CN101809764A - 发射辐射的半导体本体 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种发射辐射的半导体本体(1)，其带有用于产生第一波长(λ1)的辐射的有源层(2)和再发射层(3)，该再发射层(3)具有带有量子层结构(5)和势垒层结构(6)的量子阱结构(4)。再发射层设计用于借助第一波长的辐射在势垒层结构中的吸收来产生第二波长(λ2)的非相干辐射。
Description
本发明描述了一种发射辐射的半导体本体。
在传统的发光二极管中，用于产生混色辐射的一种可能性在于，由半导体本体产生第一波长的辐射，该辐射随后借助发光材料转换为第二波长的辐射。由此，半导体本体与发光材料结合发射第一波长和第二波长的混色辐射。
然而制造这种发光二极管需要发光材料与半导体本体的相应的发射波长的准确协调以及针对发光材料的精确的配量方法和应用方法。
一个任务在于，提出一种半导体本体，其可以简单地制造。特别地，半导体本体应当在工作中具有高的效率。
此外，要提出一种用于产生混色辐射和用于借助半导体本体来转换辐射的有效方法。
该任务通过一种带有权利要求1所述的特征的半导体本体以及一种根据权利要求26所述的方法来解决。优选的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。
在发射辐射的半导体本体中构建有用于产生第一波长的辐射的有源层和再发射层，该再发射层具有带有量子层结构和势垒层结构的量子阱结构，其中再发射层设计用于借助第一波长的辐射在势垒层结构中的吸收来产生第二波长的非相干辐射。优选的是，由有源层产生的第一波长的辐射也是非相干的。
在本上下文中，术语量子阱结构尤其是包括任意的如下结构：在该结构中载流子通过限制(“confinement”)而可以经历其能量状态的量化。尤其是，术语量子阱结构并不包含关于量化的维度的说明。因此，量子阱结构尤其是包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。
在有疑问的情况下，“有源层”在此理解为可以电激励的产生辐射的层。再发射层与其相对被以光学方式泵浦。
在半导体本体中，用于产生第一波长的辐射的有源层和用于将第一波长的辐射至少部分地转换为第二波长的辐射的再发射层单片地集成。由此，可以有利地省去将发光材料配量以及施加，以便将第一波长的辐射转换为第二波长的辐射。
此外，也避免了由于发光材料引起的辐射损耗，例如散射损耗。由此，有利地提高了发射辐射的半导体本体的效率。
此外，也已经可以在制造半导体本体时调节半导体本体的典型的光学参数，例如所产生的辐射的色度坐标和/或色温。通过这种方式，在制造时，尤其是在以晶片工艺制造半导体本体时可以实现成本优点。
最后，在该半导体本体中避免了在关断状态中的彩色的外观，如例如在传统的发光二极管情况下由于发光材料而会引起的那样。这种彩色的外观通常是不希望的。不需要特别的制造步骤来避免这种彩色的外观，这些步骤还会导致半导体本体的更低的效率或者变暗。
在半导体本体的一个优选的改进方案中，势垒层结构具有一个或者多个势垒层。相应地，量子层结构也可以具有一个或者多个量子层。
此外优选的是，势垒层和量子层交替地设置。换言之，交替的设置意味着，以势垒层和量子层的顺序分别有势垒层跟随量子层以及相反。
量子阱结构由此可以构建为单量子阱结构(SQW，Single QuantumWell)或者多量子阱结构(MQW，Multiple Quantum Well)，其中量子阱分别通过在两个相邻的势垒层之间的量子层形成。
在半导体本体的另一扩展方案中，在量子层结构中、即譬如在量子层中产生第二波长的辐射。吸收第一波长的辐射和产生第二波长的辐射的空间分离具有的优点是：再发射层的更高的效率并且由此发射辐射的半导体本体的更高的效率。特别地，通常势垒层明显比量子层更厚地实施，使得与第一波长的辐射在量子层结构或者相应的量子层中的吸收相比，第一波长的辐射在势垒层中的吸收明显更大并且由此总体上再发射层的激励明显更为高效。
在另一有利的扩展方案中，半导体本体包含化合物半导体材料，尤其是氮化物-化合物半导体材料或者磷化物-化合物半导体材料。
特别地，发射辐射的半导体本体可以基于一种化合物半导体材料，进一步优选的是基于氮化物化合物半导体材料或者磷化物化合物半导体材料。这些半导体材料的特征在于特别有效的辐射生成，其中有利的是通过再发射层的单片集成可以实现如下的发射光谱：借助单独基于氮化物或者磷化物化合物半导体的有源层通常不能产生该发射光谱。
特别地，半导体本体的光学参数例如色度坐标和/或色温可以在宽的范围中通过相应地构造再发射层来自由地调节。
在本上下文中，“基于氮化物化合物半导体”意味着：半导体本体、优选是有源层和/或再发射层或者其至少一个部分层包含氮化物-III/V-化合物半导体材料，优选为AlnGamIn1-n-mN，其中0≤n≤1，0≤m≤1，并且n+m≤1，优选n≠0和/或m≠0。在此，该材料不必一定具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，其可以具有一种或者多种掺杂材料以及附加的组成部分，它们基本上不改变AlnGamIn1-n-mN材料的典型物理特性。出于简单的原因，上式仅仅包含晶格的主要组成部分(Al、Ga、In、N)，即使它们可以部分地通过少量其他材料来替代。
在本上下文中，“基于磷化物化合物半导体”意味着：半导体本体、优选是有源层和/或再发射层或者其至少一个部分层包含磷化物-III/V-化合物半导体材料，优选为AlnGamIn1-n-mP，其中0≤n≤1，0≤m≤1，并且n+m≤1，优选n≠0和/或m≠0。在此，该材料不必一定具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，其可以具有一种或者多种掺杂材料以及附加的组成部分，它们基本上不改变该材料的物理特性。出于简单的原因，上式仅仅包含晶格的主要组成部分(Al、Ga、In、P)，即使它们可以部分地通过少量其他材料来替代。
在半导体本体的一个优选的扩展方案中，第一波长的辐射借助再发射层仅仅部分地转换为第二波长的辐射，使得半导体本体用于同时发射第一波长的辐射和第二波长的辐射。
进一步优选的是，第一波长可以在蓝色光谱范围中，譬如具有在440nm到470nm之间的波长，其中包括边界值，而第二波长可以在黄-橙光谱范围中，使得发射具有白色的总体色觉的混色辐射。在该扩展方案中，半导体本体是单片集成的白色光源。
可替选地也可以设计的是，第一波长的辐射基本上完全地借助再发射层转换为第二波长的辐射，使得发射辐射的半导体本体于是在工作中仅仅发射第二波长的辐射。例如可以设计的是，有源层产生紫外辐射，该辐射完全转换为可见光谱范围中(例如绿色光谱范围中)的具有第二波长的辐射。在该替选方案的一个有利的改进方案中，半导体本体在发射辐射侧设置有反射层，该反射层将第一波长的辐射选择性地向回反射到半导体本体中。被向回反射的辐射部分于是重新被输送给再发射层用于转换。
根据要求，于是可以借助发射辐射的半导体本体产生混色辐射或者产生与半导体本体的有源层的发射波长不对应的波长的辐射。
在基于氮化物化合物半导体的半导体本体的情况下，有源层优选包含InGaN。
进一步优选的是，第一波长在360nm到400nm之间，其中包含范围边界。
在一个优选的改进方案中，势垒层结构包含GaN。
特别地，包含InGaN的有源层适于与基于GaN的势垒层结构结合，该有源层可以以所提及的在360nm到400nm之间的范围中的波长来特别有效地激励。
基于氮化物化合物半导体材料的半导体本体也适于产生蓝色光谱范围中的辐射，譬如具有在440nm到470nm之间(其中包括边界值)的波长的辐射。
优选的是，发射辐射的半导体本体实施为薄膜半导体本体。
薄膜半导体本体的特征尤其是在于以下典型特征至少之一：
-在产生辐射的外延层序列的朝向支承体的第一主面上施加或者构建有反射层，该反射层将外延层序列中产生的电磁辐射的至少一部分向回反射到该外延层序列中；
-外延层序列具有在20μm或者更小范围中的厚度，尤其是在10μm范围中的厚度；和/或
-外延层序列包含至少一个半导体层，该半导体层带有具有混匀结构的至少一个面，该面在理想情况下导致光在外延的外延层序列中的近似各态历经的分布，即其具有尽可能各态历经的随机散射特性。
薄膜发光二极管芯片的基本原理例如在1993年10月18日I.Schnitzer等人的Appl.Phys.Lett.63(16)第2174-2176页中进行了描述，其公开内容通过引用结合于此。
薄膜发光二极管芯片良好的近似于朗伯表面发射器。
可替选地，半导体本体也可以设置有生长衬底(也称为外延衬底)形式的衬底，该衬底优选对于所产生的第一和/或第二波长的辐射是可透射的。
在一个有利的改进方案中，半导体本体相对于发射辐射侧设置有反射层。通过这种方式，有利地提高了在发射辐射侧耦合输出的辐射的部分。此外，第一波长的辐射的朝着反射层的和回来的部分可以形成驻波场。优选的是，在该情况中，再发射层设置在驻波场的最大值中，即在波腹中。通过这种方式，实现了对第一波长的辐射的有利地高的吸收，并且由此提高了产生第二波长的辐射的效率。
在用于产生混色辐射或者用于借助半导体本体来转换辐射的方法中，半导体本体包含有源层和再发射层。再发射层具有带有量子层结构和势垒层结构的量子阱结构。产生混色辐射或者转换辐射借助以下步骤来进行：
-在有源层中产生第一波长(λ1)的优选非相干的辐射；
-在势垒层结构中至少部分地吸收第一波长(λ1)的辐射；并且
-在量子层结构中产生第二波长(λ2)的非相干的辐射。
如果在势垒层结构中仅仅吸收第一波长的辐射的一部分，则第一波长的辐射的其余部分可以与在量子层结构中产生的第二波长的辐射一同发射，使得总体上产生混色辐射，该辐射尤其是包含第一波长和第二波长的光谱成分。
可替选地，第一波长的辐射可以完全在势垒层结构中被吸收，使得实现将第一波长的辐射完全地转换为第二波长的辐射。
在该上下文中，“完全”意味着：不考虑第一波长的辐射的可忽略的或者不可避免的残余部分，半导体本体在主发射方向上仅仅发射第二波长的辐射。第一波长的辐射至第二波长的辐射的尽可能完全的能量传递虽然是要追求的，然而并非一定是必需的。
优选的是，该方法借助带有至少一个上述特征的半导体本体来实施。
本发明的其他特征、优点和合乎目的性由以下结合附图1至5所描述的实施例而得到。
其中：
图1示出了半导体本体的第一实施例的示意性截面图；
图2示出了用于产生混色辐射或者用于转换辐射的方法的一个实施例的示意图；
图3示出了半导体本体的第二实施例的示意性截面图；
图4示出了半导体本体的第三实施例的示意性截面图；以及
图5示出了半导体本体的第四实施例的示意性截面图。
在附图中，相同的或者作用相同的元件设置有相同的附图标记。
在图1中示出了发射辐射的半导体本体1，其具有产生辐射的有源层2和再发射层3。
在半导体本体的背离主发射侧的侧上设置有衬底9，例如生长衬底，再发射层3和有源层2外延地生长到该生长衬底上。
可替选地，半导体本体也可以实施为薄膜半导体本体，其中在该情况中生长衬底被薄化或者优选完全去除，并且半导体本体被施加到外部的支承体上。
在工作中借助有源层2产生第一波长λ1的辐射。该第一波长λ1的辐射的一部分在设置于有源层2之下的再发射层3中吸收，这导致发射第二波长λ2的辐射。借助再发射层3于是将波长λ1的辐射至少部分地转换为波长λ2的辐射。
如在图1中的再发射层3的部分放大所示，再发射层3具有量子阱结构4，其具有量子层结构5和势垒层结构6。量子层结构5包括多个量子层7。相应地，势垒层结构6包括多个势垒层8。量子阱结构在该情况中于是以多量子阱结构(MQW)的形式构建，其中量子层7和势垒层8交替地设置。
通过相应地设计量子阱结构，可以在宽的范围中自由地调节再发射层所产生的辐射的波长λ2并且进一步调节整体上由半导体本体发射的辐射的色度坐标和/或色温。
此外可能的是，改变在垂直方向上在再发射层中的势垒层和/或量子层的组成和/或厚度，使得增大再发射层所产生的辐射的光谱宽度。在产生白色光时，当希望有类似于具有宽的白色光谱的白炽灯的整体色觉时，这例如是有利的。
在图1中的再发射层3的部分放大中，此外示意性绘出了在垂直方向z上的、即沿着量子阱结构4的生长方向的波长λ1的辐射的强度I。由于波长λ1的辐射在势垒层结构6的势垒层8中的吸收，所以波长λ1的辐射的强度I连续地随着距有源层2的增大的距离z而降低。
半导体本体1例如可以基于氮化物化合物半导体来构建。在该情况中，例如有源层2可以设置在上侧的p-GaN层10和n-GaN层11之间。有源层2可以基于InGaN，并且同样实施为单量子阱结构或者多量子阱结构。
优选的是，有源层产生的辐射的波长λ1选择为使得在再发射层3的势垒层8中实现足够高的吸收。基于GaN的势垒层结合基于InGaN的有源层对此是特别适合的。
在图2中示意性示出了如何借助半导体本体来将第一波长λ1的辐射部分地或者完全地转换为第二波长λ2的辐射。
部分地绘出了再发射层的价带的能级Ec以及导带的能级Ev。
在工作中，有源层产生的第一波长λ1的辐射在再发射层的势垒层结构6中、即在势垒层8中被吸收，由此首先在势垒层8中进行载流子分离(步骤A)。这样分离的载流子在量子阱结构4的能量上更低的量子阱中、即在量子层结构5的量子层7中被捕获(步骤B)并且在那里通过复合导致发射具有波长λ2的辐射(步骤C)。
在图3中示出了半导体本体的另一实施例。不同于图1中所示的半导体本体，该半导体本体构建为薄膜半导体本体。
如在前面的实施例中那样，半导体本体具有有源层2和再发射层3。再发射层3可以如在前面的实施例中那样实施为带有多个交替设置的势垒层和量子层的多量子阱结构。
再发射层3在发射辐射侧地施加到n-GaN层11上。n-GaN层尤其是用于在半导体本体中的电流扩展。有源层2设置在n-GaN层11和p-GaN层10之间。在导电类型方面，图3中示出的半导体本体与图1中示出的半导体本体相反。
一般地，在本上下文中，再发射层可以是p导电、n导电、未掺杂或者共掺杂(kodotiert)的。与此无关，再发射层可以设置在衬底或者支承体和有源层之间或者设置在有源层的背离衬底或者支承体的侧上。
不同于上述实施例，在图3中示出的半导体本体1施加在支承体12上，其中外延衬底(未示出)被从半导体本体剥离。在半导体本体1的朝向支承体12的侧上构建有接触层13以及随后构建有焊剂层14用于将半导体本体与支承体10相连。
此外，在半导体本体和支承体之间可以设置反射层(未示出)，其用于反射朝着支承体12的方向发射的辐射，使得这种辐射部分也从半导体本体的上侧的发射辐射侧发射。有利的是反射层以施加到半导体上的电介质或者施加到半导体上的TCO层(透明导电氧化物)形式构建，在该电介质或者TCO层之后在背离半导体本体的侧上设置有金属层。通过这种方式和方法，可以实现反射层的高反射率。
第一波长的辐射的朝向反射层的和回来的部分可以形成驻波场。优选的是，在该情况下再发射层3设置在波腹中。通过这种方式，实现了对第一波长λ1的辐射的有利地高的吸收并且由此提高了第二波长λ2的辐射的产生效率。
在背离支承体10的侧上为了半导体本体的供电而构建有接合垫形式的接触部15。
如已经阐述的那样，在有源层2中产生第一波长λ1的辐射。该辐射的一部分在再发射层3内在势垒层结构中被吸收并且导致发射第二波长λ2的辐射。第二波长λ2的辐射与第一波长λ1的辐射的其余部分一同发射，使得半导体本体发射混色辐射。如果有源层和再发射层实施为使得第一波长λ1在蓝色光谱范围中而第二波长λ2在黄-橙光谱范围中，于是可以得到白色色觉。在该有利的扩展方案中，半导体本体是单片集成的白色光源。
在图4中示出了薄膜半导体本体形式的半导体本体1的另一实施例。
如在前面的实施例中那样，该半导体本体具有再发射层3和有源层2，并且进一步通过接触层13和焊剂层14与支承体12相连。如在前面的实施例中那样，可以以未示出的方式将反射层设置在半导体本体1和支承体12之间。
不同于前面的实施例，再发射层3的横向伸展小于有源层2的相应的横向伸展。通过这种方式和方法，第二波长λ2的辐射的产生可以集中到比较小的区域上，使得好像形成了具有高的辐射密度的点光源。
在这种情况中，第一波长λ2的辐射优选完全转换为第二波长的辐射，或者防止在再发射层3之外的第一波长λ1的辐射的出射。这例如可以通过如下方式来实现：接触部15在再发射层3侧向地设置，并且由此防止在该区域中第一波长λ1的辐射的出射。第一波长λ1的辐射例如可以在紫外光谱范围中并且转换为可见光谱范围例如绿色光谱范围中的辐射。
可替选地或者补充地，可以设置波导，其同样防止第一波长的辐射从再发射层3侧向出射。例如，半导体本体的接触层可以反射性地实施，使得在这些接触层之间形成波导。
在图5中示出了发射辐射的半导体本体1的第四实施例。
不同于前面两个实施例，该半导体本体具有对于所产生的第一波长λ1的辐射和/第二波长λ2的辐射可透射的外延衬底9。
在外延衬底9上相继地外延生长有再发射层3并随后生长有源层2。在上侧，接触部15以接合垫的形式施加到半导体本体上。
优选的是，衬底是导电的并且进一步在接触部的对置的侧上具有相对接触部16用于半导体本体的供电。
在有源层2中产生的第一波长λ1的辐射部分地朝着再发射层3的方向传播并且在那里至少部分地转换为第二波长λ2的辐射。第一波长和第二波长的辐射可以从半导体本体上侧发射。附加地，通过透射辐射的衬底的发射辐射也是可能的。在此有利的是，衬底以所示的方式设置有凹处，这些凹处提高了所产生的辐射的耦合输出效率。
在德国专利DE 100 06 738中描述了衬底的相应的构型，其中衬底9的一个或多个侧壁具有倾斜走向的侧壁部分，该侧壁部分过渡到垂直走向的侧壁部分，该专利的就此而言的公开内容通过引用结合于此。
本专利申请要求德国专利申请10 2007 046 499.3的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
本发明并未通过借助实施例的描述而受到限制。更确切地说，本发明包含任意新的特征以及特征的任意组合，尤其是包含权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中进行说明。
Claims (15)
1.一种发射辐射的半导体本体(1)，其带有用于产生第一波长(λ1)的辐射的有源层(2)和再发射层(3)，该再发射层(3)具有带有量子层结构(5)和势垒层结构(6)的量子阱结构(4)，其中再发射层设计用于借助第一波长的辐射在势垒层结构中的吸收来产生第二波长(λ2)的非相干辐射。
2.根据权利要求1所述的发射辐射的半导体本体，其中第一波长的辐射是非相干的。
3.根据权利要求1或2所述的发射辐射的半导体本体，其中量子层结构(5)具有至少一个量子层(7)，势垒层结构(6)具有至少一个势垒层(8)。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中在量子层结构中产生第二波长(λ2)的辐射。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中有源层(2)包含InGaN，势垒层结构包含GaN。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中第一波长(λ1)在360nm到400nm之间，其中包括边界值。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中第一波长(λ1)在蓝色光谱范围中，并且发射辐射的半导体本体设计用于发射白色光。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中再发射层(3)将第一波长(λ1)的辐射部分地转换为第二波长(λ2)的辐射，使得发射辐射的半导体本体设计用于发射第一波长和第二波长的辐射。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中再发射层将第一波长(λ1)的辐射完全转换为第二波长(λ2)的辐射。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中半导体本体是薄膜半导体本体。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中半导体本体具有生长衬底(9)，该生长衬底对于第一波长的辐射和/或第二波长的辐射是能够透射的。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中再发射层(3)的横向伸展小于有源层(2)的相应的横向伸展。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的发射辐射的半导体本体，其中有源层(2)和再发射层(3)单片地集成到半导体本体中。
14.一种用于借助半导体本体(1)来转换辐射或者产生混色辐射的方法，该半导体本体包含有源层(2)和再发射层(3)，其中再发射层具有带有量子层结构(5)和势垒层结构(6)的量子阱结构(4)，所述方法包括以下步骤：
-在有源层中产生第一波长(λ1)的辐射；
-在势垒层结构中至少部分地吸收第一波长的辐射；并且
-在量子层结构中产生第二波长(λ2)的非相干的辐射。
15.根据权利要求14所述的方法，其带有根据权利要求1至13中的至少一项所述的半导体本体。
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