CN107394584A - 激光二极管芯片 - Google Patents

Abstract

描述一种激光二极管芯片(10)，所述激光二极管芯片具有n型半导体区域(3)、p型半导体区域(5)和设置在n型半导体区域(3)和p型半导体区域(5)之间的有源层(4)，所述有源层构成为单量子阱结构。单量子阱结构具有量子阱层(43)，所述量子阱层设置在第一势垒层(41)和第二势垒层(42)之间，其中第一势垒层(41)朝向n型半导体区域(3)，并且第二势垒层(42)朝向p型半导体区域(5)。量子阱层(43)的电子带隙E_QW小于第一势垒层(41)的电子带隙E_B1并且小于第二势垒层(42)的电子带隙E_B2，并且第一势垒层(41)的电子带隙E_B1大于第二势垒层(42)的电子带隙E_B2。

Description

激光二极管芯片

技术领域

本发明涉及一种激光二极管芯片，尤其是基于氮化合物半导体材料的激光二极管芯片。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求德国专利申请10 2016 109 022.0的优先权，其公开的内容通过参考并入本文。

背景技术

在激光二极管芯片，尤其是基于氮化合物半导体的激光二极管芯片运行时显示出：激光器阈值和工作电流与温度相关。

发明内容

因此，待解决的目的在于，提供一种激光二极管芯片，其中减少激光器阈值和工作电流的温度相关性。

该目的通过激光二极管芯片实现，其包括n型半导体区域，p型半导体区域，设置在所述n型半导体区域和所述p型半导体区域之间的有源层，所述有源层构成为单量子阱结构，其中所述单量子阱结构具有量子阱层，所述量子阱层设置在第一势垒层和第二势垒层之间，其中所述第一势垒层朝向所述n型半导体区域，并且所述第二势垒层朝向所述p型半导体区域，所述量子阱层的电子带隙E_QW小于所述第一势垒层的电子带隙E_B1并且小于所述第二势垒层的电子带隙E_B2，所述第一势垒层的电子带隙E_B1大于所述第二势垒层的电子带隙E_B2。并且本发明的有利的设计方案和改进方案是本发明的主题。

根据至少一个设计方案，激光二极管芯片包括p型半导体区域、n型半导体区域和设置在p型半导体区域和n型半导体区域之间的有源层，所述有源层构成为单量子阱结构(SQW，single quantum well)。激光二极管芯片的有源层因此优选仅包含唯一的量子阱层并且以该方式与多重量子阱结构(MQW，multi quantum well)不同。

根据至少一个设计方案，单量子阱结构具有量子阱层，所述量子阱层设置在第一势垒层和第二势垒层之间，其中第一势垒层朝向n型半导体区域并且第二势垒层朝向型p半导体区域。量子阱层的电子带隙E_QW小于第一势垒层的电子带隙E_B1并且小于第二势垒层的电子带隙E_B2。

在此处描述的激光二极管芯片中，第一势垒层的电子带隙有利地大于第二势垒层的电子带隙。因此，单量子阱结构关于势垒层的带隙非对称地构成，其中在n侧上的第一势垒层的带隙大于在p侧上的第二势垒层的带隙。已证实：以该方式改进载流子注入到量子阱层中并且尤其在较高温度下减少来自量子阱层中的载流子的损失。由此，减少激光器阈值和工作电流的温度相关性。此外，从中得出激光二极管芯片的改进的老化稳定性和更好的效率。

在一个有利的设计方案中，对于第一势垒层的电子带隙和第二势垒层的电子带隙的差适用的是：E_B1-E_B2≥0.04eV。

优选地，第一势垒层的带隙E_B1比第二势垒层的带隙E_B2大至少0.1eV，尤其优选大0.2eV。

根据一个优选的实施方式，激光二极管，尤其在所述激光二极管中包含的单量子阱结构基于氮化合物半导体。尤其，量子阱层、第一势垒层和第二势垒层能够分别具有In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1。在此，该材料不必须强制性地具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，其能够具有一种或多种掺杂物质以及附加的组成部分，所述组成部分基本上不改变In_xAl_yGa_1-x-yN材料的特征性的物理特性。然而，为简单起见，上式仅包含晶格(In、Al、Ga、N)的主要组成部分、即使所述组成部分能够部分地通过少量其他物质替代时也如此。

势垒层和/或量子阱层的带隙尤其能够通过材料组成调节。尤其通过以下方式能够实现带隙的扩大：提高铝含量y和/或降低铟含量x。因此优选地，第一势垒层和/或第二势垒层的铟含量x小于量子阱层的铟含量x，以便在势垒层中实现比在量子阱层中更大的带隙。替选地或附加地，第一势垒层和/或第二势垒层的铝含量y能够大于量子阱层的铝含量y。以该方式，可行的是：与量子阱层相比，提高第一势垒层和第二势垒层的带隙。

对于势垒层适用的是：优选地，第一势垒层的铝含量y大于第二势垒层的铝含量y和/或第一势垒层的铟含量x小于第二势垒层的铟含量x。以该方式，有利地实现：第一势垒层比第二势垒层具有更大的带隙。

在一个有利的设计方案中，第一势垒层具有In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤0.07、0≤y≤0.1并且x+y≤1。对于第一势垒层的铟含量优选适用的是x≤0.04，尤其优选x≤0.02。第一势垒层的铝含量优选为y≤0.05，尤其优选y≤0.01。

在另一有利的设计方案中，第二势垒层具有In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤0.1、0≤y≤0.07并且x+y≤1。对于第二势垒层的铟含量优选适用的是x≤0.08，尤其优选x≤0.06。第二势垒层的铝含量为优选y≤0.03，尤其优选y≤0.01。

在一个优选的设计方案中，第一势垒层具有在0.25mm和30mm之间的厚度。优选地，第一势垒层的厚度在1.5mm和10mm之间，尤其优选在2mm和5mm之间。

第二势垒层例如能够具有超过1nm或优选超过7nm的厚度。尤其优选地，第二势垒层的厚度超过10nm。尤其有利的是：第二势垒层的厚度大于第一势垒层的厚度。已证实：势垒层的非对称的厚度对于载流子注入到单量子阱结构中是有利的，其中第二势垒层比第一势垒层具有更大的厚度。

根据另一有利的设计方案，第一势垒层是掺杂的并且第二势垒层是未掺杂的。通过掺杂物和掺杂物质浓度，在氮化合物半导体材料中尤其也影响压电场。在此，已证实：第一势垒层的唯一的掺杂物有利地有助于提高效率。

第一势垒层尤其能够是n型掺杂的，其中掺杂物质例如是硅。在第一势垒层中掺杂物质浓度有利地小于6×10¹⁹cm^-3，优选在1×10¹⁷cm^-3和3×10¹⁹cm^-3之间，尤其优选在8×10¹⁷cm^-3和1×10¹⁹cm^-3之间。

当第二势垒层是掺杂的时，所述第二势垒层有利地具有小于6×10¹⁹cm^-3的掺杂物质浓度。优选地，在第二势垒层中的掺杂物质浓度小于3×10¹⁹cm^-3，尤其小于1×10¹⁹cm^-3。在这种情况下，第二势垒层优选同样是n型掺杂的，其中掺杂物质例如是硅。但尤其优选的是：第二势垒层是未掺杂的。

根据另一设计方案，第二势垒层具有多个子层，所述子层具有不同大的带隙和/或掺杂物质浓度。在这种情况下有利的是：所有处于距量子阱层至少10nm的间距中的子层都不具有比更靠近量子阱层设置的子层更大的带隙。换言之，在该设计方案中，只有处于距量子阱层至少10nm间距中的、在量子阱层的p侧上的带隙才提高。

根据一个有利的设计方案，量子阱层具有In_xGa_1-xN，其中铟含量优选在x＝0.1和x＝0.45之间。在这种情况下，激光二极管芯片尤其能够是在蓝色的或绿色的光谱范围中发射的激光二极管芯片。随着铟含量的增加，量子阱层的带隙减小，由此发射波长朝更大的波长移动。因此，发射波长尤其能够通过量子阱层中的铟含量有针对性地调节。

量子阱层的厚度有利地在0.5nm和15nm之间，优选在1nm和7nm之间，尤其优选2nm和5nm之间。可行的是：量子阱层是掺杂的，例如n型掺杂的。但是优选地，量子阱层是未掺杂的。

附图说明

在下文中，结合附图1至10根据实施例详细阐述本发明。

附图示出：

图1示出贯穿根据第一实施例的激光二极管芯片的横截面的示意图，并且

图2至图10分别示出在另一实施例中铟含量x和/或铝含量y和掺杂物质浓度c与沿垂直方向伸展的位置坐标z的相关性的图形视图。

在附图中，相同的或起相同作用的元件用相同的附图标记表示。示出的组件以及组件彼此的大小关系不能够视为是按比例的。

具体实施方式

在图1中示出的、根据一个实施例的激光二极管芯片10具有半导体层序列3、4、5，所述半导体层序列包括n型半导体区域3、p型半导体区域5和设置在n型半导体区域3和p型半导体区域5之间的、适合用于发射辐射的有源层4。半导体层序列3、4、5例如施加到衬底1上，其中在生长衬底1和半导体层序列3、4、5之间能够设置至少一个缓冲层2。

例如，第一接触层7能够设置在衬底1的背侧上并且第二接触层6能够设置在激光二极管芯片的上侧8的子区域上，以电接触激光二极管芯片10。

n型半导体区域3和p型半导体区域5能够分别由多个子层3A、3B、5A、5B构成，并且不必须一定仅由n掺杂的层或p掺杂的层构成，而是例如也能够具有一个或多个未掺杂的层。

在对于本领域技术人员已知的激光二极管芯片的设计方案中，激光二极管芯片10例如能够具有在侧棱面上的反射层、波导层和包覆层和/或作为条状激光器的结构化部。在此，为了简化，未示出上述组件的已知的细节，更确切地说，仅详细阐述有源层4的与在此提出的原理相关的结构。

替选于所示出的实施例，激光二极管芯片10也能够具有相反的极性，也就是说，p型半导体区域5能够朝向衬底1并且n型半导体区域3能够朝向激光二极管芯片的上侧8(未示出)。

激光二极管芯片10的设置用于发射激光辐射的有源层4构成为单量子阱结构41、42、43。单量子阱结构41、42、43具有唯一的光学活性的量子阱层43，所述唯一的光学活性的量子阱层设置在第一势垒层41和第二势垒层42之间。单量子阱结构尤其能够仅仅由第一势垒层41、光学活性的量子阱层43和第二势垒层42构成，也就是说，除三个所述层之外，单量子阱结构优选不具有其他层。光学活性的量子阱层43在此应理解为如下量子阱层43，所述量子阱层有助于辐射发射。在单量子阱结构中，第一势垒层41朝向n型半导体区域3并且第二势垒层42朝向p型半导体区域5。有源层4尤其能够设置在波导层3A、5A之间。

量子阱层43具有带隙E_QW，所述带隙小于第一势垒层41的带隙E_B1并且小于第二势垒层42的带隙E_B2。在此，朝向n型半导体区域3的第一势垒层的带隙E_B1大于第二势垒层42的带隙E_B2。因此，对于带隙E_QW、E_B1、E_B2适用的是E_QW＜E_B2＜E_B1。

尤其已证实：通过在单量子阱结构的n侧的势垒层41中的更大的带隙能够实现激光器阈值和工作电流强度的改进的温度稳定性。

有利地，第一势垒层41的带隙比第二势垒层42的带隙大至少0.04eV，优选大至少0.1eV并且尤其优选大至少0.2eV。

量子阱层43和势垒层41、42的半导体材料的带隙尤其能够通过以下方式调节：调节在相应的半导体材料中的铝含量和/或铟含量。例如，量子阱层43和势垒层41、42能够具有如下半导体材料，所述半导体材料具有成分In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1。在这些类型的半导体中，带隙随着铝含量y的增加而增加并且随着铟含量x的增加而减少。

在图2中对于激光二极管芯片的实施例示出在有源层4的区域中铟含量x与位置坐标z的相关性，示出从n型半导体区域至p型半导体区域的位置坐标z。此外，也示出掺杂物质浓度c。在此和在下列附图中，实线示出铟含量并且，虚线示出掺杂物质浓度。

在图2的实施例中，势垒层41、42和量子阱层43分别具有In_xGa_1-xN。如在图2中可见，第一势垒层41具有铟含量x＝0，也就是说，所述第一势垒层具有GaN。量子阱层43和第二势垒层42分别是In_xGa_1-xN层，其中量子阱层43的铟含量大于第二势垒层42的铟含量。因此，第一势垒层41的电子带隙大于量子阱层43和第二势垒层42的电子带隙。在图2的实施例中，第一势垒层41是n型掺杂的，其中掺杂物质是硅并且掺杂物质浓度为c＝4×10¹⁸cm^-3。量子阱层43和第二势垒层42有利地是未掺杂的。

在图3中示出另一实施例中的铟含量x和掺杂物质浓度c的变化曲线。图3的实施例与上述实施例的区别是：第二势垒层42具有更大的层厚度。第二势垒层42优选是至少10nm厚的。关于另外的设计方案，图3的实施例对应于上述实施例。

量子阱层43和/或第二势垒层42不必须一定是未掺杂的。因此，在图4中示出如下实施例，所述实施例与上述实施例的区别是：第二势垒层42也是掺杂的。在该实施例中，仅量子阱层43是未掺杂的。

此外，也可考虑的是：势垒层41、42中的至少一个势垒层和/或量子阱层43是仅部分掺杂的，势垒层41、42中的至少一个势垒层和/或量子阱层43具有阶梯形伸展的掺杂物质浓度或掺杂物质浓度的梯度。例如，在图5的实施例中，第二势垒层42的邻接于量子阱层43的区域比第二势垒层42的紧接着的区域被更强烈地掺杂。

在图6中示出又一实施例，其中第一势垒层41具有阶梯形的掺杂物质浓度。第一势垒层41的中央区域是掺杂的，而邻接于n型半导体区域和量子阱层43的边缘区域是未掺杂的。在该实施例中，量子阱层43和第二势垒层42也分别是未掺杂的。

在激光二极管芯片的另一设计方案中，第二势垒层42能够具有多个子层。在图7中示出这种实施例。在该情况下，第二势垒层42具有第一子层42A和第二子层42B，其中第一子层42A具有比第二子层42B更少的铟含量x。两个子层42A、42B具有比第一势垒层41更大的铟含量x，进而具有比第一势垒层41更小的带隙。

在图8中示出又一实施例，其中第二势垒层42由多个子层42A、42B和42C组成。在该实施例中，第二子层42B中的铟含量x比在第一子层42A和第三子层42C中更大。第二势垒层的全部子层42A、42B、42C比第一势垒层41具有更大的铟含量x。因此，在具有多个子层的实施方案中，在整个第二势垒层42中，电子带隙比第一势垒层41的带隙更小。

在迄今示出的实施例中，势垒层41、42和量子阱层43分别具有成分In_xGa_1-xN。但是一般地，势垒层41、42和/或量子阱层43也能够具有如下氮化合物半导体材料，所述氮化合物半导体材料具有一定铝含量，尤其具有成分In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1。在图9和图10中示出这样的实施例。

在图9中示出的实施例中，第一势垒层41具有Al_yGa_1-yN，而量子阱层43和第二势垒层42分别具有In_xGa_1-xN。在图9中，实线对于第一势垒层41示出铝含量y，所述铝含量在纵坐标上向下绘制，并且对于其他层示出铟含量x，所述铟含量在纵坐标上向上绘制。第一势垒层41由于其铝含量比量子阱层43和第二势垒层42具有更大的电子带隙。

图10示出又一实施例，其中第一势垒层41和第二势垒层分别具有Al_yGa_1-yN，并且其中量子阱层43具有GaN(铟含量x＝0，铝含量y＝0)。铝含量y和铟含量x如在附图9中示出的实施例中那样在纵坐标上示出。在该实施例中。设有在紫外区域中发射的激光二极管。为此，量子阱层43和势垒层41、42分别具有比在上述实施例中更大的带隙。更高的带隙通过势垒层41、42中的提高的铝含量y和在量子阱层43中的铟含量x＝0得出。

本发明不通过根据实施例进行的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的每个组合，这尤其是包含在本文中的特征的每个组合，即使该特征或者该组合本身未详细地在本文中或者实施例中说明时也是如此。

附图标记列表

1 衬底

2 缓冲层

3 n型半导体区域

3A 半导体层

3B 半导体层

4 有源层

5 p型半导体区域

5A 半导体层

5B 半导体层

6 第一接触层

7 第二接触层

8 表面

10 激光二极管芯片

41 第一势垒层

43 量子阱层

42 第二势垒层

Claims (14)

1.一种激光二极管芯片(10)，所述激光二极管芯片包括：

-n型半导体区域(3)，

-p型半导体区域(5)，

-设置在所述n型半导体区域(3)和所述p型半导体区域(5)之间的有源层(4)，所述有源层构成为单量子阱结构，其中

-所述单量子阱结构具有量子阱层(43)，所述量子阱层设置在第一势垒层(41)和第二势垒层(42)之间，其中所述第一势垒层(41)朝向所述n型半导体区域(3)，并且所述第二势垒层(42)朝向所述p型半导体区域(5)，

-所述量子阱层(43)的电子带隙E_QW小于所述第一势垒层(41)的电子带隙E_B1并且小于所述第二势垒层(42)的电子带隙E_B2，并且

-所述第一势垒层(41)的电子带隙E_B1大于所述第二势垒层(42)的电子带隙E_B2。

2.根据权利要求1所述的激光二极管芯片，

其中对于所述第一势垒层(41)的电子带隙和所述第二势垒层(42)的电子带隙的差适用的是：E_B1-E_B2≥0.04eV。

3.根据权利要求2所述的激光二极管芯片，

其中对于所述第一势垒层(41)的电子带隙和所述第二势垒层(42)的电子带隙的差适用的是：E_B1-E_B2≥0.1eV。

4.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片，

其中所述第一势垒层(41)和所述第二势垒层(42)分别具有

In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1。

5.根据权利要求4所述的激光二极管芯片，

其中所述第一势垒层(41)的铝含量y大于所述第二势垒层(42)的铝含量y。

6.根据权利要求4或5所述的激光二极管芯片，

其中所述第一势垒层(41)的铟含量x小于所述第二势垒层(42)的铟含量x。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的激光二极管芯片，

其中所述第一势垒层(41)具有In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤0.07、0≤y≤0.1并且x+y≤1。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的激光二极管芯片，

其中所述第二势垒层(42)具有In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤0.1、0≤y≤0.07并且x+y≤1。

9.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片，

其中所述第一势垒层(41)具有在0.25nm和30nm之间的厚度。

10.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片，

其中所述第二势垒层(42)具有至少10nm的厚度。

11.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片，

其中所述第一势垒层(41)是掺杂的，并且所述第二势垒层(42)是未掺杂的。

12.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片，

其中在所述第一势垒层(41)中的掺杂物质浓度在1×10¹⁷cm^-3和3×10¹⁹cm^-3之间。

13.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片，

其中所述第二势垒层(42)包括多个子层(42A，42B，42C)，所述子层具有不同大的带隙和/或掺杂物质浓度。

14.根据权利要求13所述的激光二极管芯片，

其中所有处于距所述量子阱层(43)至少10nm的间距的所述子层(42A，42B，42C)都不具有比更靠近所述量子阱层(43)设置的子层(42A，42B，42C)更大的带隙。