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DE1278002B - A B luminescence diode, in particular based on GaAs, with a high light yield due to the low absorption of the p-luminescence in the n-zone - Google Patents

A B luminescence diode, in particular based on GaAs, with a high light yield due to the low absorption of the p-luminescence in the n-zone

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DE1278002B
DE1278002B DES101435A DES0101435A DE1278002B DE 1278002 B DE1278002 B DE 1278002B DE S101435 A DES101435 A DE S101435A DE S0101435 A DES0101435 A DE S0101435A DE 1278002 B DE1278002 B DE 1278002B
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zone
luminescence
diode
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gaas
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Dipl-Phys Karl-Heinz Zschauer
Dr Guenter Winstel
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Siemens Corp
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    • C09K11/74—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing arsenic, antimony or bismuth
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Description

DEUTSCHES JmWWl· PATENTAMTGERMAN JmWWl PATENT OFFICE AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

DeutscheKl.: 21 f-89/03German class: 21 f-89/03

Nummer: 1278 002 Number: 1278 002

Aktenzeichen: P 12 78 002.8-33 (S101435) File number: P 12 78 002.8-33 (S 101 435)

1 278 002 Anmeldetag: 14.Januar 1966 1 278 002 filing date: January 14 , 1966

Auslegetag: 19. September 1968 Opening day: September 19 , 1968

Es ist bekannt, daß in einer Am !^-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 AinBv-Lumineszenzdiode mit homogenem Grundmaterial aber noch so hoch, daß nur wenige Prozente der am pn-übergang entstandenen p-Lumineszenzstrahlung die η-Zone durchdringen.It is known that in an A m ! ^ Luminescent diode the photon energy in the η zone of the diode is usually greater than in the p zone. Conversely, this means that practically only the p-luminescence radiation can reach the outside on the way through the η zone without being strongly absorbed. At normal operating temperatures, especially for GaAs at room temperature, the absorption losses in an A in B v luminescence diode with a homogeneous base material are still so high that only a few percent of the p-luminescence radiation generated at the pn junction penetrate the η zone.

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.To reduce the absorption losses in the η zone, it has already been proposed (J. Appl. Phys., Vol. 36, No. 2 [1965], pp. 460 to 461) to use a light emitting diode based on GaAs-GaP Absorption losses when the p-luminescence radiation produced at the pn junction of the diode passes through the η zone of the diode are reduced by the fact that the η zone has an effective band gap that increases with increasing distance from the pn junction by means of a continuous change in the composition of the semiconducting base material .

Eine so aufgebaute AinBv-Lumineszenzdiode mit kontinuierlicher Zunahme des effektiven Bandabstandes hat aber noch folgende Nachteile:An A in B v luminescent diode constructed in this way with a continuous increase in the effective band gap still has the following disadvantages:

1. Ein beachtlicher Anteil der Lumineszenzstrahlung, insbesondere der kurzwellige Teil, wird in dem an den pn-übergang angrenzenden Bereich der η-Zone bereits absorbiert. 1. A considerable proportion of the luminescence radiation, in particular the short-wave part, is already absorbed in the area of the η zone adjoining the pn junction.

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. 2. In such a diode, which is constantly changing in its composition, the surfaces with the same optical properties form planes parallel to the pn junction zone; if the outer boundary surface of the diode n-zone does not exactly coincide with such a plane, the optical properties change over the entire outer surface of the η-zone. In many cases this is not desirable.

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. 3. Another major disadvantage is that, with the constant change in the composition of the base material, a certain concentration gradient must be maintained, since the radiation source itself lies within this base material. Otherwise the luminescence diodes constructed in this way would not be reproducible in terms of yield and wavelength of the luminescence maximum.

Es ist außerdem bekannt, daß die Intensität der austretenden Strahlung noch dadurch merklich erhöht AinBv-Lumineszenzdiode,
insbesondere auf GaAs-Basis, mit hoher
Lichtausbeute infolge geringer Absorption der
p-Lumineszenz in der n-ZoneIt is also known that the intensity of the exiting radiation is noticeably increased by A in B v -Luminescent diode,
especially based on GaAs, with high
Light output due to low absorption of the
p-luminescence in the n-zone

Anmelder:Applicant:

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

Als Erfinder benannt:
Dr. Günter Winstel,Named as inventor:
Dr. Günter Winstel,

Dipl.-Phys. Karl-Heinz Zschauer, 8000 MünchenDipl.-Phys. Karl-Heinz Zschauer, 8000 Munich

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 AlllBv-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.can be, that the η-doped portion of the diode ao at the outer boundary of such a shape as Weierstrass geometry (see. Fig. 2 or 3), is that the radiation as incident on that interface that it virtually no Total reflection losses can penetrate to the outside,
The object of the present invention is to increase the luminous efficiency of the A III B v luminescent diode by reducing the absorption losses of luminescent radiation along the path from its formation at the pn junction through the n zone of the diode to the outside Interface are suppressed as completely as possible.

Entsprechend dem Gedanken der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß in der AlllBv-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.According to the idea of the present invention, the object is achieved in that in the A III B v luminescent diode, in particular J5 in a GaAs diode, the effective band gap of the semiconducting base material of the n-zone compared to that of the p-zone directly at the pn -transition increases abruptly by about the half-width of the luminescence band or more, so that even the short - (. o wavy portion of the p-luminescence radiation penetrates the n-zone essentially without absorption.

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.Further details of the invention can be found in the following description and with reference to FIGS. 1 and the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 and 3 , in which the p-zone is deposited epitaxially on the n-zone or is alloyed into it, explained in more detail.

Das gewünschte, im wesentlichen absorptionsfreie Durchdringen der n-Zone wird möglich, wenn die So folgende Ungleichung gilt:The desired, substantially absorption-free in penetration of the n-type region is possible if the following inequality holds So:

hvp + Ä{hvp) < Ak . hv p + Ä {hv p ) <Ak.

809 617/231809 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:The following means: hvp = energy of the maximum of the p-luminescence band (cf. FIG. 1); Δ (Jivv) = half width of the p-luminescence band (see Fig. 1); Ak absorption edge in the η zone of the diode (see FIG. 1), which is defined by ιχη · d = 0.1; d. This means that about 90 ° / 0 of the radiation with the energy Ak is transmitted at a point within the η zone at a distance d from the pn junction, <xn is the absorption coefficient (a function of wavelength and doping). F i g. 1 shows the spectral distribution of the p-luminescence band and the position of the absorption edge required according to the invention. / = Intensity, a0 E = energy. According to the present invention, this condition is met in that the composition of the semiconducting base material of the Am Bv light emitting diode changes to the required extent immediately at the pn junction (3 in FIGS. 2 and 3). GaAs-based luminescence diodes of this type are advantageously constructed as follows: a) by increasing the effective band gap AEn in the η zone (1 in FIGS. 2 and 3), in particular according to p-GaAs, H- (Ga1-ZAlz) ( As1- ^ P2,) with sufficient admixtures χ> 0, y> 0 and x + j >> 0; b) by reducing the effective band gap AEp in the p-zone (2 in FIGS. 2 and 3) according to ^ - (Ga1-T Inj ·) (As1-S Sbs) with sufficient admixtures r> 0, s> 0 and r + s> 0 and / or by sufficiently strong counter-doping with donors, e.g. B. Sn with p-doping with Zn, whereby the band structure is changed so that the effective band gap is reduced to the desired extent; n-GaAs; c) by simultaneously reducing the effective band gap AEp in the p-zone and increasing the effective band gap AEn in the η-zone, in particular according to p-zone according to b), η-zone according to a), x, y, r and s fixed values between 0 and 1, which, however, can be different depending on the choice of the special A111Bv material and the desired wavelength of the luminescence maximum. 55 Such a structure of the light emitting diode from two different, but inherently homogeneous base materials has compared to other types of structures, such as. B. with the aforementioned constant change in the composition of the base material, the following advantages: 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.1. The outer boundary surface of the η zone of the diode can be given any desired shape, for example so-called Weierstrass geometry, corresponding to FIG. 2 or 3, with the lowest possible 6g gen total reflection losses when the p-luminescence radiation passes through this outer one Interface of the 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.2. The optical properties of the n-doped material remain on the surface of the The n-zone of the diode is always the same as that which is of interest for certain application purposes can. 3. Die Zusammensetzung des Grundmaterials, gekennzeichnet durch χ, y, r und s, ist unkritisch. Lediglich die Ungleichung3. The composition of the base material, characterized by χ, y, r and s, is not critical. Just the inequality hvp + A(hvp) < Ak muß erfüllt sein. hvp + A (hvp) <Ak must be fulfilled. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sollen die p- und die n-Zone der Diode trotz unterschiedlicher Zusammensetzung des halbleitenden A111Bv-Grundmaterials möglichst gleiche Gitterkonstanten haben, um den pn-übergang technisch möglichst einfach, insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen der p-Zone auf die n-Zone, durchzuführen. According to a further idea of the invention, the p- and n-zone of the diode should have the same lattice constants as possible, despite the different composition of the semiconducting A 111 B v base material, in order to make the pn junction technically as simple as possible, in particular through epitaxial growth of the p-zone on the n-zone. Patentansprüche:Patent claims: 1. AlllBv-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.1. A lll B v luminescent diode, the absorption losses of which are reduced when the p-luminescent radiation generated in the pn junction of the diode passes through the n-zone of the diode in that the n-zone has a greater effective effect by changing the composition of the semiconducting base material Band gap has the same as the frequency of the p-luminescence radiation, characterized in that the effective band gap of the semiconducting base material of the n-zone compared to that of the p-zone immediately at the pn junction increases abruptly by about the half-width of the luminescence band or more, so that even the short-wave portion of the p-luminescence radiation penetrates the n-zone essentially without absorption. 2. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als A111Bv-Material GaAs dient.2. luminescent diode according to claim 1, characterized in that the A 111 B v material is GaAs. 3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Grundmaterialien der p- und der n-Zone angenähert gleiche Gitterkonstanten haben.3. luminescent diode according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconducting Base materials of the p- and n-zone have approximately the same lattice constants. 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. 4. luminescent diode according to claim 1 to 3, characterized in that the base material of the p-zone made of p-GaAs and that of the n-zone made of U - (Ga 1 -ZAlz ) (As 1 - ^ Py) with the admixture proportions χ > 0, y > 0 and x + y > 0 is formed. 5. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der p-Zone aus P-(Ga1^rInr)(As1-SSbs) mit den Beimischungsanteilen r > 0, s > 0 und r + s > 0 gebildet ist.5. Light emitting diode according to one of claims 1 to 3, characterized in that the base material of the p-zone consists of P- (Ga 1 ^ r In r ) (As 1 -SSb s ) with the admixture proportions r > 0, s > 0 and r + s > 0 is formed. 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.6. Light emitting diode according to one of claims 1 to 3, characterized in that the effective Band gap of the p-zone by counter-doping with donors compared to the bandwidth of the undoped Base material reduced, in particular the Zn p-doped GaAs zone by Sn is counter-doped. 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.7. Light emitting diode according to one of claims 1 to 3, characterized in that a p-zone according to claim 5 or 6 is connected to an n-zone according to claim 4.
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