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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Bauelement mit einer Mehrfachquantentopfstruktur.
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Bei optoelektronischen Bauelementen, die auf Halbleitermaterialien basieren und eine aktive Zone mit einer Mehrfachquantentopfstruktur aufweisen, zeigt sich das Problem, dass Ladungsträger in der aktiven Zone nicht homogen über die Mehrfachquantentopfstruktur verteilt sind, wodurch Effizienzverluste solcher optoelektronischer Bauelemente auftreten.
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Eine Aufgabe ist es, ein Bauelement mit einer hohen Effizienz anzugeben.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Bauelements weist dieses eine aktive Zone auf, die eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehene Mehrfachquantentopfstruktur enthält. Die aktive Zone ist insbesondere ein Teilbereich einer insbesondere epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge des Bauelements. Zum Beispiel ist die aktive Zone zwischen einer ersten, etwa pleitenden Halbleiterschicht, und einer zweiten, etwa nleitenden Halbleiterschicht, angeordnet. Bei dem Bauelement kann es sich um einen Leuchtdiodenchip oder um einen Laserdiodenchip handeln. Beispielweise basiert die aktive Zone auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
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Die Mehrfachquantentopfstruktur kann eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Quantentopfschichten und Barriereschichten aufweisen. Insbesondere folgen in der aktiven Zone jeweils eine Quantentopfschicht und eine Barriereschicht aufeinander.
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Als Barriereschichten werden Schichten der Mehrfachquantentopfstruktur verstanden, die jeweils zwischen zwei Quantentopfschichten der Mehrfachquantentopfstruktur angeordnet sind und etwa an diese ihr zugeordneten Quantentopfschichten angrenzen. Das heißt, eine Barriereschicht ist insbesondere immer zwischen zwei ihr zugeordneten Quantentopfschichten angeordnet. Die randseitigen Schichten der Mehrfachquantentopfstruktur, die etwa an die erste oder zweite Halbleiterschicht angrenzen, sind Abschlussbarrieren der Mehrfachquantentopfstruktur und sind nicht als Barriereschichten zu verstehen. Eine randseitige Quantentopfschicht kann daher zwischen einer Barriereschicht und einer Abschlussbarriere angeordnet sein.
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Die Begriffe Mehrfachquantentopfstruktur und Quantentopfschicht entfalten im vorliegenden Zusammenhang keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Bei dem von einer Quantentopfschicht und den beiden ihr zugeordneten Barriereschichten definierten Quantentopf kann es sich um einen Quantenfilm, um mindestens einen Quantendraht, einen Quantentrog oder um mindestens einen Quantenpunkt oder um eine Kombination von dieser Strukturen handeln. Unter einer Barriereschicht wird insbesondere eine an eine Quantentopfschicht angrenzende Halbleiterschicht der aktiven Zone verstanden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist die aktive Zone eine zur ersten Halbleiterschicht geöffnete Vertiefung auf. Die Vertiefung ist somit in der Halbleiterschichtenfolge gebildet. Die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten können dabei die Form der Vertiefung zumindest bereichsweise nachbilden. Das heißt, die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten können zumindest bereichsweise konform zu Flanken der Vertiefung verlaufen. Das Bauelement kann eine Mehrzahl von solchen Vertiefungen aufweisen. Die Vertiefung kann dabei eine vertikale Tiefe aufweisen, die insbesondere größer, etwa mindestens zweimal, beispielsweise dreimal oder fünfmal so groß wie die vertikale Schichtdicke einer p-seitigen Barriereschicht ist. Die erste, insbesondere p-leitende Halbleiterschicht kann sich in die Vertiefung hineinerstrecken, wodurch die positiv geladenen Ladungsträger, nämlich die Löcher, etwa über Flanken der Vertiefung vereinfacht und effektiv in verschiedene Quantentopfschichten injiziert werden können. Die Vertiefung kann dabei so tief ausgebildet sein, dass alle Quantentopfschichten und Barriereschichten auf der p-Seite der aktiven Zone zumindest bereichsweise konform zu den Flanken der Vertiefung oder Vertiefungen verlaufen. Bevorzugt verlaufen die n-seitigen Barriereschichten ebenfalls zumindest bereichsweise konform zu den Flanken der Vertiefung beziehungsweise der Vertiefungen.
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Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsfläche der aktiven Zone gerichtet ist. Insbesondere ist die vertikale Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge des Bauelements. Unter einer lateralen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsfläche der aktiven Zone verläuft.
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Aufgrund der Vertiefung beziehungsweise der Vertiefungen können Ladungsträger aus der ersten Halbleiterschicht, beispielsweise die vergleichsweise schwer beweglichen positiven Ladungsträger (Löcher) innerhalb der Vertiefung etwa an schräg ausgebildeten Flanken der Vertiefung in verschiedene Quantentopfschichten effektiv injiziert werden, wodurch ein Nichtgleichgewicht in den Quantentopfschichten zwischen den vergleichsweise schlecht beweglichen Löchern und besser beweglichen, etwa aus der zweiten Halbleiterschicht in die Quantentopfschichten injizierten, negativ geladenen Ladungsträgern (Elektronen) reduziert wird. Mit anderen Worten können die ferner von der ersten Halbleiterschicht gelegenen Quantentopfschichten aufgrund der Vertiefung beziehungsweise Vertiefungen besser bestromt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausgestaltung der Halbleiterschichtenfolge sind die Barriereschichten n-seitigen Barriereschichten und p-seitigen Barriereschichten zugeordnet, wobei die p-seitigen Barriereschichten zwischen den n-seitigen Barriereschichten und der p-leitenden Halbleiterschicht und somit auf einer p-Seite der aktiven Zone angeordnet sind. Dementsprechend sind die n-seitigen Barriereschichten zwischen den p-seitigen Barriereschichten und der n-leitenden Halbleiterschicht und somit auf einer n-Seite der aktiven Zone angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausgestaltung der aktiven Zone sind zwischen einschließlich ein Zehntel bis ein Drittel oder bis die Hälfte der gesamten Barriereschichten auf der n-Seite oder auf der p-Seite der aktiven Zone angeordnet. Beispielsweise sind mindestens ein Drittel bis die Hälfte oder bis zwei Drittel der gesamten Barriereschichten den p-seitigen Barriereschichten zugeordnet, wobei die restlichen Barriereschichten zwischen den p-seitigen Barriereschichten und der n-leitenden Halbleiterschicht angeordnet und somit n-seitige Barriereschichten sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weisen die n-seitigen Barriereschichten eine mittlere Schichtdicke auf, die größer ist als eine mittlere Schichtdicke der p-seitigen Barriereschichten. Das heißt, die vertikalen Schichtdicken der p-seitigen Barriereschichten insbesondere außerhalb der Vertiefung beziehungsweise außerhalb der Vertiefungen sind im Schnitt kleiner als die vertikalen Schichtdicken der n-seitigen Barriereschichten. Aufgrund der geringeren Schichtdicken der p-seitigen Barriereschichten wird die Injektion der schwer beweglichen Löcher in die Quantentopfschichten begünstigt, wodurch die Homogenität der Stromverteilung innerhalb der aktiven Zone verbessert wird. Beispielsweise ist die mittlere Schichtdicke der n-seitigen Barriereschichten mindestens das 1,2-Fache, etwa mindestens das 1,5-Fache, insbesondere mindestens das 2- oder 5-Fache der mittleren Schichtdicke der p-seitigen Barriereschichten. Die mittlere Schichtdicke der n-seitigen Barriereschichten kann dabei höchstens zehnmal größer als die mittlere Schichtdicke der p-seitigen Barriereschichten sein.
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In mindestens einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge enthält eine p-leitende Halbleiterschicht, eine n-leitende Halbleiterschicht und eine zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht und der n-leitenden Halbleiterschicht angeordnete aktive Zone. Die aktive Zone weist dabei eine Mehrfachquantentopfstruktur auf, die von der p-leitenden Halbleiterschicht zur n-leitenden Halbleiterschicht hin zumindest eine p-seitige Barriereschicht oder eine Mehrzahl von p-seitigen Barriereschichten insbesondere mit dazwischenliegenden Quantentopfschichten und eine Mehrzahl von n-seitigen Barriereschichten insbesondere mit dazwischenliegenden Quantenschichten auf. In der Halbleiterschichtenfolge seitens der p-leitenden Halbleiterschicht sind Vertiefungen gebildet, die Flanken aufweisen, wobei die Quantentopfschichten und/oder die n- sowie p-seitigen Barriereschichten zumindest bereichsweise konform zu den Flanken der Vertiefungen verlaufen. Die n-seitigen Barriereschichten weisen eine größere mittlere Schichtdicke auf als die p-seitigen Barriereschichten.
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Durch eine solche Ausgestaltung der Halbleiterschichtenfolge wird eine gleichmäßige Verteilung der Ladungsträger über die Quantentopfschichten aufgrund einer Kombination von zwei verschiedenen Injektionsmechanismen erzielt, nämlich die Injektion der Ladungsträger über die Barriereschichten zwischen den Quantentopfschichten (Barriereninjektion) und die Injektion der Ladungsträger über die Vertiefung (V-Pit-Injektion) insbesondere in die von der p-leitenden Halbleiterschicht weiter entfernten Quantentopfschichten, etwa in die zwischen den n-seitigen Barriereschichten angeordneten Quantentopfschichten. Insbesondere wird die Injektion von Löchern in die Quantentopfschichten bei den beiden genannten Mechanismen aufgrund der Vertiefung in der aktiven Zone sowie aufgrund der vergleichsweise dünneren p-seitigen Barriereschichten begünstigt. Insgesamt wird die Effizienz des Bauelements durch die Ausgestaltung der aktiven Zone mit zumindest einer oder mit einer Mehrzahl von Vertiefungen beziehungsweise mit unterschiedlich dicken Barriereschichten erhöht. Die vergleichsweise dickeren n-seitigen Barriereschichten tragen außerdem zur Erzielung hoher Materialqualität sowie zu einer hohen Stabilität der Halbleiterschichtenfolge insbesondere während deren Herstellung bei.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die Halbleiterschichtenfolge derart ausgelegt, dass die Flanken der Vertiefungen schräg ausgebildet sind und die p-seitigen Barriereschichten kleinere Schichtdicken als die n-seitigen Barriereschichten aufweisen, wodurch im Betrieb des Bauelements Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht sowohl durch die entlang den Flanken verlaufenden Barriereschichten hindurch als auch durch die außerhalb der Vertiefungen liegenden Barriereschichten hindurch in verschiedene Quantentopfschichten injiziert sind. Das heißt, im Betrieb des Bauelements können die positiv geladenen Ladungsträger mittels einer Kombination aus Barriereninjektion außerhalb der Vertiefungen und V-Pit-Injektion innerhalb der Vertiefungen in verschiedene Quantentopfschichten injiziert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Halbleiterschichtenfolge erstrecken sich die Vertiefungen in die aktive Zone beispielsweise mindestens bis zu einer vertikalen Höhe der n-seitigen Barriereschichten oder in die n-seitigen Barriereschichten hinein, so dass die Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht über die schräg ausgebildeten Flanken der Vertiefungen überwiegend, das heißt mehr als 50 %, beispielsweise mehr als 70 % oder mehr als 80 % der gesamten Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht, in die zwischen den n-seitigen Barriereschichten angeordneten Quantentopfschichten injiziert sind. Die Flanken der Vertiefungen können dabei mit einer vertikal gerichteten Achse beispielsweise parallel zu der Wachstumsrichtung einen spitzen Winkel zwischen einschließlich 15° und 80°, etwa zwischen einschließlich 20° und 60° bilden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weisen die p-seitigen Barriereschichten jeweils eine Schichtdicke zwischen einschließlich 2 nm und 15 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 3 nm und 10 nm, etwa zwischen einschließlich 3 nm und 7 nm auf. Die n-seitigen Barriereschichten können dabei jeweils eine Schichtdicke zwischen einschließlich 5 nm und 50 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 5 nm und 30 nm, etwa zwischen 10 nm und 30 nm aufweisen. Vorzugsweise weisen die p-seitigen Barriereschichten jeweils eine Schichtdicke zwischen einschließlich 3 nm und 7 nm und die n-seitigen Barriereschichten jeweils eine größere Schichtdicke zwischen einschließlich 4,5 nm und 30 nm auf, da insbesondere bei dieser Auswahl von Schichtdicken eine hochwertige Materialqualität der Halbleiterschichtenfolge und eine besonders homogene Verteilung der Ladungsträger in der aktiven Zone gleichzeitig erzielt werden können.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist zumindest eine der n-seitigen Barriereschichten eine Schichtdicke auf, die größer ist als eine Schichtdicke der jeweiligen Barriereschichten, die zwischen dieser n-seitigen Barriereschicht und der p-leitenden Halbleiterschicht angeordnet sind. Auch können alle n-seitigen Barriereschichten jeweils eine Schichtdicke aufweisen, die größer ist als eine Schichtdicke der jeweiligen p-seitigen Barriereschichten. Die n-seitigen Barriereschichten können im Rahmen der Herstellungstoleranzen eine gleiche Schichtdicke aufweisen. Auch die p-seitigen Barriereschichten können im Rahmen der Herstellungstoleranzen eine gleiche Schichtdicke aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist die aktive Zone mindestens drei n-seitige Barriereschichten und mindestens eine p-seitige Barriereschicht auf. Die Anzahl der p-seitigen Barriereschicht kann dabei mindestens drei betragen. Die Anzahl der Quantentopfschichten kann dabei zwischen einschließlich fünf und 20, etwa zwischen einschließlich 6 und 15 sein. Beispielsweise ist eine Anzahl der Quantentopfschichten auf der p-Seite der aktiven Zone geringer als eine Anzahl der Quantentopfschichten auf der n-Seite der aktiven Zone.
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Gemäß zumindest einer Ausgestaltung des Bauelements weisen die Barriereschichten von der p-leitenden Halbleiterschicht zur n-leitenden Halbleiterschicht zumindest bereichsweise monoton zunehmende Schichtdicken auf. Mit anderen Worten weist die aktive Zone von der p-Seite zur n-Seite zumindest bereichsweise hinsichtlich der Schichtdicken einen Gradienten mit größer werdender Schichtdicke der Barriereschichten auf. Beispielsweise kann die aktive Zone über die gesamte Mehrfachquantentopfstruktur einen solchen Gradienten hinsichtlich der Schichtdicke der Barriereschichten aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die Vertiefung in Schnittansicht V-förmig ausgebildet. Von der p-Seite zur n-Seite der aktiven Zone weist die Vertiefung somit einen kleiner werdenden Querschnitt auf. Insbesondere weist die Vertiefung die Form einer inversen Pyramide, beispielsweise mit sechs oder zwölf Flanken, einer inversen Stumpfpyramide, eines inversen Kegels oder Stumpfkegels auf.
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Insbesondere kann die Vertiefung durch einen V-Defekt (englisch: V-Pit) gebildet sein. Ein solcher V-Defekt kann in einer Halbleiterschicht, etwa in einer Galliumnitrid- oder Indiumgalliumnitrid-Schicht durch Einstellen der Wachstumsparameter erzeugt werden. Die Größe des V-Defekts hängt dann von der Schichtdicke der Halbleiterschicht ab, in der er erzeugt ist. Insbesondere bilden sich die V-Defekte im Bereich von Fadenversetzungen in der Halbleiterschicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements bildet eine Mehrzahl von Quantentopfschichten die Form der Vertiefungen nach. Mit anderen Worten können die Quantentopfschichten zumindest bereichsweise konform zu Flanken der Vertiefungen verlaufen. In Bereichen der Vertiefungen können diese Quantentopfschichten jeweils durchgehend ausgebildet oder unterbrochen sein. Vorzugsweise weisen die Vertiefungen jeweils schräg ausgebildete Flanken auf, über die die Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht in verschiedene insbesondere zwischen den n-seitigen Barriereschichten angeordneten Quantentopfschichten injiziert werden können. Vorzugsweise bilden alle Quantentopfschichten und/oder alle Barriereschichten auf der p-Seite der aktiven Zone die Form der Vertiefung nach, wodurch die positiv geladenen Ladungsträger über die Flanken der Vertiefung in die Quantentopfschichten auf der n-Seite effizient injiziert werden können.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weisen die Quantentopfschichten entlang einer lateralen Richtung unterschiedliche Schichtdicken auf. Insbesondere weisen die Quantentopfschichten im Vergleich zu Bereichen außerhalb der Vertiefungen verringerte Schichtdicken in Bereichen innerhalb der Vertiefungen auf. Die Barriereschichten können in Bereichen innerhalb der Vertiefungen ebenfalls verringerte Schichtdicken aufweisen. Aufgrund der verringerten Schichtdicken in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen können die Ladungsträger, beispielsweise die Löcher, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit in unterschiedliche, insbesondere auf der n-Seite befindliche Quantentopfschichten injiziert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die aktive Zone auf einem Verbindungshalbleitermaterial, etwa Galliumnitrid, basiert. Beispielsweise sind die Barriereschichten GaN-Schichten und die Quantentopfschichten InGaN-Schichten. Es ist auch möglich, dass die Barriereschichten Indium aufweisen, wobei ein Indium-Gehalt der Barriereschichten vorzugsweise kleiner als ein Indium-Gehalt der Quantentopfschichten ist. Entlang der lateralen Richtung können die Quantentopfschichten ein veränderndes Indium-Profil aufweisen. Zum Beispiel weisen die Quantentopfschichten im Vergleich zu den Bereichen außerhalb der Vertiefung einen geringeren Indium-Gehalt in den Bereichen innerhalb der Vertiefung auf. Die Barriereschichten können Aluminium aufweisen, wobei der Aluminium-Gehalt in den verschiedenen Barriereschichten voneinander verschieden sein kann. Es ist auch möglich, dass das Aluminium-Profil innerhalb einer Barriereschicht entlang einer vertikalen oder lateralen Richtung variieren. Insbesondere ist die aktive Zone so ausgelegt, dass eine Injektion von Löchern von der p-Seite der aktiven Zone in die Quantentopfschichten durch Variation des Indium-Gehalts und/oder der Aluminium-Gehalts innerhalb einer Barriereschicht und/oder in verschiedenen Barriereschichten begünstigt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements sind die Quantentopfschichten den Barriereschichten angepasst, indem die Quantentopfschichten, welche an unterschiedlich dicke Barriereschichten angrenzen, verschiedene Materialzusammensetzung, Schichtdicken, Indium-Gehalte und/oder verschiedene Dotierprofile aufweisen. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Ladungsträger, insbesondere der Löcher, über die Quantentopfschichten können die n-seitigen Barriereschichten und/oder die p-seitigen Barriereschichten hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung, Schichtdicken oder Dotierprofile ebenfalls unterschiedlich gestaltet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist die Halbleiterschichtenfolge eine Übergitterstruktur auf. Die Übergitterstruktur ist zwischen der aktiven Zone und der n-leitenden oder p-leitenden Halbleiterschicht angeordnet und grenzt bevorzugt an die aktive Zone an. Die Übergitterstruktur kann eine Mehrzahl von Paaren alternierender Halbleiterdünnfilmschichten aufweisen. Beispielsweise sind die Halbleiterdünnfilmschichten InGaN-Schichten und GaN-Schichten. Die Dünnfilmhalbleiterschichten sind somit außerhalb der aktiven Zone angeordnet, wobei sie jeweils eine geringere Schichtdicke als die Barriereschichten der aktiven Zone aufweisen können. Die Halbleiterdünnfilmschichten können dabei n-leitend oder p-leiten dotiert sein. Mittels der Übergitterstruktur wird eine besonders geringe Vorwärtsspannung des Bauelements erzielt, wodurch eine gute Ladungsträgerinjektion in die aktive Zone erzielt werden kann.
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Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements ergeben sich aus den im
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Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Halbleiterschichtenfolge eines bekannten Bauelements,
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Bauelement,
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3 und 4 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen für eine aktive Zone eines Bauelements, und
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5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein Bauelement.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
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In der 1 ist ein bekanntes Bauelement aus dem Stand der Technik dargestellt. Dieses Bauelement weist eine erste Halbleiterschicht 1, eine zweite Halbleiterschicht 2 und eine zwischen der ersten Halbleiterschicht 1 und der zweiten Halbleiterschicht 2 angeordnete aktive Zone 3 mit einer Mehrzahl von Barriereschichten 32 und Quantentopfschichten 31 auf. Die erste Halbleiterschicht 1 und die zweite Halbleiterschicht 2 sind p- beziehungsweise n-leitend ausgebildet. Ladungsträger, nämlich Löcher aus der ersten Halbleiterschicht 1 und Elektronen aus der zweiten Halbleiterschicht 2, werden in die aktive Zone 3 eingeprägt. Aufgrund unterschiedlicher Durchtrittswahrscheinlichkeit der Löcher und der Elektronen an den Barriereschichten sind die Ladungsträger in der aktiven Zone nicht gleichmäßig über die Quantentopfschichten verteilt, wodurch die Effizienz des Bauelements begrenzt ist. Während die Dichte der Elektronen Rn über die gesamte aktive Zone im Wesentlichen gleich bleibt, verringert sich die Dichte der Löcher Rp in der Regel mit wachsender Anzahl beziehungsweise Gesamtschichtdicke der Barriereschichten.
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In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Bauelement 10 schematisch dargestellt.
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Das Bauelement 10 weist einen Träger 6 auf, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Der Träger 6 kann ein Aufwachssubstrat sein, auf das die Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel epitaktisch aufgebracht ist. Die Halbleiterschichtenfolge weist eine aktive Zone 3 auf, die zwischen einer ersten, etwa p-leitenden Halbleiterschicht 1, und einer zweiten, etwa n-leitenden Halbleiterschicht 2, angeordnet ist. Insbesondere ist die aktive Zone 3 im Betrieb des Bauelements 10 zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet.
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Die aktive Zone 3 weist eine Mehrfachquantentopfstruktur mit aufeinanderfolgenden Quantentopfschichten 31 und Barriereschichten 32 auf. Die Barriereschichten 32 sind n-seitigen Barriereschichten 32n und p-seitigen Barriereschichten 32p zugeordnet. Die p-seitigen Barriereschichten 32p sind zwischen den n-seitigen Barriereschichten 32n und der p-leitenden Halbleiterschicht 1 und somit auf einer p-Seite der aktiven Zone 3 angeordnet. Dementsprechend sind die n-seitigen Barriereschichten 32n zwischen den p-seitigen Barriereschichten 32p und der n-leitenden Halbleiterschicht 2 und somit auf einer n-Seite der aktiven Zone 3 angeordnet. Beispielsweise sind etwa ein Zehntel oder ein Drittel oder die Hälfte der Barriereschichten 32 auf der n-Seite oder auf der p-Seite der aktiven Zone 3 angeordnet.
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In der 2 weist die Mehrfachquantentopfstruktur 3 randseitige Abschlussbarrieren 33 auf, nämlich eine p-seitige Abschlussbarriere 33p und eine n-seitige Abschlussbarriere 33n auf. Die Abschlussbarrieren 33p und 33n grenzen zum Beispiel an die p-leitende Halbleiterschicht 1 beziehungsweise an die n-leitende Halbleiterschicht 2. Insbesondere begrenzen die Abschlussbarrieren 33 die Mehrfachquantentopfstruktur 3 in der vertikalen Richtung.
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Die n-seitigen Barriereschichten 32n und die p-seitigen Barriereschichten 32p weisen dabei unterschiedliche Schichtdicken Dn und Dp auf. Vorzugsweise weisen die n-seitigen Barriereschichten eine größere mittlere Schichtdicke auf als die p-seitigen Barriereschichten. Durch die vergleichsweise dünneren Barriereschichten 32 auf der p-Seite der aktiven Zone 3 kann eine gute Barriereninjektion der Löcher zumindest in die auf der p-Seite befindlichen Quantentopfschichten 31 erzielt werden. Die Barriereschichten 32 und die Quantentopfschichten 31 können beispielsweise mittels eines Epitaxieverfahrens auf den Träger 6 aufgebracht sein, bei dem eine Wachstumsrichtung insbesondere von der n-Seite zur p-Seite gerichtet ist. Durch die vergleichsweise dickeren n-seitigen Barriereschichten kann eine hochwertige Materialqualität der Halbleiterschichtenfolge erzielt werden. Auch bei der Herstellung tragen die zuerst aufgebrachten dickeren Barriereschichten 32n somit zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Halbleiterschichtenfolge bei.
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Beispielsweise ist die mittlere Schichtdicke der n-seitigen Barriereschichten 32n mindestens um 20 %, etwa mindestens um 50 % oder mindestens doppelt oder dreimal so groß wie die mittlere Schichtdicke der p-seitigen Barriereschichten 32p. Insbesondere können alle n-seitigen Barriereschichten 32n jeweils eine Schichtdicke Dn aufweisen, die größer ist als eine vertikale Dicke Dp einer beliebigen p-seitigen Barriereschicht 32p.
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Die in der 2 dargestellten n-seitigen Barriereschichten 32n weisen eine im Wesentlichen gleiche vertikale Schichtdicke Dn auf. Die p-seitigen Barriereschichten 32p können dabei ebenfalls eine im Wesentlichen gleiche Schichtdicke Dp aufweisen. Abweichend davon können die Schichtdicken Dn und Dp der verschiedenen n-seitigen Barriereschichten 32n beziehungsweise der verschiedenen p-seitigen Barriereschichten 32p unterschiedlich groß sein. Die vertikale Schichtdicke Dp kann zwischen einschließlich 2 und 15 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 3 und 10 nm, etwa zwischen einschließlich 3 und 7 nm sein. Die vertikale Schichtdicke Dn ist vorzugsweise größer als die Schichtdicke Dp und kann zwischen einschließlich 5 nm und 50 nm, beispielsweise zwischen einschließlich 5 nm und 30 nm, etwa zwischen 10 nm und 30 nm sein. Die p-seitige Abschlussbarriere 33p kann dabei eine größere Schichtdicke aufweisen als die p-seitigen Barriereschichten 32p. Die n-seitige Abschlussbarriere 33n kann eine kleinere Schichtdicke aufweisen als die n-seitigen Barriereschichten 32n.
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Die aktive Zone 3 gemäß 2 weist zwei p-seitige Barriereschichten 32p und drei n-seitige Barriereschichten 32n auf. Abgesehen davon kann die aktive Zone 3 eine größere Anzahl von p-seitigen Barriereschichten 32p oder n-seitigen Barriereschichten 32n aufweisen. Beispielsweise weist die aktive Zone 3 mindestens zwei, etwa mindestens vier oder mindestens fünf Quantentopfschichten 31 auf der p-Seite und mindestens zwei, etwa mindestens fünf oder mindestens zehn Quantentopfschichten 31 auf der n-Seite auf. Die Quantentopfschichten 31 und die Barriereschichten 32 können auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, etwa auf Galliumnitrid basiert sein. Beispielsweise sind die Quantentopfschichten Indiumgalliumnitridschichten und die Barriereschichten Galliumnitridschichten. Die Quantentopfschichten 31 und die Barriereschichten 32 können dabei dotiert oder undotiert sein. Des Weiteren kann die aktive Zone 3 Indium oder Aluminium enthalten, wobei der Indium-Gehalt und der Aluminium-Gehalt in den Quantentopfschichten 31 und in den Barriereschichten 32 voneinander verschieden sein können.
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Abweichend von der 2 können die n-seitigen Barriereschichten 32n und/oder die p-seitigen Barriereschichten 32p hinsichtlich ihrer Schichtdicken unterschiedlich gestaltet sein. Die Barriereschichten 32 können außerdem bezüglich ihrer Materialzusammensetzung und/oder Dotierprofile voneinander verschieden sein. Insbesondere kann die aktive Zone 3 derart ausgelegt sein, dass die Quantentopfschichten 31, welche an Barriereschichten 32 mit unterschiedlichen Schichtdicken angrenzen, hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung, Schichtdicken oder Dotierprofil unterschiedlich gestaltet sind, so dass die Quantentopfschichten 31 den Barriereschichten 32 zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Ladungsträger angepasst sind. Es ist auch möglich, dass das Dotierprofil, der Indium-Gehalt und/oder der Aluminium-Gehalt innerhalb einer Barriereschicht variiert.
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3 zeigt einen weiteren Abschnitt der in der 2 dargestellten aktiven Zone 3. Die aktive Zone 3 weist auf der p-Seite eine Vertiefung 4 auf. In Schnittansicht ist die Vertiefung 4 V-förmig ausgebildet. Die V-Vertiefung 4 weist zu der p-leitenden Halbleiterschicht 1 insbesondere die Form einer inversen Pyramide mit beispielsweise sechs oder zwölf unterschiedlich orientierten Flanken auf. Von der p-Seite zur n-Seite weist die Vertiefung 4 einen kleiner werdenden Querschnitt auf, sodass die Flanken der Vertiefung 4 relativ zu der Haupterstreckungsfläche der aktiven Zone 3 schräg ausgebildet sind. Beispielsweise bilden die Flanken der Vertiefung mit einer senkrecht zu der Haupterstreckungsfläche gerichteten Achse einen spitzen Winkel zwischen einschließlich 20° und 80°, etwa zwischen einschließlich 30° und 60°. Über die schräg ausgebildeten Flanken der Vertiefung 4 können positiv geladene Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht 1, nämlich die Löcher, in verschiedene Quantentopfschichten 31 auf der n-Seite effektiv injiziert werden.
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Die Vertiefung 4 weist eine vertikale Tiefe T auf, die beispielsweise größer als die Schichtdicke Dp der p-seitigen Barriereschicht 32p, etwa mindestens zweimal, dreimal oder fünfmal so groß wie die Schichtdicke Dp der p-seitigen Barriereschicht 32p. Insbesondere kann die Tiefe T der Vertiefung 4 größer als die Summe aus allen Schichtdicken Dp der p-seitigen Barriereschichten 32p sein.
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In der 3 bilden die Quantentopfschichten 31 und die Barriereschichten 32 die Vertiefung 4 zumindest bereichsweise nach. Das heißt, die Quantentopfschichten 31 und die Barriereschichten 32 weisen bereichsweise ebenfalls die Form der Vertiefung 4 auf. Insbesondere bilden alle p-seitigen Barriereschichten 32p die Form der Vertiefung 4 nach. Auch können alle Barriereschichten 32 und/oder alle Quantentopfschichten 31 bereichsweise die Form der Vertiefung aufweisen.
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Mit der Vertiefung 4 und den unterschiedlichen Schichtdicken Dp sowie Dn der Barriereschichten 32 ist die aktive Zone 3 derart ausgelegt, dass eine Kombination von zwei verschiedenen Injektionsmechanismen dadurch erzielt wird, nämlich die Kombination von einer Barriereninjektion der Löcher insbesondere in alle Quantentopfschichten 31 und einer V-Pit-Injektion der Löcher insbesondere vorwiegend in die Quantentopfschichten 31 auf der n-Seite. Die Quantentopfschichten 31 auf der n-Seite, die beispielsweise an die vergleichsweise dickeren n-seitigen Barriereschichten 32n angrenzen, werden somit nicht nur über die Barriereninjektion, sondern auch über die V-Pit-Injektion bestromt, sodass eine besonders gleichmäßige Ladungsträgerverteilung, insbesondere hinsichtlich der Löcher, über die gesamte aktive Zone 3 erzielt wird. Die in der 3 dargestellten Pfeile deuten auf die Injektion der Löcher in die verschiedenen Quantentopfschichten 31 hin.
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Die aktive Zone 3 ist im Betrieb des Bauelements insbesondere zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen.
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Die über die p-leitende Halbleiterschicht 1 in die aktive Zone 3 geführten Löcher und die über die n-leitende Halbleiterschicht 2 in die aktive Zone 3 geführten Elektronen können in den Quantentopfschichten 31 unter Strahlungserzeugung rekombinieren. In der 3 sind die Quantentopfschichten 31 in den Bereichen der Vertiefung 4 durchgehend ausgebildet. Es ist daher auch möglich, dass elektromagnetische Strahlung in den Bereichen der Vertiefung 4 erzeugt wird.
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Abweichend von der 3 ist es auch möglich, die aktive Zone 3 derart zu gestalten, dass die Quantentopfschichten 3 in den Bereichen der Vertiefung 4 unterbrochen sind. Alternativ ist es auch möglich, die aktive Zone 3 durch unterschiedliche Ausgestaltung der Quantentopfschichten 31 und/oder der Barriereschichten 32 hinsichtlich der Materialzusammensetzung, Schichtdicken oder Dotierprofile in den Bereichen der Vertiefung derart auszulegen, dass eine Rekombination von Löchern und Elektronen in den Bereichen der Vertiefung 4 erschwert ist und die Löcher so über die Flanken der Vertiefung 4 effizient in verschiedene Quantentopfschichten 31 auf der n-Seite injiziert werden. Beispielsweise können die Quantentopfschichten 31 im Vergleich zu Bereichen außerhalb der Vertiefung 4 einen niedrigeren Indium-Gehalt und/oder verringerte Schichtdicke in den Bereichen innerhalb der Vertiefung 4 aufweisen. Im Vergleich zu den Bereichen außerhalb der Vertiefung können die Barriereschichten 32 in den Bereichen innerhalb der Vertiefung 4 ebenfalls verringerte Schichtdicke aufweisen.
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Das in der 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die aktive Zone 3 eine Mehrzahl von Vertiefungen 4 auf. Die Vertiefungen 4 können dabei unterschiedliche vertikale Tiefe T aufweisen. Es ist auch möglich, wie in der 4 dargestellt, dass nicht alle Barriereschichten 32 und Quantentopfschichten 31, insbesondere die Barriere- und Quantentopfschichten auf der n-Seite, die Form der Vertiefung 4 nachbilden. In der 4 erstreckt sich die p-leitende Halbleiterschicht 1 in die Vertiefungen 4 hinein. Die n-leitende Halbleiterschicht 2 kann bereichsweise die Form der Vertiefung 4 aufweisen. Die p-leitende Halbleiterschicht 1 sowie die n-leitende Halbleiterschicht 2 können jeweils dotiert oder undotiert ausgebildet sein.
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Das in der 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel für ein Bauelement. Im Unterschied hierzu weisen die Barriereschichten 32 von der p-leitenden Halbleiterschicht 1 zur n-leitenden Halbleiterschicht 2, das heißt von der p-Seite zur n-Seite, monoton zunehmende Schichtdicken auf. Abweichend davon ist es auch möglich, dass die aktive Zone 3 von der p-Seite zur n-Seite lediglich bereichsweise Barriereschichten 32 mit monoton zunehmenden Schichtdicken aufweist. Des Weiteren weist das in der 5 dargestellte Bauelement 10 eine Übergitterstruktur 5 auf. Die Übergitterstruktur 5 enthält insbesondere eine Mehrzahl von alternierenden Halbleiterdünnfilmschichten, die jeweils eine geringere Schichtdicke als die Barriereschichten 32 aufweisen können. Insbesondere grenzt die Übergitterstruktur an die aktive Zone 3 an. Die Übergitterstruktur 5 kann zwischen der n-leitenden Halbleiterschicht 2 und der aktiven Zone 3 oder zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht 1 und der aktiven Zone 3 angeordnet sein. Mittels der Übergitterstruktur 5 wird die Injektion von Ladungsträgern in die aktive Zone 3 begünstigt. In der 5 weist das Bauelement 10 zwei Übergitterstrukturen 5 auf, die jeweils an die n-Seite, etwa an die n-seitige Abschlussbarriere 33n, beziehungsweise an die p-Seite, etwa an die p-seitige Abschlussbariere 33p der Mehrfachquantentopfstruktur 3, der aktiven Zone 3 angrenzen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
