DE10306311B4

DE10306311B4 - Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit Diffusionsstoppschicht

Info

Publication number: DE10306311B4
Application number: DE10306311A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Linder; Klaus Dr. Streubel; Peter Dr. Stauss; Mark Hampel
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2023-02-15
Also published as: DE10306311A1

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.

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.
Vorliegend zählen zu den Materialien auf der Basis von InGaAlP alle Mischkristalle mit einer Zusammensetzung, die unter die Formel In_x(Ga_yAl_1-x)_1-xP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 fällt.
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.
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.
Auch im Betrieb der Leuchtdioden kommt es zu Alterungserscheinungen.
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.
Die Druckschrift JP 10-209 573 A beschreibt ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die Druckschrift JP 11-068 150 A beschreibt ein Licht emittierendes Element, bei dem die Mantelschichten je eine defektreiche Schicht, die Dotierstoffe aus den Mantelschichten einfangen, enthalten.
Die Druckschrift DE 199 57 312 A1 beschreibt eine Licht emittierende Diode mit einer lichtemittierenden Schicht von einem ersten Leitungstyp und einer Mantelschicht von einem zweiten Leitungstyp, die von einer Barriere-Zwischenschicht vom ersten Leitungstyp getrennt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement anzugeben, das verbesserte Alterungseigenschaften aufweist.
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.
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.
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.
Insbesondere kann mit Vorteil vorgesehen sein, daß das Übergitter der Diffusionsstoppschicht aus N Perioden von tensil verspannten In_x(Ga_yAl_1-y)_1-xP-Schichten (mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) und kompressiv verspannten In_x(Ga_yAl_1-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 einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements besteht das Übergitter der Diffusionsstoppschicht aus In_xAl_1-xP-Schichten (mit 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.
Die Erfindung bietet besonders große Vorteile, wenn die p-dotierte Mantelschicht mit Magnesium p-dotiert ist.
Bevorzugt sind beide Schichttypen des Übergitters mit einer Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen einschließlich 0,75 und einschließlich 1,5 × 10¹⁸ cm^–3 versehen.
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.
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.
Die aktive Schicht kann beispielsweise durch einen p-n-Übergang, einen Quantentopf oder einen Mehrfachquantentopf gebildet sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und der Zeichnung.
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 zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 ein Detail der Darstellung von 1.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Schnittansicht einer allgemein mit 10 bezeichneten InGaAlP-Leuchtdiode nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind in der schematischen Darstellung der 1 nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Schichten dargestellt.
Es versteht sich jedoch, daß weitere Schicht, wie etwa Pufferschichten, Zwischenschichten, Rampen und dergleichen ebenfalls vorhanden sein können.
Bei der InGaAlP-Leuchtdiode 10 ist auf ein Si-dotiertes GaAs-Substrat 12 eine Schichtfolge auf InGaAlP-Basis aufgewachsen, die eine n-dotierte Mantelschicht 13, eine aktive Schicht 14 und eine mit Magnesium p-dotierte Mantelschicht 20 enthält. Auf die p-Mantelschicht 20 wurde noch während des Epitaxieprozesses bei 840–860°C eine GaP-Fensterschicht 22 aufgewachsen.
Um die Diffusion von Mg-Dotieratomen aus der p-Mantelschicht 20 in die aktive Schicht 14 zu unterdrücken, die ansonsten bei den hohen Wachstumstemperaturen für die GaP-Fensterschicht 22 auftritt, ist zwischen der aktiven Schicht 14 und der p-Mantelschicht 20 eine Diffusionsstoppschicht 16 eingebracht. Die Diffusionsstoppschicht 16 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem hoch n-dotierten verspannten Übergitter.
Wie am besten in der Darstellung der 2 zu erkennen, besteht das Übergitter der Diffusionsstoppschicht 16 aus einer alternierenden Abfolge von 4 nm dicken, tensil verspannten InAlP-Schichten 16a und ebenfalls 4 nm dicken, kompressiv verspannten InAlP-Schichten 16b. Im Ausführungsbeispiel enthält das Übergitter N = 10 derartige Schichtenpaare 16a, 16b.
Die Punkte ober- und unterhalb der Schichten in 2 deuten an, daß die alternierende Abfolge mehr als die sechs gezeigten Schichten enthält. Der Grad der Verspannung ist im konkreten Ausführungsbeispiel bei beiden Schichttypen jeweils zu 0,8% gewählt.
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 20.
Um die Wirkung der erfindungsgemäßen Diffusionsstoppschicht zu überprüfen, wurden SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) Tiefenprofile einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode 10 und einer Vergleichs-Leuchtdiode ohne Diffusionsstoppschicht aufgenommen. Die eingestellte Mg-Dotierstoffkonzentration der p-Mantelschicht ist dabei in beiden Fällen gleich groß und beträgt etwa 5 × 10¹⁷ cm^–3.
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.
Demgegenüber wird die Diffusion der Mg-Atome durch das Einbringen der beschriebenen Diffusionsstoppschicht 16 in diesem Bereich wirkungsvoll gestoppt und ein weiteres Vordringen unterdrückt. Bei der erfindungsgemäßen Leuchtdiode liegt die Mg-Konzentration im Bereich der lichterzeugenden Schichten 14 unterhalb von 1 × 10¹⁶ cm^–3, und damit bei einem Wert, der für das Alterungsverhalten der Leuchtdiode unkritisch ist.

Claims

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.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsstoppschicht (16) ein alternierend tensil/kompressiv verspanntes Übergitter aufweist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergitter der Diffusionsstoppschicht (16) N Perioden von tensil verspannten In_x(Ga_yAl_1-y)_1-xP-Schichten (16a) mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und kompressiv verspannten In_x(Ga_yAl_1-y)_1-xP-Schichten (16b) mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 aufweist, wobei N zwischen 2 und 40, bevorzugt zwischen 5 und 20, besonders bevorzugt zwischen 8 und 15 liegt.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergitter der Diffusionsstoppschicht (16) aus InAlP-Schichten besteht.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannung im Bereich von 0,1% bis 5%, bevorzugt im Bereich von 0,5% bis 2%, besonders bevorzugt im Bereich von 0,7% bis 1% liegt.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die p-dotierte Mantelschicht (20) mit Magnesium p-dotiert ist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsstoppschicht (16) mit Tellur n-dotiert ist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die n-Dotierstoffkonzentration der Diffusionsstoppschicht (16) zwischen einschließlich 0,75 und einschließlich 1,5 × 10¹⁸ cm^–3 liegt.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der obersten Mantelschicht (20) der Schichtstruktur eine transparente Auskoppelschicht (22) angeordnet ist, die bevorzugt im wesentlichen aus GaP besteht.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (14) einen p-n-Übergang, einen Quantentopf oder einen Mehrfachquantentopf aufweist.