CN110337730A - 光电子半导体芯片 - Google Patents
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Abstract
描述一种光电子半导体芯片(10)，包括：‑p型半导体区域(4)；‑n型半导体区域(9)，‑在p型半导体区域(4)与n型半导体区域(9)之间设置的有源层(6)，所述有源层构成为多量子阱结构(6A，6B)并且具有交替的量子阱层(6A)和阻挡层(6B)，其中量子阱层(6A)适合于发射在第一波长范围中的第一辐射(21)；以及‑至少一个另外的量子阱层(7A)，所述另外的量子阱层设置在多量子阱结构(6A、6B)之外，并且适合于发射在第二波长范围中的第二辐射(22)，其中‑第一波长范围处于对于人眼不可见的红外光谱范围中，和‑第二波长范围包括如下波长，所述波长至少部分对于人眼而言是可见的。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电子半导体芯片，尤其是适合于发射红外辐射的光电子半导体芯片。
本申请要求德国专利申请10 2017 103 856.6的优先权，其公开内容通过参引结合于此。
背景技术
在发射具有高功率密度的红外辐射的光电子半导体芯片中存在如下危险：身体部分、如尤其眼睛承受高的辐射功率并且在此情况下受伤。该危险因此尤其在发射红外辐射的光电子半导体芯片的应用中存在，因为红外辐射对于人眼是不可见的。
发明内容
本发明所基于的目的是，提出一种发射红外辐射的光电子半导体芯片，在所述光电子半导体芯片运行时，身体部分、如尤其眼睛被红外辐射损伤的危险减小。
该目的利用根据独立权利要求1所述的光电子半导体芯片来实现。本发明的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。
光电子半导体芯片根据至少一个设计方案包括p型半导体区域，n型半导体区域和设置在p型半导体区域与n型半导体区域之间的有源层，所述有源层构成为多量子阱结构。
根据至少一个设计方案，多量子阱结构具有交替的量子阱层和阻挡层。阻挡层分别具有比量子阱层更大的带隙。多量子阱结构的量子阱层适合于发射在第一波长范围中的第一辐射。第一波长范围位于红外光谱范围中，所述红外光谱范围尤其对于人眼而言是不可见的。光电子半导体芯片尤其可以是发射红外辐射的二极管(IRED)。多量子阱结构的量子阱层具有电子带隙EQW1，所述电子带隙对应于在红外光谱范围中的发射波长。尤其是，多量子阱结构的所有量子阱层具有相同的电子带隙EQW1。
根据至少一个设计方案，光电子半导体芯片包括至少一个另外的量子阱层，所述另外的量子阱层设置在多量子阱结构之外并且设计用于发射在第二波长范围中的第二辐射。第二波长范围包括如下波长，所述波长至少部分对于人眼而言是可见的。第二波长范围尤其至少部分位于电磁光谱的可见范围中并且至少部分包括比第一波长范围更短的波长。例如，第二波长范围可以包括红色光。
在光电子半导体芯片运行时，有利地同时发射多量子阱结构的第一辐射和至少一个另外的量子阱层的第二辐射。因此，光电子半导体芯片一方面发射对于人眼不可察觉的第一辐射并且同时发射对于人眼至少部分可察觉的第二辐射。由多量子阱结构的量子阱层发射的第一辐射尤其是设为用于光电子半导体芯片的应用的有效辐射。
由附加存在的至少一个另外的量子阱层发射的第二辐射设为用于，在光电子半导体芯片运行时用信号表示：光电子半导体芯片发射辐射。尤其是，在第二波长范围中包含的可见辐射使光电子半导体芯片的使用者可识别，所发射的辐射射到何处。以此方式降低如下危险：身体部分、如尤其使用者的眼睛未被觉察地被光电子半导体芯片的红外有效辐射射到并且以此方式可能受损伤。尤其是，通过可见的第二辐射可以引起人眼的角膜反射，从而保护眼睛免受因不可见的红外的第一辐射引起的过高的功率吸收。
在一个有利的设计方案中，第二辐射在750nm和850nm之间的波长中、例如在大约800nm处具有强度最大值。在该设计方案中，第二辐射的强度最大值尤其处于近红外光谱范围中并且对于人眼而言不可见。对于第二辐射的可见性而言足够和有利的是，第二辐射的光谱的短波分支落入可见的、尤其红色的光谱范围中。在不可见的红外光谱范围中、尤其在750nm和850nm之间的第二辐射的强度最大值的位置具有如下优点：所发射的第二辐射的可见份额不变得过大，由此光电子半导体芯片的应用的功能性可能会受到损害。尤其是，以此方式避免，使用者由可见辐射引起炫目。
由多量子阱结构发射的第一辐射在850nm和1000nm之间的波长处优选具有强度最大值。设为用于光电子半导体芯片的使用的第一辐射尤其具有如下发射光谱，其波长范围完全处于对于人眼不可察觉的红外光谱范围中。
根据至少一个设计方案，至少一个另外的量子阱层具有带隙EQW2，所述带隙大于多量子阱结构的量子阱层的带隙EQW1。由于更大的带隙，第二辐射的发射波长范围与第一辐射的发射波长范围相比朝向更短的波长移动。为了使第二辐射的波长范围至少部分移动直至可见范围中，有利的是，至少一个另外的量子阱层的带隙EQW2比多量子阱结构的量子阱层的带隙EQW1大至少0.1eV。尤其是，EQW2-EQW1≥0.1eV并且优选EQW2-EQW1≥0.15eV。
根据一个优选的实施形式，光电子半导体芯片的半导体层基于砷化物化合物半导体，磷化物化合物半导体或砷化物-磷化物化合物半导体。尤其是，半导体层可以分别包括InxAlyGa1-x-yAsnP1-n，其中0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1和0≤n≤1。在此，该材料不必一定具有根据上式的数学上精确的组分。更确切而言，所述材料可以具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分，其基本上不改变InxAlyGa1-x-yAsnP1-n材料的表征性的物理特性。出于简单原因，但上式仅包含晶格的主要组成部分(In、Al、Ga、As、P)，即使这些主要组成部分可以部分地通过少量其他物质替代也如此。
尤其是，多量子阱结构的量子阱层和至少一个另外的量子阱层可以分别具有InxAlyGa1-x-yAs，其中0≤x≤l，0≤y≤1和x+y≤1。
量子阱层的带隙和设置在量子阱层之间的阻挡层的带隙尤其可以通过材料组分来设定。带隙的增大尤其可以通过如下方式来实现：提高铝含量y和/或降低铟含量x。优选地，因此另外的量子阱层的铝含量y大于多量子阱结构的量子阱层的铝含量y和/或另外的量子阱层的铟含量x小于多量子阱结构的量子阱层的铟含量x。
根据至少一个另外的有利的设计方案，至少一个另外的量子阱层具有比多量子阱结构的量子阱层更小的厚度。以此方式，对材料组分的改变附加地或替选地，可以引起电子带隙的增大。优选地，至少一个另外的量子阱层的厚度不大于5nm。至少一个另外的量子阱层例如具有在3nm和5nm之间的厚度，包括边界值。
根据至少一个设计方案，至少一个另外的量子阱层设置在多量子阱结构的朝向n型半导体区域的侧上。在该设计方案中，至少一个另外的量子阱层尤其可以与多量子阱结构的朝向n型半导体区域的侧直接邻接。至少一个另外的量子阱层设置在多量子阱结构的朝向n型半导体区域的侧上具有如下优点：仅仅少量空穴进入到所述区域中从而仅仅少量载流子在该区域中复合。由至少一个另外的量子阱层发射的第二辐射因此仅仅具有有利地低的强度。这应是足够的，使得可识别光电子半导体芯片的运行状态，其中但仅仅所发射的辐射功率的小份额对第二辐射有贡献。
根据一个替选的设计方案，至少一个另外的量子阱层设置在多量子阱结构的朝向p型半导体区域的侧上。在该设计方案中，多量子阱结构尤其可以设置在n侧的限制层(n-confinement layer)与p侧的限制层(p-confinement layer)之间，其中p侧的限制层设置在多量子阱结构与至少一个另外的量子阱层之间。至少一个另外的量子阱层的所述设置具有如下优点：仅仅少量电子进入到所述区域中从而仅仅少量载流子在该区域中复合。由至少一个另外的量子阱层发射的第二辐射因此仅仅具有有利地低的强度。
为了发射至少部分可见的第二辐射，在光电子半导体芯片中可以设置恰好一个另外的量子阱层。这可以是有利的，以便在第二波长范围中仅实现低的辐射功率。由光电子半导体芯片发射的辐射的主要部分处于设为用于应用的第一波长范围中。但替选地也可能的是，光电子半导体芯片包含多于一个另外的量子阱层，用于发射第二辐射。根据至少一个实施形式，设计用于发射第二辐射的另外的量子阱层的数量在1和3之间。在量子阱层多于3的情况下，设计用于使辐射发射可见并且不设计成设为用于应用的有效辐射的第二辐射占所有发射的辐射的份额不期望地变大。
根据至少一个设计方案，设计用于发射第一辐射的量子阱层的数量是设计用于发射第二辐射的(多个)另外的量子阱层的数量的至少五倍大、优选至少十倍大。在一个有利的设计方案中，多量子阱结构具有至少3个、优选至少6个量子阱层。多量子阱结构有利地包含不大于30个、优选不大于18个量子阱层。通过发射第一辐射的多量子阱结构的量子阱层的数量显著大于发射第二辐射的另外的量子阱层的数量的方式，基本上在设计作为有效辐射的第一波长范围中发射光电子半导体芯片的辐射。
光电子半导体芯片尤其可以是高功率红外二极管。第一辐射优选具有至少4.5W的辐射功率。光电子半导体芯片例如可以具有1mm2或更大的辐射出射面。光电子半导体芯片的工作电流强度有利地为5A或更大。
附图说明
在下文中参照实施例结合图1至4更详细地阐述本发明。
附图示出：
图1示出贯穿根据第一实施例的光电子半导体芯片的横截面的示意图，
图2示出在根据第一实施例的光电子半导体芯片中功率带的能量EL的示意性图形视图，
图3示出在根据第二实施例的光电子半导体芯片中功率带的能量EL的示意性图形视图，
图4示出贯穿根据第二实施例的光电子半导体芯片的横截面的示意图。
相同的或作用相同的元件在附图中由相同的附图标记示出。示出的组成部分以及组成部分彼此间的大小关系并不能视为合乎比例的。
具体实施方式
在图1中示出的根据一个实施例的光电子半导体芯片20是发光二极管芯片，所述发光二极管芯片设计用于发射红外辐射。尤其，光电子半导体芯片20是发射IR辐射的二极管(IRED)。光电子半导体芯片20具有p型半导体区域4、n型半导体区域9和设置在p型半导体区域4与n型半导体区域9之间的适合于发射IR辐射的有源层6。光电子半导体芯片20的实施例是所谓的薄膜半导体芯片，已从所述薄膜半导体芯片剥离原始用于外延生长半导体层的生长衬底，并且替代于此借助于连接层2、尤其焊料层将半导体层序列与不同于生长衬底的载体衬底1连接。
在这种薄膜发光二极管芯片中，p型半导体区域4通常朝向载体衬底1。在p型半导体区域4与载体衬底1之间有利地设置有镜层3，所述镜层有利地将朝向载体衬底1发射的辐射朝向光电子半导体芯片20的辐射出射面12偏转。镜层3例如是金属层，所述金属层包含Ag、Al或Au。
为了电接触光电子半导体芯片20，例如可以在辐射出射面12的子区域上设置n型连接层10并且在载体衬底1的背侧上设置p型连接层11。
p型半导体区域4和n型半导体区域9可以分别由多个子层构建并且不一定必须仅由p型掺杂的层或n型掺杂的层构成，而是例如也可以具有一种或多种未掺杂的层。
对所示出的实施例替选地，光电子半导体芯片20也可以具有相反的极性，即n型半导体区域9可以朝向衬底，并且p型半导体区域4可以朝向光电子半导体芯片的辐射出射面12(未示出)。这通常在如下光电子半导体芯片中是这种情况，在所述光电子半导体芯片中，用于外延生长半导体层的生长衬底未剥离，因为通常n型半导体区域首先生长到生长衬底上。
光电子半导体芯片20的设计用于发射红外辐射的有源层6构成为多量子阱结构6A、6B。多量子阱结构6A、6B具有多个交替设置的量子阱层6A和阻挡层6B。在所示的实施例中，多量子阱结构具有十二个层对，所述层对分别由量子阱层6A和阻挡层6B构成。一般而言，多量子阱结构的层对的数量有利地在3和30之间，优选在6和18之间。量子阱层6A优选具有在3nm和10nm之间的厚度。与量子阱层6A邻接的阻挡层6B有利地具有在3nm和30nm之间的厚度，优选在3nm和10nm之间的厚度和特别优选在5nm和7nm之间的厚度。
有源层6设置在p侧的限制层5与n侧的限制层8之间。限制层5、8优选地具有与在有源层6中包含的半导体层更大的电子带隙并且用于将载流子(电子和空穴)限制(confinement)在有源层6中，以便有利于载流子在有源层6中的进行辐射的复合。
在多量子阱结构6A、6B中，量子阱层6A具有带隙EQW1，并且阻挡层6B具有带隙EB1>EQW1。量子阱层6A的带隙EQW1选择为，使得量子阱层6A适合于发射在红外光谱范围中的辐射。尤其是，量子阱层6A适合于发射在第一波长范围中的第一辐射21，所述第一波长范围处于对于人眼不可见的红外光谱范围中。第一辐射21尤其可以在850nm和1000nm之间的波长处具有强度最大值。
光电子半导体芯片20具有至少一个另外的量子阱层7A，所述另外的量子阱层设置在多量子阱结构6A、6B之外。这尤其意味着：多量子阱层6A的量子阱层6A仅设置在至少一个另外的量子阱层7A的一侧上。在图1中示出的实施例中，光电子半导体芯片20有利地包含恰好一个另外的量子阱层7A，所述另外的量子阱层设置在多量子阱结构6A、6B和n侧的限制层8之间。至少一个另外的量子阱层7A可以与至少一个另外的阻挡层7B邻接。至少一个另外的量子阱层7A和至少一个另外的阻挡层7B这样构成另外的量子阱结构7，所述量子阱结构优选是单量子阱结构。
至少一个另外的量子阱层7A具有电子带隙EQW2>EQW1并且适合于发射在第二波长范围中的第二辐射22。第二波长范围包括比第一波长范围更短的波长，使得第二辐射22至少部分对于人眼可见。优选地，EQW2-EQW1>0.1eV，特别优选EQW2-EQW1>0.15eV。
由至少一个另外的量子阱层7A发射的第二辐射22尤其可以包括可见的红色光。但并不必需的是，整个第二辐射22处于可见的光谱范围中。更确切而言，足够的且甚至有利的是，第二辐射22的强度最大值处于IR范围中，并且仅仅一部分的第二辐射22在强度最大值之下的波长处落入可见光谱范围中。以此方式实现，在至少一个另外的量子阱层7A中仅产生少量损耗功率。第二辐射22的强度最大值优选在750nm和850nm之间的波长范围中。
通过借助于另外的量子阱层7A引起的将可见辐射与有源层6的IR辐射混合，有利地实现，对于使用者可见的是，光电子半导体芯片20处于运行状态中并且发射辐射。这尤其对于发射相对高的辐射功率的IR发光二极管芯片而言是有利的，以便降低如下危险：身体部分、如尤其眼睛不可见地经受IR辐射。至少一个另外的量子阱层7A的第二辐射22的可见份额有利地例如可以引起眼睛的角膜反射。
图1的实施例的功率带边沿EL的能量EL在图2中示意性示出。另外的量子阱层7A与多量子阱结构6A、6B的量子阱层6A相比有利地具有更大的电子带隙和相应地具有更高的功率带边沿。半导体材料的带隙尤其可以通过如下方式设定，改变在半导体材料中的铝含量和/或铟含量。例如，量子阱层6A和至少一个另外的量子阱层7A可以分别具有如下半导体材料，所述半导体材料具有组分InxAlyGa1-x-yAs或InxAlyGa1-x-yP，其中0≤x≤1，0≤y≤1和x+y≤1，其中至少一个另外的量子阱层7A与量子阱层6A相比具有更大的铝含量x和/或更小的铟含量。
替选地或附加地，至少一个另外的量子阱层7A与多量子阱结构6A、6B的量子阱层6A相比可以具有更小的厚度。以此方式，对材料组分的改变附加地或替选地可以引起电子带隙的增大。优选地，至少一个另外的量子阱层7A的厚度不大于5nm。至少一个另外的量子阱层7A例如具有在3nm和5nm之间的厚度，包括边界值。
阻挡层6B和另外的阻挡层7B与邻接的量子阱层6A、7A相比分别具有更大的电子带隙。多量子阱结构的阻挡层6B和/或另外的阻挡层7B例如可以分别具有AlGaAsP。另外的阻挡层7B与多量子阱结构的阻挡层6B相比优选具有更大的带隙。这尤其可以通过在另外的阻挡层7B中更高的铝含量来实现。
p侧的限制层5和n侧的限制层8有利地与量子阱层6A、7A和阻挡层6B、7B相比具有更大的电子带隙。限制层5、8尤其用于将载流子限制在有源层6中。优选地，限制层5、8分别包含AlGaAs。
在根据图1和2的实施例中，另外的量子阱层7A设置在多量子阱结构6A、6B与n侧的限制层8之间。所述设置是有利的，因为仅仅少量空穴从p侧穿过整个多量子阱结构6A、6B到达另外的量子阱层7A。在另外的量子阱层7A中因此有利地仅仅产生少量的第二辐射22。仅仅用于使光电子半导体芯片20的辐射发射可见的第二辐射22因此有利地少量贡献于光电子半导体芯片20的损耗功率。
在图3中示出光电子半导体芯片20的第二实施例的功率带边沿的能量，并且在图4中示出贯穿根据第二实施例的光电子半导体芯片20的横截面的示意图。第二实施例基本上对应于第一实施例，其中但是区别在于另外的量子阱层7A的设置。
在第二实施例中，另外的量子阱层7A设置在多量子阱结构6A、6B的朝向p型半导体区域4的侧上。不同于在第一实施例中，另外的量子阱层7A也不直接与多量子阱结构6A、6B邻接。更确切而言，p限制层5设置在多量子阱结构6A、6B和另外的量子阱层7A之间。
p限制层5在此情况下用作对用于电子的附加的阻挡，所述电子从多量子阱结构6A、6B朝向另外的量子阱层7A运动。所述附加的对电子的阻挡作用是有利的，因为电子在半导体层序列内与空穴相比具有更大的可运动性。如果将另外的量子阱层7A直接设置在多量子阱结构6A、6B的p侧上，则相对多的电子和空穴到达另外的量子阱层7A并且在那里以进行辐射的方式复合。通过将另外的量子阱层7A设置在p限制层5的背离多量子阱结构6A、6B的侧上，尤其降低了在那里对复合存在的电子的数量从而有利地实现，仅仅小数量的载流子在另外的量子阱层7A中复合。仅仅用于使辐射发射可见的另外的量子阱层7A因此仅少量地贡献于光电子半导体芯片20的损耗功率。
本发明并不受根据实施例的描述限制。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，这尤其包含权利要求中的特征的任意组合，即使这些特征或这些组合本身并未明确地在权利要求或实施例中说明时也如此。
附图标记表
1 载体衬底
2 连接层
3 镜层
4 p型半导体区域
5 p限制层
6 多量子阱结构
6A 量子阱层
6B 阻挡层
7 另外的量子阱结构
7A 另外的量子阱层
7B 另外的阻挡层
8 n限制层
9 n型半导体区域
10 n型连接层
11 p型连接层
12 辐射出射面
20 半导体芯片
21 第一辐射
22 第二辐射
Claims (16)
1.一种光电子半导体芯片(10)，所述光电子半导体芯片具有：
-p型半导体区域(4)，
-n型半导体区域(9)，
-在所述p型半导体区域(4)与所述n型半导体区域(9)之间设置的有源层(6)，所述有源层构成为多量子阱结构(6A，6B)并且具有交替的量子阱层(6A)和阻挡层(6B)，其中所述量子阱层(6A)适合于发射在第一波长范围中的第一辐射(21)，以及
-至少一个另外的量子阱层(7A)，所述至少一个另外的量子阱层设置在所述多量子阱结构(6A、6B)之外，并且适合于发射在第二波长范围中的第二辐射(22)，其中
-所述第一波长范围处于对于人眼不可见的红外光谱范围中，和
-所述第二波长范围包括如下波长，该波长至少部分对于人眼而言是可见的。
2.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片，
其中所述第二辐射(22)在750nm和850nm之间的波长处具有强度最大值。
3.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述第一辐射(21)在850nm和1000nm之间的波长处具有强度最大值。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述至少一个另外的量子阱层(7A)具有电子带隙EQW2，所述电子带隙大于所述多量子阱结构的量子阱层(6A)的电子带隙EQW1，并且其中适用EQW2-EQW1≥0.1eV。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述多量子阱结构的量子阱层(6A)和所述至少一个另外的量子阱层(7A)分别具有InxAlyGa1-x-yAs或InxAlyGa1-x-yP，其中0≤x≤l，0≤y≤1和x+y≤1。
6.根据权利要求5所述的光电子半导体芯片，
其中所述至少一个另外的量子阱层(7A)的铝含量y大于所述多量子阱结构(6A，6B)的量子阱层(6A)的铝含量y。
7.根据权利要求5或6所述的光电子半导体芯片，
其中所述至少一个另外的量子阱层(7A)的铟含量x小于所述多量子阱结构(6A)的量子阱层的铟含量x。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述至少一个另外的量子阱层(7A)与所述多量子阱结构(6A，6B)的量子阱层(6A)相比具有更小的厚度。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述至少一个另外的量子阱层(7A)设置在所述多量子阱结构(6A，6B)的朝向所述n型半导体区域(9)的侧上。
10.根据权利要求9所述的光电子半导体芯片，
其中所述至少一个另外的量子阱层(7A)与所述多量子阱结构(6A，6B)直接邻接。
11.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述至少一个另外的量子阱层(7A)设置在所述多量子阱结构的朝向所述p型半导体区域(4)的侧上。
12.根据权利要求11所述的光电子半导体芯片，
其中所述多量子阱结构(6A，6B)设置在p侧的限制层(5)与n侧的限制层(8)之间，和其中所述p侧的限制层(5)设置在所述多量子阱结构(6A，6B)与所述至少一个另外的量子阱层(7A)之间。
13.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中设计用于发射所述第二辐射(22)的另外的量子阱层(7A)的数量在1和3之间。
14.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中设计用于发射所述第一辐射(21)的量子阱层(6A)的数量在3和30之间。
15.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中设计用于发射所述第一辐射(21)的量子阱层(6A)的数量是设计用于发射所述第二辐射(22)的所述至少一个另外的量子阱层(7A)的数量的至少五倍大。
16.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述第一辐射(21)具有至少4.5W的功率。
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