WO2018050466A1 - Halbleiterschichtenfolge - Google Patents

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WO2018050466A1
WO2018050466A1 PCT/EP2017/072083 EP2017072083W WO2018050466A1 WO 2018050466 A1 WO2018050466 A1 WO 2018050466A1 EP 2017072083 W EP2017072083 W EP 2017072083W WO 2018050466 A1 WO2018050466 A1 WO 2018050466A1
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main
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Werner Bergbauer
Joachim Hertkorn
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • a semiconductor layer sequence is specified.
  • An object to be solved is to provide a high-quality semiconductor layer sequence for generating short-wave
  • This task is among others by a
  • individual layers of the semiconductor layer sequence are made of Al x In y Gai_ x _ y N, where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and 0 ⁇ x + y ⁇ 1.
  • dopants such as silicon or
  • Impurities or admixtures are not taken into account, if they make up a proportion of AlInGaN of at most 0.1% by mass. According to at least one embodiment, the
  • Pre-barrier layer is made of AlGaN. This is one
  • Aluminum content of Vorbarrieretik preferred at least 2% or 20% and / or at most 50% or 40% or 30%. In particular, the aluminum content is between 20% and 30% inclusive.
  • the pre-barrier layer is preferably free of indium. In this context, the percentages for the indices x, y in Al x InyGa ] __ x _y.
  • the pre-barrier layer has small amounts of indium and thus is Al x InyGa ] __ x _yN.
  • the above values for aluminum apply equally in the case of an AlGaN pre-barrier layer.
  • the indium content is preferably at most 1% or 0.5% or 0.2%.
  • Vorbarriere silk a thickness of at least 1 nm or 2.5 nm and / or of at most 4 nm or 10 nm.
  • the thickness of the pre-barrier layer is intermediate
  • Prequant pot is made of InGaN.
  • the preconditioning pot has a first band gap, which is a first band gap
  • Semiconductor layer sequence is not set up for generating radiation. That is, in this case, in the
  • the quantum well can be called a dark quantum well.
  • the preconditioning pot such as at a different wavelength than the main quantum wells, contributes to radiation generation.
  • Prequant pot an indium content of at least 0.2% or 1% or 2% or is alternatively free of indium.
  • Prequant pot at a maximum of 6% or 15%.
  • the indium content is between 4% and 5.5% inclusive.
  • the pre-quantum well is particularly preferably free of aluminum. According to at least one embodiment, the
  • Vorquantentopf a thickness of at least 1.5 nm or 2.2 nm and / or of at most 5 nm or 3.4 nm.
  • the thickness of the precursor pot is between 2.4 nm and 2.8 nm inclusive.
  • the multi-quantum well structure includes a plurality of alternating main quantum wells and main barrier layers.
  • the main quantum wells are preferably InGaN and the
  • Main barrier layers preferably formed of AlGaN or AlInGaN.
  • the main quantum wells have a second bandgap corresponding to a second emission energy greater than or equal to the first bandgap of the precanting pot.
  • the main quantum wells are arranged to generate radiation having a maximum intensity wavelength of at least 365 nm or 375 nm or 385 nm and / or at most 490 nm or 410 nm or 395 nm.
  • an indium content of the main quantum wells is at least 0.2% or 2% or 4%, or the main quantum wells are alternatively indium-free. Alternatively or additionally, the indium content of the main quantum wells is at most 5% or 15%.
  • the indium content of the main quantum wells is between 5% and 6.5% inclusive.
  • the main quantum wells are particularly preferably free of aluminum.
  • Main quantum wells have a thickness of at least 1.5 nm or
  • the thickness of the main quantum wells is between 2.4 nm and 2.8 nm inclusive.
  • Main barrier layers have an aluminum content of at least 2% or 10% and / or of at most 20% or 30%.
  • the aluminum content is the
  • Main barrier layers between 12% and 18% inclusive.
  • the main barrier layers are preferably indium-free, but may also have a low indium content of at most 1% or 0.5% or 0.2%.
  • Main barrier layers have a thickness of at least 0.5 nm or 0.9 nm and / or at most 5 nm or 2.3 nm.
  • the thickness of the main barrier layers is between 1.5 nm and 2 nm inclusive.
  • the Electron blocking layer is formed of AlGaN and may be free of indium or have a small indium content, for example, at most 0.5% or 1% or 2%.
  • a thickness of the electron blocking layer is preferably at least 6 nm or 8 nm or 10 nm and / or at most 20 nm or 15 nm or 12 nm. It is further preferred that an aluminum content or a mean aluminum content of the
  • Electron blocking layer is at least 15% or 20% or 30% and / or at most 80% or 70% or 60%.
  • a product of the aluminum content and the thickness of the pre-barrier layer is at least a factor of 1.3 greater than a product of the aluminum content and the thickness of the main barrier layers or the closest major barrier layer.
  • this factor is at least 1.5 or 2 or 2.5 or 3.
  • this factor is at most 7 or 5 or 4. In at least one embodiment, the
  • Light emitting diode or a laser diode provided.
  • Semiconductor layer sequence has the following layers in the order given, seen from an n-type n-side:
  • Main quantum wells are arranged to generate radiation having a maximum intensity wavelength of between 365 nm and 490 nm inclusive, and
  • a product of an aluminum content and a thickness of the pre-barrier layer is at least a factor of 1.3 greater than a product of an aluminum content and a thickness of the main barrier layers or the nearest one
  • the semiconductor layer sequence described here has a combination of the pre-barrier layer and the pre-quantum well, and preferably also of a neighboring layer and a post-quantum well.
  • Multiquantentopf Korean. Due to the higher aluminum content and / or the greater thickness of the pre-barrier layer and / or the adjacent layer, due to piezoelectric fields, transition energies, corresponding to bandgaps, of directly adjacent quantum wells would be lower in energy, resulting in an uneven charge carrier distribution within the
  • Multiquantentopf Korean and to the Vorbarrieretik and the Nachbarriere für adjacent Vorquantentöpfe and NachquantentÜ with less indium and / or a smaller layer thickness grown. Alternatively, they can also be thinner with a suitably large piezoelectric effect
  • Main barrier layers have a smaller thickness and / or a lower aluminum content between the main quantum wells than the pre-barrier layer and the adjacent barrier layer.
  • an indium content and / or a thickness of the preconditioning pot is less than one
  • the indium content and / or the thickness differ by at least 5% or 10% and / or by at most 40% or 25% of each other, based on the thickness and / or the indium content of the main quantum wells. According to at least one embodiment closes in
  • the quantum well has a third band gap that is smaller than the second band gap of the main quantum wells.
  • the Nachquantentopf can be designed exactly like the Vorquantentopf, so that the third band gap can be equal to the first band gap.
  • the Nachquantentopf is free of aluminum and its indium content is at least 0.2% or 1% and / or at most 6% or 15% or is free from
  • the indium content is between 4% and 5.5% inclusive.
  • the indium content is between 4% and 5.5% inclusive.
  • Nachquantentopf a thickness of at least 1.5 nm or 2.2 nm and / or of at most 5 nm or 3.4 nm.
  • the thickness of the preconditioning well is between 2.4 nm and 2.8 nm inclusive. According to at least one embodiment, the
  • the neighboring layer is made of AlGaN or AlInGaN.
  • the neighbor layer can be designed the same way as the pre-barrier layer.
  • the abovementioned statements with respect to thickness, composition and band gap to the pre-barrier layer preferably also apply to the neighboring layer. Preferably follows the
  • the electron blocking layer follows in the direction away from the n-side
  • Electron blocking layer for electrons preferably one by at least a factor of 1.5 or 2 or 3 and / or in order
  • the barrier height of the electron-blocking layer is at least equal, more preferably at least a factor of 1.25 or 1.5 or 2 higher than that of the neighboring layer.
  • the electron blocking layer blocks electrons more than the neighboring layer.
  • a spacer layer is located between the electron blocking layer and the neighboring layer.
  • the spacer layer directly adjoins the electron blocking layer and / or the
  • the spacer layer is made of GaN or InGaN or AlGaN or AlInGaN.
  • a thickness of the spacer layer is preferably at least 5 nm or 8 nm and / or at most 20 nm or 15 nm or 12 nm.
  • An aluminum content of the spacer layer is preferably at most 5% or 2% or 0.5% or the spacer layer is free of aluminum.
  • An indium content of the spacer layer is preferably at most 5% or 2% or 1% and / or at least 0.5% or 1%, alternatively, the spacer layer is free of indium.
  • Electron blocking layer designed multi-level. Alternatively, it is possible that the electron blocking layer composed of a plurality of spaced-apart sub-layers. An aluminum content or a mean aluminum content of the electron-blocking layer is
  • Electron blocking layer as a whole monotonically or strictly monotonically decreases.
  • the aluminum content is within the pre-barrier layer and / or the
  • Conditioning layer is preferably at least 0.1 nm or 1 nm and / or at most 5 nm or 2 nm, in particular between 1.6 nm and 2 nm inclusive. Die
  • Conditioning layer is preferably based on GaN.
  • the conditioning layer has small amounts of indium, for example at most 2% or 1%, in particular between 0.1% and 0.3% inclusive.
  • the conditioning layer may be free of aluminum.
  • the conditioning layer contains aluminum.
  • the aluminum content is the
  • Conditioning layer preferably at most 100% or 50% or 20% or 5% of the aluminum content of the nearest major barrier layer.
  • one or two conditioning layers are respectively directly to the
  • the conditioning layers on the main quantum wells can be designed in exactly the same way as the conditioning layers on the precanting pot and / or on the post-quantum well. Deviating from this, it is possible that the conditioning layers on the prequantine pot and / or on the post-quantum well are designed differently than the conditioning layers on the main quantum wells.
  • Conditioning layers per one band gap jump between the main barrier layers and the adjacent one
  • Vorquantentopf or the adjacent Hauptquantentopf divided into two smaller jumps can each amount to 50% of the larger, total band gap jump.
  • one of the two jumps is at least 25% or 35% or 40% and / or at most 45% or 40% of the total, larger band gap jump.
  • Main quantum pot or quantum pot increasing indium content may be used in the direction away from the adjacent one
  • Prequant pot or Hauptquantentopf or Nachquantentopf increasing aluminum content is present.
  • gradients is an improved crystal quality in the Semiconductor layer sequence towards the quantum wells can be achieved and / or improved electro-optical characteristics can be achieved.
  • the semiconductor layer sequence towards the quantum wells can be achieved and / or improved electro-optical characteristics can be achieved.
  • Semiconductor layer sequence exactly one Vorquantentopf and / or exactly one Nachquantentopf.
  • a plurality of pre-quantum wells and / or several post-quantum wells are present.
  • the number of pre-quantum wells and / or the Nachquantentée is preferably at a maximum of five or three.
  • Semiconductor layer sequence in the multi-quantum well structure at least four or eight or twelve and / or at most 50 or 30 or 20 of the main quantum wells.
  • the number of main quantum wells preferably exceeds a sum of the number of prequantine wells and quantum wells
  • all pairs of main barrier layers and main quantum wells as well as the optional conditioning layers are in the
  • Main quantum wells and optionally the conditioning layers are designed to vary across the multi-quantum well structure.
  • the second is
  • the main quantum wells preferably all have the same band gap within the manufacturing tolerances.
  • Figure 1 is a schematic representation of one here
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a
  • FIG. 3 shows schematic illustrations of a dependence of a brightness on a thickness ratio of FIG Main barrier layers and the pre-barrier layer of semiconductor layers described herein.
  • Figure 1 is schematically based on a course of a
  • the growth direction G extends from an n-conducting n-side 20 toward a p-conducting p-side 40.
  • the semiconductor layer sequence 2 faces one
  • Pre-barrier layer 21 has a superlattice with alternating layers.
  • the superlattice can be further layers such as buffer layers,
  • a pre-barrier layer 21 serves as a hole blocking layer.
  • a thickness of the pre-barrier layer 21 is, for example, 2.9 nm.
  • the pre-barrier layer 21 is made of AlGaN with an aluminum content of 30%, ie Alg 3Gag 7N.
  • the pre-barrier layer 21 is followed by a conditioning layer 22.
  • the conditioning layer 22 is a thin layer of low InGaN
  • Conditioning layer 22 is 1.8 nm.
  • the conditioning layer is followed by a prequantum pot not intended primarily for generating radiation
  • Pre-quantum well 23 is made of InGaN with an indium content of 5% and a thickness of 2.6 nm.
  • Pre-quantum well 23 is followed by a multiquantum well structure 3 intended for generating radiation, for example for generating near-ultraviolet radiation having a maximum intensity of wavelength between 390 nm and 395 nm.
  • a multiquantum well structure 3 intended for generating radiation, for example for generating near-ultraviolet radiation having a maximum intensity of wavelength between 390 nm and 395 nm.
  • main barrier layers 31 and main quantum wells 32 alternate.
  • Main quantum wells 32 each one of
  • the multi-quantum well structure 3 comprises, for example, 20 of the main quantum wells 32.
  • the multi-quantum well structure 3 preferably starts and ends with one of the
  • a bandgap or emission energy of the main quantum wells 32 is smaller than or equal to a band gap or emission energy of the precanting pot 23.
  • the optional conditioning layers 22 can, as illustrated in FIG. 1 as a dashed line, each have an indium gradient and / or an aluminum gradient
  • the main quantum wells 32 and the main barrier layers 31 within the multi-quantum well structure 3 are the same.
  • the main quantum wells 32 made of InGaN have, for example, a thickness of 2.6 nm and a
  • a thickness of the AlGaN main barrier layers 31 is 1.7 nm and a
  • the post-quantum well 26 may be the same as the pre-quantum well 23 and, for example, has a thickness of 2.6 nm and an indium content of 5-6
  • the along the growth direction G last of
  • Conditioning layers 22 may optionally be thicker and / or more indium-rich than the conditioning layers 22 preceding the associated quantum well 23, 32, 26 and, for example, have an indium content of at least 1% and / or not more than 15% or 6% or be indium-free and one Thickness of at least 1.5 nm or 2.2 nm and / or of at most 3.4 nm or 5 nm.
  • the Neighborrier Layer 27 is a barrier layer for electrons
  • the neighboring barrier 27 is configured identically to the pre-barrier layer 21 or may also deviate from the pre-barrier layer 21.
  • the neighboring AlGaN layer 27 has an aluminum content of 15% and a thickness of 2.9 nm.
  • the adjacent layer 27 directly follows a spacer layer 28 made of InGaN, preferably free of aluminum and of low indium content, for example
  • the thickness of the spacer layer 28 is 10 nm.
  • the spacer layer 28 follows directly the two-stage
  • the electron blocking layer 29 is 11 nm in total.
  • a mean aluminum content in the electron blocking layer 29 is 25%, with the aluminum content along the
  • Adjoining the electron blocking layer 29 is preferably a p-doped GaN layer and a contact layer, which may be formed from highly doped GaN.
  • the layers drawn in FIG. 1 preferably follow one another directly.
  • all drawn layers optionally with the exception of the conditioning layers 22 and / or the electron blocking layer 29, have a constant material composition. All along the
  • Upstream layers are preferably n-doped, and all the downstream layers are preferably p-doped.
  • the Multiquantentopftechnik 3 may be doped or undoped.
  • Multiquantentopf Korean 3 held and leakage currents are prevented. As the charge carriers even at higher
  • Vorbarriere für 21 and / or the Nachbarriere für 27 can escape from the Multiquantentopf Modell, adjusts itself to improved temperature stability. This results in a highly efficient structure by the
  • Main quantum wells 32 can be adjusted.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a
  • Semiconductor layer sequence 2 is located on a substrate 6, which may be a growth substrate.
  • the substrate 6 is a sapphire substrate with a textured outgrowth surface.
  • Semiconductor layer sequence 2 is electrically contactable via electrical contacts 5.
  • the extends are electrically contactable via electrical contacts 5.
  • FIG. 3 illustrates a brightness L in arbitrary units as a function of a quotient Q.
  • Quotient Q is given in percent and corresponds to the thickness of the main barrier layers 31 divided by the thickness of the Vorbarriere Mrs 21. According to Figure 3, the thickness of the Vorbarrieretik 21 is fixed at 3 nm, the thickness of
  • Main barrier layers 31 is varied.
  • FIG. 3A shows a profile at a current of 1 A, in FIG. 3B with the dashed line a profile at a current of 0.35 A and in the solid line in FIG. 3B for a current of 1.5 A, each with a chip area of 1 mrn ⁇ .
  • the pre-barrier layer 21 and preferably also the adjacent barrier layer 27 are approximately twice as thick as the main barrier layers 31. More specifically, the thickness of the main barrier layers 31 is between 40% and 65% inclusive, or between 45% and 60% inclusive of the pre-barrier layer 21 thickness Furthermore, it can be seen from FIGS. 3A and 3B that the

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Abstract

In einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge (2) auf AlInGaN und ist für einen optoelektronischen Halbleiterchip (1) vorgesehen und weist die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge auf, von einer n- leitenden n-Seite (20) her gesehen: - eine Vorbarriereschicht (21) aus AlGaN, - einen Vorquantentopf (23) aus InGaN mit einer ersten Bandlücke, der nicht zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist, - eine Multiquantentopfstruktur (3) mit mehreren sich abwechselnden Hauptquantentöpfen (32) aus InGaN mit einer zweiten Bandlücke und Hauptbarriereschichten (31) aus AlGaN oder AlInGaN, wobei die zweite Bandlücke größer als die erste Bandlücke ist und die Hauptquantentöpfe (32) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365nm und 490nm eingerichtet sind, und - eine Elektronenblockierschicht (29) aus AlGaN, wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Vorbarriereschicht (21) um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Hauptbarriereschichten (31).

Description

Beschreibung
Halbleiterschichtenfolge Es wird eine Halbleiterschichtenfolge angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine hochqualitative Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von kurzwelliger
Strahlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine
Halbleiterschichtenfolge mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die
Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN. Das heißt, die
einzelnen Schichten der Halbleiterschichtenfolge sind aus AlxInyGai_x_yN, wobei 0 < x < 1, 0 < y < 1 und 0 < x + y < 1. Dabei können zusätzlich Dotierstoffe wie Silizium oder
Magnesium vorhanden sein. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, In, Ga und N, aufgeführt, selbst wenn diese durch geringe Mengen anderer Elemente ersetzt sein können. Insbesondere werden nachfolgend
Verunreinigungen oder Beimengungen nicht berücksichtigt, wenn diese einen Anteil an AlInGaN von höchstens 0,1 Masse-% ausmachen . Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine Vorbarriereschicht. Die
Vorbarriereschicht ist aus AlGaN. Dabei liegt ein
Aluminiumgehalt der Vorbarriereschicht bevorzugt bei mindestens 2 % oder 20 % und/oder bei höchstens 50 % oder 40 % oder 30 %. Insbesondere liegt der Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 20 % und 30 %. Die Vorbarriereschicht ist bevorzugt frei von Indium. In diesem Zusammenhang stehen die Prozentangaben für die Indizes x, y in AlxInyGa]__x_y .
Ein Aluminiumgehalt von beispielsweise 30 % bedeutet, dass x = 0,30, entsprechendes gilt hinsichtlich y für den
Indiumgehalt . Optional ist es möglich, dass die Vorbarriereschicht geringe Mengen an Indium aufweist und damit aus AlxInyGa]__x_yN ist.
In diesem Fall gelten die oben genannten Werte für Aluminium im Falle einer AlGaN-Vorbarriereschicht in gleicher Weise. Der Indiumgehalt liegt bevorzugt bei höchstens 1 % oder 0,5 % oder 0,2 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Vorbarriereschicht eine Dicke von mindestens 1 nm oder 2,5 nm und/oder von höchstens 4 nm oder 10 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke der Vorbarriereschicht zwischen
einschließlich 2,5 nm und 3,5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge einen Vorquantentopf. Der
Vorquantentopf ist aus InGaN gebildet. Der Vorquantentopf weist eine erste Bandlücke auf, der eine erste
Emissionsenergie zuordenbar ist. Es ist möglich, dass der Vorquantentopf im bestimmungsgemäßen Gebrauch der
Halbleiterschichtenfolge nicht zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist. Das heißt, in diesem Fall wird in dem
Vorquantentopf im bestimmungsgemäßen Gebrauch der
Halbleiterschichtenfolge keine Strahlung oder kein
signifikanter Strahlungsanteil generiert und der Vorquantentopf kann als dunkler Quantentopf bezeichnet werden. Alternativ ist es möglich, dass der Vorquantentopf, etwa bei einer anderen Wellenlänge als die Hauptquantentöpfe, zur Strahlungserzeugung beiträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Vorquantentopf einen Indiumgehalt von mindestens 0,2 % oder 1 % oder 2 % auf oder ist alternativ frei von Indium.
Alternativ oder zusätzlich liegt der Indiumgehalt des
Vorquantentopfes bei höchstens 6 % oder 15 %. Insbesondere beträgt der Indiumgehalt zwischen einschließlich 4 % und 5,5 %. Besonders bevorzugt ist der Vorquantentopf frei von Aluminium . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Vorquantentopf eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,2 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 3,4 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke des Vorquantentopfs zwischen einschließlich 2,4 nm und 2,8 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine Multiquantentopfstruktur . Die Multiquantentopfstruktur beinhaltet mehrere sich abwechselnde Hauptquantentöpfe und Hauptbarriereschichten. Dabei sind die Hauptquantentöpfe bevorzugt aus InGaN und die
Hauptbarriereschichten bevorzugt aus AlGaN oder AlInGaN gebildet. Die Hauptquantentöpfe weisen eine zweite Bandlücke entsprechend einer zweiten Emissionsenergie auf, die größer als oder gleich der ersten Bandlücke des Vorquantentopfs ist. Die Hauptquantentöpfe sind zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 365 nm oder 375 nm oder 385 nm und/oder von höchstens 490 nm oder 410 nm oder 395 nm eingerichtet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe mindestens 0,2 % oder 2 % oder 4 % oder es sind die Hauptquantentöpfe alternativ frei von Indium. Alternativ oder zusätzlich liegt der Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe bei höchstens 5 % oder 15 %.
Insbesondere liegt der Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe zwischen einschließlich 5 % und 6,5 %. Die Hauptquantentöpfe sind besonders bevorzugt frei von Aluminium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Hauptquantentöpfe eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder
2,2 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 3,4 nm auf.
Insbesondere liegt die Dicke der Hauptquantentöpfe zwischen einschließlich 2,4 nm und 2,8 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Hauptbarriereschichten einen Aluminiumgehalt von mindestens 2 % oder 10 % und/oder von höchstens 20 % oder 30 % auf.
Insbesondere liegt der Aluminiumgehalt der
Hauptbarriereschichten zwischen einschließlich 12 % und 18 %. Bevorzugt sind die Hauptbarriereschichten frei von Indium, können aber auch einen geringen Indiumanteil von höchstens 1 % oder 0,5 % oder 0,2 % aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Hauptbarriereschichten eine Dicke von mindestens 0,5 nm oder 0,9 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 2,3 nm auf.
Insbesondere liegt die Dicke der Hauptbarriereschichten zwischen einschließlich 1,5 nm und 2 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge eine Elektronenblockierschicht. Die Elektronenblockierschicht ist aus AlGaN gebildet und kann frei von Indium sein oder einen kleinen Indium-Anteil, beispielsweise höchstens 0,5 % oder 1 % oder 2 %, aufweisen. Eine Dicke der Elektronenblockierschicht beträgt bevorzugt mindestens 6 nm oder 8 nm oder 10 nm und/oder höchstens 20 nm oder 15 nm oder 12 nm. Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Aluminiumgehalt oder ein mittlerer Aluminiumgehalt der
Elektronenblockierschicht bei mindestens 15 % oder 20 % oder 30 % und/oder bei höchstens 80 % oder 70 % oder 60 % liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Vorbarriereschicht um mindestens einen Faktor 1,3 größer als ein Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Hauptbarriereschichten oder der nächstgelegenen Hauptbarriereschicht. Bevorzugt liegt dieser Faktor bei mindestens 1,5 oder 2 oder 2,5 oder 3.
Weiterhin ist es möglich, dass dieser Faktor bei höchstens 7 oder 5 oder 4 liegt. In mindestens einer Ausführungsform basiert die
Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN und ist für einen optoelektronischen Halbleiterchip, insbesondere eine
Leuchtdiode oder eine Laserdiode, vorgesehen. Die
Halbleiterschichtenfolge weist die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge auf, von einer n-leitenden n-Seite her gesehen:
eine Vorbarriereschicht aus AlGaN,
einen Vorquantentopf aus InGaN mit einer ersten
Bandlücke,
- eine Multiquantentopfstruktur mit mehreren sich
abwechselnden Hauptquantentöpfen aus InGaN mit einer zweiten Bandlücke und Hauptbarriereschichten aus AlGaN oder AlInGaN, wobei die zweite Bandlücke größer als die erste Bandlücke oder gleich der ersten Bandlücke ist und die
Hauptquantentöpfe zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 490 nm eingerichtet sind, und
- einer Elektronenblockierschicht aus AlGaN,
wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Vorbarriereschicht um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Hauptbarriereschichten oder der nächstgelegenen
Hauptbarriereschicht.
Speziell für Leuchtdioden für den UVA-Spektralbereich führt ein zu hoher Aluminiumgehalt bei gleichzeitig reduziertem Indiumgehalt in den optisch aktiven Schichten, insbesondere in den Quantenfilmen oder Quantentöpfen, zu tensil
verspannten Schichtstapeln. Dies kann beispielsweise zu einer Rissbildung und damit zu Qualitätsproblemen führen,
insbesondere bei substratlosen Dünnfilmleuchtdioden . Des Weiteren ist zu beachten, dass ein Ladungsträgertransport und ein Ladungsträgereinfangen an den Quantentrögen durch die Zugabe von Aluminium in den Barrieren zwischen den
Quantentrögen eingestellt werden muss. Zu hohe
Aluminiumkonzentrationen wirken sich nachteilig auf eine homogene Ladungsträgerverteilung in der
Mehrfachquantentopfstruktur aus. Ist der Aluminiumgehalt zu niedrig, nehmen insbesondere bei hohen Stromdichten und bei höheren Temperaturen nicht strahlende Verluste aufgrund einer zu geringen Ladungsträgereinfangrate zu. Dabei ist es möglich, dass sowohl Elektronen als auch Löcher die
Multiquantentopfstruktur verlassen, um anschließend in angrenzenden Schichten nichtstrahlend zu rekombinieren. Die hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge weist eine Kombination aus der Vorbarriereschicht und dem Vorquantentopf und bevorzugt auch aus einer Nachbarriereschicht und einem Nachquantentopf auf. Die Vorbarriereschicht, die
Nachbarriereschicht, der Vorquantentopf und der
Nachquantentopf befinden sich im direkten Umfeld der
Multiquantentopfstruktur . Durch den höheren Aluminiumgehalt und/oder die größere Dicke der Vorbarriereschicht und/oder der Nachbarriereschicht wären aufgrund von piezoelektrischen Feldern Übergangsenergien, entsprechend Bandlücken, direkt angrenzender Quantentöpfe energetisch niedriger, was zu einer ungleichmäßigen Ladungsträgerverteilung innerhalb der
Quantentöpfe führen würde.
Aufgrund dessen sind bei der hier beschriebenen
Halbleiterschichtenfolge die direkt an die
Multiquantentopfstruktur und an die Vorbarriereschicht und die Nachbarriereschicht angrenzenden Vorquantentöpfe und Nachquantentöpfe mit weniger Indium und/oder einer geringeren Schichtdicke gewachsen. Alternativ können diese bei geeignet großem piezoelektrischem Effekt auch dünner bei
vergleichbarem Indiumgehalt sein. Zudem weisen die
Hauptbarriereschichten zwischen den Hauptquantentöpfen eine geringere Dicke und/oder einen geringeren Aluminiumgehalt auf als die Vorbarriereschicht und die Nachbarriereschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Indiumgehalt und/oder eine Dicke des Vorquantentopfs kleiner als ein
Indiumgehalt und/oder eine Dicke der Hauptquantentöpfe.
Beispielsweise unterscheiden sich der Indiumgehalt und/oder die Dicke um mindestens 5 % oder 10 % und/oder um höchstens 40 % oder 25 % voneinander, bezogen auf die Dicke und/oder den Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe. Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließt sich in
Richtung weg von der n-Seite an die Multiquantentopfstruktur ein Nachquantentopf an. Der Nachquantentopf weist eine dritte Bandlücke auf, die kleiner ist als die zweite Bandlücke der Hauptquantentöpfe. Der Nachquantentopf kann genauso gestaltet sein wie der Vorquantentopf, sodass die dritte Bandlücke gleich der ersten Bandlücke sein kann. Die obigen Angaben hinsichtlich Dicke, Indiumgehalt und Aluminiumgehalt zum Vorquantentopf gelten daher in gleicher Weise für den
Nachquantentopf. Alternativ ist es möglich, dass der
Vorquantentopf und der Nachquantentopf voneinander
verschieden gestaltet sind. Insbesondere ist der Nachquantentopf frei von Aluminium und liegt dessen Indiumgehalt bei mindestens 0,2 % oder 1 % und/oder bei höchstens 6 % oder 15 % oder ist frei von
Indium. Insbesondere beträgt der Indiumgehalt zwischen einschließlich 4 % und 5,5 %. Zum Beispiel weist der
Nachquantentopf eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,2 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 3,4 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke des Vorquantentopfs zwischen einschließlich 2,4 nm und 2,8 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt der
Multiquantentopfstruktur in Richtung weg von der n-Seite eine Nachbarriereschicht nach. Die Nachbarriereschicht ist aus AlGaN oder AlInGaN hergestellt. Die Nachbarriereschicht kann genauso gestaltet sein wie die Vorbarriereschicht. Die oben genannten Ausführungen hinsichtlich Dicke, Zusammensetzung und Bandlücke zur Vorbarriereschicht gelten bevorzugt genauso für die Nachbarriereschicht. Bevorzugt folgt die
Nachbarriereschicht auf den Nachquantentopf, sodass sich der Nachquantentopf zwischen der Multiquantentopfstruktur und der Nachbarriereschicht befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt in Richtung weg von der n-Seite die Elektronenblockierschicht der
Nachbarriereschicht nach. Dabei weist die
Elektronenblockierschicht für Elektronen bevorzugt eine um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 3 und/oder um
höchstens einen Faktor 10 oder 6 oder 4 größere Dicke auf als die Nachbarriereschicht. Bevorzugt ist auch die Barrierenhöhe der Elektronenblockierschicht mindestens gleich, besonders bevorzugt um zumindest einen Faktor 1,25 oder 1,5 oder 2 höher als die der Nachbarriereschicht. Mit anderen Worten blockiert die Elektronenblockierschicht Elektronen stärker als die Nachbarriereschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der Elektronenblockierschicht und der Nachbarriereschicht eine Abstandsschicht. Bevorzug grenzt die Abstandsschicht direkt an die Elektronenblockierschicht und/oder an die
Nachbarriereschicht. Die Abstandsschicht ist aus GaN oder InGaN oder AlGaN oder AlInGaN. Bevorzugt liegt eine Dicke der Abstandsschicht bei mindestens 5 nm oder 8 nm und/oder bei höchstens 20 nm oder 15 nm oder 12 nm. Ein Aluminiumgehalt der Abstandsschicht liegt bevorzugt bei höchstens 5 % oder 2 % oder 0,5 % oder die Abstandsschicht ist frei von Aluminium. Ein Indiumgehalt der Abstandsschicht liegt bevorzugt bei höchstens 5 % oder 2 % oder 1 % und/oder bei mindestens 0,5 % oder 1 %, alternativ ist die Abstandsschicht frei von Indium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Elektronenblockierschicht mehrstufig gestaltet. Alternativ ist es möglich, dass die Elektronenblockierschicht aus mehreren voneinander beabstandeten Teilschichten zusammengesetzt ist. Ein Aluminiumgehalt oder ein mittlerer Aluminiumgehalt der Elektronenblockierschicht beträgt
bevorzugt mindestens 15 %. Es ist möglich, dass in Richtung weg von der n-Seite der Aluminiumgehalt in den Teilschichten der Elektronenblockierschicht oder für die
Elektronenblockierschicht insgesamt betrachtet monoton oder streng monoton abfällt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Aluminiumgehalt innerhalb der Vorbarriereschicht und/oder der
Hauptbarriereschichten und/oder der Nachbarriereschicht konstant, insbesondere im Rahmen der Herstellungstoleranzen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der
Indiumgehalt in dem Vorquantentopf, den Hauptquantentöpfen und dem Nachquantentopf konstant ist, wiederum im Rahmen der Herstellungstoleranzen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich an einer oder an beiden Seiten des Vorquantentopfes eine
Konditionierungsschicht. Eine Dicke der
Konditionierungsschicht liegt bevorzugt bei mindestens 0,1 nm oder 1 nm und/oder bei höchstens 5 nm oder 2 nm, insbesondere zwischen einschließlich 1,6 nm und 2 nm. Die
Konditionierungsschicht basiert bevorzugt auf GaN. Alternativ ist es möglich, dass die Konditionierungsschicht geringe Mengen an Indium aufweist, beispielsweise höchstens 2 % oder 1 %, insbesondere zwischen einschließlich 0,1 % und 0,3 %. Die Konditionierungsschicht kann frei von Aluminium sein.
Alternativ ist es möglich, dass die Konditionierungsschicht Aluminium enthält. Dabei liegt der Aluminiumgehalt der
Konditionierungsschicht bevorzugt bei höchstens 100 % oder 50 % oder 20 % oder 5 % des Aluminiumgehalts der nächstgelegenen Hauptbarriereschicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine oder sind zwei Konditionierungsschichten jeweils direkt an den
Hauptquantentöpfen vorhanden. Die Konditionierungsschichten an den Hauptquantentöpfen können genauso gestaltet sein wie die Konditionierungsschichten an dem Vorquantentopf und/oder an dem Nachquantentopf. Abweichend hiervon ist es möglich, dass die Konditionierungsschichten an dem Vorquantentopf und/oder an dem Nachquantentopf anders gestaltet sind als die Konditionierungsschichten an den Hauptquantentöpfen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch die
Konditionierungsschichten je ein Bandlückensprung zwischen den Hauptbarriereschichten und dem angrenzenden
Vorquantentopf oder dem angrenzenden Hauptquantentopf in zwei kleinere Sprünge aufgeteilt. Die beiden kleineren Sprünge können jeweils 50 % des größeren, gesamten Bandlückensprungs betragen. Alternativ liegt einer der beiden Sprünge bei mindestens 25 % oder 35 % oder 40 % und/oder bei höchstens 45 % oder 40 % des gesamten, größeren Bandlückensprungs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Konditionierungsschichten oder ein Teil der
Konditionierungsschichten einen Indium-Gradienten mit in Richtung hin zu dem angrenzenden Vorquantentopf oder
Hauptquantentopf oder Nachquantentopf steigenden Indiumgehalt auf. Alternativ oder zusätzlich gilt, dass ein Aluminium- Gradient mit in Richtung weg von dem angrenzenden
Vorquantentopf oder Hauptquantentopf oder Nachquantentopf steigenden Aluminiumgehalt vorliegt. Durch solche Gradienten ist eine verbesserte Kristallqualität in der Halbleiterschichtenfolge hin zu den Quantentöpfen erzielbar und/oder es sind verbesserte elektrooptische Charakteristika erreichbar . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge genau einen Vorquantentopf und/oder genau einen Nachquantentopf auf. Alternativ sind mehrere Vorquantentöpfe und/oder mehrere Nachquantentöpfe vorhanden. Die Anzahl der Vorquantentöpfe und/oder der Nachquantentöpfe liegt bevorzugt je bei höchstens fünf oder drei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge in der Multiquantentopfstruktur mindestens vier oder acht oder zwölf und/oder höchstens 50 oder 30 oder 20 der Hauptquantentöpfe auf. Die Anzahl der Hauptquantentöpfe übersteigt eine Summe aus der Anzahl an Vorquantentöpfen und Nachquantentöpfen bevorzugt um
mindestens einen Faktor 2 oder 4 oder 8. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Paare aus Hauptbarriereschichten und Hauptquantentöpfen sowie den optional vorhandenen Konditionierungsschichten in der
Multiquantentopfstruktur gleich gestaltet. Alternativ ist es möglich, dass die Hauptbarriereschichten und die
Hauptquantentöpfe und optional die Konditionierungsschichten über die Multiquantentopfstruktur hinweg variierend gestaltet sind .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Vorbarriereschicht und optional die Nachbarriereschicht sowie die Hauptbarriereschichten den gleichen Aluminiumgehalt auf, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 20 % oder 10 % oder 2 % oder im Rahmen der Herstellungsgenauigkeiten. Mit anderen Worten unterscheiden sich dann lediglich die Dicken der Hauptbarriereschichten von den Dicken der
Vorbarriereschicht und/oder der Nachbarriereschicht . Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die zweite
Bandlücke der Hauptquantentöpfe je bei mindestens 70 % oder 80 % oder 85 % und/oder bei höchstens 95 % oder 90 % oder 85 % der ersten Bandlücke des Vorquantentopfs und/oder des Nachquantentopfs. Die Hauptquantentöpfe weisen bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranzen alle die gleiche Bandlücke auf .
Nachfolgend wird eine hier beschriebene
Halbleiterschichtenfolge unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer hier
beschriebenen Halbleiterschichtenfolge anhand eines Verlaufs einer Bandlücke,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines Halbleiterchips mit einer hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge, und
Figur 3 schematische Darstellungen einer Abhängigkeit einer Helligkeit von einem Dickenverhältnis der Hauptbarriereschichten und der Vorbarriereschicht von hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolgen .
In Figur 1 ist schematisch anhand eines Verlaufs einer
Bandlücke entlang einer Wachstumsrichtung G ein
Ausführungsbeispiel einer Halbleiterschichtenfolge 2
illustriert. Die Wachstumsrichtung G verläuft von einer n- leitenden n-Seite 20 hin zu einer p-leitenden p-Seite 40. Optional weist die Halbleiterschichtenfolge 2 vor einer
Vorbarriereschicht 21 ein Übergitter mit sich abwechselnden Schichten auf. Entlang der Wachstumsrichtung G können dem Übergitter weitere Schichten wie Pufferschichten,
Nukleationsschichten oder Wachstumsschichten vorangehen, wobei diese Schichten zur Vereinfachung der Darstellung in Figur 1 nicht illustriert sind.
Eine Vorbarriereschicht 21 dient als Löcherblockierschicht. Eine Dicke der Vorbarriereschicht 21 liegt zum Beispiel bei 2,9 nm. Die Vorbarriereschicht 21 ist aus AlGaN mit einem Aluminiumgehalt von 30 %, also aus Alg 3Gag 7N.
Der Vorbarriereschicht 21 folgt eine Konditionierungsschicht 22 nach. Bei der Konditionierungsschicht 22 handelt es sich um eine dünne Schicht aus InGaN mit einem geringen
Indiumgehalt von 0,2 %. Eine Dicke der
Konditionierungsschicht 22 liegt bei 1,8 nm.
Auf die Konditionierungsschicht folgt ein nicht primär zur Strahlungserzeugung vorgesehener Vorquantentopf 23. Der
Vorquantentopf 23 ist aus InGaN mit einem Indiumanteil von 5 % und mit einer Dicke von 2,6 nm. Auf den Vorquantentopf 23 folgt eine Multiquantentopfstruktur 3, die zur Strahlungserzeugung vorgesehen ist, beispielsweise zur Erzeugung von nah-ultravioletter Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 390 nm und 395 nm. In der Multiquantentopfstruktur 3 wechseln Hauptbarriereschichten 31 und Hauptquantentöpfe 32 einander ab .
Bevorzugt befindet sich dabei zwischen benachbarten
Hauptbarriereschichten 31 und den zugehörigen
Hauptquantentöpfen 32 jeweils eine der
Konditionierungsschichten 22. Dabei können alle
Konditionierungsschichten 22 gleich zueinander gestaltet sein. Die Multiquantentopfstruktur 3 umfasst beispielsweise 20 der Hauptquantentöpfe 32. Bevorzugt beginnt und endet die Multiquantentopfstruktur 3 mit einer der
Hauptbarriereschichten 31.
Eine Bandlücke oder Emissionsenergie der Hauptquantentöpfe 32 ist dabei kleiner als oder genauso groß wie eine Bandlücke oder Emissionsenergie des Vorquantentopfs 23.
Die optional vorhandenen Konditionierungsschichten 22 können, wie in Figur 1 als Strichlinie veranschaulicht, je einen Indiumgradienten und/oder einen Aluminiumgradienten
aufweisen, sodass in den Konditionierungsschichten 22 der Verlauf der Bandenergie schräg zur Wachstumsrichtung G orientiert ist und sodass ein gleichmäßigerer Übergang der Bandlücke von den zugehörigen Barriereschichten 21, 31, 27 hin zu den nach Quantentöpfen 23, 32, 26 ermöglicht ist.
Insbesondere können die Konditionierungsschichten 22
symmetrisch zu dem zugehörigen Quantentopf 23, 32, 26
gestaltet sein. Die Hauptquantentöpfe 32 und die Hauptbarriereschichten 31 innerhalb der Multiquantentopfstruktur 3 sind gleich
zueinander gestaltet. Die Hauptquantentöpfe 32 aus InGaN weisen zum Beispiel eine Dicke von 2,6 nm und einen
Indiumgehalt θΠ 6 "6 auf. Eine Dicke der AlGaN- Hauptbarriereschichten 31 liegt bei 1,7 nm und ein
Aluminiumgehalt bei 15 %. Unmittelbar auf die letzte Hauptbarriereschicht 31 und die zugehörige Konditionierungsschicht 22 folgt ein
Nachquantentopf 26 nach. Der Nachquantentopf 26 kann genauso gestaltet sein wie der Vorquantentopf 23 und zum Beispiel eine Dicke von 2,6 nm und einen Indiumgehalt von 5 ~6
aufweisen. Auch beiderseits des Nachquantentopfs 26 befinden sich die Konditionierungsschichten 22.
Die entlang der Wachstumsrichtung G letzte der
Konditionierungsschichten 22 oder alle dem zugehörigen
Quantentopf 23, 32, 26 nachfolgenden
Konditionierungsschichten 22 können optional dicker und/oder indiumreicher sein als die dem zugehörigen Quantentopf 23, 32, 26 vorangehenden Konditionierungsschichten 22 und zum Beispiel einen Indiumgehalt von mindestens 1 % und/oder von höchstens 15 % oder 6 % aufweisen oder frei von Indium sein und eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,2 nm und/oder von höchstens 3,4 nm oder 5 nm haben.
Besonders bevorzugt befindet sich direkt nach der letzten Konditionierungsschicht 22, die dem Nachquantentopf 26 entlang der Wachstumsrichtung G nachfolgt, eine
Nachbarriereschicht 27. Bei der Nachbarriereschicht 27 handelt es sich um eine Barriereschicht für Elektronen mit einer relativ geringen Barrierenhöhe, verliehen mit einer nachfolgenden Elektronenblockierschicht 29. Beispielsweise ist die Nachbarriere 27 identisch zur Vorbarriereschicht 21 gestaltet oder kann auch von der Vorbarriereschicht 21 abweichen. Gemäß Figur 1 weist die AlGaN-Nachbarriereschicht 27 einen Aluminiumgehalt von 15 % und eine Dicke von 2,9 nm auf .
Der Nachbarriereschicht 27 folgt direkt eine Abstandsschicht 28 nach, die aus InGaN ist und bevorzugt frei von Aluminium ist und einem geringen Indiumgehalt von zum Beispiel
höchstens 1% aufweist. Die Dicke der Abstandsschicht 28 liegt bei 10 nm. Der Abstandsschicht 28 folgt direkt die zweistufige
Elektronenblockierschicht 29 nach. Die Dicke der
Elektronenblockierschicht 29 liegt insgesamt bei 11 nm. Ein mittlerer Aluminiumgehalt in der Elektronenblockierschicht 29 liegt bei 25 %, wobei der Aluminiumgehalt entlang der
Wachstumsrichtung G stufenförmig abfällt.
An die Elektronenblockierschicht 29 schließt sich bevorzugt eine p-dotierten GaN-Schicht an sowie eine Kontaktschicht, die aus hochdotiertem GaN gebildet sein kann.
Die in Figur 1 gezeichneten Schichten folgen bevorzugt direkt aufeinander. Bevorzugt weisen alle gezeichneten Schichten, optional mit Ausnahme der Konditionierungsschichten 22 und/oder der Elektronenblockierschicht 29, eine konstante Materialzusammensetzung auf. Alle entlang der
Wachstumsrichtung 3 der Multiquantentopfstruktur 3
vorgeordneten Schichten sind bevorzugt n-dotiert und alle nachgeordneten Schichten sind bevorzugt p-dotiert. Die Multiquantentopfstruktur 3 kann dotiert oder auch undotiert sein .
Bei der hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge können aufgrund insbesondere der Vorbarriereschicht 21 und der optionalen Nachbarriereschicht 27, insbesondere in
Kombination mit dem Vorquantentopf 23 und/oder dem
Nachquantentopf 26, die Hauptbarriereschichten 31 dünner ausgeführt werden, wodurch für die erzeugte Strahlung eine höhere Transparenz im Bereich der Multiquantentopfstruktur 3 erzielbar ist. Es zeigen sich weiterhin signifikante Vorteile bei höheren Stromdichten, da die Ladungsträger besser über die Hauptquantentöpfe 32 verteilt werden können. Dennoch werden durch die Vorbarriereschicht 21 und die
Nachbarriereschicht 27 die Ladungsträger in der
Multiquantentopfstruktur 3 gehalten und Leckströme werden verhindert. Da die Ladungsträger selbst bei höheren
Umgebungstemperaturen nicht signifikant über die
Vorbarriereschicht 21 und/oder die Nachbarriereschicht 27 aus der Multiquantentopfstruktur entweichen können, stellt sich eine verbesserte Temperaturstabilität ein. Dadurch ergibt sich eine hocheffiziente Struktur, die durch den
Aluminiumgehalt und die Dicke der Hauptbarriereschichten 31 und der Vorbarriereschicht 21 sowie der Nachbarriereschicht 27 auf die jeweilig gewünschte Emissionswellenlänge der
Hauptquantentöpfe 32 angepasst werden kann.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines
optoelektronischen Halbleiterchips 1 illustriert, der eine solche Halbleiterschichtenfolge 2 aufweist. Die
Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich an einem Substrat 6, bei dem es sich um ein Aufwachssubstrat handeln kann.
Beispielsweise ist das Substrat 6 ein Saphirsubstrat mit einer strukturierten Auswachsoberfläche. Die
Halbleiterschichtenfolge 2 ist über elektrische Kontakte 5 elektrisch kontaktierbar . Bevorzugt erstreckt sich die
Halbleiterschichtenfolge 2 in gleichbleibender
Zusammensetzung über das gesamte Substrat 6 hinweg.
In Figur 3 ist eine Helligkeit L in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von einem Quotienten Q illustriert. Der
Quotient Q ist in Prozent angegeben und entspricht der Dicke der Hauptbarriereschichten 31 geteilt durch die Dicke der Vorbarriereschicht 21. Gemäß Figur 3 liegt dabei die Dicke der Vorbarriereschicht 21 fest bei 3 nm, die Dicke der
Hauptbarriereschichten 31 ist variiert.
In Figur 3A ist dabei ein Verlauf bei einem Strom von 1 A dargestellt, in Figur 3B mit der Strich-Linie ein Verlauf bei einem Strom von 0,35 A und in der durchgezogenen Linie in Figur 3B für einen Strom von 1,5 A, je bei einer Chipfläche von 1 mrn^ .
Aus den Figuren 3A und 3B ist zu erkennen, dass für einen Wert des Quotienten Q von 50 % bis 60 % ein Optimum erreicht ist. Das heißt, die Vorbarriereschicht 21 und bevorzugt auch die Nachbarriereschicht 27 sind in etwa doppelt so dick wie die Hauptbarriereschichten 31. Insbesondere liegt die Dicke der Hauptbarriereschichten 31 zwischen einschließlich 40 % und 65 % oder zwischen einschließlich 45 % und 60 % der Dicke der Vorbarriereschicht 21. Ferner ist aus den Figuren 3A und 3B zu sehen, dass der
Quotient Q für höhere Ströme einen ausgeprägteren Abfall hin zu dickeren Hauptbarriereschichten 31 aufzeigt. Das heißt, mit den hier beschriebenen Vorbarriereschichten 21 und Hauptbarriereschichten 31 ist insbesondere bei höheren
Stromdichten eine verbesserte Effizienz erzielbar.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung 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 .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 117 477.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 optoelektronischer Halbeiterchip
2 Halbleiterschichtenfolge
20 n-Seite
21 Vorbarriereschicht
22 Konditionierungsschicht
23 Vorquantentopf
26 Nachquantentopf
27 Nachbarriereschicht
28 Abstandsschicht
29 Elektronenblockierschicht
3 Multiquantentopfstruktur
31 Hauptbarriereschicht
32 Hauptquantentopf
40 p-Seite
5 elektrischer Kontakt
6 Substrat
G Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge
L Helligkeit in willkürlichen Einheiten (a.u.)
Q Quotient aus der Dicke der Hauptbarriereschichten und der Dicke der Vor- oder der Nachbarriereschicht

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterschichtenfolge (2) auf Basis von AlInGaN für einen optoelektronischen Halbeiterchip (1) mit den folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge von einer n-Seite (20) her:
- einer Vorbarriereschicht (21) aus AlGaN,
- einem Vorquantentopf (23) aus InGaN mit einer ersten
Bandlücke,
- einer Multiquantentopfstruktur (3) mit mehreren sich abwechselnden Hauptquantentöpfen (32) aus InGaN mit einer zweiten Bandlücke und Hauptbarriereschichten (31) aus AlGaN oder AlInGaN, wobei die zweite Bandlücke kleiner als die erste Bandlücke ist und die Hauptquantentöpfe (32) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 490 nm
eingerichtet sind, und
- einer Elektronenblockierschicht (29) aus AlGaN,
wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Vorbarriereschicht (21) um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Hauptbarriereschichten (31).
2. Halbleiterschichtenfolge (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei der die Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 395 nm liegt,
wobei das Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Vorbarriereschicht (21) um mindestens einen Faktor 1,25 und um höchstens einen Faktor 5 größer ist als das Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Hauptbarriereschichten (31) ,
wobei der Vorquantentopf (23) nicht oder nicht primär zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist, und
wobei ein Indiumgehalt und/oder eine Dicke des
Vorquantentopfs (23) kleiner sind als ein Indiumgehalt und/oder eine Dicke der Hauptquantentöpfe (32) .
3. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der sich in Richtung weg von der n-Seite (20) an die Multiquantentopfstruktur (3) ein Nachquantentopf (26) mit einer dritten Bandlücke anschließt und die dritte Bandlücke größer ist als die zweite Bandlücke der Hauptquantentöpfe (32) .
4. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der ein Aluminiumgehalt der Elektronenblockierschicht (29) bei mindestens 20 % und eine Dicke der
Elektronenblockierschicht (29) bei mindestens 8 nm und höchstens 15 nm liegt.
5. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Elektronenblockierschicht (29) mehrstufig ist und der Aluminiumgehalt der Elektronenblockierschicht (29) in Richtung weg von der n-Seite (20) monoton oder streng monoton abfällt .
6. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der in Richtung weg von der n-Seite (20) der
Multiquantentopfstruktur (3) eine Nachbarriereschicht (27) aus AlGaN oder AlInGaN nachfolgt,
wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Nachbarriereschicht (27) um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als das Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Hauptbarriereschichten (31).
7. Halbleiterschichtenfolge (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei der in Richtung weg von der n-Seite (20) die
Elektronenblockierschicht (29) der Nachbarriereschicht (27) nachfolgt und sich unmittelbar zwischen der
Elektronenblockierschicht (29) der Nachbarriereschicht (27) eine Abstandsschicht (28) aus GaN oder AlGaN oder AlInGaN mit einer Dicke zwischen einschließlich 5 nm und 15 nm und einem Aluminiumgehalt von höchstens 5 % befindet,
wobei die Elektronenblockierschicht (29) für Elektronen eine um mindestens einen Faktor 1,5 dickere und/oder höhere
Barriere darstellt als die Nachbarriereschicht (27).
8. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
bei der der Aluminiumgehalt innerhalb der Vorbarriereschicht (21), der Hauptbarriereschichten (31) und der
Nachbarriereschicht (27) sowie der Indiumgehalt in dem
Vorquantentopf (23), den Hauptquantentöpfen (32) und dem Nachquantentopf (26) je konstant ist.
9. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der sich direkt beiderseits des Vorquantentopfs (23) und direkt beiderseits der Hauptquantentöpfe (32) je eine
Konditionierungsschicht (22) befindet,
wobei die Konditionierungsschichten (22) je zwischen
einschließlich 1 nm und 2 nm dick sind, und
wobei durch die Konditionierungsschichten (22) je ein
Bandlückensprung zwischen den Hauptbarriereschichten (31) und dem angrenzenden Vorquantentopf (23) oder Hauptquantentopf (32) in zwei kleinere Sprünge aufgeteilt ist.
10. Halbleiterschichtenfolge (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei der die Konditionierungsschichten (22) einen
Indiumgradienten mit in Richtung hin zu dem angrenzenden Vorquantentopf (23) oder Hauptquantentopf (32) steigenden Indiumgehalt und/oder einen Aluminiumgradienten mit in
Richtung weg von dem angrenzenden Vorquantentopf (23) oder Hauptquantentopf (32) steigenden Aluminiumgehalt aufweisen.
11. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Hauptbarriereschichten (31) eine Dicke zwischen einschließlich 0,9 nm und 2,3 nm und einen Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 10 % und 20 % aufweisen,
wobei die genau eine Vorbarriereschicht (21) eine Dicke zwischen einschließlich 2,5 nm und 4 nm und einen
Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 20 % und 40 % aufweist .
12. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der der genau eine Vorquantentopf (23) eine Dicke zwischen einschließlich 2,2 nm und 3,4 nm und einen
Indiumgehalt zwischen einschließlich 0,5 % und 6 % aufweist, wobei die mindestens vier und höchstens 30 Hauptquantentöpfe (32) je eine Dicke zwischen einschließlich 2,2 nm und 3,4 nm und einen Indiumgehalt zwischen einschließlich 1 % und 7 % aufweisen .
13. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Bandlücke der Hauptquantentöpfe (32) zwischen einschließlich 80 % und 95 % der ersten Bandlücke des Vorquantentopfs (23) beträgt.
14. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der alle Paare aus Hauptbarriereschichten (31) und Hauptquantentöpfen (32) in der Multiquantentopfstruktur (3) gleich gestaltet sind.
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