WO2016146376A1 - Bauelement mit einer mehrfachquantentopfstruktur - Google Patents

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WO2016146376A1
WO2016146376A1 PCT/EP2016/054312 EP2016054312W WO2016146376A1 WO 2016146376 A1 WO2016146376 A1 WO 2016146376A1 EP 2016054312 W EP2016054312 W EP 2016054312W WO 2016146376 A1 WO2016146376 A1 WO 2016146376A1
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barrier layers
layers
semiconductor layer
quantum well
side barrier
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PCT/EP2016/054312
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Tobias Meyer
Thomas LEHNHARDT
Matthias Peter
Hirai ASAKO
Jürgen OFF
Philipp Drechsel
Peter Stauss
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present application relates to a component having a multiple quantum well structure.
  • An object is to provide a device with a high efficiency.
  • the latter has an active zone, which is provided for generating electromagnetic radiation
  • the active zone is a subarea of a semiconductor layer sequence of the component which has been grown in particular epitaxially.
  • the active zone is arranged between a first, approximately p-type semiconductor layer, and a second, approximately n-type, semiconductor layer.
  • the component may be a light-emitting diode chip or a
  • the active zone is based on a III-V compound semiconductor material.
  • the multiple quantum well structure may comprise a plurality of successive quantum well layers and Have barrier layers.
  • one quantum well layer and one follow in the active zone may comprise a plurality of successive quantum well layers and Have barrier layers.
  • one quantum well layer and one follow in the active zone may comprise a plurality of successive quantum well layers and Have barrier layers.
  • Barrier layer on each other. As barrier layers are layers of
  • Adjacent quantum well layers That is, one
  • the barrier layer is always arranged between two quantum well layers assigned to it.
  • Edge-side layers of the multiple quantum well structure which are approximately adjacent to the first or second semiconductor layer, are termination barriers of the multiple quantum well structure and are not to be understood as barrier layers.
  • Edge quantum well layer can therefore be arranged between a barrier layer and a termination barrier.
  • Quantum well layers do not have any significance with regard to the dimensionality of the
  • Quantization In the defined by a quantum well layer and the two associated barrier layers
  • Quantum well may be a quantum well, at least one quantum wire, a quantum well, or at least one quantum dot, or a combination thereof
  • the active zone has a recess open to the first semiconductor layer.
  • the depression is thus in the Semiconductor layer sequence formed.
  • the quantum well layers and / or the barrier layers can simulate the shape of the recess at least in certain areas. That is, the quantum well layers and / or the barrier layers may extend at least in regions conforming to flanks of the depression.
  • the device may have a plurality of such recesses.
  • the recess can have a vertical depth, which in particular is greater, for example at least twice, for example three times or five times as large as the vertical layer thickness of a p-side
  • the first especially p-type
  • Semiconductor layer may be in the recess
  • Quantum well layers can be injected.
  • the recess can be formed so deep that all
  • Quantum well layers and barrier layers on the p-side of the active zone at least partially conform to the
  • Flanks of the depression or depressions run.
  • the n-side barrier layers also run
  • Main extension surface of the active zone is directed.
  • the vertical direction is parallel to a growth direction of the epitaxial semiconductor layer sequence of the device.
  • a lateral direction is understood to mean a direction which is in particular parallel to the direction
  • Main extension area of the active zone runs. Due to the depression or the depressions, charge carriers from the first semiconductor layer, for example, the relatively difficult to move
  • the quantum well layers which are also located further away from the first semiconductor layer can be better energized due to the depression or depressions.
  • Semiconductor layer sequence are assigned to the barrier layers in ⁇ side barrier layers and p-side barrier layers, wherein the p-side barrier layers between the n-side barrier layers and the p-type
  • the n-side barrier layers are arranged between the p-side barrier layers and the n-type semiconductor layer and thus on an n-side of the active zone.
  • between one tenth to one third or up to half of the total barrier layers are arranged on the n side or on the p side of the active zone.
  • the n-side barrier layers have an average layer thickness that is greater than an average layer thickness of the p-side barrier layers. That is, the vertical
  • Recesses are smaller on average than the vertical ones
  • the mean layer thickness of the n-side barrier layers is at least 1.2 times, approximately at least 1.5 times, in particular at least 2 or 5 times, the average layer thickness of the p-side barrier layers.
  • the mean layer thickness of the n-side barrier layers can be at most ten times greater than the middle one
  • Layer thickness of the p-side barrier layers In at least one embodiment of the component, this has a semiconductor layer sequence.
  • Semiconductor layer sequence contains a p-type
  • the active zone has a multiple quantum well structure that is at least one p-side from the p-type semiconductor layer to the n-type semiconductor layer Barrier layer or a plurality of p-side barrier layers, in particular with intermediate
  • Quantum layers on In the semiconductor layer sequence on the part of the p-type semiconductor layer depressions are formed, which have flanks, wherein the quantum well layers
  • n- and p-side barrier layers at least partially conform to the flanks of the recesses
  • n-side barrier layers have a greater average layer thickness than the p-side
  • Such a configuration of the semiconductor layer sequence achieves a uniform distribution of the charge carriers over the quantum well layers due to a combination of two different injection mechanisms, namely the injection of the charge carriers via the barrier layers between the quantum well layers (barrier injection) and the injection of the charge carriers via the depression (V-pit - Injection) in particular in the of the p-type
  • the injection of holes into the quantum well layers in the two mentioned mechanisms is favored due to the depression in the active zone and due to the comparatively thinner p-side barrier layers.
  • the efficiency of the device by the design of the active zone with at least one or a plurality of
  • Barrier layers increased.
  • the comparatively thicker in ⁇ side barrier layers also contribute to the achievement high quality material and a high stability of the semiconductor layer sequence, especially during their
  • the semiconductor layer sequence is designed such that the flanks of the depressions are formed obliquely and the p-side barrier layers have smaller layer thicknesses than the n-side barrier layers, whereby during operation of the
  • Component carrier from the p-type is Component carrier from the p-type
  • Semiconductor layer are injected into different quantum well layers both through the barrier layers running along the flanks and through the barrier layers located outside the depressions. That is, during operation of the device, the positively charged charge carriers by means of a combination of
  • Quantum well layers are injected.
  • the depressions extend into the active zone, for example, at least up to a vertical height of the n-side barrier layers or in the n-side barrier layers, so that the
  • the flanks of the depressions can with a vertically directed axis, for example, parallel to the Growth direction an acute angle between
  • the p-side barrier layers each have a layer thickness of between 2 nm and 15 nm, for example between 3 nm and 10 nm, for example, between 3 nm and 7 nm inclusive.
  • barrier layers can each have a layer thickness of between 5 nm and 50 nm, for example between 5 nm and 30 nm, for example, between 10 nm and 30 nm.
  • the p-side barrier layers each have a layer thickness between 5 nm and 50 nm, for example between 5 nm and 30 nm, for example, between 10 nm and 30 nm.
  • the p-side barrier layers each have a layer thickness between 5 nm and 50 nm, for example between 5 nm and 30 nm, for example, between 10 nm and 30 nm.
  • the p-side barrier layers each have a layer thickness between
  • Barrier layers each have a greater layer thickness between 4.5 nm and 30 nm inclusive, since in particular in this selection of layer thicknesses a high quality
  • Material quality of the semiconductor layer sequence and a particularly homogeneous distribution of the charge carriers in the active zone can be achieved simultaneously.
  • At least one of the n-side barrier layers has a
  • Barrier layers each have a layer thickness which is greater than a layer thickness of the respective p-side
  • the n-side barrier layers can have the same layer thickness within the manufacturing tolerances.
  • the p-side barrier layers can also be used in the Frame of manufacturing tolerances have an equal layer thickness.
  • the active zone has at least three n-side barrier layers and at least one p-side barrier layer.
  • the number of p-side barrier layer can be at least three.
  • the number of quantum well layers can be between five and 20, approximately between
  • the barrier layers have at least partially monotonically increasing layer thicknesses from the p-type semiconductor layer to the n-type semiconductor layer.
  • the active zone from the p-side to the n-side at least partially with respect to the layer thicknesses on a gradient with increasing layer thickness of the barrier layers.
  • the active zone can span the entire
  • the depression is formed in a sectional view V-shaped. From the p-side to the n-side of the active zone, the depression thus has a smaller cross-section.
  • the depression has the shape of an inverse pyramid,
  • the depression may be due to a V defect
  • V-Pit (English: V-Pit) be formed.
  • a V defect can be formed in a semiconductor layer, such as a gallium nitride or indium gallium nitride layer, by adjusting the
  • the size of the V defect then depends on the layer thickness of the semiconductor layer in which it is produced.
  • the V defects form in the area of thread dislocations in the semiconductor layer.
  • a plurality of quantum well layers form the shape of the
  • Quantum well layers at least partially conforming to
  • these quantum well layers may be continuously formed or interrupted.
  • the recesses each have obliquely formed flanks, over which the charge carriers from the p-type
  • Quantum well layers can be injected.
  • all quantum well layers and / or all form are injected.
  • Quantum well layers can be efficiently injected on the n-side.
  • the quantum well layers have different layer thicknesses along a lateral direction.
  • the quantum well layers have reduced layer thicknesses within areas as compared to areas outside the cavities of the depressions.
  • the barrier layers can be in
  • Regions within the wells also have reduced layer thicknesses. Due to the reduced
  • the active region is based on a compound semiconductor material, such as gallium nitride.
  • a compound semiconductor material such as gallium nitride.
  • Barrier layers indium wherein an indium content of the barrier layers is preferably less than an indium content of the quantum well layers.
  • the quantum well layers may have a varying indium profile. For example, the
  • the barrier layers may comprise aluminum, wherein the aluminum content in the different barrier layers may be different from each other. It is also possible that the aluminum profile
  • the active zone is designed such that an injection of holes from the p-side of the active zone into the quantum well layers is promoted by varying the indium content and / or the aluminum content within a barrier layer and / or in different barrier layers.
  • the quantum well layers are adapted to the barrier layers in that the quantum well layers adjoining different thickness barrier layers are different
  • the n-side barrier layers and / or the p-side barrier layers may also be designed differently with regard to their material composition, layer thicknesses or doping profiles.
  • the semiconductor layer sequence has a superlattice structure.
  • the superlattice structure is arranged between the active zone and the n-type or p-type semiconductor layer and preferably adjoins the active zone.
  • Superlattice structure can be a plurality of pairs
  • the semiconductor thin film layers are InGaN layers and GaN layers.
  • the thin-film semiconductor layers are thus arranged outside the active zone, wherein they may each have a smaller layer thickness than the barrier layers of the active zone.
  • Semiconductor thin film layers may be doped n-type or p-type.
  • a particularly low forward voltage of the component is achieved, whereby a good charge carrier injection into the active zone can be achieved.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a
  • FIGS 3 and 4 are schematic representations of
  • Embodiments for an active zone of a device and
  • FIG. 5 is a schematic representation of another
  • FIG. 1 shows a known component from the prior art. This device has a first
  • the first semiconductor layer 1 and the second Semiconductor layer 2 are p-type and n-type
  • FIG. 2 schematically shows a first exemplary embodiment of a component 10.
  • the component 10 has a carrier 6 on which a semiconductor layer sequence is arranged.
  • the carrier 6 may be a growth substrate to which the
  • Semiconductor layer sequence is applied epitaxially, for example.
  • the semiconductor layer sequence has an active zone 3 which is between a first, approximately p-type
  • Semiconductor layer 1 and a second, approximately n-type semiconductor layer 2, is arranged.
  • the active zone 3 is formed in the operation of the device 10 for generating electromagnetic radiation.
  • the active zone 3 has a multiple quantum well structure with successive quantum well layers 31 and
  • the barrier layers 32 are in ⁇ side barrier layers 32n and p-side
  • the p-side Barrier layers 32p are disposed between the n-side barrier layers 32n and the p-type semiconductor layer 1 and thus on a p-side of the active region 3. Accordingly, the n-side barrier layers 32n are disposed between the p-side barrier layers 32p and the n-type semiconductor layer 2, and thus on an n-side of the active region 3. For example, about one
  • Barrier layers 32 arranged on the n-side or on the p-side of the active zone 3.
  • the multiple quantum well structure 3 has edge-side termination barriers 33, namely a p-side termination barrier 33p and an n-side termination barrier 33n.
  • the termination barriers 33p and 33n are adjacent to
  • the closing barriers 33 limit the
  • the in-side barrier layers preferably have a greater average layer thickness than the p-side barrier layers.
  • Comparatively thinner barrier layers 32 on the p-side of the active zone 3 can provide good barrier injection of the holes at least into those on the p-side
  • Quantum well layers 31 can be achieved.
  • the barrier layers 32 and the quantum well layers 31 may, for example, be applied to the carrier 6 by means of an epitaxial process in which a growth direction is directed in particular from the n side to the p side.
  • a high-quality material quality of the semiconductor layer sequence can be achieved.
  • the thicker barrier layers 32n first applied thus contribute to the increase in the
  • the mean layer thickness of the n-side barrier layers 32n is at least 20%, at least about 50% or at least twice or three times the average layer thickness of the p-side barrier layers 32p.
  • all n-side barrier layers 32n may each have a layer thickness Dn that is greater than a vertical thickness Dp of any p-side
  • n-side barrier layers 32n shown in FIG. 2 have a substantially identical vertical
  • the p-side barrier layers 32p may also be a substantially same
  • the vertical layer thickness Dp may be between 2 and 15 nm inclusive, for example between 3 and 10 nm inclusive, between about 3 and 7 nm inclusive.
  • the vertical layer thickness Dn is preferably greater than the layer thickness Dp and may be between 5 nm and 50 nm inclusive,
  • Termination barrier 33p may have a greater layer thickness than the p-side barrier layers 32p.
  • the n- side termination barrier 33n may have a smaller layer thickness than the n-side barrier layers 32n.
  • the active zone 3 according to FIG. 2 has two p-sides
  • the active zone 3 may have a larger number of p-side barrier layers 32p or n-side barrier layers 32n.
  • the active zone 3 has at least two, approximately at least four or at least five quantum well layers 31 on the p-side and at least two, approximately at least five or at least ten quantum well layers 31 on the n-side.
  • Quantum well layers 31 and barrier layers 32 may be based on a III-V compound semiconductor material, such as gallium nitride.
  • a III-V compound semiconductor material such as gallium nitride.
  • Quantum well layers Indium gallium nitride layers and the barrier layers gallium nitride layers.
  • Quantum well layers 31 and the barrier layers 32 may be doped or undoped.
  • the active zone 3 may contain indium or aluminum, wherein the indium content and the aluminum content in the
  • Quantum well layers 31 and in the barrier layers 32 may be different from each other. Notwithstanding Figure 2, the n-side
  • Barrier layers 32 p be designed differently with respect to their layer thicknesses.
  • the barrier layers 32 may also be different from each other in their material composition and / or doping profiles.
  • the active zone 3 may be designed such that the quantum well layers 31, which adjoin barrier layers 32 having different layer thicknesses, are designed differently in terms of their material composition, layer thicknesses or doping profile, so that the quantum well layers 31 to the barrier layers 32 for
  • the doping profile, the indium content and / or the aluminum content varies within a barrier layer.
  • FIG. 3 shows a further section of the active zone 3 shown in FIG. 2.
  • the active zone 3 has a depression 4 on the p-side.
  • the recess 4 is V-shaped.
  • the V depression 4 has, in particular, the shape of an inverse pyramid with the p-type semiconductor layer 1, for example with six or twelve differently oriented flanks. From the p-side to the n-side, the recess 4 has a decreasing
  • flanks of the recess 4 are formed obliquely relative to the main extension surface of the active zone 3.
  • flanks of the form are formed obliquely relative to the main extension surface of the active zone 3.
  • Quantum well layers 31 are injected effectively on the n-side.
  • the recess 4 has a vertical depth T, for example, greater than the layer thickness Dp of the p-side barrier layer 32p, approximately at least twice, three times or five times as large as the layer thickness Dp of the p-side
  • the depth T of the Well 4 may be larger than the sum of all the layer thicknesses Dp of the p-side barrier layers 32p.
  • the quantum well layers 31 and the barrier layers 32 form the depression 4 at least in regions. That is, the quantum well layers 31 and the barrier layers 32
  • barrier layers 32 likewise have the shape of the depression 4.
  • all the p-side barrier layers 32p form the shape of the depression 4.
  • Quantum well layers 31 have partially the shape of the recess.
  • the active zone 3 is designed such that a combination of two
  • Quantum well layers 31 on the n-side, which adjoin, for example, the comparatively thicker n-side barrier layers 32n, are therefore not only used over the
  • the active zone 3 is provided in the operation of the device in particular for the generation of electromagnetic radiation.
  • Semiconductor layer 2 in the active zone 3 guided electrons can in the quantum well layers 31 below
  • the quantum well layers 31 are formed continuously in the regions of the depression 4. It is therefore also possible that electromagnetic radiation is generated in the regions of the depression 4.
  • the active zone 3 by different configuration of the quantum well layers 31 and / or the barrier layers 32 in terms of
  • Quantum well layers 31 are injected on the n-side.
  • the barrier layers 32 in the areas within the recess 4 Compared to areas outside the recess 4 have a lower indium content and / or reduced layer thickness in the areas within the recess 4. Compared to the areas outside the recess, the barrier layers 32 in the areas within the
  • Well 4 also have reduced layer thickness.
  • the active Zone 3 has a plurality of depressions 4.
  • the depressions 4 can have different vertical depths T. It is also possible, as shown in FIG. 4, that not all barrier layers 32 and quantum well layers 31, in particular the barrier and quantum well layers on the n side, reproduce the shape of the depression 4.
  • the p-type semiconductor layer 1 extends into the recesses 4.
  • the n-type semiconductor layer 2 may partially have the shape of the recess 4.
  • Semiconductor layer 2 may each be doped or undoped.
  • barrier layers 32 are of the p-type
  • the active zone 3 has only a portion of barrier layers 32 with monotonically increasing layer thicknesses from the p-side to the n-side.
  • the component 10 shown in FIG. 5 has a superlattice structure 5.
  • the superlattice structure 5 contains a plurality of alternating semiconductor thin film layers, each of which may have a smaller layer thickness than the barrier layers 32.
  • the superlattice structure adjoins the active zone 3.
  • the superlattice structure 5 may be disposed between the n-type semiconductor layer 2 and the active region 3 or between the p-type semiconductor layer 1 and the active region 3.
  • the component 10 has two superlattice structures 5 which are respectively connected to the n-side, for example to the n-side termination barrier 33n and to the p-side, for example to the p-side termination bar 33p of the multiple quantum well structure 3 adjacent to active zone 3.

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Abstract

Es wird ein Bauelement (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge angegeben, die eine p-leitende Halbleiterschicht (1), eine n-leitende Halbleiterschicht (2) und eine zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht und der n-leitenden Halbleiterschicht angeordnete aktive Zone (3) aufweist, wobei die aktive Zone eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, die von der p-leitenden Halbleiterschicht zur n-leitenden Halbleiterschicht hin eine Mehrzahl von p-seitigen Barriereschichten (32p) mit dazwischenliegenden Quantentopfschichten (31) und eine Mehrzahl von n-seitigen Barriereschichten (32n) mit dazwischenliegenden Quantenschichten (31) aufweist. In der Halbleiterschichtenfolge seitens der p-leitenden Halbleiterschicht sind Vertiefungen (4) 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 inseitigen Barriereschichten weisen eine größere mittlere Schichtdicke auf als die p-seitigen Barriereschichten.

Description

Beschreibung
Bauelement mit einer Mehrfachquantentopfstruktur Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Bauelement mit einer Mehrfachquantentopfstruktur .
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 .
Eine Aufgabe ist es, ein Bauelement mit einer hohen Effizienz anzugeben .
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 p- leitenden Halbleiterschicht, und einer zweiten, etwa n- leitenden 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 .
Die Mehrfachquantentopfstruktur kann eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Quantentopfschichten und Barriereschichten aufweisen. Insbesondere folgen in der aktiven Zone jeweils eine QuantentopfSchicht und eine
Barriereschicht aufeinander. 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.
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.
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. 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. 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.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung der
Halbleiterschichtenfolge sind die Barriereschichten in ¬ 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.
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 in ¬ seitige Barriereschichten sind. 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. 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 .
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 in¬ seitigen Barriereschichten tragen außerdem zur Erzielung hoher Materialqualität sowie zu einer hohen Stabilität der Halbleiterschichtenfolge insbesondere während deren
Herstellung bei. 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.
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. 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.
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 .
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. 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.
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. 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. 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.
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. 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. 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.
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.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und
Weiterbildungen des Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Halbleiterschichtenfolge eines bekannten Bauelements , Figur 2 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels für ein Bauelement,
Figuren 3 und 4 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen für eine aktive Zone eines Bauelements, und
Figur 5 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels für ein Bauelement. 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.
In der Figur 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 . In der Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Bauelement 10 schematisch dargestellt.
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.
Die aktive Zone 3 weist eine Mehrfachquantentopfstruktur mit aufeinanderfolgenden Quantentopfschichten 31 und
Barriereschichten 32 auf. Die Barriereschichten 32 sind in ¬ 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.
In der Figur 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.
Die n-seitigen Barriereschichten 32n und die p-seitigen
Barriereschichten 32p weisen dabei unterschiedliche
Schichtdicken Dn und Dp auf. Vorzugsweise weisen die in ¬ 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.
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.
Die in der Figur 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.
Die aktive Zone 3 gemäß Figur 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. Abweichend von der Figur 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.
Figur 3 zeigt einen weiteren Abschnitt der in der Figur 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 .
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.
In der Figur 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 .
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-Inj ektion 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-Inj ektion bestromt, sodass eine besonders gleichmäßige
Ladungsträgerverteilung, insbesondere hinsichtlich der
Löcher, über die gesamte aktive Zone 3 erzielt wird. Die in der Figur 3 dargestellten Pfeile deuten auf die Injektion der Löcher in die verschiedenen Quantentopfschichten 31 hin.
Die aktive Zone 3 ist im Betrieb des Bauelements insbesondere zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. 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 Figur 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.
Abweichend von der Figur 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.
Das in der Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 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 Figur 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 Figur 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.
Das in der Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 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 Figur 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 Figur 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.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2015 104 150.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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 .

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge aufweisend eine p-leitende Halbleiterschicht (1), eine n- leitende Halbleiterschicht (2) und eine zwischen der p- leitenden Halbleiterschicht und der n-leitenden
Halbleiterschicht angeordnete aktive Zone (3) , wobei
- die aktive Zone eine Mehrfachquantentopfstruktur
aufweist, die von der p-leitenden Halbleiterschicht zur n-leitenden Halbleiterschicht hin eine Mehrzahl von p- seitigen Barriereschichten (32p) mit dazwischenliegenden Quantentopfschichten (31) und eine Mehrzahl von in ¬ seitigen Barriereschichten (32n) mit dazwischenliegenden Quantenschichten (31) aufweist,
- in der Halbleiterschichtenfolge seitens der p-leitenden
Halbleiterschicht Vertiefungen (4) gebildet sind, die Flanken aufweisen, wobei die Quantentopfschichten und/oder die n- sowie p-seitigen Barriereschichten zumindest bereichsweise konform zu den Flanken der Vertiefungen verlaufen, und
- die n-seitigen Barriereschichten eine größere mittlere Schichtdicke aufweisen als die p-seitigen
Barriereschichten .
2. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Halbleiterschichtenfolge derart ausgelegt ist, dass die Flanken der Vertiefungen (4) schräg ausgebildet sind und die p-seitigen Barriereschichten (32p) kleinere
Schichtdicken als die n-seitigen Barriereschichten (32n) aufweisen, wodurch im Betrieb des Bauelements Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht (1) sowohl durch die entlang den Flanken verlaufenden Barriereschichten hindurch als auch durch die außerhalb der Vertiefungen liegenden Barriereschichten hindurch in verschiedene
Quantentopfschichten (31) injiziert sind.
3. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich die Vertiefungen (4) mindestens bis zu einer vertikalen Höhe der n-seitigen Barriereschichten (32n) erstrecken, so dass die Ladungsträger aus der p-leitenden Halbleiterschicht (1) über die schräg ausgebildeten Flanken der Vertiefungen überwiegend in die zwischen den n-seitigen Barriereschichten (32n) angeordneten Quantentopfschichten (31) injiziert sind.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vertiefungen (4) in Schnittansicht V-förmig ausgebildet sind.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mittlere Schichtdicke der n-seitigen
Barriereschichten (32n) mindestens das 1,2-Fache und
höchstens das 10-Fache der mittleren Schichtdicke der p- seitigen Barriereschichten (32p) beträgt.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die p-seitigen Barriereschichten (32p) jeweils eine Schichtdicke (Dp) zwischen einschließlich 3 nm und 7 nm aufweist und die n-seitigen Barriereschichten (32n) jeweils eine Schichtdicke (Dn) zwischen einschließlich 5 nm und 30 nm aufweisen .
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle n-seitigen Barriereschichten (32n) jeweils eine Schichtdicke (Dn) aufweisen, die größer ist als eine Schichtdicke (Dp) der jeweiligen p-seitigen Barriereschichten (32p) .
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Barriereschichten (32p, 32n) von der p-leitenden Halbleiterschicht (1) zur n-leitenden Halbleiterschicht (2) hin zumindest bereichsweise monoton zunehmende Schichtdicken (Dp, Dn) aufweisen.
9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Vergleich zu Bereichen außerhalb der Vertiefungen (4) die Quantentopfschichten (31) und/oder zumindest die p- seitigen Barriereschichten (32p) in Bereichen innerhalb der Vertiefungen verringerte Schichtdicken aufweisen.
10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die n-seitigen Barriereschichten (32n) und/oder die p-seitigen Barriereschichten (32p) hinsichtlich ihrer
Materialzusammensetzung, Schichtdicken oder Dotierprofile unterschiedlich gestaltet sind.
11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die an die Barriereschichten (32n, 32p) mit
unterschiedlichen Schichtdicken angrenzenden
Quantentopfschichten (31) hinsichtlich ihrer
Materialzusammensetzung, Schichtdicken oder Dotierprofile unterschiedlich gestaltet sind.
12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtenfolge zumindest eine
Übergitterstruktur (5) aus einer Mehrzahl von
Halbleiterdünnfilmschichten aufweist, wobei die
Übergitterstruktur an die aktive Zone (3) angrenzt.
13. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Zone (3) auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial basiert ist.
14. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem im Vergleich zu Bereichen außerhalb der Vertiefungen (4) die Quantentopfschichten (31) einen niedrigeren Indium- Gehalt in Bereichen innerhalb der Vertiefungen aufweisen.
15. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Zone (3) im Betrieb des Bauelements zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist.
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