CN102576785A - 电泵浦的光电半导体芯片 - Google Patents
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Abstract
在电泵浦的光电半导体芯片(1)的至少一个实施形式中，所述电泵浦的光电半导体芯片具有至少两个能产生辐射的量子阱(2)，其中，能产生辐射的量子阱(2)包括InGaN或者由其组成。此外，光电半导体芯片(1)包括至少两个覆层(4)，所述覆层包括AlGaN或者由其组成。所述覆层(4)中的每个与能产生辐射的量子阱(2)中的正好一个相关联。所述覆层(4)各位于相关联的能产生辐射的量子阱(2)的p侧上。在能产生辐射的量子阱(2)与相关联的覆层(4)之间的距离为最高1.5nm。
Description
技术领域
本发明提出一种电泵浦的光电半导体芯片。
背景技术
文献US6,849,881B1涉及一种具有多量子阱结构的光电半导体器件。
在文献US 2002/0179923A1中说明了一种发光二极管。
发明内容
待实现的目的在于，提供一种电泵浦的光电半导体芯片，所述电泵浦的光电半导体芯片在小电流密度的情况下具有高效率。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，所述光电半导体芯片具有至少两个能产生辐射的量子阱。能产生辐射的意味着，在半导体芯片工作时，在所述量子阱中产生电磁辐射。例如在能产生辐射的量子阱中的每个中相对于由半导体芯片产生的总辐射产生至少2.5％，特别是至少4.0％的功率分量。辐射的波长可以位于紫外和/或可见光谱范围内，优选为在420nm和480nm之间的波长。
名称量子阱没有阐明关于量子化维度的意义。因此，术语量子阱例如包括多维的量子势阱，一维的量子线和可看作为零维的量子点以及这些结构的每个组合。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，所述光电半导体芯片是电泵浦的。也就是说，在半电半导体芯片的p-电连接侧上和在n-电连接侧上各注入正的或者负的载流子，所述载流子在半导体芯片的常规工作时分别朝向另一连接侧传播。在所述传播中，载流子通过半导体芯片至少部分地到达能产生辐射的量子阱中，在那里正的和负的载流子至少部分地复合。借助于所述载流子的复合产生由半导体芯片发射的辐射。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，能产生辐射的量子阱包括InGaN或者由其组成。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，所述光电半导体芯片包括至少两个覆层，所述覆层包括AlGaN或者由其组成。覆层的每个优选与能产生辐射的量子阱中的刚好一个相关联。特别是在覆层和能产生辐射的量子阱之间能够存在一一对应。
能产生辐射的量子阱由InGaN组成并且覆层包括AlGaN能够意味着，量子阱以及覆层仅由已说明的原子组成，并且包括杂质原子的例如为掺杂形式的混合物。能产生辐射的量子阱以及覆层合并所有杂质原子的部分优选分别为最高1原子％，特别是最高0.1原子％，优选最高0.01原子％。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，覆层各存在于能产生辐射的量子阱的p侧上。覆层在p侧上意味着，在半导体芯片工作时，覆层在正载流子的主传播方向上排在相关联的能产生辐射的量子阱的前面。换句话说，正载流子，特别是所谓的空穴，在半导体芯片常规地工作时首先穿过覆层，并且随后穿过与所述覆层相关联的能产生辐射的量子阱。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，能产生辐射的量子阱和分别相关联的覆层之间的距离为最高1.5nm，特别是最高1.0nm，优选最高0.5nm。也就是说，覆层紧邻能产生辐射的量子阱。
在电泵浦的光电半导体芯片的至少一个实施形式中，所述电泵浦的光电半导体芯片具有至少两个能产生辐射的量子阱，其中，能产生辐射的量子阱包括InGaN或者由其组成。此外，该光电半导体芯片包括至少两个覆层，所述覆层包括AlGaN或由其组成。覆层中的每个与能产生辐射的量子阱中的刚好一个相关联。所述覆层分别位于相关联的能产生辐射的量子阱的p侧上。在能产生辐射的量子阱和相关联的覆层之间的距离为最高1.5nm。
在半导体芯片工作时，通过使用多个量子阱能够降低每个能产生辐射的量子阱的有效的载流子密度。所述载流子密度的降低又能够导致内部的和外部的量子效率的提高，所述量子效率分别在能产生辐射的量子阱中的一个上计算。因此也伴随着由半导体芯片发射的亮度增加，正向电压也降低。
如果，如已说明的，使用由AlGaN制成的覆层，并且将其施加在InGaN量子阱上，那么由于如压电场的边缘电荷效应，半导体材料的导带和价带的结构变弯。由于所述导带和价带的变弯，负载流子，特别是电子，承受更高的势垒。相反，有助于引导正载流子，特别是所谓空穴。由于正载流子的改进的移动性，能够实现有效地提高在能产生辐射的量子阱中的正载流子和负载流子的波函数的波函数叠加。
通过提高波函数叠加，正载流子和负载流子的复合率能够增加。此外，例如在高于或大约120℃的温度时，这能够导致半导体芯片的小电流特性和高温稳定性的改进。换句话说，在电流密度小且温度高的情况下，借助更高的量子产额发射光。此外，正载流子的提高的移动性导致，使更多的量子阱是能产生辐射的，并且此外，由于每量子阱的电荷载体密度的降低，能够降低正向电压。
用于提高半导体芯片的温度稳定性的另一可能性在于，形成少量的和相对稀疏的量子阱。但是在室温下，这能够伴随效率的降低。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，该半导体芯片通过外延生长制成。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，覆层的铝含量在20％和70％之间。换句话说，GaN的镓晶格位置的20％到70％由铝原子占据。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，覆层具有在0.2nm和1.5nm之间的，特别是在0.5nm和1.0nm之间的厚度或平均厚度。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，所述光电半导体芯片包括至少两个中间层。所述中间层由GaN组成或包括所述GaN。中间层包括GaN能够意味着，具有浓度为小于1原子％，特别是小于0.1原子％，优选小于0.01原子％的杂质原子存在于中间层中。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，中间层中的每一个位于覆层中的每一个和与该覆层相关联的能产生辐射的量子阱之间。在这种情况下，中间层优选既直接接触能产生辐射的量子阱，也直接接触相关联的覆层。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，中间层的厚度分别在0.3nm和1.2nm之间，特别是在0.4nm和0.8nm之间。如果中间层这样构造，那么覆层的铝含量优选为在40％和70％之间。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，在能产生辐射的量子阱、覆层和/或中间层之间的过渡区域具有在一个单层和三个单层之间的厚度。在这种情况下，单层是由原子组成的单独的，紧密地堆积的层。因此，单层的厚度约相应于单层的原子的平均原子直径。在GaN的情况下，单层的厚度约为0.3nm到0.4nm。
在过渡区域中，单层中的一个的化学计量的组分例如从能产生辐射的量子阱朝例如覆层的化学计量的组分变化。换句话说，在单层内的过渡区域中，例如InGaN和AlGaN都局部受限制地存在于唯一的单层内。在此，单层具有垂直于半导体芯片的生长方向的主延伸方向。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，在能产生辐射的量子阱和相应地相关联的覆层之间的距离为最多两个单层。换句话说，量子阱的在制造公差的范围内特别是只具有InGaN的单层之间和覆层的在制造公差的范围内尤其仅仅包括AlGaN的单层之间仅存在最多两个单层，所述两个单层具有由InGaN、GaN和/或AlGaN组成的混合物。在所述实施形式中，覆层的铝含量优选为在20％和50％之间。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，所述光电半导体芯片包括3至20个能产生辐射的量子阱，特别是5至15个能产生辐射的量子阱。在这种情况下可能的是，半导体芯片包括更多数量的量子阱，例如多于30个量子阱，那么其中，量子阱的仅一部分在半导体芯片工作时是能产生辐射的。换句话说，半导体芯片既可以包括能产生辐射的量子阱，也可以包括不能产生辐射的量子阱。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，两个沿生长方向一个接一个的覆层之间的距离在3nm和8nm之间，特别是在4nm和6nm之间。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，能产生辐射的量子阱的带隙各在2.55eV和3.0eV之间。当能产生辐射的量子阱的带隙在所述值域内时，通过由AlGaN组成的或者包括所述AlGaN的覆层提高正载流子的移动性是特别有效的。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，中间层的平均带隙比相关联的能产生辐射的量子阱的平均带隙提高至少20％。换句话说，在中间层的区域中的平均带隙为带隙的至少120％，特别是130％，如其在相关联的能产生辐射的量子阱的区域上所取的平均值。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，在能产生辐射的量子阱的外部的直接与量子阱的p侧邻接的区域中的平均带隙大于在能产生辐射的量子阱的n侧上的相应的区域中的平均带隙。在这种情况下，该n侧朝向半导体芯片的n连接侧。能产生辐射的量子阱的在p侧上和n侧上的外部区域优选具有在0.4nm和1.0nm之间的宽度，特别是0.6nm。此外，p侧上的区域的平均带隙优选为在n侧上的区域的平均带隙的至少105％，特别是至少110％。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，两个相邻的能产生辐射的量子阱具有互相不同的平均带隙。换句话说，相邻的能产生辐射的量子阱设置用于在半导体芯片工作时发射具有不同波长的辐射。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，相邻的量子阱的平均带隙之间的差在0.03eV和0.20eV之间，特别是0.05eV和0.18eV之间。
根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，所述光电半导体芯片包括至少一个势垒层，所述势垒层设置在两个相邻的能产生辐射的量子阱之间。所述势垒层优选包括GaN或者由其组成。
该势垒层特别是直接邻接在覆层上，并且直接邻接在不与所述覆层相关联的能产生辐射的量子阱中的一个上。
附图说明
下面参照附图借助于实施例详细阐述在此说明的光电半导体芯片。在此，相同的附图标记说明在各个附图中的相同的元件。但是在此，未按比例地示出相互关系，相反，为了更好的理解，可以夸大地示出各个元件。
附图示出：
图1、3和4示出在此说明的光电半导体芯片的实施例的示意图；并且
图2示出传统的半导体芯片的示意图。
具体实施方式
在图1A中示出电泵浦的半导体芯片1的实施例的剖视图。优选为外延生长的半导体芯片1具有p连接侧p和n连接侧n。在半导体芯片1常规工作时，在p连接侧p上施加正电压以及在n连接侧n上施加相对于p连接侧p的负电压。在半导体芯片1工作时，如电子的负载流子从n连接侧n朝向p连接侧p移动，如空穴的正载流子从p连接侧p朝向n连接侧n移动。载流子分别通过连接侧p、n注入半导体芯片1中。
半导体芯片1具有多个能产生辐射的量子阱2。在半导体芯片1工作时，在能产生辐射的量子阱2中通过载流子的复合产生电磁辐射。在朝向p连接侧p的方向上，即例如在生长方向G上，覆层4总是位于能产生辐射的量子阱2的后面。该覆层4具有在0.2nm和0.5nm之间的，优选约为0.5nm的厚度T。覆层4基本上由AlGaN组成，其中，覆层4可以包括具有杂质原子形式的掺杂。在这种情况下，杂质原子在覆层4上的部分优选为最高0.01原子％。
能产生辐射的量子阱2的厚度Q例如在1.5nm和4.5nm之间，特别是约为3.5nm。在这种情况下，所述量子阱2由InGaN组成。铟含量优选在15％和35％之间。换句话说，镓晶格位置的15％至35％的部分由铟原子占据。
沿着生长方向G，在覆层4和能产生辐射的量子阱2之间总是存在势垒层5。势垒层5优选由GaN组成。势垒层5也能够具有带有杂质原子的掺杂。
两个相邻的覆层4之间的距离优选在3nm和8nm之间，特别是约为6nm。在根据图1A的实施例中，覆层4的铝含量例如在20％和50％之间。
在图1B中示出沿着生长方向G的带隙EG的走向。在能产生辐射的量子阱2的区域中，带隙EG例如约为2.55eV。在覆层4的区域中，带隙EG优选超过约3.4eV。因此，通过覆层4实现了带隙EG的局部增大以及价带和导带在能产生辐射的量子阱2的朝向p连接侧p的p侧上的结构的一种类型的畸变。在p侧上的能产生辐射的量子阱2外的带隙EG超过在n侧上的能产生辐射的量子阱2外的带隙EG，所述n侧朝向n连接侧。通过带隙结构的所述变形提高了空穴的可移动性。
由此可以获得，特别是所有能产生辐射的量子阱2有助于发射辐射。在此，量子阱2的离p连接侧p最近的量子阱发射最多部分的辐射，相反，量子阱2的离n-连接侧n最近的量子阱发射最少部分的辐射。能产生辐射的量子阱2的每个优选发射由半导体芯片1产生的总辐射功率的至少2.5％。
在图2中示出传统的光电半导体器件，见图2A中的剖视图和图2B中的带隙结构。在生长方向G上看，所述半导体器件具有在势垒层5和量子阱2之间的序列。因为，在根据图2的半导体器件中特别是缺少覆层4，所以可能的是，量子阱2的仅一个有助于发射辐射。
带隙EG的结构不具有带隙在量子阱的p侧上的增大。相反，相对于量子阱2的n侧，带隙EG在p侧上甚至降低。
在根据图3的半导体芯片1的实施例中，在能产生辐射的量子阱2a-c和相应地相关联的覆层4之间各存在一个中间层3。该中间层3由GaN组成，并且同样可以如量子阱2、覆层4和势垒层5一样，具有杂质原子的掺杂。该中间层3的厚度优选小于1nm。该厚度特别是约为0.5nm。在根据图3的半导体芯片1中，覆层4的铝含量优选在40％和70％之间。
半导体芯片1优选具有3至20个层序列8。层序列8分别直接邻接，而不具有其它中间层。层序列8中的每个由能产生辐射的量子阱2a-c中的一个、中间层3中的一个、覆层4中的一个以及势垒层5中的一个组成。已提及的层以已提及的顺序直接互相跟随，而不存在其它的中间层。
同样如在所有其它实施例中，能产生辐射的量子阱2a-c在半导体芯片1工作时分别产生具有相互不同的波长λ1，λ2，λ3的辐射。波长λ1例如约为440nm，波长λ2约为450nm以及波长λ3约为465nm。在这种情况下，波长特别是相应地理解为如下波长，在所述波长的情况下，在半导体芯片1工作时发射最大光谱的功率密度。
在图4A中示出半导体芯片1的另一实施例的示意的剖视图，该半导体芯片例如可以类似于图1地构造。在图4B中示出特别是类似于图3的半导体芯片1的细节图。
半导体芯片1具有沿着生长方向G的单层9的序列。单层9的序列沿垂直于生长方向G的方向延伸，并且具有位于相应的单层9中的原子的相应平均原子直径的厚度。在图4A和4B中，单层9通过半导体芯片1的通过虚线相互隔开的区域来表示。
在能产生辐射的量子阱2和覆层4之间存在过渡区域24，见图4。在过渡区域24中存在子区域，在所述子区域中，材料组分相应于能产生辐射的量子阱2的材料组分。同样存在其它子区域，在所述其它子区域中，材料组分相应于覆层4的材料组分。根据图4A，过渡区域24的厚度为两个单层。
在根据图4B的实施例中，在能产生辐射的量子阱2和中间层3之间的以及在能产生辐射的量子阱2和覆层4之间的过渡区域23、24分别具有唯一的单层的厚度。与在图4A和4B中所示出的不同，过渡区域23、24、34能够优选具有在一个和三个单层之间的厚度。过渡区域23、24、34的厚度例如能够通过透射电子显微镜(简称TEM)来测量。
如也在所有的实施例中可能的是，半导体芯片1包括一个或多个其它未在附图中示出的层。这些层可以是隧道层或隧道结、载流子阻挡层、能产生辐射的量子阱、电接触层、防护层和/或光学波导层。沿着生长方向G，能产生辐射的量子阱2同样能够分别具有可变的铟含量。因此可能的是，能产生辐射的量子阱2也包括多个未示出的子层，所述子层的铟含量彼此不同。
通过测定由半导体芯片1发射的辐射相对于为半导体芯片1通电的电流强度的波长位移，例如可以证明能产生辐射的量子阱2的数量。波长的位移越大，能产生辐射的量子阱的数量越小。同样地，通过确定能产生辐射的量子阱相对于可以使半导体芯片1工作的电流强度的内部的量子效率来测定能产生辐射的量子阱的数量。
在这里说明的发明不局限于借助于所述实施例的说明。相反，本发明包括每个新的特征以及特征的每个组合，这特别是包括在权利要求中的特征的每个组合，即使所述特征或所述组合本身在权利要求中或实施例中没有明确的说明。
本专利申请要求德国专利申请10 2009 037 416.7的优先权，其公开内容在此以参引的方式并入本文。
Claims (13)
1.电泵浦的光电半导体芯片(1)，具有：
-至少两个能产生辐射的量子阱(2)，所述能产生辐射的量子阱包括InGaN或者由其组成；以及
-至少两个覆层(4)，所述覆层包括AlGaN或者由其组成，
其中，
-所述覆层(4)中的每个与所述能产生辐射的量子阱(2)中的刚好一个相关联，
-所述覆层(4)各位于所述能产生辐射的量子阱(2)的p侧上，并且
-在所述能产生辐射的量子阱(2)与相关联的所述覆层(4)之间的距离为最高1.5nm。
2.根据前一项权利要求所述的光电半导体芯片(1)，其中，层序列(8)重复3至20次，
其中，相邻的层序列(8)直接互相紧随，
并且其中，所述层序列(8)由以列出的顺序直接互相紧随的层组成：
-所述能产生辐射的量子阱(2)；
-具有GaN或者由其组成的中间层(3)；
-所述覆层(4)；以及
-势垒层(5)，所述势垒层包括GaN或者由其组成，
并且其中，此外，所述覆层(4)的厚度在0.5nm和1.0nm之间，并且所述中间层(3)具有在0.4nm和0.8nm之间的厚度，并且在两个沿生长方向相互紧随的覆层(4)之间的距离在4nm和6nm之间。
3.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中所述覆层(4)的Al含量在20％和70％之间。
4.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中所述覆层(4)的厚度或平均厚度在0.3nm和1.5nm之间。
5.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，所述光电半导体芯片具有至少两个中间层(3)，所述中间层包括GaN或由其组成，并且在所述中间层中，每个都位于所述覆层(4)和所述相应地相关联的能产生辐射的量子阱(2)之间。
6.根据前一项权利要求所述的光电半导体芯片(1)，其中，所述中间层(3)具有在0.3nm和1.2nm之间的厚度，并且其中，所述覆层(4)的Al含量在40％和70％之间。
7.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中，在所述能产生辐射的量子阱(2)、所述覆层(4)和/或所述中间层(3)之间的过渡区域(23、24、34)具有在一个和三个单层之间的厚度。
8.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中，在所述能产生辐射的量子阱(2)和相应地相关联的覆层(4)之间的距离为最高两个单层，并且其中，所述覆层(4)的Al含量在20％和50％之间。
9.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，所述光电半导体芯片包括3至20个能产生辐射的量子阱。
10.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中，在两个沿生长方向相互紧随的覆层(4)之间的距离在3nm和8nm之间。
11.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中，所述能产生辐射的量子阱(2)的带隙分别在2.55eV和3.0eV之间。
12.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中，所述中间层(4)的平均带隙各为所述相关联的能产生辐射的量子阱(2)的平均带隙的至少120％。
13.根据前述权利要求之一所述的光电半导体芯片(1)，其中，至少两个相邻的能产生辐射的量子阱(2)具有彼此不同的平均带隙，其中所述差异在0.03eV和0.20eV之间。
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