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Die
vorliegende Anmeldung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip
mit Quantentopfstruktur.
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Optoelektronische
Halbleiterchips mit Quantentopfstruktur sind beispielsweise aus
der Druckschrift
DE
199 55 747 A1 bekannt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen optoelektronischen
Halbleiterchip mit Quantentopfstruktur anzugeben, dessen Effizienz und/oder
Lebensdauer verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des optoelektronischen Halbleiterchips sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben, deren Offenbarungsgehalt explizit
durch Rückbezug in die Beschreibung aufgenommen wird.
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Es
wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben, der eine strahlungsemittierende
Halbleiterschichtenfolge aufweist. Die strahlungsemittierende Halbleiterschichtenfolge
enthält eine aktive Zone mit einer ersten Quantentopfschicht,
einer zweiten Quantentopfschicht und zwei Abschluss-Barriereschichten.
Die erste und die zweite Quantentopfschicht sind zwischen den zwei
Abschluss-Barriereschichten angeordnet. Anders ausgedrückt
ist die aktive Zone zwischen einer n-dotierten Schicht oder Schichtenfolge
und einer p-dotierten Schicht oder Schichtenfolge angeordnet. In
Richtung von der n-dotierten Schicht/Schichtenfolge zu der p-dotierten Schicht/Schichtenfolge
geht eine der Abschluss-Barriereschichten der ersten und zweiten
Quantentopfschicht voraus und die andere Abschluss-Barriereschicht
folgt der ersten und zweiten Quantentopfschicht in Richtung von
der n-dotierten Halbleiterschicht zu der p-dotierten Halbleiterschicht
nach.
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Die
erste und die zweite Quantentopfschicht haben im Vergleich zu den
Abschluss-Barriereschichten eine geringere Bandlücke. Die
aktive Zone weist also eine Quantentopfstruktur, insbesondere eine
Mehrfachquantentopfstruktur auf, die zumindest die erste und zweite
Quantentopfschicht und die zwei Abschluss-Barriereschichten enthält.
Hierbei ist keine Aussage über die Dimensionalität
der Quantisierung der Energiezustände durch die Quantentopfschichten
und die Abschluss-Barriereschichten impliziert. Mittels der Quantentopfstruktur
können u. a. mindestens ein Quantenfilm, Quantendraht und/oder Quantenpunkt
und jede Kombination dieser Strukturen erzielt sein.
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Die
Quantentopfstruktur der aktiven Zone ist zur Erzeugung elektromagnetischer
Strahlung im Betrieb des Halbleiterchips vorgesehen. Der optoelektronische
Halbleiterchip ist vorzugsweise zur Emission von Laserstrahlung
vorgesehen, es handelt sich also bei dem optoelektronischen Halbleiterchip
vorzugsweise um einen – beispielsweise kantenemittierenden – Laserdiodenchip.
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Die
strahlungsemittierende Halbleiterschichtenfolge ist insbesondere
eine mittels epitaktischem Schichtwachstum hergestellte Halbleiterschichtenfolge.
Bei dem Schichtwachstum werden üblicherweise n-leitende
Schicht/Schichtenfolge, die aktive Zone und die p-leitende Schicht/Schichtenfolge
in dieser Reihenfolge nacheinander hergestellt. Daher wird im vorliegenden
Zusammenhang die Richtung von der n-dotierten Schicht/Schichtenfolge
zu der p-dotierten Schicht/Schichtenfolge mit dem Begriff „Wachstumsrichtung"
abgekürzt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass – beispielsweise
bei Halbleiterchips die einen Tunnelübergang aufweisen – die
vorliegend mit „Wachstumsrichtung" bezeichnete Richtung
auch entgegengesetzt zur tatsächlichen Richtung des Schichtwachstums
verlaufen kann.
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In
Wachstumsrichtung geht eine der Abschlussschichten der ersten und
zweiten Quantentopfschicht voraus, die andere Abschlussschicht folgt der
ersten und zweiten Quantentopfschicht in Wachstumsrichtung nach.
Die Haupterstreckungsebenen der Abschlussschichten und der ersten
und der zweiten Quantentopfschicht sind insbesondere im wesentlichen
senkrecht zur Wachstumsrichtung. Die erste und die zweite Quantentopfschicht
und die zwei Abschlussschichten sowie die gesamte aktive Zone haben
zweckmäßigerweise im wesentlichen parallele Haupterstreckungsebenen.
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Die
aktive Zone weist ein Halbleitermaterial auf, das mindestens eine
erste und eine zweite Komponente enthält. Beispielsweise
weist die aktive Zone ein III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial,
beispielsweise ein Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial wie InAlGaN
oder ein Phosphit-Verbindungs-Halbleitermaterial, auf. Alternativ
kann sie auch ein II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial aufweisen.
Beispielsweise enthält das Halbleitermaterial In als erste
Komponente und/oder es enthalt GaN, AlN und/oder AlGaN als zweite
Komponente.
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Ein
III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element
aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise Al, Ga, In, und
ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise
B, N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff "III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial"
die Gruppe der binären, ternären oder quaternären
Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe
und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe
enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphit-Verbindungshalbleiter.
Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre
Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe
sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
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Entsprechend
weist ein II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial wenigstens ein Element aus
der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und
ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise O,
S, Se, auf. Insbesondere umfasst ein II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial eine
binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung,
die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens
ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre,
ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem
beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterialien:
ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
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Dass
die aktive Zone ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial enthält,
bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Zone oder
zumindest ein Teil davon ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial,
vorzugsweise InnAlmGa1–n–mN aufweist oder aus
diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1
und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine
mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufwei sen.
Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie
zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber
beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile
des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch
geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt
sein können.
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Der
Anteil der ersten Komponente ist in dem Halbleitermaterial der zwei
Abschluss-Barriereschichten geringer als der Anteil dieser Komponente in
der ersten und der zweiten Quantentopfschicht. Die erste Komponente
des Halbleitermaterials trägt insbesondere zur Einstellung
der Bandlücke des Halbleitermaterials bei.
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Bei
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips
hat die zweite Quantentopfschicht im Vergleich zur ersten Quantentopfschicht eine
geringere Schichtdicke. Bei dieser Ausführungsform weist
sie vorzugsweise einen größeren Anteil der ersten
Komponente des Halbleitermaterials auf als die erste Quantentopfschicht.
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Bei
einer anderen Ausführungsform hat die zweite Quantentopfschicht
die gleiche Schichtdicke wie die erste Quantentopfschicht oder eine
im Vergleich zur ersten Quantentopfschicht größere Schichtdicke.
Bei dieser Ausführungsform weist die zweite Quantentopfschicht
einen geringeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials
auf als die erste Quantentopfschicht.
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Bei
einer Ausführungsform sind sowohl die erste als auch die
zweite Quantentopfschicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung
vorgesehen. Beispielsweise geht die erste Quantentopfschicht der
zweiten Quantentopfschicht in Wachs tumsrichtung voraus und hat eine
geringere Schichtdicke als die zweite Quantentopfschicht. Zweckmäßigerweise
enthält sie einen größeren Anteil der
ersten Komponente des Halbleitermaterials als die zweite Quantentopfschicht.
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Vorteilhafterweise
sind die Energieniveaus des von der ersten Quantentopfschicht definierten Quantentopfs
und des von der zweiten Quantentopfschicht definierten Quantentopfs
mittels der Schichtdicke und des Anteils der ersten Komponente des Halbleitermaterials
derart aneinander angepasst, dass der Beitrag der ersten Quantentopfschicht
und der zweiten Quantentopfschicht zur Gesamtemission des optoelektronischen
Halbleiterchips in der gleichen Größenordnung
liegt und insbesondere praktisch gleich groß ist.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung hat die im Bereich der ersten
Quantentopfschicht emittierte elektromagnetische Strahlung und die
im Bereich der zweiten Quantentopfschicht emittierte elektromagnetische
Strahlung im wesentlichen die gleiche spektrale Verteilung, insbesondere
hat ein Intensitätsmaximum der spektralen Verteilung etwa
die gleiche Wellenlänge.
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Die
Halbleiterschichtenfolge weist mit Vorteil eine hohe Kristallqualität
auf, wenn die erste Quantentopfschicht, die der zweiten Quantentopfschicht
in Wachstumsrichtung vorausgeht, eine geringere Schichtdicke hat
als die zweite Quantentopfschicht. Zudem ist beispielsweise die
Injektion von Ladungsträgern in die erste und/oder zweite
Quantentopfschicht im Vergleich zu zwei Quantentopfschichten mit
gleicher Schichtdicke und gleichem Anteil der ersten Komponente
des Halbleitermaterials verbessert.
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Bei
einer anderen Ausführungsform ist die zweite Quantentopfschicht
zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen und die
erste Quantentopfschicht ist nicht zur Emission von elektrischer
Strahlung vorgesehen.
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Eine
Quantentopfschicht, die nicht zur Emission von elektromagnetischer
Strahlung vorgesehen ist, emittiert im Betrieb des optoelektronischen
Halbleiterchips keine elektromagnetische Strahlung oder der Anteil
der im Bereich der nicht zur Emission vorgesehenen Quantentopfschicht
emittierten elektromagnetischen Strahlung ist im Vergleich zu dem
Anteil der im Bereich einer zur Emission vorgesehenen Quantentopfschicht
emittierten elektromagnetischen Strahlung gering. Beispielsweise
beträgt der Anteil der im Bereich der nicht zur Emission
vorgesehenen Quantentopfschicht emittierten elektromagnetischen Strahlung
höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens
ein Fünftel, insbesondere höchstens ein Zehntel des
Anteils der im Bereich einer zur Emission vorgesehenen Quantentopfschicht
emittierten elektromagnetischen Strahlung.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung dieser Ausführungsform
weist die zweite Quantentopfschicht eine geringere Schichtdicke
auf als die erste Quantentopfschicht und ist innerhalb der ersten Quantentopfschicht
angeordnet. Anders ausgedrückt folgen in Wachstumsrichtung
ein erstes Teilstück der ersten Quantentopfschicht, die
zweite Quantentopfschicht und ein zweites Teilstück der
ersten Quantentopfschicht direkt aufeinander. Das erste und zweite Teilstück
der ersten Quantentopfschicht grenzen dabei direkt an die zweite
Quantentopfschicht an.
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Bei
dieser Ausgestaltung wird vorteilhafterweise ein besonders effizienter
Ladungsträgereinfang erzielt. Insbesondere sind Laserdiodenchips
mit einem relativ langwelligen Intensitätsmaximum der im
Betrieb emittierten Laserstrahlung, beispielsweise einem Intensitätsmaximum
mit einer Wellenlänge von größer oder
gleich 460 nm, z. B. im blauen oder im grünen Spektralbereich
emittierende Laserdiodenchips, erzielbar.
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Bei
einer Variante dieser Ausführungsform, bei der die zweite
Quantentopfschicht innerhalb der ersten Quantentopfschicht angeordnet
ist, weist die zweite Quantentopfschicht anstelle eines größeren Anteils
der ersten Komponente des Halbleitermaterials einen geringeren Anteil
der ersten Komponente des Halbleitermaterials auf als die ersten
Quantentopfschicht. Bei dieser Variante ist die erste Quantentopfschicht
zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen, die zweite
Quantentopfschicht ist nicht zur Emission von elektromagnetischer
Strahlung vorgesehen. Im Vergleich zu einer Ausführungsform,
bei der die zweite Quantentopfschicht weg gelassen ist, weist die
Halbleiterschichtenfolge bei dieser Variante eine verbesserte Kristallqualität
auf, so dass die optischen und elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschichtenfolge
verbessert sind.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips
ist die erste Quantentopfschicht im Betrieb des Halbleiterchips
zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen und die
zweite Quantentopfschicht ist nicht zur Emission von elektromagnetischer
Strahlung vorgesehen. Die zweite Quantentopfschicht geht beispielsweise
bei dieser Ausführungsform der ersten Quantentopfschicht
in Wachstumsrichtung voraus oder folgt der ersten Quantentopfschicht
in Wachstumsrichtung nach.
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Vorteilhafterweise
ist mittels der zweiten Quantentopfschicht oder einer Mehrzahl von
zweiten Quantentopfschichten, die eine geringere Schichtdicke und
einen größeren Anteil der ersten Komponente des
Halbleitermaterials aufweist/aufweisen oder die eine größere
oder die gleiche Schichtdicke und einen geringeren Anteil der ersten
Komponente des Halbleitermaterials aufweist/aufweisen als die erste Quantentopfschicht,
der Einbau der ersten Komponente des Halbleitermaterials in die
erste Quantentopfschicht besonders homogen. Die Anzahl der Defekte
in der ersten Quantentopfschicht, z. B. die Anzahl der Ga-Fehlstellen,
ist vorteilhafterweise besonders gering, so dass eine besonders
geringe Anzahl von Ladungsträgerpaaren nicht strahlend
rekombiniert. Weiterhin ist insbesondere auch die Diffusion eines
oder mehrerer Dotierstoffe in die erste Quantentopfschicht besonders
gering, so dass der Halbleiterchip eine besonders hohe Lebensdauer
aufweist.
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Bei
einer Ausgestaltung weist der optoelektronische Halbleiterchip zwei
erste Quantentopfschichten und mindestens eine zweite Quantentopfschicht
auf. Die zweite Quantentopfschicht oder die zweiten Quantentopfschichten
ist/sind zwischen den zwei ersten Quantentopfschichten angeordnet.
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Beispielsweise
erhöht die mindestens eine zweite Quantentopfschicht die
Tunnelwahrscheinlichkeit für Ladungsträger zwischen
den zwei ersten Quantentopfschichten. So wird eine besonders gleichmäßige
Ladungsträgerverteilung auf die zwei zur Strahlungsemission
vorgesehenen ersten Quantentopfschichten erzielt.
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Bei
einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist der Abstand der mindestens
einen zweiten Quantentopfschicht zu der in Wachstumsrichtung nachfolgenden
ersten Quantentopfschicht kleiner als der Abstand zu der in Wachstumsrichtung
vorausgehenden ersten Quantentopfschicht. Beispielsweise beträgt
der Abstand zu der in Wachstumsrichtung nachfolgenden ersten Quantentopfschicht
die Hälfte oder weniger, beispielsweise ein Viertel oder
weniger des Abstands zu der in Wachstumsrichtung vorausgehenden
ersten Quantentopfschicht.
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Insbesondere
bei Halbleitermaterialien wie InAlGaN, die beispielsweise eine Wurtzitstruktur
aufweisen, treten piezoelektrische Felder auf, die zu energetischen
Barrieren für die Ladungsträger führen und
deren Injektion in die ersten Quantentopfschichten erschweren. Die
relativ nahe an der in Wachstumsrichtung nachfolgenden ersten Quantentopfschicht
angeordnete zweite Quantentopfschicht verringert mit Vorteil diese
energetischen Barrieren für die Ladungsträger.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung weist der optoelektronische Halbleiterchip
mindestens eine erste Quantentopfschicht und zwei zweite Quantentopfschichten
auf, wobei die mindestens eine erste Quantentopfschicht zwischen
den zwei zweiten Quantentopfschichten angeordnet ist. Bei einer
Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die mindestens eine erste
Quantentopfschicht zwischen einer ersten Mehrzahl und einer zweiten
Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten angeordnet. Mit anderen
Worten geht die erste Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten
der mindestens einen ersten Quantentopfschicht in Wachstumsrichtung
voraus und die zweite Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten folgt
der mindestens einen ersten Quantentopfschicht in Wachstumsrichtung
nach.
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Vorzugsweise
enthalten die ersten Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten und
die zweite Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten die gleiche
Anzahl von zweiten Quantentopf schichten. Anders ausgedrückt
gehen der mindestens einen ersten Quantentopfschicht vorzugsweise
genauso viele zweite Quantentopfschichten voraus wie ihr in Wachstumsrichtung
nachfolgen.
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Vorteilhafterweise
wird bei dieser Ausgestaltung eine besonders gute Strahlführung
der von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht emittierten
elektromagnetischen Strahlung in der aktiven Zone erzielt. Beispielsweise
ist mittels der zweiten Quantentopfschichten der Brechungsindex
der aktiven Zone erhöht. Der räumliche Überlapp
zwischen der mindestens einen ersten Quantentopfschicht und der
von der aktiven Zone emittierten elektromagnetischen Strahlung ist
besonders groß, so dass beispielsweise eine besonders effiziente
Emission von Laserstrahlung im Betrieb erfolgt.
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Die
zweiten Quantentopfschichten definieren mit Vorteil Quantentopfstrukturen,
deren Energieniveaus sich von den Energieniveaus derjenigen Quantentopfstruktur(en)
unterscheiden, die von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht
definiert werden. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Absorption
der von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht emittierten
elektromagnetischen Strahlung im Bereich der zweiten Quantentopfschichten
nur gering.
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Bei
einer Weiterbildung des Halbleiterchips mit einer ersten und einer
zweiten Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten nimmt der Anteil
der ersten Komponente des Halbleitermaterials und/oder die Schichtdicke
der zweiten Quantentopfschicht in Richtung von der mindestens einen
ersten Quantentopfschicht weg von Schicht zu Schicht ab. Mit anderen
Worten hat von zwei zweiten Quantentopfschichten, die der mindestens
einen ersten Quantentopfschicht vorausgehen beziehungsweise die der
mindestens einen ersten Quantentopfschicht nachfolgen, diejenige
zweite Quantentopfschicht den größeren Anteil
der ersten Komponente des Halbleitermaterials und/oder die größere
Schichtdicke, deren Abstand von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht
geringer ist. So wird vorteilhafterweise eine aktive Zone mit einer
besonders guten Kristallstruktur erzielt.
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Bei
einer Ausgestaltung weist die aktive Zone eine Symmetrieebene auf,
die im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene der
aktiven Zone, also insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Wachstumsrichtung,
verläuft. Die aktive Zone enthält bei dieser Ausgestaltung
mehrere erste und/oder mehrere zweite Quantentopfschichten. Die erste(n)
Quantentopfschicht(en) und die zweite(n) Quantentopfschicht(en)
sind spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieebene angeordnet. Eine solche
spiegelsymmetrische Anordnung ist beispielsweise für die
Strahlführung der Laserstrahlung in der aktiven Zone eines
Laserdiodenchips vorteilhaft.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung des Halbleiterchips mit einer zweiten
Quantentopfschicht, die eine geringere Schichtdicke hat als die
erste Quantentopfschicht, ist der Anteil der ersten Komponente des
Halbleitermaterials der zweiten Quantentopfschicht 1,2 mal bis 2
mal so hoch wie der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials
der ersten Quantentopfschicht. Bei einer alternativen Ausgestaltung
mit einer zweiten Quantentopfschicht mit gleicher oder größerer
Schichtdicke ist der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials
der ersten Quantentopfschicht 1,2 mal bis 2 mal so groß wie der
Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der zweiten
Quantentopfschicht.
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Die
Schichtdicke einer zweiten Quantentopfschicht, die eine geringere
Schichtdicke hat als die erste Quantentopfschicht, beträgt
bei einer Ausgestaltung höchstens die Hälfte,
vorzugsweise höchstens ein Drittel, besonders bevorzugt
höchstens ein Viertel des Werts der Schichtdicke der ersten
Quantentopfschicht. Beispielsweise hat die erste Quantentopfschicht
eine Schichtdicke zwischen 2 und 10 nm, insbesondere zwischen 2
und 5 nm, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Die zweite
Quantentopfschicht hat beispielsweise eine Schichtdicke zwischen
0,5 und 5 nm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 nm, beispielsweise
beträgt die Schichtdicke der zweiten Quantentopfschicht
etwa 1 nm.
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Bei
einer Ausgestaltung enthält das Halbleitermaterial der
ersten und/oder der zweiten Quantentopfschicht(en) mindestens zwei
verschiedene Elemente derselben Hauptgruppe im Periodensystem, etwa
der dritten Hauptgruppe, von denen ein Element in der ersten und
das andere in der zweiten Komponente des Halbleitermaterials enthalten
ist. Der Anteil des in der ersten Komponente enthaltenen Elements dieser
Hauptgruppe beträgt bei einer Ausgestaltung zwischen 0,5%
und 50% der Elemente dieser Hauptgruppe im Halbleitermaterial. Beispielsweise
handelt es sich bei der ersten Komponente um Indium. Bei der zweiten
Komponente handelt es sich zum Beispiel um GaN, AlN oder AlGaN,
das Ga und/oder Al enthält, das wie In zur dritten Hauptgruppe
des Periodensystems gehört. Das Indium hat bei dieser Ausgestaltung
einen Anteil von 0,05 ≤ n ≤ 0,5 in dem Halbleitermaterial
InnAlmGa1–n–mN.
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Bei
einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip zur Emission von elektromagnetischer
Strahlung mit einem Intensitätsmaximum im blauen Spektralbereich
vorgesehen und das Halbleitermaterial der ersten Quantentopfschicht
weist einen Indiuman teil von 0,15 ≤ n ≤ 0,2 auf.
Bei einer alternativen Weiterbildung ist der Halbleiterchip zur
Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einem Intensitätsmaximum
im ultravioletten Spektralbereich vorgesehen und das Halbleitermaterial
der ersten Quantentopfschicht weist einen Indiumanteil von 0,07 ≤ n ≤ 0,1 auf.
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Die
Abstände zwischen der ersten und der zweiten Quantentopfschicht,
zwischen zwei ersten Quantentopfschichten und/oder zwischen zwei
zweiten Quantentopfschichten haben beispielsweise einen Wert zwischen
1 und 50 nm, vorzugsweise zwischen 3 und 15 nm, wobei die Grenzen
jeweils eingeschlossen sind.
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Der
Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials ist bei einer
Ausgestaltung innerhalb der ersten und/oder der zweiten Quantentopfschicht nicht
konstant. Stattdessen variiert er über die Schichtdicke
der ersten und/oder der zweiten Quantentopfschicht. Beispielsweise
kann die Konzentration der ersten Komponente in Wachstumsrichtung über
einen Teilbereich der ersten beziehungsweise zweiten Quantentopfschicht
vom Rand her kontinuierlich ansteigen oder zum Rand hin kontinuierlich abfallen.
Mit anderen Worten hat das Konzentrationsprofil der ersten Komponente
eine oder zwei schräge Flanken. Unter dem Anteil der ersten
Komponente des Halbleitermaterials wird in diesem Fall das Maximum
des Anteil innerhalb der Quantentopfschicht verstanden.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung ist der optoelektronische Halbleiterchip
dazu vorgesehen, im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einem
Intensitätsmaximum im ultravioletten und/oder im blauen
Spektralbereich zu emittieren. Bei einer Weiterbildung liegt das
Intensitätsmaximum im blauen Spektralbereich und die aktive
Zone enthält zwei zur Strahlungser zeugung vorgesehene erste
Quantentopfschichten. Bei einer anderen Weiterbildung liegt das
Intensitätsmaximum im ultravioletten Spektralbereich und
die aktive Zone enthält vier zur Strahlungserzeugung vorgesehene
erste Quantentopfschichten. Der Halbleiterchip ist bei einer weiteren
Weiterbildung ein Laserdiodenchip.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
des optoelektronischen Halbleiterchips ergeben sich aus den folgenden
im Zusammenhang mit den 1 bis 11B dargestellten
exemplarischen Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1,
einen schematischen Querschnitt durch eine strahlungsemittierende
Halbleiterschichtenfolge eines optoelektronischen Halbleiterchips
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2A und 2B,
schematische Diagramme des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone der Halbleiterschichtenfolge
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
und gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels,
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3A und 3B,
schematische Diagramme des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel und gemäß einer
Variante des zweiten Ausführungsbeispiels,
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4A und 4B,
schematische Diagramme des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermateri als der aktiven Zone gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel und gemäß einer
Variante des dritten Ausführungsbeispiels,
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5,
schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel,
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6A, 6B und 6C,
schematische Diagramme des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel, gemäß einer
ersten Variante und gemäß einer zweiten Variante
des fünften Ausführungsbeispiels,
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7,
schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel,
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8A und 8B,
schematische Diagramme des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel und gemäß einer
Variante des siebten Ausführungsbeispiels,
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9,
schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
achten Ausführungsbeispiel,
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10,
schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
neunten Ausführungsbeispiel,
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11A und 11B,
schematische Diagramme des Konzentrationsprofils der ersten Komponente
des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem
zehnten Ausführungsbeispiel und gemäß einer
Variante des zehnten Ausführungsbeispiels.
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In
den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder
gleich wirkende Bestandteile mit den selben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren, insbesondere die Größen der in den
Figuren dargestellten Elemente und ihre Größenverhältnisse
untereinander, sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht
anzusehen, sofern sie nicht explizit mit absoluten Einheiten wie
Längen versehen sind. Vielmehr können einzelne
Elemente wie beispielsweise Schichten zur besseren Darstellbarkeit
und/oder zum besseren Verständnis übertrieben
groß beziehungsweise dick dargestellt sein.
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In 1 ist
ein optoelektronischer Halbleiterchip, vorliegend ein Laserdiodenchip,
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
schematisch im Querschnitt dargestellt. Der Halbleiterchip weist
eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem
Aufwachssubstrat 2 auf.
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Die
strahlungsemittierende, epitaktische Halbleiterschichtenfolge basiert
beispielsweise auf einem hexagonalen Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere
auf einem Nitrid-III-Verbindungshalbleitermaterial. Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Nitrid-III-Verbindungshalbleitermaterial
um InAlGaN.
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Das
Aufwachssubstrat 2 weist zweckmäßigerweise
ein zum Aufwachsen eines derartigen Nitrid-III-Verbindungshalbleitermaterials
geeignetes Material auf. Beispielsweise enthält das Aufwachssubstrat 2 GaN,
SiC und/oder Saphir oder besteht aus mindestens einem dieser Materialien.
In Richtung vom Substrat 2 weg weist die Halbleiterschichtenfolge 1 zunächst
eine n-leitende Schicht oder Schichtenfolge 110, nachfolgend
die aktive Zone 120 und dieser nachfolgend eine p-dotierte
Schicht oder Schichtenfolge 130 auf.
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Beispielsweise
weist die n-leitende Schichtenfolge 110 eine – insbesondere
stark n-dotierte – n-Kontaktschicht 111 auf, die
beispielsweise GaN enthält, das mit einem n-Dotierstoff
wie Silizium dotiert ist.
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Vorliegend
folgt der n-Kontaktschicht 111 eine weitere n-leitende
Schicht, beispielsweise eine mit einem n-Dotierstoff wie Silizium
dotierte GaN- oder InGaN-Schicht 112 nach. Beispielsweise
handelt es sich dabei um eine Stromaufweitungsschicht mit einer
hohen elektrischen Querleitfähigkeit.
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Vorzugsweise
weist die Halbleiterschichtenfolge 1 weiterhin eine Ladungsträgereinschlussschicht
(Confinement Layer), im Fall eines Laserdiodenchips insbesondere
eine Mantelschicht (Cladding Layer) 113, auf. Die Mantelschicht 113 folgt
vorliegend in Wachstumsrichtung, also insbesondere in Richtung vom
Aufwachssubstrat 2 weg, auf die n-Kontaktschicht 111 und
die n-leitende Schicht 112.
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Die
n-Mantelschicht 113 enthält vorliegend ein Übergitter
alternierender Schichtpaare. Beispielsweise handelt es sich um ein Übergitter
aus Paaren mit jeweils einer AlGaN-Schicht und einer GaN-Schicht
oder mit zwei AlGaN-Schichten mit unterschiedlichem Al-Anteil. Mindestens
eine Schicht jedes Paars ist vorzugsweise mit einem n-Dotierstoff wie
Si dotiert.
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Vorliegend
folgt auf die Mantelschicht eine n-leitende Wellenleiterschicht 114,
beispielsweise eine undotierte AlGaN-Schicht.
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Auf
die aktive Zone 120 folgt in Richtung vom Aufwachssubstrat
weg vorliegend eine p-leitende Schicht 131, beispielsweise
eine mit einem p-Dotierstoff wie Magnesium dotierte Al-GaN-Schicht.
Die p-leitende Schicht 131 kann auch weggelassen sein, um
die Gefahr einer Diffusion des p-Dotierstoffs in die aktive Zone 120 zu
verringern.
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Weiter
enthält die p-leitende Schichtenfolge 130 eine
p-Wellenleiterschicht 132 und eine p-Ladungsträgereinschlussschicht,
vorliegend eine p-Mantelschicht 133, die in dieser Reihenfolge
in Wachstumsrichtung aufeinander folgen. Die p-Wellenleiterschicht 132 weist
beispielsweise undotiertes AlGaN auf, die p-Mantelschicht weist
vorliegend analog zur n-Mantelschicht 113 eine Übergitterstruktur aus
Schichtpaaren, wobei jedes Schichtpaar beispielsweise eine mit einem
p-Dotierstoff wie Magnesium dotierte AlGaN-Schicht und eine undotierte
AlGaN-Schicht aufweist. Der p-Mantelschicht 133 folgt eine
p-Kontaktschicht 134, beispielsweise eine stark p-dotierte
GaN-Schicht nach.
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Die
aktive Zone 120 enthält eine erste Quantentopfschicht 3 und
eine zweie Quantentopfschicht 4, die der ersten Quantentopfschicht 3 in
Wachstumsrichtung nachfolgt. Eine Abschluss-Barriereschicht 51 geht
der ersten Quantentopfschicht 3 vor aus, eine weitere Abschluss-Barriereschicht 51 folgt der
zweiten Quantentopfschicht 4 nach. Eine Barriereschicht 52 ist
zwischen der ersten Quantentopfschicht 3 und der zweiten
Quantentopfschicht 4 angeordnet und trennt diese voneinander.
Sie hat vorliegend eine Schichtdicke von etwa 5 nm.
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Die
Abschluss-Barriereschichten 51, die Barriereschicht 52 und
die erste und zweite Quantentopfschicht 3, 4 sind
vorzugsweise undotiert. Mindestens eine der Abschluss-Barriereschichten 51 und/oder die
Barriereschicht 52 und/oder mindestens eine der ersten
und zweiten Quantentopfschicht 3, 4 können bei
diesem Ausführungsbeispiel oder bei einer anderen Ausgestaltung
des optoelektronischen Halbleiterchips alternativ mit einem n- oder
p-Dotierstoff dotiert sein.
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Die
erste und die zweite Quantentopfschicht 3, 4 unterscheiden
sich von den Barriereschichten 51, 52 insbesondere
durch die Zusammensetzung des Halbleitermaterials. Beispielsweise
handelt es sich bei dem Halbleitermatieral um InnAlmGa1–n–mN. Eine
erste Komponente des Halbleitermaterials – vorliegend Indium – hat
in der ersten und in der zweiten Quantentopfschicht 3, 4 einen
größeren Anteil c, also eine größere
Konzentration c, als in den Barriereschichten 51, 52.
Beispielsweise ist die Indium-Konzentration, also der Bruchteil
n in der Zusammensetzung InnAlmGa1–n–mN, in den Quantentopfschichten 3, 4 erhöht.
-
2A zeigt
schematisch ein Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials
der aktiven Zone 120. Dargestellt ist die Konzentration
c, vorliegend die Indiumkonzentration, in Abhängigkeit
von der relativen Position x in der Einheit nm. Die Wachstumsrichtung
verläuft in der 2A von
links nach rechts. Die Konzentration c nimmt von oben nach unten
zu. Sie ist dabei in beliebigen Einheiten und nur schematisch angegeben.
Konzentrationsunterschiede können zur besseren Darstellbarkeit übertrieben
groß dargestellt sein.
-
In
den Abschluss-Barriereschichten 51 und in der Barriereschicht 52 ist
also die Indium-Konzentration c gering, beispielsweise ist in diesen
Schichten kein oder praktisch kein Indium enthalten. Die größte
Indium-Konzentration c weist die erste Quantentopfschicht 3 auf.
Die Indium-Konzentration c der zweiten Quantentopfschicht 4 ist
größer als diejenige der Barriereschichten 51, 52 und
kleiner als die Indium-Konzentration c der ersten Quantentopfschicht 3.
-
Der
Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials, vorliegend
also die Indium-Konzentration c, beeinflusst die Bandlücke
des Halbleitermaterials. Die Bandlücke ist dabei durch
den energetischen Abstand zwischen der niederenergetischen Kante
des Leitungsbands und der hochenergetischen Kante des Valenzbands
gegeben. Der Verlauf der niederenergetischen Kante des Leitungsbands
entspricht im wesentlichen dem Konzentrationsprofil der ersten Komponente
des Halbleitermaterials, wobei die Energieachse E jedoch in die
entgegen gesetzte Richtung zur Konzentrationsachse c zeigt. Im Diagramm
der 2A nimmt die Energie E von unten nach oben zu.
-
Dass
der Verlauf der Bandkante des Leitungsbands "im wesentlichen" dem
Konzentrationsprofil entspricht bedeutet, dass Störungen
wie beispielsweise der Einfluss von piezoelektrischen Feldern im
Halbleitermaterial bei der Darstellung nicht berücksichtigt
sind. Etwa aufgrund der piezoelektrischen Felder können
Abweichungen vom Verlauf des Konzentrationsprofils auftreten, zum
Beispiel energetische Barrieren in einem Über gangsbereich
zwischen einer der Barriereschichten 51, 52 und
der angrenzenden ersten oder zweiten Quantentopfschicht 3, 4.
Eine solche Abweichung ist in 2A für
die erste Quantentopfschicht 3 mit gestrichelten Linien beispielhaft
schematisch angedeutet.
-
Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Indium-Anteil c,
der vorliegend dem Bruchteil n der Zusammensetzung InnAlmGa1–n–mN
entspricht, in der ersten Quantentopfschicht 3 beispielsweise
zwischen 1,2 und 2 mal so hoch wie in der zweiten Quantentopfschicht 4,
wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorliegend ist er etwa doppelt
so hoch.
-
Die
Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht 3 beträgt
zum Beispiel höchstens die Hälfte der Schichtdicke
der zweiten Quantentopfschicht 4. Vorliegend ist die Schichtdicke
der zweiten Quantentopfschicht mit etwa 5 nm ungefähr 2,5
mal so groß wie die Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht 3,
die vorliegend eine Schichtdicke von etwa 2 nm aufweist.
-
Die
Energieniveaus der Quantentopfstrukturen, die von der ersten und
der zweiten Quantentopfschicht 3, 4 definiert
werden, sind sowohl von der Konzentration c der ersten Komponente
wie auch von der Schichtdicke der Quantentopfschicht 3,4 abhängig.
Vorteilhafterweise haben die von der ersten und der zweiten Quantentopfschicht 3, 4 definierten Quantentöpfe
im wesentlichen die gleichen Energieniveaus. Bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel handelt es sich auf diese Weise sowohl
bei der ersten Quantentopfschicht wie auch bei der zweiten Quantentopfschicht 3, 4 um
eine zur Strahlungsemission vorgesehene Quantentopfschicht.
-
Das
Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials
ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2A im
wesentlichen rechteckförmig. Das tatsächliche
Konzentrationsprofil kann von dem in der schematischen Abbildung
dargestellten Verlauf beispielsweise durch Diffusion und/oder Segregation
der ersten Komponente abweichen.
-
Bei
der in 2B gezeigten Variante des ersten
Ausführungsbeispiels ist ein rechteckförmiges Profil
der Indium-Konzentration c nicht angestrebt. Vielmehr ist das Konzentrationsprofil
der ersten Quantentopfschicht 3 V-förmig und das
Konzentrationsprofil der zweiten Quantentopfschicht 4 ist
trapezförmig. Bei beiden Quantentopfschichten 3, 4 steigt die
Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials über
einen etwa 0,5 nm bis 1 nm breiten Bereich der Schichtdicke kontinuierlich
an.
-
Bei
der ersten Quantentopfschicht 3 erfolgt der Anstieg etwa
bis zur Mitte der Schicht, von wo aus die Konzentration c kontinuierlich
und vorliegend etwa symmetrisch zum Anstieg wieder abfällt.
Bei der zweiten Quantentopfschicht ist die Konzentration c der ersten
Komponente in einem mittleren Bereich der zweiten Quantentopfschicht
im wesentlichen konstant und fällt an der von der ersten
Quantentopfschicht entfernten Seite steil, praktisch senkrecht,
ab.
-
Die
Erfinder haben festgestellt, dass mittels eines derartigen V-förmigen
und/oder trapezförmigen Profils der ungünstige
Einfluss von energetischen Barrieren, die in hexagonalen Halbleitermaterialien durch
Piezofelder verursacht werden, auf die Ladungsträgerinjektion
in die Quantentopfschichten 3, 4 verringert wird.
-
Das
in 3A gezeigte zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin,
dass die aktive Zone 120 drei erste Quantentopfschichten 3 aufweist,
die in Wachstumsrichtung aufeinander folgen und jeweils durch eine
Barriereschicht 52 voneinander getrennt sind. Alle drei
ersten Quantentopfschichten 3 sind zur Strahlungserzeugung
vorgesehen. Die ersten Quantentopfschichten 3 haben beispielsweise
eine Schichtdicke von etwa 4 nm. Die Barriereschichten 52,
durch welche sie getrennt werden, sind zum Beispiel etwa 8 nm dick.
-
In
Wachstumsrichtung auf die drei ersten Quantentopfschichten 3 nachfolgend,
also den ersten Quantentopfschichten 3 p-seitig nachgeordnet, sind
eine Mehrzahl, vorliegend zwei, zweite Quantentopfschichten 4.
Die zweiten Quantentopfschichten 4 haben eine geringere
Schichtdicke als die ersten Quantentopfschichten 3 von
vorliegend etwa 1 nm. Sie beträgt beispielsweise höchstens
die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Viertel
der Schichtdicke der ersten Quantentopfschichten. Die Indiumkonzentration
c der zweiten Quantentopfschichten 4 hat einen Wert, der
zwischen dem 1,2-fachen und dem 2-fachen des Werts der Indiumkonzentration
c der ersten Quantentopfschichten 3 liegt, wobei die Grenzen
eingeschlossen sind. Die zwei zweiten Quantentopfschichten 4 sind
durch eine Barriereschicht voneinander getrennt, die vorliegend
eine Schichtdicke von etwa 3 nm hat.
-
Eine
weitere Barriereschicht 52 ist zwischen den ersten und
den zweiten Quantentopfschichten 3, 4 angeordnet,
die vorliegend eine Schichtdicke von etwa 18 nm hat.
-
Mit
Vorteil verringern die zweiten Quantentopfschichten 4 die
Gefahr der Diffusion eines p-Dotierstoffs wie Magnesium in die zur
Strahlungserzeugung vorgesehenen Quantentopfschichten 3.
-
Die
zweiten Quantentopfschichten 4 sind bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel nicht zur Strahlungserzeugung vorgesehen.
Aufgrund der im Vergleich zu den ersten Quantentopfschichten 3 hohen
Indium-Konzentration c und der geringen Schichtdicke haben die Energieniveaus
der zweiten Quantentopfschichten 4 – im Vergleich
zu der Wahrscheinlichkeit mit der von den Energieniveaus der durch
die ersten Quantentopfschichten 3 definierten Quantentöpfe
elektrosmagnetische Strahlung emittiert wird – nur eine
geringe Wahrscheinlichkeit, elektromagnetische Strahlung zu emittieren.
Eine Diffusion eines p-Dotierstoffs in die zweiten Quantentopfschichten 4 wirkt
sich daher vorteilhafterweise nicht oder nur geringfügig
auf die Effizienz des Halbleiterchips aus, so dass dessen Lebensdauer
besonders hoch ist.
-
Je
zwei aufeinander folgende erste Quantentopfschichten 3 haben
einen Abstand d1 und je zwei aufeinander
folgende zweite Quantentopfschichten haben einen Abstand d2. Der Abstand d1 entspricht insbesondere
der Schichtdicke der Barriereschicht 52, die zwei erste
Quantentopfschichten 3 voneinander trennt. Der Abstand
d2 entspricht insbesondere der Schichtdicke
der Barriereschicht 52, die zwei zweite Quantentopfschichten 4 voneinander
trennt.
-
Die
Abstände d1 und d2 brauchen
nicht gleich zu sein. Beispielsweise ist vorliegend der Abstand
d1 zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 mindestens
doppelt so groß wie der Abstand d2 zwischen zwei
zweiten Quantentopfschichten 4.
-
Bei
der in 3B dargestellten Variante des zweiten
Ausführungsbeispiels haben die beiden zweiten Quantentopfschichten 4 eine
größere Schichtdicke als die ersten Quantentopfschichten 3, etwa
eine Schichtdicke von 6 nm. Der Abstand der zweiten Quantentopfschichten 4 zu
den ersten Quantentopfschichten 3 ist vorliegend mit etwa
4 nm geringer als bei dem Ausführungsbeispiel der 3A.
Die zweiten Quantentopfschichten 4 sind durch eine Barriereschicht 52 getrennt,
die vorliegend ebenfalls eine Schichtdicke d2 von
etwa 4 nm hat. Die Schichtdicke einer Barriereschicht 52,
die zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet
ist, ist also vorliegend etwa doppelt so dick wie die Schichtdicke der
zwischen den zwei zweiten Quantentopfschichten 4 angeordneten
Barriereschicht 52.
-
Der
Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials ist bei den
zweiten Quantentopfschichten 4 geringer als bei den ersten
Quantentopfschichten 3. Beispielsweise ist die Konzentration
c der ersten Komponente des Halbleitermaterials in den ersten Quantentopfschichten 3 1,2
bis 2 mal so groß wie in den zweiten Quantentopfschichten 4,
wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
-
Wie
bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind auch die zweiten
Quantentopfschichten 4 bei der Variante des zweiten Ausführungsbeispiels
gemäß 3B nicht
zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel und bei der Variante des
zweiten Ausführungsbeispiels ist der Anteil c der ersten
Komponente des Halbleitermaterials in der aktiven Zone mit Vorteil
im Vergleich zu einer aktiven Zone ohne zweite Quantentopfschichten 4 erhöht.
Auf diese Weise hat die aktive Zone einen im Vergleich zu einer
der aktiven Zone vorausgehenden und/oder ihr nachfolgenden Schicht der
Halbleiterschichtenfolge einen erhöhten Brechungsindex.
Die aktive Zone 120 ist daher besonders gut zur Wellenleitung
für die in der aktiven Zone 120 erzeugte elektromagnetische
Strahlung geeignet. Bei einer Weiterbildung kommt die Halbleiterschichtenfolge 1 auf
diese Weise ohne die n-Wellenleiterschicht 114 und/oder
die p-Wellenleiterschicht 132 aus, die in 1 dargestellt
sind.
-
In 4A ist
ein Konzentrationsprofil des Indiumgehalts für die aktive
Zone 120 eines Halbleiterlaserchips gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel schematisch gezeigt. Die Schichtdicken
und die Konzentrationen c der ersten Komponente entsprechen denen
der Variante des zweiten Ausführungsbeispiels (3B).
Im Gegensatz dazu gehen bei dem dritten Ausführungsbeispiel
jedoch die zwei zweiten Quantentopfschichten 4 den drei
erste Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung voraus.
-
In 4B ist
das Indiumkonzentrationsprofil gemäß einer Variante
des dritten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die aktive
Zone 120 gemäß der Variante des dritten
Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von derjenigen
des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 4A darin,
dass anstelle von zwei flachen und breiten zweiten Quantentopfschichten 4 den
ersten Quantentopfschichten 3 eine Mehrzahl zweite Quantentopfschichten 4 in
Wachstumsrichtung vorausgehen, die eine geringere Schichtdicke und
eine größere Konzentration c der ersten Komponente
des Halbleitermaterials aufweisen als die ersten Quantentopfschichten 3.
Vorliegend gehen sieben zweite Quantentopfschichten 4 den
ersten Quantentopfschichten 3 im Abstand von etwa 15 nm
voraus.
-
Die
Barriereschichten 52 zwischen je zwei benachbarten zweiten
Quantentopfschichten 4 haben bei der in 4B dargestellten
Variante des dritten Ausführungsbeispiels eine Schichtdicke
d2 von etwa 2 nm, die zweiten Quantentopfschichten 4 sind jeweils
etwa 1 nm dick.
-
Mittels
der zweiten Quantentopfschichten 4, die bei dem dritten
Ausführungsbeispiel und der Variante des dritten Ausführungsbeispiels
nicht zur Strahlungserzeugung vorgesehen sind und den ersten, zur
Strahlungsemission vorgesehenen Quantentopfschichten 3 vorausgehen,
wird eine besonders hohe Kristallqualität der aktiven Zone 120 erzielt.
Insbesondere ist die Kristallqualität der aktiven Zone
im Bereich der ersten Quantentopfschichten 3 besonders
hoch, so dass die Gefahr einer nicht strahlenden Rekombination von
Ladungsträgern im Bereich der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen
ersten Quantentopfschichten 3 verringert ist. Eine Übergitterstruktur
aus zweiten Quantentopfschichten 4, wie in der Variante
des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 4B gezeigt,
ist hierzu besonders gut geeignet.
-
Auch
bei dem in 5 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel
geht eine Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 den – vorliegend zwei – ersten
Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung voraus.
-
Im
Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen haben
jedoch nicht alle zweiten Quantentopfschichten die gleiche Schichtdicke.
Vielmehr nimmt die Schichtdicke im Verlauf von den ersten Quantentopfschichten 3 weg
von Schicht zu Schicht ab. Mit anderen Worten hat die den ersten Quantentopfschichten 3 direkt
benachbarte zweite Quantentopfschicht 41 die größte
Schichtdicke, die von den ersten Quantentopfschichten 3 am
weitesten entfernte zweite Quantentopfschicht 43 hat die
geringste Schichtdicke und die zwischen diesen beiden zweiten Quantentopfschichten 41, 43 angeordnete mittlere
zweite Quantentopfschicht 42 hat eine Schichtdicke, deren
Wert zwischen den Schichtdicken der beiden anderen zweiten Quantentopfschichten 41, 43 liegt.
-
Dabei
haben vorliegend die beiden zweiten Quantentopfschichten 41, 42 die
den ersten Quantentopfschichten 3 zugewandt sind, eine
Schichtdicke, die größer oder gleich der Schichtdicke
der ersten Quantentopfschichten 3 ist und sie weisen einen Anteil
c der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone
auf, der geringer ist als derjenige der ersten Quantentopfschichten 3.
Die von den ersten Quantentopfschichten 3 am weitesten
entfernte zweite Quantentopfschicht 43 hat bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel zum einen eine geringere Schichtdicke
als die ersten Quantentopfschichten 43. Zum anderen ist
auch der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials,
beispielsweise die Indiumkonzentration, geringer als derjenige der
ersten Quantentopfschichten 3.
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Beispielsweise
enthalten bei diesem oder einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
alle zweiten Quantentopfschichten 4, 41, 42, 43 die
erste Komponente des Halbleitermaterials in der gleichen Konzentration
c.
-
Das
in 6A dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel
weist zusätzlich zu den drei zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43,
die den ersten Quantentopfschichten 3 analog zum vierten
Ausführungsbeispiel vorausgehen, drei weitere zweite Quanten topfschichten 41, 42, 43 auf,
die den ersten Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung
nachfolgen.
-
Die
aktive Zone 120 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel
weist also eine Symmetrieebene 6 auf. Die ersten Quantentopfschichten 3 und
die zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 der
aktiven Zone 120 sind jeweils spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieebene 6 angeordnet.
-
Die
in 6B gezeigte Variante des fünften Ausführungsbeispiels
unterscheidet sich von letzterem darin, dass anstelle der Schichtdicken
der zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 der
in den zweiten Quantentopfschichten enthaltene Indiumanteil c variiert
ist. Die in 6B gezeigten zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 haben
vorliegend alle die gleiche Schichtdicke, die bei dieser Variante
des fünften Ausführungsbeispiels auch mit der
Schichtdicke der ersten Quantentopfschichten 3 übereinstimmt. Die
Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials nimmt
von Schicht zu Schicht im Verlauf von den ersten Quantentopfschichten 3 weg ab.
-
In 6C ist
eine weitere Variante des fünften Ausführungsbeispiels
gezeigt. Bei dieser zweiten Variante des fünften Ausführungsbeispiels
ist das Indiumkonzentrationsprofil der zweiten Quantentopfschichten 41', 42', 43',
welche den ersten Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung
nachfolgen, im Unterschied zu der in 6B gezeigten
Variante des fünften Ausführungsbeispiels nicht
im wesentlichen rechtecksförmig, sondern es hat – wie
zweite Quantentopfschicht 4 der Variante gemäß 2B des
ersten Ausführungsbeispiels – ein trapezförmiges
Profil.
-
Auf
diese Weise ist die Injektion von Löchern in die zur Strahlungsemission
vorgesehenen ersten Quantentopfschichten 3 von der p-Seite
des Halbleiterchips her durch die den ersten Quantentopfschichten 3 in
Wachstumsrichtung nachfolgenden zweiten Quantentopfschichten 41', 42' und 43' hindurch
besonders effizient.
-
Bei
dem in 7 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel
ist, wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel,
die aktive Zone 120 ebenfalls symmetrisch zu einer Symmetrieebene 6.
Vorliegend verläuft die Symmetrieebene 6 durch
eine erste Quantentopfschicht 3. Insbesondere hat die aktive
Zone 120 bei dem sechsten Ausführungsbeispiel
also eine ungerade Anzahl von aktiven, d. h. zur Strahlungserzeugung
vorgesehenen, ersten Quantentopfschichten 3. Vorliegend
enthält sie genau eine erste Quantentopfschicht 3,
die zur Strahlungserzeugung vorgesehen ist.
-
Das
Halbleitermaterial der ersten Quantentopfschicht 3 enthält
einen Anteil c einer ersten Komponente des Halbleitermaterials der
aktiven Zone 120 – vorliegend Indium – der
etwa doppelt so groß ist wie derjenige des Halbleitermaterials
der zweiten Quantentopfschichten 4.
-
Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass – im Unterschied zu
den übrigen Konzentrationsprofilen der 2A bis 11B – bei dem Konzentrationsprofil der 7 die
Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials im
Diagramm von unten nach oben zunimmt.
-
Jeweils
zwei zweite Quantentopfschichten 4 gehen der ersten Quantentopfschicht 3 in
Wachstumsrichtung voraus und folgen ihr in Wachstumsrichtung nach.
Alle Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Quantentopfschichten 3, 4 sind
vorliegend gleich groß.
-
In 7 ist
auch der Betrag A0 der Feldstärke 7 der
von der ersten Quantentopfschicht 3 emittierten Strahlung
innerhalb der aktiven Zone 120 schematisch dargestellt.
Mittels der zur Symmetrieebene 6 symmetrisch angeordneten
zweiten Quantentopfschichten 4 wird ein besonders hoher Überlapp zwischen
der ersten Quantentopfschicht 3 und der Feldstärke 7 der
in der aktiven Zone 120 verlaufenden elektromagnetischen
Strahlung erzielt, wodurch die Erzeugung von Laserstrahlung durch
den Halbleiterchip besonders effizient erfolgt.
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8A zeigt
ein Indiumkonzentrationsprofil für einen Halbleiterlaserchip
gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
ist bei dem siebten Ausführungsbeispiel eine zweite Quantentopfschicht 4 zwischen
zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet.
-
Vorliegend
handelt es sich um eine zweite Quantentopfschicht, die die gleiche
Schichtdicke hat wie die zwei ersten Quantentopfschichten 3 und
die eine geringere Indiumkonzentration c aufweist als diese. Alternativ
kann es sich auch um eine zweite Quantentopfschicht 4 handeln,
die eine geringere Schichtdicke und eine größere
Indiumkonzentration c als die ersten Quantentopfschichten 3 aufweist.
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Die
zweite Quantentopfschicht 4 ist bei dem siebten Ausführungsbeispiel
mittig zwischen den zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet,
so dass die aktive Zone 120 spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieebene 6 ist.
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Bei
einer Variante des siebten Ausführungsbeispiels gemäß 8B ist
statt einer einzelnen zweiten Quantentopfschicht 4 eine
Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten 4 – vorliegend
vier zweite Quantentopfschichten 4 – mittig zwischen zwei
ersten Quantentopfschichten 3 und symmetrisch zu der Spiegelebene 6 angeordnet.
Insbesondere handelt es sich um ein Übergitter zweiter
Quantentopfschichten 4 geringer Schichtdicke mit einer hohen
Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials der
aktiven Zone.
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Die
zwischen den zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnete
mindestens eine zweite Quantentopfschicht 4 dient beispielsweise
als Ladungsträgerreservoir für mindestens eine
der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten Quantentopfschichten 3.
So wird eine besonders gleichmäßige Ladungsträgerverteilung
auf die einzelnen ersten Quantentopfschichten 3 erzielt.
Alternativ oder zusätzlich koppelt die zwischen zwei ersten
Quantentopfschichten 3 angeordnete mindestens eine zweite
Quantentopfschicht 4 insbesondere mit Vorteil die beiden
ersten Quantentopfschichten 3. Beispielsweise stellt sie
Minibänder zum Tunnel von Ladungsträgern zwischen
den zwei ersten Quantentopfschichten 3 zur Verfügung.
Auf diese Weise werden die zwei ersten Quantentopfschichten 3 besonders gleichmäßig
elektrisch gepumpt.
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In 9 ist
das Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials
der aktiven Zone 120 gemäß einem achten
Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Wie beim siebten
Ausführungsbeispiel ist eine zweite Quantentopfschicht 4 zwischen
zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet.
-
Es
handelt sich vorliegend um eine zweite Quantentopfschicht 4 mit
einer geringen Schichtdicke von beispielsweise kleiner oder gleich
2 nm, vorzugsweise von kleiner oder gleich 1 nm. Die Schichtdicke
der zweiten Quantentopfschichten 4 ist vorliegend kleiner
als ein Fünftel der Schichtdicke der ersten Quantentopfschichten 3.
Der Anteil c der ersten Komponente im Halbleitermaterial der zweiten
Quantentopfschichten 4 ist beispielsweise 1,2 bis 2 mal
so groß ist wie der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials
der ersten Quantentopfschichten 3.
-
Im
Gegensatz zum siebten Ausführungsbeispiel ist die zweite
Quantentopfschicht 4 vorliegend nicht mittig zwischen zwei
ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet. Vielmehr hat
sie einen relativ geringen Abstand von der in Wachstumsrichtung
nachfolgenden ersten Quantentopfschicht 3, während
der Abstand zur in Wachstumsrichtung vorausgehenden ersten Quantentopfschicht 3 größer
ist.
-
Der
Abstand d1 zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 ist
bei dem achten Ausführungsbeispiel beispielsweise mindestens
doppelt so groß, bevorzugt, mindestens vier mal so groß,
besonders bevorzugt mindestens fünf mal so groß wie
die Schichtdicke der zwischen den beiden ersten Quantentopfschichten 3 angeordneten
zweiten Quantentopfschicht 4 und/oder wie der Abstand der
zweiten Quantentopfschicht 4 zu der in Wachstumsrichtung nachfolgenden
ersten Quantentopfschicht 3. Vorliegend ist der Abstand
einer zweiten Quantentopfschicht 4 zur vorausgehenden ersten
Quantentopfschicht 3 etwa vier bis fünf mal so
groß wie der Abstand zur nachfolgenden ersten Quantentopfschicht 3.
Beispielsweise hat letzterer einen Wert zwischen etwa 1 nm und etwa
2 nm, und der Abstand zur in Wachstumsrichtung vorausgehenden ersten
Quan tentopfschicht zu der zweiten Quantentopfschicht hat einen Wert
zwischen etwa 4 nm und etwa 6 nm. Die Grenzen sind hierbei jeweils
eingeschlossen.
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Mittels
der zweiten Quantentopfschicht 4 sind beispielsweise energetische
Barrieren der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten Quantentopfschichten 3,
wie sie exemplarisch in 2A für
eine erste Quantentopfschicht 3 gestrichelt eingezeichnet
sind, mit Vorteil reduziert.
-
Bei
dem in 10 schematisch dargestellten
neunten Ausführungsbeispiel ist eine zweite Quantentopfschicht 4 innerhalb
einer ersten Quantentopfschicht 3 angeordnet. Mit anderen
Worten grenzt die zweite Quantentopfschicht 4 an einen
ersten Teilbereich 31 der ersten Quantentopfschicht 3 an,
der ihr in Wachstumsrichtung der aktiven Zone 120 vorausgeht.
Zudem grenzt sie an einen zweiten Teilbereich 32 der ersten
Quantentopfschicht 3, der ihr in Wachstumsrichtung nachfolgt.
Insbesondere sind die erste und die zweite Quantentopfschicht 3, 4 nicht
durch eine Barriereschicht 52 getrennt.
-
Der
Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials ist in dem
ersten und dem zweiten Teilbereich 31, 32 der
ersten Quantentopfschicht 3 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
um einen Faktor 1,2 bis 2 größer als der Anteil
c der ersten Komponente des Halbleitermaterials in der zweiten Quantentopfschicht 4.
Die Schichtdicke der zweiten Quantentopfschicht 4 ist bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel – im Gegensatz
zu den übrigen Ausführungsbeispielen mit zweiten
Quantentopfschichten, die einen hohen Anteil c der ersten Komponente enthalten – die
Schichtdicke nicht größer oder gleich der Schichtdicke
der ersten Quantentopfschicht 3. Stattdessen ist die Schichtdicke
der zweiten Quantentopf schicht 4 vorliegend geringer als
die Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht 3. Beispielsweise
beträgt sie höchstens ein Drittel, vorzugsweise höchstens
ein Fünftel der Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht 3.
-
Mittels
der innerhalb der ersten Quantentopfschicht 3 angeordneten
zweiten Quantentopfschicht 4 wird eine besonders hohe Kristallqualität,
und damit eine besonders hohe Effizienz der Strahlungserzeugung
in der ersten Quantentopfschicht 3 erzielt. Der erste Teilbereich 31 und
der zweite Teilbereich 32 der ersten Quantentopfschicht 3 sind
vorteilhafterweise mittels der zweiten Quantentopfschicht 4 gekoppelt. Vorteilhafterweise
wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine erste Quantentopfschicht 3 erzielt,
die eine besonders hohe Schichtdicke hat und auf diese Weise zur
Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einem großen
Strahlungsfluss geeignet ist.
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In 11A ist schematisch das Konzentrationsprofil der
ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone 120 gemäß einem
zehnten Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel
ist – wie beim neunten Ausführungsbeispiel – jeweils
eine zweite Quantentopfschicht 4 innerhalb einer ersten
Quantentopfschicht 3 angeordnet.
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Im
Gegensatz zum neunten Ausführungsbeispiel ist jedoch bei
dem zehnten Ausführungsbeispiel die zweite Quantentopfschicht 4 zur
Strahlungserzeugung vorgesehen, während die erste Quantentopfschicht 3 nicht
zur Strahlungserzeugung vorgesehen ist und stattdessen vorteilhafterweise
zum Sammeln von Ladungsträgern für die zweite
Quantentopfschicht 4 dient. So wird insbesondere ein Halbleiterlaserchip
auf Basis von InAlGaN erzielt, der Laserstrahlung mit einer besonders
geringen Wel lenlänge emittiert. Beispielsweise hat der
Halbleiterlaserchip ein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge
von größer oder gleich 470 nm, insbesondere im langwelligen
blauen Spektralbereich oder im grünen Spektralbereich.
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Bei
diesem und dem vorausgehenden, neunten Ausführungsbeispiel
sind die ersten und zweiten Quantentopfschichten 3, 4 der
aktiven Zone 120 spiegelsymmetrisch zur Symmetrieebene 6 angeordnet.
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In 11B ist eine Weiterbildung des zehnten Ausführungsbeispiels
schematisch dargestellt. Bei der Weiterbildung haben die ersten
Quantentopfschichten 3 im Querschnitt ein V-förmiges
Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials.
Auf diese Weise wird ein besonders guter Ladungsträgereinfang
erzielt.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der exemplarischen
Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr
umfasst sie jedes neue Merkmal sowie jede neue Kombination von Merkmalen,
insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen,
auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination in den Ausführungsbeispielen
oder Patentansprüchen nicht explizit angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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