten LED-Strukturen gemäß US 5,153,889 und 5,008,718 erfordern im allgemeinen zwei MOVPE-Prozesse oder einen MOVPE- Prozeß zusammen mit einem VPE- oder LPE-Prozeß bei der Herstel­ lung. Eine weiterentwickelte wafer-fusing- oder wafer-bonding- Technologie wird auch zur Herstellung der LEDs gemäß US 5,376,580 verwendet. Die Herstellung der LEDs gemäß der vorlie­ genden Erfindung erfordert dagegen nur einen MOVPE-Prozeß. Daher bietet die vorliegende Erfindung eine LED-Struktur, die relativ leicht und günstig herzustellen ist.
Zusammenfassend wird festgestellt, daß die Erfindung eine LED mit einer Mehrfach-Potentialtopf-Struktur betrifft. Die LED hat ein Substrat aus GaAs eines ersten Leitungstyps, eine untere Deckschicht aus AlGaInP des ersten Leitungstyps, eine Mehrfach- Potentialtopf-Struktur, eine obere Deckschicht aus AlGaInP eines zweiten Leitungstyps und eine Fensterstruktur des zweiten Lei­ tungstyps. Die Mehrfach-Potentialtopf-Struktur umfaßt eine An­ zahl von Potentialtopfschichten und Barriereschichten aus Al- GaInP, die abwechselnd geschichtet sind. Die Fensterstruktur umfaßt eine dünne Schicht mit einem kleinen Bandabstand aus gut leitendem GaAs oder GaInP, und eine dicke Schicht mit großem Bandabstand aus transparentem GaP, die eine geringe Menge von In enthält. Die erfindungsgemäße Mehrfach-Potentialtopf-Struktur verbessert die Lichtintensität und die Linearität der Intensi­ tät/Stromkurve der LED. Die geringe Menge von In in der Fenster­ schicht vermindert die Defekt- bzw. Störstellendichte, die in der Schicht aus GaP auf Grund der Abweichungen der Gitterkon­ stanten zwischen der Fensterschicht und der oberen Deckschicht verursacht wird. Eine weitere Verbesserung umfaßt das Aufwachsen einer verteilten Bragg-Reflektor-Schicht zwischen der unteren Deckschicht und dem Substrat, wodurch eine weitere Erhöhung der Lichtleistung der LED verursacht wird.

Claims (16)

1. LED umfassend:
ein Halbleitersubstrat aus GaAs eines ersten Leitungstyps, wobei das Substrat eine obere und eine untere Seite hat, eine erste Elektrode, die auf der unteren Seite des Sub­ strats ausgebildet ist,
eine untere Deckschicht aus AlGaInP des ersten Leitungs­ type, die auf der oberen Seite des Substrats aufgewachsen ist,
eine Mehrfach-Potentialtopf-Struktur, die auf der unteren Deckschicht ausgebildet ist, wobei die Potentialtopf-Struk­ tur eine Anzahl von (AlxGa1-x)InP Potentialtopfschichten und eine Anzahl von (AlxGa1-x)InP Barriereschichten umfaßt,
eine obere Deckschicht aus AlGaInP eines zweiten Leitungs­ typs, die auf der potentialtopf-Struktur ausgebildet ist,
eine Fensterstruktur des zweiten Leitungstyps, die auf der oberen Deckschicht ausgebildet ist, wobei die Fensterstruk­ tur eine erste dünnen Schicht mit geringer Bandbreite aus gut leitendem Material und eine zweite dicke Schicht aus GaP, die transparent ist, eine große Bandbreite aufweist und eine geringe Menge von In enthält und
eine zweite Elektrode, die auf einem Teil der zweiten Fen­ sterschicht ausgebildet ist.
2. LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur ferner eine obere und eine untere Abstandsschicht aufweist, wobei die Abstandsschich­ ten aus einer festen Zusammensetzung ausgebildet sind.
3. LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur ferner eine obere und untere Abstandsschicht aufweist, wobei die Abstandsschichten aus einer sich linear verändernden Zusammensetzung ausgebildet sind.
4. LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur ferner eine obere und untere Abstandsschicht aufweist, wobei die Abstandsschichten aus einer sich parabolisch verändernden Zusammensetzung ausge­ bildet sind.
5. LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur eine gespannte Mehrfach- Potentialtopf-Struktur ist und die Potentialtopfschichten eine Spannung aufweisen.
6. LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur eine gespannte Mehrfach- Potentialtopf-Struktur ist und die Barriereschichten eine Spannung aufweisen.
7. LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur eine gespannte Mehrfach- Potentialtopf-Struktur ist und sowohl die Potentialtopf­ schichten als auch die Barriereschichten eine Spannung aufweisen.
8. LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete daß die erste Schicht der Fensterstruktur aus GaAs oder GaInP umfaßt.
9. LED umfassend:
ein Halbleitersubstrat aus GaAs eines ersten Leitungs­ typs, wobei das Substrat eine obere und untere Seite hat, eine erste Elektrode, die auf der unteren Seite des Sub­ strates ausgebildet ist,
eine verteilte Bragg-Reflektorschicht des ersten Leitungs­ typs, die auf der oberen Seite des Substrates ausgebildet ist,
eine untere Deckschicht aus AlGaInP des ersten Leitungs­ typs, die auf der Reflektorschicht aufgewachsen ist,
eine Mehrfach-Potentialtopf-Struktur die auf der unteren Deckschicht ausgebildet ist, wobei die Potentialtopf-Struk­ tur eine Anzahl von Potentialtopfschichten aus (AlxGa1-x)InP und eine Anzahl von Barriereschichten aus (AlxGa1-x) InP umfaßt,
eine obere Deckschicht aus AlGaInP des zweiten Leitungs­ typs, die auf der Potentialtopf-Struktur ausgebildet ist,
eine Fensterstruktur des zweiten Leitungstyps, die auf der oberen Deckschicht ausgebildet ist, wobei die Fensterstruk­ tur eine erste dünne Schicht aus einem Material mit kleinem Bandabstand und guter Leitfähigkeit und eine zweite dicke Schicht aus GaP aufweist, die transparent ist, einen hohen Bandabstand aufweist und eine geringe Menge an In enthält, und
eine zweite Elektrode, die auf einem Teil der zweiten Fen­ sterschicht ausgebildet ist.
10. LED nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur ferner eine obere und untere Abstandsschicht aufweist, wobei die Abstandsschichten aus einer festen Zusammensetzung ausgebildet sind.
11. LED nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur ferner eine obere und untere Abstandsschicht aufweist, wobei die Abstandsschichten aus einer sich linear verändernden Zusammensetzung ausgebildet sind.
12. LED nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur ferner eine obere und untere Abstandsschicht aufweist, wobei die Abstandsschichten aus einer sich parabolisch sich verändernden Zusammensetzung ausgebildet sind.
13. LED nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur aus einer gespannten Mehr­ fach-Potentialtopf-Struktur ausgebildet ist, wobei die Potentialtopfschichten eine Spannung aufweisen.
14. LED nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur eine gespannte Mehrfach- Potentialtopf-Struktur ist, wobei die Barriereschichten eine Spannung aufweisen.
15. LED nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialtopf-Struktur eine gespannte Mehrfach- Potentialtopf-Struktur und sowohl die Potentialtopfschich­ ten als auch die Barriereschichten eine Spannung aufweisen.
16. LED nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage der Fensterstruktur aus GaAs oder GaInP ausgebildet ist.
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