WO2021013740A1 - Optoelektronischer halbleiterchip - Google Patents

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WO2021013740A1
WO2021013740A1 PCT/EP2020/070332 EP2020070332W WO2021013740A1 WO 2021013740 A1 WO2021013740 A1 WO 2021013740A1 EP 2020070332 W EP2020070332 W EP 2020070332W WO 2021013740 A1 WO2021013740 A1 WO 2021013740A1
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sub
layers
area
layer
semiconductor chip
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PCT/EP2020/070332
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Alexander TONKIKH
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • An optoelectronic semiconductor chip is specified.
  • One problem to be solved is to provide an optoelectronic semiconductor chip which has a high efficiency.
  • This task is carried out, among other things, by a
  • the semiconductor layer sequence is preferably grown epitaxially.
  • the semiconductor layer sequence is particularly preferably based on the InGaAlPAs material system. That is, the
  • Semiconductor layers include both In and Ga as well as Al and P. As is optionally present.
  • a semiconductor layer sequence with an active zone based on AlInGaN or based on can in principle also be used
  • AlInGaAs can be used.
  • the active zone is between the first and the second
  • the first layer area can consist of a single semiconductor layer or of several
  • Semiconductor layers can differ in their material composition and / or doping.
  • the active zone is preferably one
  • the active zone preferably comprises several elements
  • Quantum well layers and the barrier layers are arranged alternately.
  • the active zone is in particular for
  • the second layer area comprises a first sub-area.
  • Partial area is preferably located directly on the active zone, in particular adjacent to a last barrier layer of the MQW.
  • the first sub-area is made of p-conducting In v Al ] __ v P. It is possible for the first sub-area and the active zone to be congruent when viewed from above.
  • the second layer region which is p-doped, comprises a second partial region.
  • the second which is thus also p-doped, preferably follows
  • the first sub-area is therefore located within the second layer area, preferably directly between the second sub-area and the active zone.
  • the second sub-area comprises p-conducting Iny (Ga x Al ] __ x ) i-yP or consists of this.
  • the second layer area comprises a third sub-area.
  • the third sub-area preferably immediately follows the second sub-area, so that the second sub-area is between the first
  • Sub-area and the third sub-area is located.
  • the three partial areas are preferably seen in plan view
  • the third is
  • Partial area designed as a p-contact layer. That is to say that the third partial area is preferably a last layer of the second layer area, in the direction away from the active zone.
  • the semiconductor layer sequence has an n-conducting first layer region, a p-conducting second layer region and an active zone in between for generating radiation.
  • Layer area comprises a first partial area directly on the active zone made of p-conductive In v Al ] __ v P. Furthermore, the second layer area includes a second partial area directly on the first partial area with p-conductive Iny (Ga x Al ] __ x ) i-yP . Furthermore, the second layer area comprises a third sub-area as a p-contact layer directly on the second sub-area.
  • Efficient red-emitting light-emitting diodes can be made from the semiconductor material InGaAlP.
  • a preferred undoped active zone is made of InGaAlP in a multi-quantum well structure in which the red light is generated. This active zone is preferably located between an n-doped InAlP layer and a p-doped InAlP layer with a large band gap relative to the active zone.
  • p-doped InAlP has poor electrical conductivity. This is particularly due to the very large masses of
  • InAlP can only be provided with p-dopants such as Mg or Zn to a certain extent.
  • Thin film LED is present.
  • Thin film means that one
  • Growth substrate is removed from the semiconductor layer sequence.
  • a p-doped InAlP layer causes problems, such a layer cannot be completely replaced, since otherwise the electron-blocking properties of this p-InAlP layer are lost. This would make a light-emitting diode inefficient at medium and high current densities. If only a thickness of the p-InAlP layer is reduced, relatively high radiation losses occur, for example at a C- doped AlGaAs layer or GaP layer as a contact layer, which also reduces the efficiency of a light-emitting diode.
  • p-InGaAlP layer In the semiconductor chip described here, part of an otherwise present, relatively thick p-InAlP layer is replaced by a p-InGaAlP layer.
  • a band gap of this p-InGaAlP layer is preferably larger than one
  • Layer area of the semiconductor chip which is associated with increased electro-optical efficiency, also referred to as wall plug efficiency or WPE for short.
  • a single p-InGaAlP layer is present as the second partial region, which replaces part of the otherwise present, thick p-InAlP layer on the active zone.
  • the second partial area has a thickness of more than 10 nm, in particular of more than 0.1 gm or 0.3 gm.
  • the second sub-area preferably exhibits little or no lattice mismatch
  • the underlying LED structure which preferably has the lattice parameters of a GaAs substrate.
  • the advantage of the lower resistance of the p-InGaAlP layer is due in particular to the lower activation energy of charge carriers compared to p-InAlP.
  • the activation energy, Ea for short, for holes in p-InAlP: Mg is 57 meV, whereas this value for p-InGaP is only 20 meV.
  • each of the p-InGaAlP layers preferably has a thickness of greater than 10 nm, these layers preferably having little or no thickness
  • Subarea several p-InGaAlP layers, which in turn replace part of the p-InAlP layer.
  • Each of the p-InGaAlP layers of the second partial region has a thickness of less than 10 nm.
  • the benefit is one maintained low activation energy of p-InGaAlP, an additional advantage can be obtained if these thin p-InGaAlP layers as pseudomorphic
  • braced in particular tension braced, grown.
  • an upper edge of a valence band of the tensile strained p-InGaAlP layers is formed by a sub-band of lighter holes, which allows a higher mobility of the holes within the p-InGaAlP. This leads to a
  • the effective mass of the holes in at least one miniband is lower than in bulk p-InGaAlP, which increases the conductivity of such layers. This reduces the series resistance and thus
  • the p-InGaAlP layers can either be tensile stressed, compressively stressed or unstrained, in particular based on GaAs.
  • the p-InAlP layers can either be unstressed or stressed
  • x d 0.95 or x ⁇ 0.9 or 0.4 x ⁇ 0.8 or x ⁇ 0.75 applies.
  • Partial area together with the second partial area have a thickness of at least 0.2 ⁇ m or 0.4 ⁇ m.
  • the thickness of the first sub-area together with the second sub-area is at most 3 ⁇ m or 1.8 ⁇ m or 1.3 ⁇ m or 1 ⁇ m.
  • a thickness of the first partial area is at least 0.1 ⁇ m or 0.2 ⁇ m or 0.3 ⁇ m. Alternatively or additionally, this thickness is at most 1 ⁇ m or 0.6 ⁇ m or 0.4 ⁇ m or 0.2 ⁇ m.
  • a thickness of the second partial area is at least 10 nm or 20 nm or 50 nm or 0.3 ⁇ m or 0.5 ⁇ m. Alternatively or additionally, this thickness is at most 2 ⁇ m or 1.5 ⁇ m or 1 ⁇ m.
  • the second sub-area is thicker by at least a factor of 1.1 or 1.5 or 2 than the first sub-area.
  • a thickness of the third sub-area is at least 50 nm or 100 nm or
  • Partial area has a thickness of at most 1 gm or 0.7 gm or 0.4 gm.
  • the third sub-area is preferably both thinner than the first sub-area and thinner than the second sub-area.
  • the second partial area consists of a single layer of Iny (Ga x Al ] __ x ) i-yP.
  • the sub-area and the second sub-area are of the same thickness or that the second sub-area is thicker by at least a factor 1.1 or 1.5 and / or by at most a factor 3 or 2 than the first sub-area.
  • the second is
  • Partial layers formed from p-doped Iny (Ga x Al ] __ x ) i-yP.
  • Superlattice preferably has at least 10 or 20 or 50 layer pairs or periods. Alternatively or in addition, the number of shift pairs or periods is at most 200 or 100.
  • the sub-layers made of p-doped Iny (Ga x Al ] __ x ) i-yP are lattice-matched to GaAs.
  • a lattice constant of the partial layers deviates from the lattice constant of GaAs, in particular at
  • the partial layers preferably have a thickness of at least 10 nm or 15 nm or 20 nm and / or at most 100 nm or 50 nm or 25 nm.
  • the superlattice has several barrier layers that alternate with the
  • Barrier layers are preferably made of p-doped In w Al ] __ w P.
  • 0.4 ⁇ w ⁇ 0.6 or 0.45 ⁇ w ⁇ 0.55 or 0.47 ⁇ w ⁇ 0.52 applies.
  • a thickness of the barrier layers deviates from a thickness of the partial layers by at most a factor of 2 or 1.5 or 1.2. That is, the barrier layers and the sub-layers can be approximately the same thickness in this case.
  • the sub-layers are tensioned with respect to GaAs. That is to say, a lattice constant of the partial layers made of p-doped Iny (Ga x Al ] __ x) i-yP is, in particular at room temperature, at least a factor of 1.002 or 1.005 or 1.02 smaller than the lattice constant of GaAs.
  • the sub-layers preferably each have a thickness of at most 10 nm or 8 nm or 6 nm, the thickness of the sub-layers preferably being at least 2 nm or 3 nm or 4 nm.
  • the barrier layers are significantly thicker than the sub-layers.
  • a thickness of the barrier layers is then at least a factor of 1.5 or 2 or 2.5 and / or at most a factor of 10 or 5 or 3 greater than the thickness of the sub-layers.
  • the superlattice has a miniband structure, so that an effective band gap between a valence band and a conduction band is between a band gap of the sublayers made of p-doped
  • Barrier layers which are in particular made of p-doped In w Al ] __ w P, lies.
  • Partial layers and / or the barrier layers have a thickness of at least 2 nm or 3 nm or 4 nm. Alternatively or additionally, the thickness of the partial layers and / or the barrier layers is at most 10 nm or 8 nm or 6 nm. In particular, the partial layers and the
  • Barrier layers thicknesses between 3 nm and 6 nm inclusive.
  • the third sub-area designed as a p-contact layer, is made of GaP, of GaAs and / or of AlGaP, including both Al and Ga and P.
  • a p-doping is achieved in particular via C, Mg and / or Zn .
  • the p-contact layer can be a single layer or the third sub-area is composed of several layers, preferably of at most four layers, in particular of precisely two layers.
  • a second electrode layer follows the third sub-area directly in the direction away from the active zone.
  • the second electrode layer can have a partial layer made of a transparent conductive oxide directly on the third partial area.
  • the second electrode layer preferably comprises at least one metallic layer Layer or consists entirely of one or more metallic layers.
  • a first electrode layer is located on the p-conducting first layer region in places or over the whole area.
  • the semiconductor chip prefferably be prismatic
  • Electrode layer i.e. on or in the second
  • Band gap of the second sub-range by at least a factor of 1.05 or 1.1 and / or by at most a factor of 1.33 or 1.25 larger than a mean band gap of the active zone or as an energy that corresponds to a wavelength of maximum intensity in the active zone corresponds to radiation generated.
  • the semiconductor chip is a light-emitting diode chip, or LED chip for short.
  • red light is preferably generated in the active zone, for example with a wavelength of maximum intensity of at least 595 nm or 610 nm and / or of at most 665 nm or 645 nm or 638 nm.
  • the n-conducting first layer region comprises n-doped InAlP or consists of n-doped InAlP. That is, the first layer area can be formed by a single layer. Alternatively, the first layer area comprises, in particular towards the first
  • Electrode layer further layers, such as a contact layer or a buffer layer, which lie in particular on one side with a growth substrate or on one side of which a growth substrate for the semiconductor layer sequence
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a
  • FIGS. 2 to 4 are schematic representations of energy levels of the optoelectronic semiconductor chip from FIG. 1,
  • Figures 5 to 7 are schematic representations of energy levels of a modification of a semiconductor chip
  • Figure 8 is a schematic sectional view of a
  • Figures 9 and 10 are schematic representations of
  • Figure 11 is a schematic sectional illustration of a
  • FIGS 12 and 13 are schematic representations of
  • Semiconductor chip 1 is a light-emitting diode chip and comprises a semiconductor layer sequence 2 which is on the material system
  • the semiconductor layer sequence 2 comprises an n-conductive first layer region 21, a p-conductive second
  • n-conductive first layer region 21 is formed in FIG. 1 by a single layer, but can alternatively also be composed of several layers.
  • the active zone 22 is one
  • Multi-quantum well structure consisting of barrier layers 25 and quantum well layers 24 alternating
  • the p-conducting second layer region 23 is composed of a first partial region 31, a second partial region 32 and a third partial region 33. These follow along a growth direction G of the semiconductor layer sequence Subareas 31, 32, 33 in the direction away from the active zone 22 directly and preferably each over the whole area.
  • the first sub-area 31 is made of InAlP and the second
  • the partial area consists of a single layer of InGaAlP.
  • the sub-areas 31, 32 are either approximately the same thickness or the second sub-area 32 is thicker than the first
  • the third sub-area 33 is as
  • Semiconductor contact layer designed and consists either of exactly one layer or, as in Figure 1, by one
  • Electrode layer 52 For example, the second
  • Electrode layer 52 composed of a TCO layer 53 and a metallization 54.
  • TCO stands for
  • the first electrode layer 51 is, for example, as
  • Metallization can reach, not shown in Figure 1.
  • a growth substrate it is optionally possible for a growth substrate to be removed from the
  • the carrier 6 is in particular made of a semiconductor material such as Si, of a ceramic such as AlgO or of a metal such as
  • FIGS. 2 to 4 show schematically different
  • FIG. 2 Representations of the energy levels of the semiconductor chip 1 from FIG. 1.
  • the second layer region 23 is illustrated in a simplified manner, with an energy E compared to
  • the energy E is plotted against the growth direction G for a larger area of the semiconductor layer sequence 2. Due to the smaller band gap in the region of the p-InGaAlP layer 32, the series resistance can be reduced due to the better electrical conductivity of InGaAlP relative to InAlP.
  • the n-conducting first layer region 21 is made of In z Al ] __ z P with 0.49 ⁇ x ⁇ 0.51, doped with Te or Si,
  • the quantum well layers 24 are made of In a (Ga ⁇ -pAlp) ] __ a P with 0.49 ⁇ ad 0.7 and 0 ⁇ bd 0.5 or
  • the first sub-area 31 is from p-In v Al ] __ v P with
  • the second sub-area 32 is made of p-Iriy (Ga ] __ x Al x ) i-yP with 0.49 ⁇ y ⁇ 0.51 and for example with 0.2 ⁇ x ⁇ 0.5, doped with Te or Si , and
  • the third sub-area 33 is from the pair of layers
  • AlgGa ] __gAs C / GaAs: C with 0.45 ⁇ g ⁇ 0.9 or from a layer of Al ⁇ Ga ⁇ - j ⁇ P: C with 0 ⁇ h ⁇ 0.5 or 0 ⁇ h ⁇ 0.5 .
  • this modification 10 see in particular FIG. 7, there is no InGaAlP layer in the second layer region 23.
  • FIGS. 5 and 6 see FIGS. 5 and 6 in comparison to FIGS. 2 and 3 for the semiconductor component 1 described here, this is the case
  • Partial area 32 composed of a plurality of alternately arranged partial layers 41 made of InGaAlP and barrier layers 42 made of InAlP. That is, the second sub-area 32 is designed as a superlattice.
  • the partial layers 41 are shown by way of example. There are preferably approximately 70 of the sub-layers 41 and thus approximately 70
  • the partial layers 41 are preferably tensioned, in particular relative to a GaAs lattice.
  • a thickness of the sub-layers 41 is preferably less than 10 nm
  • a quotient of a thickness of the barrier layers 42 and a thickness of the partial layers 41 is in particular between 3 and 5, inclusive.
  • relatively thick InGaAlP sub-layers 41 with a thickness of more than 10 nm can also be present in the construction of FIG. In this case they are
  • Partial layers 41 are preferably not or not significantly lattice mismatched with respect to GaAs. Furthermore, in this case, the barrier layers 42 are approximately as thick as that
  • FIGS. 9 and 10 relate to the last-mentioned configuration, that is to say to relatively thick partial layers 41 with a thickness of more than 10 nm, which are not strained with respect to GaAs.
  • FIGS. 1 to 4 also apply accordingly to FIGS. 8 to 9, that is to say to the
  • Embodiments with a sub-area 32 which is designed as a superlattice and which has thick sub-layers 41 in combination with approximately equally thick barrier layers 41 or which has thin sub-layers 41 in combination with relatively thick barrier layers 42.
  • Partial layers 41 and the barrier layers 42 respectively designed thin, only the second partial area 32 being shown in FIG. With regard to the remaining components of the semiconductor chip 1 in FIG. 11, the statements relating to FIGS. 1 to 4 apply accordingly.
  • the partial layers 41 and the barrier layers 42 each have a thickness between 3 nm and 6 nm, inclusive, and are therefore each relatively thin.
  • the superlattice with the thin partial layers 41 and barrier layers 42 preferably has between 50 and 200 layer pairs inclusive.
  • the band structure of the layer regions 21, 23 and the active zone 22 is illustrated again in FIG. 13, in particular for the case of FIG. 8.
  • the second sub-region 32 in particular comprises the following layers 41, 42:
  • the superlattice sub-layers 41 are made of Iny (Ga ] __ x Al x) i-yP, doped with Mg or Zn and with 0.49 ⁇ y ⁇ 0.51 for non-stressed sub-layers 41 and with 0.3 ⁇ y ⁇ 0.49 for tensil tensioned sub-layers, as well as with 0.2 ⁇ x ⁇ 0.5,
  • the superlattice barrier layers 42 are made of In w Al ] __ w P, doped with Mg or Zn, with non-stressed
  • the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2). Die Halbleiterschichtenfolge (2) weist einen n-leitenden ersten Schichtbereich (21), einen p-leitenden zweiten Schichtbereich (23) und eine dazwischenliegende aktive Zone (22) zur Erzeugung von Strahlung auf. Der zweite Schichtbereich (23) umfasst einen ersten Teilbereich (31) direkt an der aktiven Zone (22) aus p-leitendem lnvAI1-VP. Ferner umfasst der zweite Schichtbereich (23) einen zweiten Teilbereich (32) direkt am ersten Teilbereich (31) mit pleitendem lny(GaxAl1-x)1 -yP. Ferner umfasst der zweite Schichtbereich (23) einen dritten Teilbereich (33) als p-Kontaktschicht direkt am zweiten Teilbereich (32).

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHER HALBLEITERCHIP
Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der eine hohe Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen
optoelektronischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge. Die
Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt epitaktisch gewachsen. Besonders bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem InGaAlPAs. Das heißt, die
Halbleiterschichten umfasst sowohl In als auch Ga sowie Al und P. As ist optional vorhanden.
Alternativ zu einer Halbleiterschichtenfolge aus InGaAlPAs kann prinzipiell auch eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone basierend auf AlInGaN oder basierend auf
AlInGaAs verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge einen n-leitenden ersten
Schichtbereich, einen p-leitenden zweiten Schichtbereich und eine aktive Zone zur Erzeugung von Strahlung. Die aktive Zone befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten
Schichtbereich. Der erste Schichtbereich kann aus einer einzigen Halbleiterschicht oder aus mehreren
Halbleiterschichten aufgebaut sein, wobei sich diese
Halbleiterschichten in ihrer Materialzusammensetzung und/oder Dotierung voneinander unterscheiden können.
Bei der aktiven Zone handelt es sich bevorzugt um eine
MultiquantentopfStruktur, auch als MQW bezeichnet. Das heißt, die aktive Zone umfasst bevorzugt mehrere
Quantentopfschichten und Barriereschichten, wobei die
Quantentopfschichten und die Barriereschichten alternierend angeordnet sind. Die aktive Zone ist insbesondere zur
Erzeugung von sichtbarem Licht wie rotem Licht eingerichtet. Alternativ wird in der aktiven Zone nahinfrarote Strahlung erzeugt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der zweite Schichtbereich einen ersten Teilbereich. Der erste
Teilbereich befindet sich bevorzugt direkt an der aktiven Zone, insbesondere angrenzend an eine letzte Barriereschicht der MQW. Der erste Teilbereich ist aus p-leitendem InvAl]__vP. Es ist möglich, dass der erste Teilbereich und die aktive Zone in Draufsicht gesehen deckungsgleich sind.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der zweite Schichtbereich, der p-dotiert ist, einen zweiten Teilbereich. Bevorzugt folgt der somit ebenfalls p-dotierte zweite
Teilbereich direkt dem ersten Teilbereich nach. Der erste Teilbereich liegt damit innerhalb des zweiten Schichtbereichs bevorzugt unmittelbar zwischen dem zweiten Teilbereich und der aktiven Zone befindet. Der zweite Teilbereich umfasst p- leitendes Iny (GaxAl]__x) i-yP oder besteht hieraus. Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der zweite Schichtbereich einen dritten Teilbereich. Bevorzugt folgt der dritte Teilbereich unmittelbar dem zweiten Teilbereich nach, sodass sich der zweite Teilbereich zwischen dem ersten
Teilbereich und dem dritten Teilbereich befindet. Die drei Teilbereiche sind bevorzugt in Draufsicht gesehen
deckungsgleich und weisen damit in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge jeweils gleiche Ausdehnungen auf.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der dritte
Teilbereich als p-Kontaktschicht gestaltet. Das heißt, der dritte Teilbereich ist bevorzugt eine letzte Schicht des zweiten Schichtbereichs, in Richtung weg von der aktiven Zone .
In mindestens einer Aus führungs form umfasst der
optoelektronische Halbleiterchip eine
Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen n-leitenden ersten Schichtbereich, einen p-leitenden zweiten Schichtbereich und eine dazwischenliegende aktive Zone zur Erzeugung von Strahlung auf. Der zweite
Schichtbereich umfasst einen ersten Teilbereich direkt an der aktiven Zone aus p-leitendem InvAl]__vP. Ferner umfasst der zweite Schichtbereich einen zweiten Teilbereich direkt am ersten Teilbereich mit p-leitendem Iny (GaxAl]__x) i-yP . Ferner umfasst der zweite Schichtbereich einen dritten Teilbereich als p-Kontaktschicht direkt am zweiten Teilbereich.
Effiziente rot emittierende Leuchtdioden, kurz LEDs, können aus dem Halbleitermaterial InGaAlP hergestellt sein. Eine bevorzugt undotierte aktive Zone ist aus InGaAlP in einer MultiquantentopfStruktur, in der das rote Licht erzeugt wird. Diese aktive Zone befindet sich bevorzugt zwischen einer n- dotierten InAlP-Schicht und einer p-dotierten InAlP-Schicht mit einer relativ zur aktiven Zone großen Bandlücke.
Allerdings weist p-dotiertes InAlP, im Vergleich zu n- dotiertem InGaAlP, eine schlechte elektrische Leitfähigkeit auf. Dies liegt insbesondere an sehr großen Massen der
Löcher, was einen Ladungsträgertransport verlangsamt. Zudem liegt eine limitierte Ladungsträgerdichte, insbesondere der Löcher, in p-dotiertem InAlP vor. Letzteres liegt vor allem an zwei Gründen: Zum einen kann InAlP nur zu einem bestimmten Ausmaß mit p-Dotierstoffen wie Mg oder Zn versehen werden.
Zum anderen liegt für Löcher eine hohe
Aktivierungsenergiebarriere vor, über die hinweg ein
Akzeptoratom zum Valenzband hin angeregt werden muss.
Die relativ geringe Leitfähigkeit von p-dotiertem InAlP macht dieses zu einem wesentlichen Verlustkanal , das zu den
gesamten elektrischen Verlusten der Leuchtdiode zu ungefähr 9 % beiträgt, unter der Annahme, dass eine 1 pm dicke InAlP mit Magnesium dotierte Schicht in einer 1 mm^ großen
Dünnfilm-LED vorliegt. Dünnfilm bedeutet, dass ein
Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt ist .
Zwar bereitet eine p-dotierte InAlP-Schicht Probleme, jedoch kann eine solche Schicht nicht vollständig ersetzt werden, da ansonsten die elektronenblockierenden Eigenschaften dieser p- InAlP-Schicht verlorengehen. Hierdurch würde eine Leuchtdiode bei mittleren und hohen Stromdichten ineffizient werden. Wird lediglich eine Dicke der p-InAlP-Schicht reduziert, so treten relativ hohe Strahlungsverluste beispielsweise an einer C- dotierten AlGaAs-Schicht oder GaP-Schicht als Kontaktschicht auf, was die Effizienz einer Leuchtdiode ebenso reduziert.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterchip wird ein Teil einer ansonsten vorhandenen, relativ dicken p-InAlP-Schicht ersetzt durch eine p-InGaAlP-Schicht . Eine Bandlücke dieser p- InGaAlP-Schicht ist dabei bevorzugt größer als eine
Bandlücke, die einer Emissionswellenlänge des Halbleiterchips entspricht. Dies verhindert weitestgehend eine Absorption von in dem Halbleiterchip erzeugtem Licht in der p-InGaAlP- Schicht, sodass eine optische Effizienz des Halbleiterchips hoch bleibt. In elektrischer Hinsicht führt das Ersetzen eines Teils der p-InAlP-Schicht durch p-InGaAlP zu einem reduzierten Serienwiderstand des p-leitenden zweiten
Schichtbereichs des Halbleiterchips, womit eine erhöhte elektrooptische Effizienz einhergeht, auch als Wall Plug Efficiency oder kurz WPE bezeichnet.
Beispielsweise Simulationen einer Dünnfilm-LED mit einer lichtabstrahlenden Fläche von 1 mm^, in Draufsicht gesehen, zeigen elektrische Verluste von ungefähr 9 % in einer 1 pm dicken p-InAlP-Schicht, dotiert mit Magnesium, auf. Diese Verluste resultieren aus einer Energiedissipation durch
Joule-Wärme, verursacht insbesondere durch den großen
elektrischen Widerstand von p-InAlP:Mg. Ausgehend von den Daten zu einem Hall-Effekt in einem Modellexperiment, führt ein Ersetzen von 50 % der ansonsten vorhandenen p-InAlP:Mg- Schicht durch p-In (Gag 5AI0 5) P zu einer Reduzierung des elektrischen Widerstands um einen Faktor 2. Dies führt zu einer Reduzierung einer Vorwärtsspannung und somit zu einer Erhöhung der elektrooptischen Effizienz, wobei keine
zusätzliche Lichtabsorption durch die p-InGaAlP-Schicht auftritt . Gemäß einer Ausführungsform liegt eine einzige p-InGaAlP- Schicht als zweiter Teilbereich vor, die einen Teil der ansonsten vorhandenen, dicken p-InAlP-Schicht an der aktiven Zone ersetzt. Der zweite Teilbereich weist eine Dicke von mehr als 10 nm auf, insbesondere von mehr als 0,1 gm oder 0 , 3 gm.
Der zweite Teilbereich weist in diesem Fall bevorzugt eine nur geringe oder keine Gitterfehlanpassung zur
darunterliegenden LED-Struktur auf, welche bevorzugt die Gitterparameter eines GaAs-Substrats aufweist. In diesem Fall geht der Vorteil des geringeren Widerstandes der p-InGaAlP- Schicht insbesondere auf die geringere Aktivierungsenergie von Ladungsträgern zurück, im Vergleich zu p-InAlP.
Beispielsweise liegt die Aktivierungsenergie, kurz Ea, für Löcher im p-InAlP :Mg bei 57 meV, wohingegen dieser Wert für p-InGaP bei lediglich 20 meV liegt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform liegen mehrere p-InGaAlP- Schichten im zweiten Teilbereich vor, die jeweils einen Teil der p-InAlP-Schicht ersetzen. Jede der p-InGaAlP-Schichten weist bevorzugt eine Dicke von größer als 10 nm auf, wobei diese Schichten bevorzugt eine geringe oder keine
Fehlanpassung zur Gitterstruktur der darunterliegenden LED- Schichten aufweisen, insbesondere keine oder nur eine geringe Gitterfehlanpassung hinsichtlich eines GaAs-Substrats.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen im zweiten
Teilbereich mehrere p-InGaAlP-Schichten vor, die wiederum einen Teil der p-InAlP-Schicht ersetzen. Jede der p-InGaAlP- Schichten des zweiten Teilbereichs weist eine Dicke von weniger als 10 nm auf. In diesem Fall ist der Vorteil einer niedrigen Aktivierungsenergie von p-InGaAlP beibehalten, wobei ein zusätzlicher Vorteil erlangt werden kann, wenn diese dünnen p-InGaAlP-Schichten als pseudomorphisch
verspannt, insbesondere zugverspannt, gewachsen werden.
Eine Oberkante eines Valenzbands der zugverspannten p- InGaAlP-Schichten ist in diesem Fall durch ein Subband leichter Löcher geformt, was eine höhere Mobilität der Löcher innerhalb des p-InGaAlP erlaubt. Dies führt zu einer
Reduzierung des elektrischen Widerstands und damit zu einer erhöhten elektrooptischen Effizienz, wenn eine Bandlücke des p-InGaAlP größer ist als eine Bandlücke, die der Wellenlänge der im Betrieb in der aktiven Zone erzeugten Strahlung entspricht .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen im zweiten
Teilbereich mehrere dünne p-InGaAlP-Schichten vor, die sich periodisch alternierend mit dünnen p-InAlP-Schichten
abwechseln, sodass ein Miniband oder Minibänder für Löcher im Valenzband gebildet sind. In diesem Fall ist eine effektive Masse der Löcher im zumindest einen Miniband niedriger als in Bulk-p-InGaAlP, was eine Leitfähigkeit solcher Schichten erhöht. Dies reduziert den Serienwiderstand und damit
einhergehend die elektrooptische Effizienz des
Halbleiterchips .
Im Falle eines Minibands können die p-InGaAlP-Schichten entweder zugverspannt, druckverspannt oder unverspannt sein, insbesondere bezogen auf GaAs . Die p-InAlP-Schichten können entweder unverspannt sein oder eine Verspannung
entgegengesetzt zu den p-InGaAlP-Schichten aufweisen. Das heißt, sind die p-InGaAlP-Schichten zugverspannt, dann sind die p-InAlP-Schichten kompressiv verspannt und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für das p- leitenden InvAl]__vP des ersten Teilbereichs: 0,4 < v < 0,6 oder 0,45 < v < 0,55 oder 0,47 < v < 0,52.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für das p-leitende Iny (GaxAl]__x) ]__yP des zweiten Teilbereichs: 0,2 < x oder
0,4 < x oder 0,4 < x oder 0,5 < x oder 0,6 < x. Alternativ oder zusätzlich gilt x d 0,95 oder x < 0,9 oder 0,4 x < 0,8 oder x < 0,75. Insbesondere gilt: 0,2 < x < 0,5.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für das p-leitende Iny (GaxAl]__x) ]__yP des zweiten Teilbereichs: 0,4 < y < 0,6 oder 0,45 < y < 0,55 oder 0,47 < y < 0,52.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste
Teilbereich zusammen mit dem zweiten Teilbereich eine Dicke von mindestens 0,2 pm oder 0,4 pm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke des ersten Teilbereichs zusammen mit dem zweiten Teilbereich bei höchstens 3 pm oder 1,8 pm oder 1,3 pm oder 1 pm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke des ersten Teilbereichs bei mindestens 0,1 pm oder 0,2 pm oder 0,3 pm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 1 pm oder 0,6 pm oder 0,4 pm oder 0,2 pm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Dicke des zweiten Teilbereich mindestens 10 nm oder 20 nm oder 50 nm oder 0,3 pm oder 0,5 pm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 2 pm oder 1,5 pm oder 1 pm.
Insbesondere ist der zweite Teilbereich um mindestens einen Faktor 1,1 oder 1,5 oder 2 dicker als der erste Teilbereich. Gemäß zumindest einer Aus führungs form beträgt eine Dicke des dritten Teilbereichs mindestens 50 nm oder 100 nm oder
0,3 gm. Alternativ oder zusätzlich weist der dritte
Teilbereich eine Dicke von höchstens 1 gm oder 0,7 gm oder 0,4 gm auf. Bevorzugt ist der dritte Teilbereich sowohl dünner als der erste Teilbereich als auch dünner als der zweite Teilbereich.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form besteht der zweite Teilbereich aus einer einzigen Schicht aus Iny (GaxAl]__x) i-yP .
In diesem Fall gilt beispielsweise, dass der erste
Teilbereich und der zweite Teilbereich gleich dick sind oder dass der zweite Teilbereich um mindestens einen Faktor 1,1 oder 1,5 und/oder um höchstens einen Faktor 3 oder 2 dicker ist als der erste Teilbereich.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der zweite
Teilbereich durch ein Übergitter mit einer Vielzahl von
Teilschichten aus p-dotiertem Iny (GaxAl]__x) i-yP gebildet. Das
Übergitter weist bevorzugt mindestens 10 oder 20 oder 50 Schichtpaare oder Perioden auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Schichtpaare oder Perioden bei höchstens 200 oder 100.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Teilschichten aus p-dotiertem Iny (GaxAl]__x) i-yP an GaAs gitterangepasst .
Das heißt, eine Gitterkonstante der Teilschichten weicht von der Gitterkonstante von GaAs, insbesondere bei
Raumtemperatur, um höchstens einen Faktor von 1,004 oder 1,002 oder 1,001 ab. In diesem Fall weisen die Teilschichten bevorzugt eine Dicke von mindestens 10 nm oder 15 nm oder 20 nm und/oder von höchstens 100 nm oder 50 nm oder 25 nm auf .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Übergitter mehrere Barriereschichten auf, die abwechselnd zu den
Iny (GaxAl]__x) ]__yP-Teilschichten angeordnet sind. Die
Barriereschichten sind bevorzugt aus p-dotiertem InwAl]__wP. Dabei gilt bevorzugt 0,4 < w < 0,6 oder 0,45 < w < 0,55 oder 0,47 < w < 0,52. Insbesondere im Falle von Teilschichten mit einer Dicke von höchstens 20 nm und/oder von mindestens 6 nm weicht eine Dicke der Barriereschichten von einer Dicke der Teilschichten um höchstens einen Faktor 2 oder 1,5 oder 1,2 ab. Das heißt, die Barriereschichten und die Teilschichten können in diesem Fall ungefähr gleich dick sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Teilschichten gegenüber GaAs zugverspannt. Das heißt, eine Gitterkonstante der Teilschichten aus p-dotiertem Iny (GaxAl]__x) i-yP ist, insbesondere bei Raumtemperatur, um mindestens einen Faktor 1,002 oder 1,005 oder 1,02 kleiner als die Gitterkonstante von GaAs. In diesem Fall weisen die Teilschichten bevorzugt je eine Dicke von höchstens 10 nm oder 8 nm oder 6 nm auf, wobei eine Dicke der Teilschichten bevorzugt bei mindestens 2 nm oder 3 nm oder 4 nm liegt.
Im Falle insbesondere der unmittelbar vorgenannten
Ausführungsform sind die Barriereschichten signifikant dicker als die Teilschichten. Beispielsweise liegt dann eine Dicke der Barriereschichten um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 2,5 und/oder um höchsten einen Faktor 10 oder 5 oder 3 über der Dicke der Teilschichten. Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das Übergitter eine Minibandstruktur auf, sodass ein effektiver Bandabstand zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband zwischen einem Bandabstand der Teilschichten aus p-dotiertem
Iny (GaxAl]__x) ]__yP und einem Bandabstand der
Barriereschichten, die insbesondere aus p-dotiertem InwAl]__wP sind, liegt.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weisen die
Teilschichten und/oder die Barriereschichten eine Dicke von mindestens 2 nm oder 3 nm oder 4 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Teilschichten und/oder der Barriereschichten bei höchstens 10 nm oder 8 nm oder 6 nm. Insbesondere weisen die Teilschichten und die
Barriereschichten Dicken zwischen einschließlich 3 nm und 6 nm auf.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der als p- Kontaktschicht gestaltete dritte Teilbereich aus GaP, aus GaAs und/oder aus AlGaP, umfassend sowohl Al als auch Ga und P. Eine p-Dotierung ist insbesondere über C, Mg und/oder Zn erreicht. Die p-Kontaktschicht kann eine einzige Schicht sein oder es ist der dritte Teilbereich aus mehreren Schichten, bevorzugt aus höchstens vier Schichten, insbesondere aus genau zwei Schichten, zusammengesetzt.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form folgt in Richtung weg von der aktiven Zone direkt auf den dritten Teilbereich eine zweite Elektrodenschicht. Die zweite Elektrodenschicht kann direkt an den dritten Teilbereich eine Teilschicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid aufweisen. Bevorzugt umfasst die zweite Elektrodenschicht mindestens eine metallische Schicht oder besteht insgesamt aus einer oder aus mehreren metallischen Schichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich an dem p- leitenden ersten Schichtbereich stellenweise oder ganzflächig eine erste Elektrodenschicht.
Es ist möglich, dass der Halbleiterchip prismatische
Strukturen für eine Lichtbrechung und zu einer Begrenzung von Bestromungsbereichen der aktiven Zone aufweist, insbesondre an der Seite mit der ersten Elektrodenschicht. Alternativ oder zusätzlich kann sich an der Seite mit der zweiten
Elektrodenschicht, also an oder in dem zweiten
Schichtbereich, eine Aufrauhung zur Erhöhung einer
Lichtauskoppeleffizienz befinden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine mittlere
Bandlücke des zweiten Teilbereichs um mindestens einen Faktor 1,05 oder 1,1 und/oder um höchstens einen Faktor 1,33 oder 1,25 größer als eine mittlere Bandlücke der aktiven Zone oder als eine Energie, die einer Wellenlänge maximaler Intensität der in der aktiven Zone erzeugten Strahlung entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip, kurz LED-Chip.
Dabei wird in der aktiven Zone bevorzugt rotes Licht erzeugt, beispielsweise mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 595 nm oder 610 nm und/oder von höchstens 665 nm oder 645 nm oder 638 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der n-leitende erste Schichtbereich n-dotiertes InAlP oder besteht aus n- dotiertem InAlP. Das heißt, der erste Schichtbereich kann durch eine einzige Schicht gebildet sein. Alternativ umfasst der erste Schichtbereich, insbesondere hin zur ersten
Elektrodenschicht, weitere Schichten, wie eine Kontaktschicht oder eine Pufferschicht, die insbesondere an einer Seite mit einem Aufwachssubstrat liegen oder an einer Seite, von der ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge
entfernt wurde.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip 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 Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips ,
Figuren 2 bis 4 schematische Darstellungen von Energieniveaus des optoelektronischen Halbleiterchips aus Figur 1,
Figuren 5 bis 7 schematische Darstellungen von Energieniveaus einer Abwandlung eines Halbleiterchips,
Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips , Figuren 9 und 10 schematische Darstellungen von
Energieniveaus des Halbleiterchips der Figur 8,
Figur 11 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips, und
Figuren 12 und 13 schematische Darstellungen von
Energieniveaus des Halbleiterchips der Figur 11.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines
optoelektronischen Halbleiterchips 1 gezeigt. Der
Halbleiterchip 1 ist ein Leuchtdiodenchip und umfasst eine Halbleiterschichtenfolge 2, die auf dem Materialsystem
InGaAlP oder InGaAlPAs basiert.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst einen n-leitenden ersten Schichtbereich 21, einen p-leitenden zweiten
Schichtbereich 23 und eine dazwischenliegende aktive Zone 22 zur Erzeugung von Strahlung, bevorzugt zur Erzeugung von rotem Licht. Der n-leitende erste Schichtbereich 21 ist in Figur 1 durch eine einzige Schicht gebildet, kann alternativ aber auch aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein. Bei der aktiven Zone 22 handelt es sich um eine
MultiquantentopfStruktur, kurz MQW, die alternierend aus Barriereschichten 25 und Quantentopfschichten 24
zusammengesetzt ist.
Der p-leitende zweite Schichtbereich 23 ist aus einem ersten Teilbereich 31, aus einem zweiten Teilbereich 32 sowie aus einem dritten Teilbereich 33 zusammengesetzt. Entlang einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge folgen diese Teilbereiche 31, 32, 33 in Richtung weg von der aktiven Zone 22 unmittelbar und bevorzugt jeweils ganzflächig aufeinander.
Der erste Teilbereich 31 ist aus InAlP und der zweite
Teilbereich ist aus einer einzigen Schicht aus InGaAlP. Die Teilbereiche 31, 32 sind entweder ungefähr gleich dick oder der zweite Teilbereich 32 ist dicker als der erste
Teilbereich 31. Der dritte Teilbereich 33 ist als
Halbleiterkontaktschicht gestaltet und besteht entweder aus genau einer Schicht oder, wie in Figur 1 durch eine
Strichlinie symbolisiert, aus zwei Schichten.
Zur Bestromung der Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich an dem ersten Schichtbereich 21 eine erste Elektrodenschicht 51 und an dem zweiten Schichtbereich 23 eine zweite
Elektrodenschicht 52. Beispielsweise ist die zweite
Elektrodenschicht 52 aus einer TCO-Schicht 53 und aus einer Metallisierung 54 zusammengesetzt. TCO steht für
transparentes leitfähiges Oxid, beispielsweise ITO oder ZnO. Die erste Elektrodenschicht 51 ist zum Beispiel als
Spiegelschicht gestaltet, insbesondere als
Kombinationsspiegel mit einer Schicht aus einem
niedrigbrechenden Material, durch das Durchbrüche einer
Metallisierung reichen können, in Figur 1 nicht gezeichnet.
Wie auch in allen Ausführungsbeispielen ist es optional möglich, dass ein Aufwachssubstrat von der
Halbleiterschichtenfolge 2 entfernt wurde und dass die
Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Träger 6 angebracht ist. Der Träger 6 ist insbesondere aus einem Halbleitermaterial wie Si, aus einer Keramik wie AlgO oder aus einem Metall wie
Mo. Optional vorhandene prismatische Strukturen an der ersten Elektrodenschicht 51 und/oder Lichtauskoppelstrukturen an dem zweiten Schichtbereich 23 sind zur Vereinfachung der
Darstellung in Figur 1 nicht gezeichnet.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch verschiedene
Darstellungen zu Energieniveaus des Halbleiterchips 1 aus Figur 1. In Figur 2 ist vereinfacht der zweite Schichtbereich 23 illustriert, wobei eine Energie E gegenüber der
Wachstumsrichtung G aufgetragen ist. Gezeigt sind die
Energieniveaus Ecl, Ec2 des Leitungsbands sowie Evl, Ev2 des Valenzbands. Außerdem sind die Aktivierungsenergieniveaus Eal, Ea2 eingezeichnet, für p-InAlP je mit der Nummerierung 1 und für p-InGaAlP je mit der Nummerierung 2. In Figur 3 ist die Energie E gegenüber einem Wellenvektor oder einer
Wellenzahl k aufgetragen.
In Figur 4 ist die Energie E gegenüber der Wachstumsrichtung G für einen größeren Bereich der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgetragen. Durch die geringere Bandlücke im Bereich der p- InGaAlP-Schicht 32 ist der Serienwiderstand reduzierbar, aufgrund der besseren elektrischen Leitfähigkeit von InGaAlP relativ zu InAlP.
Beispielsweise gilt für die Halbleiterschichtenfolge 2
Folgendes :
- der n-leitende erster Schichtbereich 21 ist aus InzAl]__zP mit 0,49 < x < 0,51, dotiert mit Te oder Si,
- in der aktiven Zone 22 sind die Quantentopfschichten 24 aus Ina (Ga^-pAlp) ]__aP mit 0,49 < a d 0,7 und 0 < b d 0,5 oder
0 < b d 0,50 und die Barriereschichten 25 sind aus
Inc (Ga]__^Al^) ]__CP mit 0,49 d c d 0,51 und 0,2 < d d 0,7),
- der erste Teilbereich 31 ist aus p-InvAl]__vP mit
0,49 < v < 0,51, dotiert mit Mg oder Zn, - der zweite Teilbereich 32 ist aus p-Iriy (Ga]__xAlx) i-yP mit 0,49 < y < 0,51 und zum Beispiel mit 0,2 < x < 0,5, dotiert mit Te oder Si, und
- der dritte Teilbereich 33 ist aus dem Schichtpaar
AlgGa]__gAs : C/GaAs : C mit 0,45 < g < 0,9 oder aus einer Schicht aus Al^Ga^-j^P : C mit 0 < h < 0,5 oder 0 < h < 0,5.
In den Figuren 5 bis 7 sind Energieverläufe für eine
Abwandlung 10 des Halbleiterchips illustriert. In dieser Abwandlung 10, siehe insbesondere Figur 7, ist keine InGaAlP- Schicht im zweiten Schichtbereich 23 vorhanden. Dadurch, siehe die Figuren 5 und 6 im Vergleich zu den Figuren 2 und 3 zum hier beschriebenen Halbleiterbauteil 1, ist das
Akzeptorniveau Ea weiter vom Energieniveau Ec des
Leitungsbands entfernt. Insgesamt resultiert hieraus eine geringere Ladungsträgermobilität im zweiten Schichtbereich 23, wodurch ein elektrischer Serienwiderstand ansteigt und die elektrooptische Effizienz der Abwandlung 10 geringer ist als beim Halbleiterchip 1, wie in den Figuren 1 bis 4
illustriert .
In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Halbleiterchips 1 illustriert, wobei lediglich der zweite Teilbereich 32 gezeichnet ist. Dabei ist der zweite
Teilbereich 32 durch eine Vielzahl abwechselnd angeordneter Teilschichten 41 aus InGaAlP und Barriereschichten 42 aus InAlP zusammengesetzt. Das heißt, der zweite Teilbereich 32 ist als Übergitter gestaltet. In Figur 8 sind beispielhaft nur vier der Teilschichten 41 dargestellt. Bevorzugt liegen ungefähr 70 der Teilschichten 41 und somit ungefähr 70
Schichtpaare oder Perioden des Übergitters vor. Die Teilschichten 41 sind bevorzugt zugverspannt, insbesondere relativ zu einem GaAs-Gitter. Eine Dicke der Teilschichten 41 ist bevorzugt kleiner als 10 nm. Die
Barriereschichten 42 des Übergitters sind in dieser
Ausgestaltung dicker als die Teilschichten 41. Ein Quotient aus einer Dicke der Barriereschichten 42 und einer Dicke der Teilschichten 41 liegt insbesondere zwischen einschließlich 3 und 5.
Alternativ zu relativ dünnen Teilschichten 41 und dicken Barriereschichten 42 können beim Aufbau der Figur 8 auch relativ dicke InGaAlP-Teilschichten 41 mit einer Dicke von mehr als 10 nm vorliegen. In diesem Fall sind die
Teilschichten 41 gegenüber GaAs bevorzugt nicht oder nicht signifikant gitterfehlangepasst . Ferner sind in diesem Fall die Barriereschichten 42 ungefähr so dick wie die
Teilschichten 41.
Die Figuren 9 und 10 beziehen sich auf die letztgenannte Gestaltung, also auf relativ dicke Teilschichten 41 mit einer Dicke von mehr als 10 nm, die unverspannt gegenüber GaAs sind .
Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den Figuren 1 bis 4 entsprechend für die Figuren 8 bis 9, also für die
Ausgestaltungen mit einem Teilbereich 32, der als Übergitter gestaltet ist, und der dicke Teilschichten 41 in Kombination mit ungefähr gleich dicken Barriereschichten 41 aufweist oder der dünne Teilschichten 41 in Kombination mit relativ dicken Barriereschichten 42 aufweist.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 11 sind sowohl die
Teilschichten 41 als auch die Barriereschichten 42 jeweils dünn gestaltet, wobei in Figur 11 nur der zweite Teilbereich 32 dargestellt ist. Hinsichtlich der übrigen Komponenten des Halbleiterchips 1 der Figur 11 gelten die Ausführungen zu den Figuren 1 bis 4 entsprechend.
Die Teilschichten 41 und die Barriereschichten 42 weisen beispielsweise jeweils eine Dicke zwischen einschließlich 3 nm und 6 nm auf und sind damit jeweils relativ dünn.
Dadurch resultiert ein Miniband mit einem effektiven
Energieniveau Emß für die Löcher, siehe auch Figur 12. Eine effektive Masse von Löchern in dem Miniband ist kleiner als in dickem, bulkförmigen p-InGaAlP, sodass eine höhere
Leitfähigkeit erzielt wird. Das Übergitter mit den dünnen Teilschichten 41 und Barriereschichten 42 weist bevorzugt zwischen einschließlich 50 und 200 Schichtpaaren auf.
In Figur 13 ist die Bandstruktur der Schichtbereiche 21, 23 und der aktiven Zone 22 nochmals illustriert, insbesondere für den Fall der Figur 8. Der zweite Teilbereich 32 umfasst insbesondere folgende Schichten 41, 42:
- die Übergitter-Teilschichten 41 sind aus Iny (Ga]__xAlx) i-yP, dotiert mit Mg oder Zn und mit 0,49 < y < 0,51 für nicht verspannte Teilschichten 41 und mit 0,3 < y < 0,49 für tensil verspannte Teilschichten, sowie mit 0,2 < x < 0,5,
- die Übergitter-Barriereschichten 42 sind aus InwAl]__wP, dotiert mit Mg oder Zn, wobei für nicht verspannte
Barriereschichten 0,49 < w < 0,51 und für kompressiv
verspannte Barriereschichten 0,51 < x < 0,8 gilt.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge und insbesondere unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die Positionen der gezeichneten Komponenten relativ zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
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 102019119991.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 optoelektronischer Halbleiterchip
2 Halbleiterschichtenfolge
21 n-leitender erster Schichtbereich
22 aktive Zone zur Erzeugung von Strahlung
23 p-leitender zweiter Schichtbereich
24 QuantentopfSchicht der aktiven Zone
25 Barriereschicht der aktiven Zone
31 erster Teilbereich aus p-leitendem InAlP
32 zweiter Teilbereich mit p-leitendem InGaAlP
33 dritter Teilbereich als Kontaktschicht
41 Übergitter-Teilschicht aus InGaAlP
42 Übergitter-Barriereschicht
51 erste Elektrodenschicht
52 zweite Elektrodenschicht
53 TCO-Schicht
54 Metallisierung
6 Träger
10 Abwandlung eines Halbleiterchips
E Energie
Ea Akzeptorniveau
Ec Energieniveau des Leitungsbands
Emb Energieniveau des Minibands
Ev Energieniveau des Valenzbands
G Wachstumsrichtung
k Wellenvektor/Wellenzahl

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit einer
Halbleiterschichtenfolge (2), die aufweist:
- einen n-leitenden ersten Schichtbereich (21),
- einen p-leitenden zweiten Schichtbereich (23), und
- eine aktive Zone (22) zur Erzeugung von Strahlung zwischen dem ersten und dem zweiten Schichtbereich (21, 23),
wobei der zweite Schichtbereich (22) umfasst:
- einen ersten Teilbereich (31) direkt an der aktiven Zone (22) aus p-leitendem InvAl]__vP,
- einen zweiten Teilbereich (32) direkt am ersten Teilbereich (31) mit p-leitendem Iny (GaxAl]__x) i-yP, und
- einen dritten Teilbereich (33) als p-Kontaktschicht direkt am zweiten Teilbereich (32) .
2. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem
- 0, 4 < v < 0, 6,
- 0,4 < x < 0,9 oder 0,2 < x < 0,5,
- 0, 4 < y < 0, 6,
- eine Dicke des ersten Teilbereichs (31) mindestens 0,2 gm und höchstens 1 gm beträgt,
- eine Dicke des zweiter Teilbereichs (32) mindestens 0,01 pm und höchstens 1,5 pm beträgt, und
- eine Dicke des dritten Teilbereichs (33) mindestens 0,05 pm und höchstens 0,7 pm beträgt.
3. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der zweite Teilbereich (32) aus einer einzigen
Schicht aus Iny (GaxAl]__x) i-yP besteht.
4. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem der zweite Teilbereich (32) durch ein Übergitter mit einer Vielzahl von Teilschichten (41) aus p-dotiertem
Iny (GaxAl]__x) ]__yP gebildet ist.
5. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Teilschichten (41) an GaAs gitterangepasst sind, sodass eine Gitterkonstante der Teilschichten (41) von der Gitterkonstante von GaAs bei Raumtemperatur um höchstens einen Faktor 1,002 abweicht,
wobei die Teilschichten (41) je eine Dicke von mindestens 10 nm aufweisen.
6. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem in dem zweiten Teilbereich (32) die Teilschichten (41) und Barriereschichten (42) aus p-dotiertem InwAl]__wP mit
0,4 < w < 0,6 einander abwechseln angeordnet sind,
wobei eine Dicke der Barriereschichten (42) von der Dicke der
Teilschichten (41) um höchstens einen Faktor 2 abweicht.
7. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 4, bei dem die Teilschichten (41) gegenüber GaAs zugverspannt sind, sodass eine Gitterkonstante der Teilschichten (41) bei Raumtemperatur um mindestens einen Faktor 1,005 kleiner ist als die Gitterkonstante von GaAs,
wobei die Teilschichten (41) je eine Dicke von höchstens 10 nm aufweisen.
8. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch, bei dem in dem zweiten Teilbereich (32) die Teilschichten (41) und Barriereschichten (42) aus p-dotiertem InwAl]__wP mit
0,4 < w < 0,6 einander abwechseln angeordnet sind,
wobei eine Dicke der Barriereschichten (42) um mindestens einen Faktor 1,5 und um höchstens einen Faktor 5 größer ist als die Dicke der Teilschichten (41) .
9. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach Anspruch 4, bei dem das Übergitter eine Minibandstruktur aufweist, sodass ein effektiver Bandabstand zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband zwischen einem Bandabstand der
Teilschichten (41) aus p-dotiertem Iny (GaxAl]__x) i-yP und einem Bandabstand von Barriereschichten (42) aus p-dotiertem InwAl]__wP mit 0,4 < w < 0,6 liegt.
10. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Teilschichten (41) und die Barriereschichten (42) je eine Dicke zwischen einschließlich 2 nm und 8 nm
aufweisen .
11. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
bei dem das Übergitter zwischen einschließlich 20 und 100 Perioden aufweist.
12. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der als p-Kontaktschicht gestaltete dritte
Teilbereich (33) aus GaP, aus GaAs und/oder aus AlGaP ist und mit C, Mg und/oder Zn dotiert ist.
13. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem in Richtung weg von der aktiven Zone (22) direkt auf den dritten Teilbereich (33) eine zweite Elektrodenschicht (52) folgt,
wobei die zweite Elektrodenschicht (52) aus mindestens einem transparenten leitfähigen Oxid und/oder Metall ist, und wobei sich an dem n-leitenden ersten Schichtbereich (21) eine erste Elektrodenschicht (51) befindet.
14. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine mittlere Bandlücke des zweiten Teilbereichs (32) um mindestens einen Faktor 1,05 und um höchstens einen Faktor 1,5 größer ist als eine mittlere Bandlücke der aktiven Zone (22) .
15. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
der ein Leuchtdiodenchip ist,
wobei die aktive Zone (22) zur Erzeugung von rotem Licht eingerichtet ist und der n-leitende erste Schichtbereich (21) n-dotiertes InAlP aufweist oder aus n-dotiertem InAlP.
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