CN102771023B - 光电子半导体芯片 - Google Patents

Abstract

在光电子半导体芯片（1）的至少一个实施形式中，所述光电子半导体芯片包括支承体（2）和生长在支承体（2）上的半导体层序列（3）。半导体层序列（3）基于氮化物化合物半导体材料，并且包括至少一个用于产生电磁辐射的有源区（4）以及至少一个波导层（5），所述波导层间接地或直接地邻接到有源区（4）上，其中形成波导（45）。此外，半导体层序列（3）包括在有源区（4）的n掺杂的侧上的n包层（6n）或/和在p掺杂的侧上的邻接到波导层（4）上的p包层（6p）。波导层（5）间接地或直接地邻接包层（6n、6p）。在此，在波导中引导的模式（M）的有效折射率（n_eff）大于支承体（2）的折射率。

Description

光电子半导体芯片

技术领域

本发明提出了一种光电子半导体芯片。

背景技术

发明内容

待实现的目的是提出一种光电子半导体芯片，其中半导体层序列的支承体不起到寄生的波导的作用。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，所述光电子半导体芯片包括支承体和设置在支承体上的半导体层序列。支承体特别能够是生长衬底，在所述生长衬底上外延地生长有半导体层序列。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，半导体层序列基于氮化物化合物半导体材料。这就是说，在本上下文中，半导体层序列或其至少一部分、尤其至少一个有源区和/或例如是支承体的生长衬底具有氮化物化合物半导体材料、优选具有Al_nGa_mIn_1-n-mN，或由上述物质组成，其中0≤n≤1、0≤m≤1并且n+m≤1。在此，所述材料不必强制地具有根据上述公式的数学的精确的组成。更确切地说，所述材料例如能够具有一个或多个掺杂物质以及附加的成分。然而，为了简便，上述公式只包括晶格的重要成分，即Al、Ga、In和N，即使所述成分能够部分地通过少量的其他物质代替和/或补充。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，半导体层序列包括设置用于产生电磁辐射的有源区。有源区优选包括至少一个pn结或一个和十个之间的、包括边界值的量子膜，尤其优选一个和五个之间的、包括边界值的量子膜，或一个和三个之间的、包括边界值的量子膜。术语量子膜尤其包括与量子化维度无关的量子结构。优选地，量子膜包含InGaN。在工作时产生的辐射的波长尤其处于紫外的或可见的光谱区域中，例如在340nm和600nm之间，包括边界值，尤其在390nm和540nm之间，包括边界值。在有源区中产生的电磁辐射优选是相干辐射，即激光辐射。换言之，半导体芯片能够是激光二极管芯片。因此，有源区是在其中出现光学加强的区域。有源区的折射率的虚部能够小于零。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，有源区的平均铟含量处于0.5％和15％之间，包括边界值。尤其，在此考虑有源区的直至300nm地围绕位于中心的、产生光的区域对称的含铟层。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，存在至少在两个相邻的量子膜之间的、优选在所有相邻的量子膜之间的阻挡层，其优选基于InGaN。所述阻挡层尤其具有0.01％和20％之间的铟含量，包括边界值，优选0.01％和10％之间的铟含量，包括边界值。有源区4的量子膜之间的阻挡层的层厚尤其处于0.1nm和30nm之间，优选在0.1nm和15nm之间，尤其优选在1nm和10nm之间，其中包括边界值。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，半导体层序列包括至少一个波导层。优选地，半导体层序列包括两个波导层，在所述两个波导层之间存在有源区。波导层尤其是这样的层，其间接地或直接地邻接在有源区上，并且其具有大于或等于支承体的折射率的折射率。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，通过至少一个波导层和通过有源区形成波导，在所述波导中引导光学模式。所述波导能够是二维的或一维的波导。在二维波导的情况下，将在有源区中产生的辐射在平面中引导，在一维波导的情况下，沿着直线引导。引导的模式涉及基本模式，例如涉及所谓的TEM₀₀。优选地，波导构造为，使得在波导中的半导体芯片的常规使用中只引导基本模式。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，包层邻接到一个所述波导层上或邻接到两个所述波导层上。包层分别位于一个波导层的或多个波导层的背离有源区的侧上。包层能够是p掺杂的或n掺杂的。包层尤其是这样的层，其间接地或直接地邻接到波导层上，其中包层的折射率小于支承体的折射率，并且从而也小于波导层的折射率。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，从远离有源区的几何中心的方向上看，包层在半导体层序列中从如下位置起始，在所述位置处铝含量初次大于零或大于0.01％或大于0.1％或大于1％。如果在波导的内部安置阻挡层，那么在确定包层的起始部时，这些典型地具有最高50nm的厚度的所述阻挡层不考虑在内。例如，在远离有源区的几何中心的方向上，包层的起始部是半导体层序列的具有至少100nm厚度的和连续的、不为零的铝含量的部分区域。包层也能够在超晶格、英语Superlattice中起始，所述超晶格例如通过具有AlGaN/GaN或AlGaN/AlGaN或AlInGaN/GaN的交替的层形成，其中超晶格的单个层具有优选最高20nm或最高10nm或最高5nm的厚度，并且超晶格尤其具有至少100nm或至少200nm的厚度。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，在波导中引导的模式的有效折射率大于支承体的折射率。尤其，有效折射率为支承体的折射率的最高1.05倍。

在此，有效折射率是相对于在真空中的相位延迟来对在波导中每一个长度单位的相位延迟进行量化的数字。在英语中相位延迟称为phasedelay。有效折射率相关于引导的模式。这样，通常基本模式的有效折射率与更高模式的有效折射率不同，在在波长相同时也如此。此外，有效折射率相关于传播常数β，英语为propagation constant。传播常数通过下面的相互关系给出：

$\stackrel{\→}{E}(x,y,z,t)={\stackrel{\→}{E}}_0(x,y)e^{i(\mathrm{\βz}-\mathrm{\ωt})}.$

在此，是电场强度，z是在波导中的传播方向或引导方向，ω是辐射的频率，和t是时间。同样，传播常数相关于引导的模式，并且从而对于基本模式和更高的模式也许不同。传播常数能够通过用于光学模拟的程序确定，或例如干涉地根据实验测定。因此，通过传播常数，相关于长度单位给出对于光的相位变化，所述光在介质中和尤其在波导中传播。

那么，适用于波导的有效折射率n_eff的相互关系为：

$n_{\mathrm{eff}}=\frac{\mathrm{\β\λ}}{2\mathrm{\π}}$

优选适用于在波导中的引导模式的有效折射率n_eff的是，有效折射率小于波导的折射率或平均折射率，并且有效折射率大于或等于包层的折射率或平均折射率。换言之，引导的模式的有效折射率处于包层的折射率和波导的折射率或平均折射率之间。如果没有满足所述条件，那么通常，不引导模式，或在引导模式时出现光学损耗。

在光电子半导体芯片的至少一个实施形式中，所述光电子半导体芯片包括支承体和设置在支承体上的、尤其是生长在支承体上的半导体层序列。半导体层序列基于氮化物化合物半导体材料，并且包括至少一个用于产生电磁辐射的有源区以及至少一个波导层，所述波导层间接地或直接地邻接在有源区上，其中形成波导。此外，半导体层序列包括有源区的n掺杂的侧上的n包层或/和在p掺杂的侧上的邻接到波导层上的p包层。波导层间接地或直接地邻接到包层上。在此，在波导中引导的模式的有效折射率大于支承体的折射率。

因此，给出的半导体芯片基于的认知是，在支承体、尤其是生长衬底上的具有低折射率的和具有高折射率的层的组合被施加，使得形成波导，在所述波导中引导模式，其中用于引导的模式的有效折射率大于支承体的折射率。在描述的半导体芯片中不需要的是在边界面处全反射的情况下尤其出现在波导与包层之间且到达包层中的渐逝场在进入尤其透明的支承体中时被阻碍。因此，渐逝场能够穿透到支承体中。例如，渐逝场在支承体上的有些部位上具有相关于在界面上的场的输出幅度较高的至少1/e³或至少5％或至少2.5％的幅度，其中在所述界面上产生全反射。在常规的激光芯片中，通常抑制所述渐逝场进入到支承体中，尤其通过特别厚的包层来抑制。因为，根据给出的半导体芯片，支承体的折射率小于引导的模式的有效折射率，但是在支承体中不能构成寄生的模式，虽然渐逝场能够进入到支承体中。

在支承体中的寄生模式尤其表现为在光学远场中的附加的频带，例如在大约20°处。这样的频带尤其出现在有源区的朝向支承体的侧上。所述附加的频带使优选实施为激光器的半导体芯片的辐射质量劣化。这例如在使用在数据存储时和也在使用于投影时起干扰的作用。由于阻碍了在支承体中建立模式，能够避免所述问题。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，n包层基于具有0.1％和20％之间、包括边界值的Al份额的AlGaN或基于AlInN或AlInGaN。尤其n包层由下述物质组成或基于下述物质：Al_xGa_1-xN，其中0.0001≤x≤0.30；Al_xIn_1-xN，其中0.74≤x≤0.90或(A_1-yIn_y)_xGa_1-xN，其中0.74≤y≤0.90并且0.01≤x≤0.3。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，电子阻挡层设置在p包层和波导之间和/或空穴阻挡层设置在n包层和波导之间。这样的阻挡层也能够设置在波导的内部。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，为了改进在至少两个相邻的量子膜之间的波引导，波导包括基于InGaN的阻挡层，所述阻挡层具有在0.1％和20％之间的、包括边界值的In份额，和0.1nm和30nm之间的、包括边界值的厚度。通过量子膜之间的阻挡层能够形成超晶格。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，包层具有超晶格，所述超晶格具有拥有交替地高的和低的折射率的层，其中层厚度分别为0.1nm和70nm之间，包括边界值，或在1nm和50nm之间，包括边界值。所述层例如基于GaN或具有最大25％的In份额的InGaN。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，包层具有超晶格，所述超晶格具有拥有交替地高的和低的折射率的层，其中层厚度分别为0.1nm和70nm之间，包括边界值。在p包层的情况下，层厚度优选为1nm和70nm之间，包括边界值。所述层例如基于GaN或具有最大25％的Al份额的AlGaN。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，波导层或波导层中的至少一个和/或包层或包层中的至少一个借助于阶梯形的折射率变化曲线形成。换言之，在相应的层内部的折射率不是恒定的，而是适当变化的。尤其，相应的层的折射率在远离有源区的方向上单调下降。

根据光电半导体芯片的至少一个实施形式，包层中的至少一个，优选最接近支承体的包层划分成至少两个子层。在相邻的子层之间，尤其存在折射率大约相当于支承体的折射率的材料。优选地，包层被划分为2至10个子层，所述子层在远离有源区的方向上能够具有单调递增的厚度。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，包层中的至少一个，即n包层和/或p包层，沿着半导体层序列的生长方向和/或沿着垂直于支承体的方向具有铝含量的阶梯形的或斜坡形的变化曲线。阶梯形表示铝含量在一个阶梯之内是恒定的或近似恒定的。斜坡形表示铝含量直线地或近似直线地沿着生长方向和/或在垂直于支承体的方向上变化。例如，包层具有2、3、4、5或6直到15个阶梯和/或斜坡。相邻阶梯的在铝含量上的差别尤其为0.01％和20％之间，包括边界值，或在0.5％和10％之间，包括边界值，或在1％和5％之间，包括边界值。

在此，尤其优选适合的是，包层的第一半部的平均铝含量大于包层的第二半部中的平均铝含量。第一和第二半部具有相同的几何厚度。两个半部能够仅仅是分为两个相同厚度的部分区域的虚拟划分。在此，第一半部比第二半部距具有有源区的波导更近。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，第一半部的平均铝含量超过第二半部的平均铝含量至少0.01％或至少0.1％或至少0.5％。优选地，在平均铝含量上的差别为最高15％或最高10％或最高5％。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，在与波导最接近的区域中，一个或两个包层的铝含量为至少0.5％，优选至少1％。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，一个或两个包层构成为薄的。薄能够表示包层的厚度为最高500nm。在此优选地，厚度为至少200nm或至少300nm。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，一个或两个包层的平均铝含量为0.1％和30％之间，包括边界值，或1％和12％之间，包括边界值，或3％和8％之间，包括边界值。可能的是，在整个包层内部的局部铝含量不离开所述值范围。尤其所述值适用于薄的包层。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，光学折射率在包层的至少一个或在两个包层中具有阶梯形的或斜坡形的变化曲线。包层的两个相同厚度的、虚拟的半部具有不同的平均的、光学的折射率。与波导更近的第一半部具有比第二半部更低的平均折射率。优选地，半部之间的折射率差在0.0001和0.2之间，包括边界，或0.001和0.08之间，包括边界值，或0.001和0.03之间，包括边界值。

在变化曲线为阶梯形的情况下，相邻的阶梯之间的折射率差优选在0.0001和0.2之间，包括边界值，或0.001和0.1之间，包括边界值，或0.002和0.03之间，包括边界值。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，p包层由InGaAlN构成，其中InGaAlN能够是掺杂的。p包层的厚度在100nm和5000nm之间，包括边界值；优选在200nm和2000nm之间，包括边界值，或在400nm和900nm之间，包括边界值。p包层的平均铝含量在0.1％和20％之间，包括边界值，或在3％和10％之间，包括边界值，或在4％和8％之间，包括边界值。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，波导的总厚度，即p包层和n包层之间的距离，在50nm和2000nm之间，包括边界值，或200nm和1200nm之间，包括边界值，或400nm和800nm之间，包括边界值。

根据光电子半导体芯片的至少一个实施形式，所述半导体芯片是具有一个或具有多个单独的或相关联的激光有源区域的激光芯片、脊型激光器、氧化物条状激光器（Oxidstreifenlaser）、激光栏或发光二极管。

所述实施例能够彼此组合，只要从中不会出现矛盾。尤其是光电子半导体芯片根据多个所述实施例构造。

附图说明

接下来，参照附图借助于实施例进一步阐述在此描述的光电子半导体芯片。在此，相同的附图标记给出在各个附图中相同的元件。然而，在此不合乎比例地示出，相反地，为了更好的理解，能够夸大地示出各个元件。

附图示出：

图4至7、10至14、16至18、20、23和24示出在此描述的光电子半导体芯片的实施例的示意图，和

图1至3、8、9、15、19、21和22示出激光二极管的示意图。

具体实施方式

除了图17和22，附图的A部分分别是沿着深度t的折射率的变化曲线，所述深度平行于半导体层序列的生长方向来定向，以任意单位标识。同样地，在A图中，沿着深度t的电场E的变化曲线e以任意单位标识。在B图中，光学远场的强度I以任意单位相对于以度计的反射角α标识。在图示中，图17A、17B和17C分别对应于其他附图的A部分。

在图1中图解示出常规激光二极管的结构。半导体层序列3在支承体2上生长。半导体层序列3包括具有量子膜的有源区4，在附图中表示为具有提高的折射率的区域。有源区4位于两个波导层5n、5p之间，所述波导层直接邻接到有源区4上。从有源区4中看，波导层5n在朝向支承体2的方向上是n掺杂的，另一包层5p是p掺杂的。通过有源区4以及通过包层5n、5p形成波导45，在所述波导中引导光学模式M。模式M在辐射角α为大约0°时发射，即垂直于半导体层序列3的侧面的界面。

远离有源区4而朝向支承体2地，在n波导层5n上连接n掺杂的n包层6n。在远离支承体2的方向上，从有源区4起始，在p波导层5p上连接电子阻挡部9以及p掺杂的p包层6p，随后连接接触层8。包层6n、6p的折射率小于支承体2的折射率。

n包层6n的厚度Tn为大约1500nm。p包层6p的厚度Tp为大约800nm。由于n包层6n的比较小的厚度Tn，在包层6n内部的渐逝场还未衰减，并且进入到透明的支承体2中。因为，在波导45中用于引导的模式M的有效折射率小于支承体2的折射率，在支承体2中能够形成电场，在大约5000nm时，比较在图1A中的电场E的变化曲线e的斜率。在支承体2中的所述电场在光学远场中表现出大约在20°的角的附加的频带S1。同样，在角为-20°时出现另一寄生模式S2。通过所述一个或所述两个附加的、寄生的模式S1、S2产生在根据图1A的激光芯片的投影应用或数据存储应用中的困难。

引导的模式M的有效折射率等于辐射的传播常数β和波长λ的乘积除以2π。传播常数β相关于引导的模式的阶数，尤其即相关于在垂直于辐射的传播方向的平面中的电场的分布，沿着所述平面波导引导所述场。垂直于传播方向的场分布还相关于折射率并且相关于包层6n、6p的厚度以及相关于波导45的折射率和结构。

因此，在特别是具有预先给出的有源区4的预先给出的波导45中，电场垂直于传播方向，并且因此，在波导45中引导的模式的传播常数β能够通过包层6n、6p和通过所述包层的厚度产生影响。传播常数β以及垂直于传播方向的电场是可计算的或可模拟的。同样，能够根据实验确定电场或电场的平方、强度分布。

根据图2的激光二极管中，n包层6n的厚度扩大到大约2.5μm。如也根据图1地，基于AlGaN的n包层6n的铝含量处于大约5％至10％。在此，引导的模式M的有效折射率小于支承体2的折射率。通过增大n包层6n的厚度，与图1相比较，在包层6n内部的渐逝场衰退至使得没有附加的模式能够在支承体2中构成。

当然，如所述包层6n的、具有比较高的铝含量的层只张紧地生长在GaN上。一方面，这样的张紧损害生长质量，另一方面，能够在半导体层序列的层中形成裂缝，所述裂缝能够造成器件的损坏。

由于所需的厚度比较大，生长时间进一步提高，并且从而制造费用进一步提高。因此，具有比较高的铝含量的比较厚的包层损害器件的质量，并且导致增高的制造费用。

在根据图3的激光二极管中，包层通过不具有显著铝含量的基于GaN的层代替，因此激光二极管不具有拥有比支承体2的折射率更小的折射率的包层。波导45基于InGaN。由于基于InGaN的波导45的更高的折射率，没有寄生的模式能够在支承体2中形成。当然，在波导45中需要比较高的铟含量，这导致更差的材料质量。在铟含量能够外延地良好实现时，另一方面，填充系数（Füllfaktor），即被引导的模式M与有源区4的强度重叠，比较小，这导致在有源区4中的比较小的加强。此外，还需要相比之下非常厚的层8，以便避免渐逝场到达在图3中未示出的、在半导体层序列3的背离支承体2的侧上的p接触部。换言之，根据图3的激光二极管在制造中同样是昂贵的，并且具有比较小的效率。

在图4中示出光电子半导体芯片1的实施例。在波导45的背离支承体2的侧上产生p包层6p。与根据图3的激光二极管相比，通过p包层6p实现渐逝场的相对于未示出的p接触部的改进的屏敝。此外，能够得到更高的填充系数，其在根据图4的实施例中为大约2.4％。

作为用于p包层6p的材料例如能够使用AlGaN或AlInGaN。尤其，含AlInGaN的层能够借助于良好的晶格匹配生长在GaN上。与在图4中所示出不同的是，包层6p具有超晶格结构。

如果包层6p基于AlGaN，那么铝含量例如为0.01％和30％之间，包括边界值，优选为1％和12％，包括边界值，尤其优选为3％和8％之间，包括边界值。如果AlInN用作用于包层6p的基础材料，那么铝含量优选为74％和90％之间，包括边界值，尤其优选为79％和85％之间，包括边界值，尤其优选为大约82％。在AlInGaN的情况下，优选使用Ga_x(Al₈₂In₁₈)_1-xN，其中铝含量能够与所述值82％相差8％，并且x优选为0.01和0.3之间，包括边界值。p包层6p的厚度优选为10nm和1500nm之间，包括边界值，尤其优选为100nm和1000nm之间，包括边界值。在所有其他实施例中，所述材料和厚度也能够考虑用于p包层6p。

在根据图5的实施例中，构成为n包层6n的是基于AlGaN的空穴阻挡层10。通过空穴阻挡层10，填充系数提高到大约2.6％。此外，改进了到有源区4中的空穴注入，以至于半导体激光芯片1的效率提高。

形成n包层6n的空穴阻挡层10能够基于与相关于图4所述的p包层6p相同的材料。然而，n包层6n优选为n掺杂的。n包层6n或空穴阻挡层10的厚度优选为1nm和50nm之间，包括边界值。在AlGaN作为基础材料的情况下，铝含量优选在1％和100％之间，包括边界值，尤其在3％和40％之间，包括边界值，尤其优选在3％和20％之间，包括边界值。所述值也能够使用在所有其他实施例中。

根据图6的半导体芯片1的实施例中，代替空穴阻挡层10，包层6n通过具有与p包层6p相同的铝含量的AlGaN层构成，其中n包层6n具有大约200nm的厚度。在根据图6的实施例中，填充系数为大约2.8％。根据图6的n包层6n的厚度越大，引导的模式M的有效折射率越小。因此，n包层6n不能选择为太厚。如果n包层6n选择为过大，如在根据图8的激光二极管中，其中厚度为大约1000nm，那么出现寄生的模式S1、S2，见图8B。

在根据图7的实施例中，半导体芯片1具有拥有彼此不同的折射率和铝含量的包层6n、6p。根据图7，n包层6n的铝含量为大约5％，空穴阻挡部10的铝含量为大约20％。填充系数为大约3.7％，并且因此是比较高的。

在根据图9的激光二极管中，n包层6n的厚度为大约1.5μm，并且基于AlGaN的n包层6n的铝含量为大约5％。因此，渐逝场不充分地由支承体2屏敝，由此形成寄生的模式S1、S2。

如果，与根据图10的实施例的相比，包层的铝含量降低到大约1％，那么不再出现寄生的模式，因为所引导的模式M的有效折射率大于支承体2的折射率。换言之，在该实施例中重要的是，n包层6n的厚度和n包层6n与邻接的波导45之间的折射率差的乘积不是过大的，其中折射率差尤其通过层的铝含量确定。因此，更大的厚度于是引起更小的铝含量，并且反之亦然。

根据互相匹配的n包层6n的厚度和铝含量，其厚度尤其在0.1nm和2000nm之间的范围内，包括边界值，优选在1nm和1000nm之间，包括边界值，尤其优选在5nm和500nm之间，包括边界值。在AlGaN的情况下，作为用于n包层6n的基础材料，铝含量尤其在0.01％和100％之间，包括边界值，优选在0.01％和20％之间，包括边界值，尤其优选为0.1％和10％之间，包括边界值。这也能够在所有其他实施例中适用。与根据图4的p包层同样地，在现有实施例中也能够将AlGaN、AlInN或AlInGaN以及超晶格和/或上述物质的组合用作基础材料。

根据图11，波导层5n、5p基于具有大约2％的铟含量的InGaN。在所述实施例中，半导体芯片1的填充系数为大约2.8％。

在根据图12的半导体芯片1的实施例中，波导层5n、5p分别相关于其折射率变化曲线构成为阶梯形的。阶梯形的结构的较接近有源区4的阶梯例如通过具有例如大约5％的高铟含量的InGaN阻挡部形成。在远离有源区4的方向上，分别形成具有大约3％的铟含量的第二阶梯。填充系数为大约3.2％。

如也在其他实施例中可能的，波导层5n、5p或波导层5n、5p的阶梯的铟含量分别为优选0％和30％之间，包括30％，尤其为0.1％和10％之间，包括边界值，尤其优选1％和6％之间，包括边界值。可能的是，波导5n、5p中的一个基于GaN，并且另一波导层5n、5p基于InGaN。波导层5n、5p的厚度例如在0.1nm和500nm之间的范围内，包括边界值，优选在1nm和200nm之间，包括边界值，尤其优选在10nm和100nm之间，包括边界值。

在根据图13的实施例中，不仅波导层5n、5p，而且还有包层6n、6p构成为阶梯形的。在指向支承体的方向上，从有源区4起始，波导层5n和包层6n的折射率单调减少。p包层6p的处于较接近有源区4的子层具有比p包层6p的离有源区4较远的其他子层更小的折射率。因此，在远离支承体2方向上，从有源区4起始，折射率不具有单调的，而是波形的变化曲线。

根据图14的实施例，n包层6n通过超晶格结构形成。超晶格结构尤其包括具有交替地高的和低的折射率的2到300之间个层，包括边界值。具有低折射率的层例如基于AlGaN。层的厚度例如在1nm和70nm之间，包括边界值。

根据图15的激光二极管中，n包层6n具有大约300nm的厚度。n包层6n的所述厚度是小的，使得渐逝场到达支承体2中，并且在此引导具有高强度的寄生的模式S1、S2。

与此相对，在根据图16的实施例中，n包层6n的厚度变小，以至于引导的模式M的有效折射率大于支承体2的折射率，因此抑制寄生的模式的产生。因此，寄生的模式不通过包层的厚度的增大，而是通过厚度的减小而不出现。

根据依照图16的实施例的半导体芯片1优选是以紫外线发射的半导体芯片。支承体2尤其是基于AlN、AlGaN、AlGaN、AlInGaN或AlInN的生长衬底。根据铝含量，用于支承体2的所述材料具有比GaN更小的折射率。因此，波导45能够基于GaN和/或包括GaN阻挡层。用于在有源区4中产生的小于或等于365nm的波长，也能够使用具有基于AlGaN的波导层5n、5p的基于GaN的量子膜。如果支承体2基于InGaN、AlInN或AlInGaN，其中所述材料具有比GaN更高的折射率，那么波导45尤其优选具有比支承体2还更高的折射率。

在根据图17A的实施例中，为了使载流子到半导体层序列3的注入中变得简单，和为了减少在半导体层序列3上的压降，半导体层序列3，由基于AlGaN的n包层6n开始，直接生长在支承体2上。在此，支承体2是高掺杂的衬底，优选是GaN衬底。高掺杂的意味着，例如是硅或氧的掺杂物质浓度，在1x10¹⁸每立方厘米和1x10²⁰每立方厘米之间，包括边界值。此外，包层6n、6p以及波导层5n、5p例如也形成如在根据图11或图12的实施例中那样。

根据图17B，基于GaN的支承体2上附加地施加优选基于GaN的、高掺杂的层7。高掺杂的层7的掺杂物质浓度在1x10¹⁸每立方厘米和1x10²⁰每立方厘米之间的范围内，包括边界值，或在5x10¹⁸每立方厘米和5x10¹⁹每立方厘米之间，包括边界值。掺杂例如用硅或氧实现。高掺杂的层7的厚度例如在1nm和10μm之间，包括边界值，优选在100nm和4μm之间，包括边界值，尤其优选在0.5μm和2μm之间，包括边界值。

为了避免附加的光学吸收损耗，在根据图17C的实施例中，高掺杂的层7不直接邻接到n包层6n上形成。在n包层6n和高掺杂的层7之间存在中间层67，所述中间层例如具有在5x10¹⁷每立方厘米和5x10¹⁸每立方厘米之间的范围内的、包括边界值的掺杂物质浓度。中间层67的厚度优选为500nm和2μm之间，包括边界值。

在根据图18的实施例中，n波导层5n包括超晶格。所述超晶格通过第一层51和通过第二层52形成，所述第一层和第二层彼此交替地紧随。第一层51例如基于具有0％和10％之间的、包括边界值的，优选在0％和5％之间的、包括边界值的铟含量的InGaN。第一层51的厚度在0.1nm和50nm之间，包括边界值，优选在1nm和5nm之间，包括边界值。第二层52同样基于具有1％和25％之间的，包括边界值的铟含量，优选具有3％和10％之间的，包括边界值的铟含量。第二层52的厚度尤其在0.1nm和50nm之间，包括边界值，优选在1nm和20nm之间，包括边界值。在此，第二层52的厚度相应地大于第一层51的厚度，并且第一层51的铟含量小于第二层52的铟含量，也见图18C中的示意性剖面图。

在根据图19的常规激光二极管中构成支承体模式S1、S2。与之相比，支承体模式S1、S2不存在于根据图20的半导体芯片1的实施例中。这由此实现了：n包层6n被划分为多个子层。子层通过中间层67彼此隔开，所述中间层尤其基于GaN，并且具有与支承体的折射率相应的折射率。

例如，距有源区4较远的子层具有比距有源区4较近的子层更大的厚度。

子层的厚度尤其在100nm和600nm之间，包括边界值。中间层67优选实施为比n包层6n的一个或所有子层更厚。中间层67的厚度尤其在200nm和1000nm之间，包括边界值。这样被划分为至少两个子层的n包层6n也能够在半导体芯片1的其他实施例中使用。

根据图21的激光二极管具有两个与在波导45中引导的模式M相比更小的衬底模式S1、S2，因为所引导的模式M的有效折射率小于支承体2的折射率。通过例如尤其在上述列举的实施例中的一个中给出的n包层6n的变化，和从而相关的所引导的模式M的有效折射率的斜率能够压制衬底模式S1、S2。因此，根据图21的激光二极管的层结构以类似的方式能够考虑用于列举的实施例中。

根据图21的激光二极管的层结构如下所述，从支承体2起始，并且在指向接触层8的方向上：

-支承体2尤其由掺杂的GaN组成，具有大约100μm的厚度和2.489的折射率。如也在实施例中，折射率的说明分别相关于最大强度的波长，对于所述最大强度的发射而设置激光二极管或半导体芯片1。

-n包层6n具有大约2000nm的厚度，并且具有2.447的折射率。n包层6n的材料是具有5％的Al份额的AlGaN。

-n波导层5n由GaN形成，其具有2.469的折射率和大约200nm的厚度。

-有源区4具有三个量子膜，所述量子膜分别具有大约3nm的厚度，由具有大约17％的In份额的InGaN形成，并且具有2.527的折射率。两个相邻的量子膜之间分别存在由具有大约8nm和大约10nm的厚度和2.469的折射率的GaN构成的阻挡层。

-在有源区4和电子阻挡层9之间存在具有GaN的中间层，所述中间层具有大约10nm的厚度和2.469的折射率。电子阻挡层9具有大约10nm的厚度、2.385的折射率，并且基于具有20％的Al份额的AlGaN。

-p波导层5p具有大约200nm的厚度、2.469的折射率，并且基于GaN。

-p包层6p，其基于具有5％的Al份额的AlGaN，具有大约1000nm的厚度和2.447的折射率。

-接触层8基于GaN，具有大约50nm的厚度和2.469的折射率。所引导的模式M的有效折射率在所述层结构中为2.457。

根据图21，波导45构造为一维的，在根据图22的激光二极管中波导构造为二维的。所述层结构符合图21中的层结构。接触层8以及p包层6p局部地通过刻蚀移除，以至于条状物13，英语ridge，以大约2μm的宽度构成，其中条状物13由背离支承体2的金属接触部11覆盖。因此，直至半导体层序列3的大约1050nm的深度地来进行刻蚀。刻蚀的区域在侧向上，除了条状物13之外，用具有比p包层6p更低的折射率的材料12，例如用具有大约1.5的折射率和大约1000nm的厚度的二氧化硅填满。因此，所引导的模式M的有效折射率降低到2.455，比较根据图21的值2.457。模式M的半值宽度，比较图21B和22B，大致减少一半到大约8.8°。

这类的、二维的波导45，如在图22A中示出的，尤其也能够考虑用于半导体芯片1的所有实施例中。

在图23中，半导体芯片1的其他实施例的半导体层序列3中的截面借助于沿着深度t的铝含量K的或折射率n的变化曲线图解。包层6n分别被划分为两个相同厚度的、虚构的半部H1、H2，其中第一半部H1比第二半部H2更近地放置在波导45处。第一半部H1的平均铝含量超过第二半部H2的平均铝含量。

根据图23A，n包层6n具有铝含量方面的刚好两个阶梯L1、L2。在阶梯L1、L2的内部，铝含量近似于恒定。在图23B中示出n包层6n，其总共具有十一个阶梯。n包层6n具有子层，所述子层从两边由分别具有更高的铝含量的其他子层毗邻。在图23C中，折射率的变化曲线沿着深度t示出。在第一半部H1中，平均折射率小于在第二半部H2中。n包层6n包括三个阶梯L1、L2、L3。

与图23中所示不同地，替选地或附加地，也能够相应地构成p包层。

在图24中，借助于表格并且相关于包层6n、6p描述半导体芯片1的实施例变型。对于所有变型适用，第一半部H1的平均铝含量Ka(H1)大于第二半部H2的平均铝含量Ka(H2)。变型1至8具有铝含量K的阶梯形的变化曲线，其中分别给出阶梯L1、L2、L3、L4的平均铝含量K(L1,L2,L3,L4)以及所述阶梯的厚度d(Li,L2,L3,L4)。根据变型9和10，铝含量K首先斜坡形分布，然后以阶梯L2的形状来分布。在变型9中，铝含量K以斜坡形从波导45起始线性下降，根据变型10线性上升。

在表格中列举的值能够在半导体芯片1的实施例中分别用最高25％或最高10％的公差实现，只要第一半部H1的平均铝含量Ka(H1)大于第二半部H2的平均铝含量。例如，在表格中给出的400nm的厚度的情况下，最高25％的公差意味着，描述的是400nm±25％的厚度范围，即300nm至500nm，包括边界值。

本发明不限于借助于实施例的描述。相反地，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，这尤其包括在权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或该组合本身并未在权利要求或实施例中明确说明。

本专利申请要求德国专利申请102010009457.9的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

Claims (12)

1.光电子半导体芯片(1)，

所述光电子半导体芯片包括支承体(2)和设置在所述支承体上的、基于氮化物化合物半导体材料的半导体层序列(3)，所述半导体层序列具有

-至少一个有源区(4)，所述有源区设置用于产生电磁辐射，

-至少一个波导层(5)，所述波导层邻接于所述有源区(4)，其中形成波导(45)，和

-所述有源区(4)的n掺杂侧处的n包层(6n)和邻接于所述波导层(5)的p掺杂侧处的p包层(6p)，

其中在所述波导(45)中引导的模式的有效折射率大于所述支承体(2)的折射率，

其中，

-至少所述n包层(6n)被划分为至少两个具有彼此不同的平均铝含量的子层，

-所述n包层(6n)的第一半部(H1)具有比所述包层(6n)的第二半部(H2)更高的平均铝含量，其中所述半部(H1、H2)是同样厚的，所述半部(H1、H2)为n包层(6n)的虚拟的划分并且所述第一半部(H1)离所述波导(45)更近，

-所述第一半部(H1)的平均铝含量超出所述第二半部(H2)的平均铝含量至少0.1个百分点，

-在所述波导(45)中引导的模式的所述有效折射率位于所述n包层(6n)的平均折射率和所述波导(45)的所述平均折射率之间，

并且

-所述n包层(6n)的所述平均折射率小于所述支承体(2)的所述折射率。

2.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中在所述波导(45)中引导的模式的所述有效折射率为所述支承体(2)的折射率的最高1.05倍。

3.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述p包层的厚度(Tp)在10nm和1500nm之间，其中包括边界值。

4.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述p包层(6p)基于下述材料之一：

Al_xGa_1-xN，其中0.0001≤x≤0.30，

Al_xIn_1-xN，其中0.74≤x≤0.90，或

(Al_1-yIn_y)_xGa_1-xN，其中0.74≤y≤0.90和0.01≤x≤0.3。

5.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述n包层(6n)基于下述材料之一：

Al_xGa_1-xN，其中0.0001≤x≤0.30，

Al_xIn_1-xN，其中0.74≤x≤0.90，或

(Al_1-yIn_y)_xGa_1-xN，其中0.74≤y≤0.90和0.01≤x≤0.3，和/或其中所述n包层(6n)设置为空穴阻挡部。

6.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述有源区(4)具有1和10之间个量子膜，其中包括边界值，

其中为了改进在所述波导(45)中的波引导，在至少两个相邻的量子膜之间形成基于In_xGa_1-xN的阻挡层，其中0.001≤x≤0.20，并且所述阻挡层具有0.1nm和30nm之间的、包括边界值的厚度。

7.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述波导层(5)具有带有层(51、52)的超晶格，所述层具有交替的高折射率和低折射率，并且分别具有0.1nm和70nm之间的、包括边界值的厚度。

8.根据权利要求7所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述超晶格具有交替的第一层(51)和第二层(52)，所述第一层基于In_x1Ga_1-x1N，其中0≤x1≤0.10，并且所述第二层基于In_x2Ga_1-x2N，其中0.01≤x2≤0.25。

9.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述p包层(6p)具有带有层(51、52)的超晶格，所述层具有交替的高折射率和低折射率，并且分别具有1nm和70nm之间的、包括边界值的厚度。

10.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中在所述支承体(2)和与所述支承体(2)最接近的包层(6n)之间存在高掺杂的层(7)，

其中所述高掺杂的层(7)的掺杂物质浓度在1x10¹⁸每立方厘米和1x10²⁰每立方厘米之间，包括边界值，并且所述高掺杂的层(7)的厚度在1nm和10μm之间、包括边界值，或者其中所述支承体(2)具有所述掺杂物质浓度。

11.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中所述波导层(5)和/或所述包层(6n、6p)显示出阶梯形的折射率变化曲线。

12.根据权利要求1-3之一所述的光电子半导体芯片(1)，其中通过部分地移除所述p包层(6p)构成条状物(13)，其中所述条状物(13)在侧向上至少部分地由具有较低折射率的材料包围。