DE19955747A1 - Optische Halbleitervorrichtung mit Mehrfach-Quantentopf-Struktur - Google Patents

Optische Halbleitervorrichtung mit Mehrfach-Quantentopf-Struktur

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Abstract

Optische Halbleitervorrichtung mit einer Mehrfach-Quantentopf-Struktur, in der Topfschichten und Barriereschichten aus verschiedenen Arten von Halbleiterschichten abwechselnd aufeinander geschichtet sind, wobei Topfschichten (6a) einer ersten Zusammensetzung auf der Basis eines Nitrid-Halbleitermaterials mit einer ersten Elektronenenergie und Barriereschichten (6b) einer zweiten Zusammensetzung eines Nitrid-Halbleitermaterials mit gegenüber der ersten Elektronenenergie höheren Elektronenenergie vorgesehen sind, denen in Aufwachsrichtung gesehen eine strahlungsaktive Quantentopfschicht (6c) nachgeordnet ist, für den die vorgeordneten im Wesentlichen nicht strahlenden Topfschichten (6a) und die Barriereschichten (6b) ein Übergitter bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung mit Mehrfach-Quantentopf-Struktur, in der Topfschichten und Sperrschichten aus verschiedenen Arten von Halbleiterschich­ ten abwechselnd geschichtet sind.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 666 624 B1 oder aus Journal of Crystal Growth 189/190 (1998) p. 786-789 bekannt.
Der hohe Quantenwirkungsgrad von Indium-Gallium-Nitrid- (InGaN-)-basierten LEDs und Laserdioden wird durch das selbstorganisierte Wachstum indiumreicher Inseln im aktiven Quantentrog oder Quantentopf verursacht. Dadurch werden die injizierten Ladungsträger räumlich an diesen Inseln lokali­ siert und von nichtstrahlender Rekombination an Gitterdefek­ ten abgehalten.
Die Nukleation dieser Quantenpunkte muß durch geeignete Puf­ ferschichten eingeleitet werden. Insbesondere eignen sich in­ diumhaltige Strukturen vor der eigentlichen aktiven Zone als Pufferschicht. Indiumhaltige nitridische Halbleiter (GaxAlyIn1-(x+y)N-Halbleiter) neigen zur Entmischung und Bildung von indiumhaltigen Phasen. Dies führt an der Wachstumsober­ fläche zu variierenden Verspannungsfeldern, die die Bildung indiumreicher Inseln im aktiven Quantentrog begünstigt. Ca. 100 nm dicke GaInN-Schichten können vor der aktiven Zone ab­ geschieden werden, um die GaInN-Quantenpunkt-Nukleation zu verbessern.
Bisher kann ein optimaler Wirkungsgrad mit 4fach- Quantentopf-Strukturen erreicht werden. Wie experimentell ge­ zeigt werden kann, werden die emittierten Photonen aus­ schließlich in den beiden obersten (d. h. der p-Seite näch­ sten) Quantentrögen erzeugt. Bei geeigneter Wahl der Wachs­ tumsparameter kann man erreichen, daß die Emission aus­ schließlich im obersten Quantentopf erfolgt. Die unteren Quantentöpfe dienen zur Verbesserung der Nukleation der GaInN-Inseln im obersten Quantentopf. Wird auf sie verzich­ tet, so sinkt die optische Ausgangsleistung um über 50% ab. Allerdings führen diese Quantentöpfe zu einer erheblichen Er­ höhung der Flußspannung. Die Flußspannung kann durch Verrin­ gern der Topfanzahl auf Kosten der Quanteneffizienz verbes­ sert werden. Die Piezofelder, die zur beobachteten Erhöhung der Flußspannung führen, können durch hohe Dotierniveaus im Quantentopfbereich unterdrückt werden. Dadurch wird aller­ dings die Kristallqualität der aktiven Schicht gestört und so die interne Quanteneffizienz verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Halb­ leitervorrichtung der eingangs genannten Art demgegenüber zu verbessern.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1. Ausgestaltungen der Erfindung sind in Un­ teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Hilfe der Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a, b eine schematische Darstellung des Schichtauf­ baus einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Quantentopf- Struktur der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Quantentopf- Struktur üblicher Art.
Gemäß Fig. 1a ist auf einem Substrat 1 aus Siliziumcarbit (SiC), an dem eine Elektrode 2 angeschlossen ist, zunächst eine Pufferschicht 3 aus Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN) ge­ bildet. Darüber schließt sich eine weitere Schicht 4 aus Alu­ minium-Gallium-Nitrid an. Über der Schicht 4 sind eine weite­ re Pufferschicht 5 aus Silizium-dotiertem Galliumnitrid und darüber ist die noch näher zu erläuternde Quantentopf- Struktur 6a, b angeordnet, an die die eigentliche aktive Schicht 6c anschließt. Über der aktiven Schicht 6 ist eine weitere Schicht 7 aus Aluminium-Gallium-Nitrid angeordnet, die als Elektronenbarriere dient. Vorzugsweise ist diese Schicht 7 mit Magnesium dotiert. Zwischen den Schichten 6 und 7 kann eine weitere nicht gezeichnete GaN-Schicht angeordnet sein. Über der Schicht 7 ist eine Gallium-Schicht 8 angeord­ net, auf der die andere Elektrode 9 der Vorrichtung vorgese­ hen ist.
Die rechte Seite des Schichtaufbaus zeigt schematisch ange­ deutet die Bandlücke der einzelnen Schichten zwischen dem Va­ lenz- und dem Leitungsband.
Funktionell dient die Pufferschicht 3 als Wachstumsschicht, die erforderlich ist, um auf dem Siliziumcarbit-Substrat 1 die LED-Struktur aufwachsen zu können. Die weitere Aluminium- Gallium-Nitrid-Schicht 4 zwischen den Schichten 3 und 5 hat einen sich in Richtung der Gallium-Nitrid-Schicht 5 hin än­ dernden Aluminiumgehalt. Die Gallium-Nitrid-Schicht 5 ist vorzugsweise siliziumdotiert und dient dem Auswachsen von De­ fekten. Die über der aktiven Schicht 6 angeordnete Schicht 7 aus magriesisumdotiertem Aluminium-Gallium-Nitrid dient als Elektronenbarriere.
Dieser grundsätzlicher Aufbau der Fig. 1a kann standardmäßig für Aluminium-Indium-Nitrid (LEDs) verwendet werden.
Fig. 1b ist eine vergrößerte Darstellung der aktiven Schicht 6 gemäß der Erfindung. Die Schicht mit der Quantentopf- Struktur 6 ist aufgebaut, indem zwischen einzelnen Gallium- Nitrid- (GaN-)Schichten 6b Schichten 6a aus Gallium-Indium- Nitrid (GaInN) angeordnet sind. Die eigentlich aktive, d. h. lichtabstrahlende Schicht 6c aus Gallium-Indium-Nitrid (GaInN) schließt sich an die oberste Gallium-Nitrid-Schicht 6b an.
Wie ersichtlich, wechseln sich unterschiedlich dicke Schich­ ten 6a und 6b ab. Die dünneren Schichten 6a aus Indium- Gallium-Nitrid und die dickeren Schichten 6b aus Gallium- Nitrid bilden dabei Übergitter, bei denen die Töpfe 6a dünn sind, d. h. dünner als 3 nm und die Schichten 6b 5 nm und dar­ über. Die Herstellung der Schichten erfolgt durch Gasphasen- oder Molekularstrahlepitxie. Dabei ist ein langsames Wachstum von 1-2 nm/min bei niedrigen Temperaturen um 700 C° vorgese­ hen. Der Indiumpartialdruck liegt niedrig bei etwa 30%.
Der Indiumgehalt liegt unter 24%, vorzugsweise jedoch unter 20% und ist deshalb vorzugsweise gegenüber üblichen Indium­ gehalten reduziert. Die in der Figur nur einmal gezeichneten Schichten 6a und 6b können mehrmals übereinander angeordnet sein, vorzugsweise wiederholt sich die Struktur x = 3mal. An die oberste Gallium-Nitrid-Schicht 6b schließt sich die ei­ gentlich aktive, d. h. leuchtende Schicht 6c aus Indium- Gallium-Nitrid an.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, die Quantentopfstruktur 6a, 6b mit Silizium in der Konzentration 1017 bis 1018 cm-3 zu dotieren. Damit ergibt sich noch einmal eine deutliche Ver­ besserung im Vergleich zu einer undotierten Struktur.
Fig. 2 zeigt die Energieverhältnisse für das Valenzband VB und das Leitungsband CB. In Ordinatenrichtung ist die Elek­ tronenenergie aufgetragen, in Abszissenrichtung sind die Quantentöpfe mit einer Breite, die der Schichtdicke entspre­ chen, aufgetragen. An die oberste Gallium-Nitrid-Schicht 6b schließt sich die tatsächlich aktive Schicht 6c an.
Fig. 3b zeigt demgegenüber das Valenzband mit dickeren Quan­ tentöpfen aus Gallium-Indium-Nitrid als bei der Erfindung. Durch die Schrägen angedeutet, ist der Effekt der piezoelek­ trischen Felder, die sich durch die Verspannungen ergeben.
Gegenüber einer Struktur der Fig. 3 erreicht die Erfindung mit den dünneren Schichten aus Gallium-Indium-Nitrid einen effektiven Verspannungsabbau.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von GaInN/GaN- Übergittern mit dünnen Töpfen (bis ca. 1 nm Quantentopfbrei­ te) bei einem Schichtaufbau gemäß Fig. 1 und Quantentopf- Verhältnissen gemäß Fig. 2 kann die Flußspannung deutlich gesenkt werden und dabei die hohe interne Quanteneffizienz der Indium-Gallium-Nitrid-basierten optischen Halbleitervor­ richtung erhalten werden. Die sich sonst ausbildenden Piezo­ felder werden ganz vermieden oder wirken sich praktisch nicht mehr aus. Im Vergleich zu herkömmlichen Einfach-Quantentopf- Strukturen, bei denen vor dem aktiven Topf kein Gallium- Indium-Nitrid-Übergitter abgeschieden wird, zeigt der erfin­ dungsgemäße Vorrichtungsaufbau einen verdoppelten Konver­ sionswirkungsgrad. Im Vergleich mit bekannten Übergitter­ strukturen hat der erfindungsgemäße Vorrichtungsaufbau eine um <0,5 V gesenkte Flußspannung.
Unter Übergitter versteht man allgemein eine Aufeinanderfolge von nur wenigen Atomlagen dicken Schichten. Das Übergitter wird vom aktiven Trog durch eine GaN-Barriere getrennt (<5 nm). Die Silizium-Dotierung der Quantentopfstruktur ist deutlich verbessert im Vergleich zur undotierten Struktur. Im Vergleich zu SQW Strukturen, vor deren aktivem Quantentopf kein GaInN Übergitter abgeschieden wurden, konnte der Konver­ sionswirkungsgrad verdoppelt werden.
Durch die Kombination von dünnen, auch indiumarmen, optisch inaktiven Quantentrögen ("Pre-Wells") mit einem aktiven Quan­ tentopf 6c kann das Emissionsverhalten der bisher bekannten Mehrfach-Quantentopf-Strukturen erhalten und die Flußspannung gesenkt werden. Die dünnen GaInN-Quantentöpfe verbessern die Qualität des aktiven Quantentopfs, während durch die geringe Schichtdicke der "Pre-Wells" und ihrem niedrigen Indiumgehalt die Ausbildung von störenden Piezofeldern vermieden wird. Die Flußspannung wird daher durch diese Nukleationsschicht nicht erhöht.

Claims (2)

1. Optische Halbleitervorrichtung mit einer Mehrfach- Quantentopf-Struktur, in der Topfschichten und Sperrschichten aus verschiedenen Arten von Halbleiterschichten abwechselnd geschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Topfschichten (6a) dünne Gallium-Indium-Nitrid-Schichten und die Sperrschichten (6b) demgegenüber dickere Gallium- Nitrid-Schichten sind und daß ein aktiver Quantentopf aus Gallium-Indium-Nitrid (6c) sich an die oberste Sperrschicht (6b) anschließt, wobei durch die Topfschichten (6a) und die Sperrschichten (6b) Übergitter gebildet sind.
2. Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Topfschichten (6a) dünner als 3 nm sind und die Sperr­ schichten (6b) 5 nm dick oder dicker sind.
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