CN105493299A - 具有带有至少一个高阻挡层的多量子阱的光电子半导体芯片 - Google Patents

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Abstract

提出一种光电子半导体芯片(10)，包括：p型半导体区域(4)；n型半导体区域(6)；设置在p型半导体区域(4)和n型半导体区域(6)之间的有源层(5)，所述有源层构成为多量子阱结构(7)，其中多量子阱结构(7)具有多个交替的量子阱层(71)和阻挡层(72，73)，其中与距n型半导体区域(6)相比更靠近p型半导体区域(4)设置的至少一个阻挡层是高阻挡层(73)，所述高阻挡层具有电子带隙(Ehb)，所述电子带隙大于其余的阻挡层(72)的电子带隙(Eb)。

Description

具有带有至少一个高阻挡层的多量子阱的光电子半导体芯片
技术领域
本发明涉及一种光电子半导体芯片，所述光电子半导体芯片具有构成为多量子阱结构的有源层。
本专利申请要求德国专利申请102013107969.5的优先权，其公开内容在此作为参引并入本文。
背景技术
在发射辐射的光电子半导体芯片、例如LED芯片或激光二极管芯片中，辐射的发射通常与工作温度相关。典型地，要考虑辐射产生的效率随着温度升高而降低。辐射产生的降低的效率在非常高的工作温度下会引起亮度的明显降低。例如，在包含InGaAlP半导体材料并且在550nm至640nm的波长范围中发射的发射辐射的半导体芯片中，在温度从室温升高到大约100℃的情况下，如果不采取用于使辐射发射稳定的适当措施，则会出现达到80百分比的亮度降低。
发明内容
本发明基于下述目的，提出一种发射辐射的光电子半导体芯片，所述光电子半导体芯片的特征在于降低辐射发射的温度相关性。
所述目的通过根据独立要求1的光电子半导体芯片来实现。本发明的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。
根据至少一个设计方案，光电子半导体芯片具有p型半导体区域、n型半导体区域和设置在p型半导体区域和n型半导体区域之间的有源层，所述有源层构成为多量子阱结构。多量子阱结构具有多个交替的量子阱层和阻挡层，其中阻挡层与量子阱层相比具有较大的电子带隙。
在光电子半导体芯片中，有利地，多量子阱结构的阻挡层的与距n型半导体区域相比更靠近p型半导体区域设置的至少一个阻挡层是高阻挡层。在此并且在下文中，将高阻挡层理解成下述阻挡层，所述阻挡层具有大于多量子阱结构的其余的阻挡层的电子带隙Eb的电子带隙Ehb。换言之，多量子阱结构的阻挡层除了至少一个高阻挡层之外分别具有电子带隙Eb，其中在与距n型半导体区域相比更靠近p型半导体区域设置的一个或多个高阻挡层中的电子带隙提高到值Ehb＞Eb。为了实现至少一个高阻挡层的更大的电子带隙Ehb，至少一个高阻挡层有利地具有不同于多量子阱结构的其余的阻挡层的材料组成的材料组成。多量子阱结构的没有构成为高阻挡层的其余的阻挡层有利地分别具有相同的材料组成和相同的电子带隙Eb。
将至少一个高阻挡层加入多量子阱结构的朝向p型半导体区域的区域中具有下述优点，高阻挡层用作为尤其用于空穴的载流子阻挡。尤其已经证实的是，对于空穴而言比对于电子而言更难经过高阻挡层。从p型半导体区域注入到多量子阱结构中的空穴因此不能够无阻碍地分布在整个多量子阱结构中，而是优选地在一个量子阱层或多个多量子阱层中积聚，所述量子阱层设置在p型半导体区域和至少一个高阻挡层之间。通过空穴在多量子阱结构中的所述不均匀的分布，辐射产生的效率尤其在低的温度下、例如在室温下降低。相反地，在较高的温度下，对于空穴而言更容易经过多量子阱结构的朝向p型半导体区域的区域中的高阻挡层。空穴随着温度升高更均匀地分布在多量子阱结构中，使得在多量子阱结构的更大的区域中发生载流子复合，以产生辐射。温度越高，通过至少一个高阻挡层造成的辐射产生的效率降低出于所述原因越小。
辐射产生的效率在低的温度下、尤其在室温下通过至少一个加入到量子阱结构中的高阻挡层造成的降低在此处描述的多量子阱结构中有意地予以考虑，以便抵抗在温度升高时在发射辐射的半导体器件中典型地观察到的降低的效率。典型地，发射辐射的半导体器件的效率随着温度升高而降低，因为载流子在有源区中的埋置由于载流子的更大的迁移率变得更差进而出现在有源层之外以不进行辐射的复合的形式的增大的损耗。将至少一个高阻挡层加入到多量子阱结构的朝向p型半导体区域的区域中引起相反效应，通过相反效应，辐射产生的效率随着温度升高而增大。以所述方式，减少或者优选甚至补偿通常观察到的亮度随着温度升高的降低。光电子半导体芯片的特征因此在于发射的辐射的亮度的改进的温度稳定性。
根据一个优选的设计方案，至少一个高阻挡层具有电子间隙Ehb，对此适用的是：Ehb-Eb≥0.05eV。高阻挡层的材料组成因此优选地选择成，使得高阻挡层具有与其余的阻挡层相比大至少0.05eV的电子带隙。在一个特别优选的变型方案中，至少一个高阻挡层的电子带隙Ehb甚至比其余的阻挡层的电子带隙大0.1eV。
多量子阱结构优选具有不多于10个的高阻挡层。多量子阱结构中的高阻挡层的数量优选在1和10之间，特别优选在1和5之间。
在光电子半导体芯片的一个设计方案中，从p型半导体区域开始，多量子阱结构的前k个阻挡层是高阻挡层，其中k是在1和10之间并且特别优选在1和5之间的数字。
在一个优选的设计方案中，多量子阱结构具有刚好一个高阻挡层。除刚好一个高阻挡层之外，优选全部其余的阻挡层分别具有相同的带隙Eb。加入刚好一个高阻挡层具有下述优点，辐射产生的效率在室温下与在应用多个高阻挡层的情况下相比不那么强地降低。
在应用刚好一个高阻挡层时，所述高阻挡层优选设置在从p型半导体区域开始为第m个量子阱层的量子阱和直接相邻的量子阱层之间，其中m是在1和20之间、优选在1和10之间的数字。换言之，在该设计方案中，在1和20之间、优选在1和10之间的量子阱层设置在p型半导体区域和高阻挡层之间，并且全部其余的量子阱层设置在高阻挡层和n型半导体区域之间。在低的工作温度下，因此，空穴优选在p型半导体区域和高阻挡层之间的m个量子阱层中积聚。
在该设计方案中，尤其可以是m＝1。在该情况下，高阻挡层设置在从p型半导体区域开始的第一量子阱层和第二量子阱层之间。在该设计方案中，因此，仅多量子阱结构的最靠外的量子阱层借助于高阻挡层与其余的量子阱层分开。
在另一个设计方案中，多量子阱结构不仅具有一个高阻挡层，而且具有多个高阻挡层，所述多个高阻挡层与距n型半导体区域相比更靠近p型半导体区域设置。在应用多个高阻挡层的情况下，可能必须考虑在室温下的效率的更加强的降低，其中但是这提供下述可能性，在高的温度下降低或甚至补偿亮度的更大的下降。因此，相对于不具有高阻挡层的多量子阱结构，得到虽然在室温下明显降低的但是具有明显改进的温度稳定性的亮度。
多量子阱结构可以基于磷化物化合物半导体，尤其InxAlyGa1-x-yP，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1，并且例如设为用于在550nm至640nm的波长范围中发射辐射。在具有这种有源层的光电子半导体芯片中，至少一个高阻挡层是特别有利的，因为这种半导体芯片典型地具有发射的亮度的强的温度相关性，所述温度相关性可以借助于至少一个高阻挡层减小或者甚至补偿。
替选地，多量子阱结构可以基于氮化物化合物半导体，尤其InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1，并且例如设为用于在紫外的或蓝色的光谱范围中发射。此外，多量子阱结构也可以基于砷化物化合物半导体，尤其InxAlyGa1-x-yAs，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1，并且设为用于在红色和/或红外的光谱范围中、例如在大约700nm至800nm下发射。
在一个优选的设计方案中，至少一个高阻挡层和其余的阻挡层分别具有InxAlyGa1-x-yP、InxAlyGa1-x-yN或InxAlyGa1-x-yAs，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1，其中至少一个高阻挡层的铝含量y大于其余的阻挡层的铝含量y。更大的铝含量有利地引起高阻挡层的电子带隙与其余的阻挡层相比增大。
多量子阱结构的不构成为高阻挡层并且分别具有相同的电子带隙Eb的其余的阻挡层的数量有利地至少为10、优选至少为20。其余的阻挡层的数量尤其可以在10和100之间。其余的阻挡层的数量有利地为具有提高的带隙的高阻挡层的数量的至少5倍大并且特别优选为至少10倍大。
在另一个有利的设计方案中，在朝向p型半导体区域的一侧上邻接于至少一个高阻挡层的至少一个量子阱层具有小于其余的量子阱层的带隙Ew的电子带隙Elw。已经证实的是，在朝向p型半导体区域的一侧上邻接于至少一个高阻挡层的量子阱层中，由于阻挡作用而出现非常高的载流子密度。这会引起，载流子复合也从高的激发态进行，其中通过这种复合辐射具有更大的能量并且具有更短的波长的辐射。发射光谱的由此引起的朝向更短的波长的移动能够有利地通过下述方式减少或甚至完全补偿：邻接于至少一个高阻挡层的量子阱层与其余的量子阱层相比具有更小的带隙。
减少或补偿发射光谱朝向更短的波长的移动的效应的替选的可能性在于，在朝向p型半导体区域的一侧上邻接于至少一个高阻挡层的至少一个量子阱层与其余的量子阱层相比具有更大的厚度。与电子带隙的减小类似地，量子阱层的厚度的增大也引起发射的波长的增大并进而引起减少或补偿不期望的效应。
附图说明
在下文中根据实施例结合附图1至6详细阐述本发明。
附图示出：
图1示出贯穿根据第一实施例的光电子半导体芯片的横截面的示意图，
图2示出贯穿根据第二实施例的光电子半导体芯片的横截面的示意图，
图3示出贯穿根据第三实施例的光电子半导体芯片的横截面的示意图，
图4示出贯穿根据第四实施例的光电子半导体芯片的横截面的示意图，
图5示出在第五实施例中根据沿垂直的方向伸展的位置坐标z的电子带隙的曲线图，以及
图6示出在根据第六实施例的光电子半导体芯片中与传统的光电子半导体芯片相比根据温度T的相对亮度B(T)/B(T＝25℃)的曲线图。
相同的或起相同作用的组成部分在图中分别设有相同的附图标记。示出的组成部分和组成部分相互间的大小关系不视作为是合乎比例的。
具体实施方式
在图1中示出的根据第一实施例的光电子半导体芯片10是LED芯片，所述LED芯片具有p型半导体区域4、n型半导体区域6和设置在p型半导体区域4和n型半导体区域6之间的适合于发射辐射的有源层5。光电子半导体芯片10的该实施例为所谓的薄膜半导体芯片，初始用于半导体层4、5、6的外延生长的生长衬底从所述薄膜半导体芯片剥离并且替代于此将半导体层序列借助于连接层2、尤其焊料层与不同于生长衬底的承载衬底1连接。在这种薄膜发光二极管芯片10中，p型半导体区域4通常朝向承载衬底1。在p型半导体区域4和承载衬底1之间有利地设置有镜层3，所述镜层有利地将朝向承载衬底1的方向发射的辐射朝向光电子半导体芯片的辐射出射面11的方向转向。镜层3例如是金属层，所述金属层包含Ag、Al或Au。
为了电接触光电子半导体芯片10，例如可以在承载衬底1的后侧上设置第一接触层8并且在辐射出射面11的子区域上设置第二接触层9。
p型半导体区域4和n型半导体区域6分别可以由多个子层构成并且不一定必须仅由p型掺杂的层或n型掺杂的层构成，而是例如也可以具有一个或多个未掺杂的层。
对示出的实施例替选地，光电子半导体芯片10也可以具有相反的极性，这就是说，n型半导体区域6可以朝向衬底，并且p型半导体区域4可以朝向光电子半导体芯片的辐射出射面11(没有示出)。这通常在光电子半导体芯片中是下述情况，其中用于半导体层的外延生长的生长衬底不被剥离，因为通常n型半导体区域首先生长到生长衬底上。
光电子半导体芯片10的设为用于发射辐射的有源层5构成为多量子阱结构7。多量子阱结构7具有多个交替设置的量子阱层71和阻挡层72、73。在示出的实施例中，多量子阱结构7具有一百个分别由量子阱层71和阻挡层72、73构成的层对。量子阱层71分别具有电子带隙Ew。从光电子半导体芯片10的n型半导体区域6开始，前98个阻挡层分别具有电子带隙Eb。
两个最靠近p型半导体区域4的阻挡层73分别构成为高阻挡层73，所述高阻挡层与其余的阻挡层72相比具有更大的电子带隙Ehb。对此，高阻挡层73在材料组成方面不同于其余的阻挡层72。高阻挡层73的更高的电子带隙Ehw尤其可以通过下述方式产生，高阻挡层73与其余的阻挡层72相比具有更高的铝含量。例如，高阻挡层73可以具有In0.5Al0.5P并且其余的阻挡层72可以具有In0.5Ga0.25Al0.25P。
由于提高的电子带隙Ehb，高阻挡层73尤其用作为用于空穴的阻挡并且使空穴难以从p型半导体区域4进入到量子阱结构7的朝向n型半导体区域6的部分中。在光电子半导体芯片10运行时，因此，空穴在邻接于高阻挡层73的朝向p型半导体区域4的边界面的量子阱层71中的浓度与在多量子阱结构7的其余98个量子阱层71中相比更高。尤其在低的工作温度下，由此出现在多量子阱结构7中的不均匀的载流子分布，这减少辐射产生的效率。
在较高的工作温度下，高阻挡层73可以更容易地被空穴经过，使得载流子分布随着温度升高变得更均匀。以所述方式，辐射产生的效率随着温度升高而升高。所述效应有利地减少或补偿相反效应，使得由于载流子在多量子阱结构7中更差的埋置，在有源层5中的辐射产生的效率随着温度升高而降低，如典型地在发射辐射的半导体芯片中观察到的那样。光电子半导体芯片10的特征因此在于发射的亮度的改进的温度稳定性。
在图1中示出的光电子半导体芯片10例如设为用于在590nm的波长下发射。已经证实的是，在室温下的亮度由于两个高阻挡层73与其中全部一百个阻挡层72都由In0.5Ga0.25Al0.25P形成的在其他方面相同的半导体芯片相比降低了大约15百分比。但是在100℃的工作温度下，光电子半导体芯片10发射与其中全部阻挡层具有相同的电子带隙的在其他方面相同的传统半导体芯片相同的亮度。亮度随工作温度的相对变化因此在根据该实施例的光电子半导体芯片10中与全部阻挡层具有相同的电子带隙的比较示例中相比是更小的。
在图2中示出光电子半导体芯片10的另一个实施例，所述光电子半导体芯片设为用于在615nm的波长下发射。光电子半导体芯片10与图1的实施例的不同之处在于，作用为有源层5的多量子阱结构7具有五十个由量子阱层71和阻挡层72、73构成的层对。与之前的实施例相反地，从p型半导体区域4开始，仅第一阻挡层73构成为高阻挡层73。高阻挡层73包含In0.5Al0.5P并进而与其余49个分别具有In0.5Ga0.25Al0.25P的阻挡层72相比具有更大的电子带隙。
通过从p型半导体区域4开始的第一阻挡层构成为高阻挡层73，光电子半导体芯片10的亮度在室温下与其中全部阻挡层具有相同的电子间隙的在其他方面相同的光电子半导体芯片相比下降了大约17百分比。亮度在温度升高到100℃时的相对降低在图2中示出的实施例中为大约40百分比，而不是在传统的半导体芯片情况下的50百分比，传统的半导体芯片具有带有相同的电子带隙的阻挡层。在室温和100℃的工作温度之间的相对亮度损失因此有利地在该实施例中相对于传统的半导体芯片降低20百分比。
在图2中示出的光电子半导体芯片10的其他有利的设计方案和优点对应于第一实施例并进而不再次详细阐述。
在图3中示出光电子半导体芯片10的另一个实施例，其为图1的实施例的变型形式。图3的实施例与图1的实施例的不同之处在于，在朝向p型半导体区域4的一侧上邻接于两个高阻挡层73的两个量子阱层74具有电子带隙Elw，该电子带隙小于其余的量子阱层71的电子带隙Ew。这是有利的，因为已经证实的是，高阻挡层73引起空穴在朝向p型半导体区域4的方向邻接的量子阱层74中的浓度升高。由于这些量子阱层74中的高的载流子浓度，产生辐射的载流子复合也从较高的激发态中进行，由此发射具有较短的波长的高能量的辐射。所述效应通过下述方式减少或甚至补偿：在朝向p型半导体区域4的一侧上邻接于高阻挡层73的量子阱层74的电子带隙Elw与其余的量子阱层71相比降低。在图3中示出的光电子半导体芯片10的其他有利的设计方案和优点对应于第一实施例进而不再次详细阐述。
在图4中示出光电子半导体芯片10的另一个实施例，其为在图2中示出的实施例的变型形式。图4的实施例与图2的实施例的不同之处在于，在朝向p型半导体区域4的一侧上邻接于高阻挡层73的量子阱层75具有大于其余的量子阱层71的厚度d1的厚度d2。邻接于高阻挡层73的量子阱层75的厚度的增大为在图3中示出的可能性的替选方案，所述替选方案减小在量子阱层75中发射的辐射的发射波长，以便减小或甚至补偿通过从较高的激发态开始的载流子复合造成的相反效应。关于其他有利的设计方案，在图4中示出的实施例相应于在图2中示出的实施例。
在图5中示出在光电子半导体芯片10的另一个实施例中根据沿竖直方向伸展的位置坐标z的电子带隙Eg的变化曲线。这为设为用于在615nm的波长下发射的半导体芯片，所述半导体芯片基于材料体系InGaAlP并且如在图2中示出的实施例那样具有五十个由交替的量子阱层和阻挡层构成的层对。从p型半导体区域开始的第一阻挡层构成为高阻挡层73，所述高阻挡层与多量子阱结构的其他的阻挡层相比具有明显更大的电子带隙。高阻挡层73的功能和由此得到的优点对应于之前描述的实施例进而在该处不再次详细阐述。
对在图5中示出的实施例替选地，也可能的是，高阻挡层73不设置在从p型半导体区域4开始的第一量子阱层之后，而是在多个量子阱层之后才设置。尤其，高阻挡层73可以设置在从p型半导体区域开始为第m个量子阱层的量子阱层和直接相邻的量子阱层之间设置，其中m是在1和20之间、优选在1和10之间的数字。
在图6中示出针对根据另一个实施例的光电子半导体芯片(曲线12)与传统的半导体芯片(曲线13)相比根据环境温度T的所测量的相对亮度B(T)/B(T＝25℃)。根据该实施例的光电子半导体芯片为基于半导体材料InGaAlP的发光二极管芯片，所述发光二极管芯片具有多量子阱结构，所述多量子阱结构具有100个由量子阱层和阻挡层构成的层对，其中从p型半导体区域开始的前10个阻挡层构成为高阻挡层，所述高阻挡层与多量子阱结构的其余90个阻挡层相比具有更大的电子带隙。传统的半导体芯片的比较示例为在其他方面相同地构造的半导体芯片，其中全部100个阻挡层具有相同的电子带隙。
在低的温度T下，光电子半导体芯片的该实施例的高阻挡层降低发射的亮度，因为空穴到朝向n型半导体区域的方向跟随高阻挡层的90个量子层中的载流子传输降低。该效应随着温度T升高而下降，因为载流子随着温度升高具有更大的迁移率并进而能够更容易地经过高阻挡层。在根据该实施例的光电子半导体芯片中，因此与在传统的半导体芯片中相比，随着温度的升高，亮度降低更少。例如，亮度在T＝100℃的温度下的降低与在传统的半导体芯片中相比小了大约7百分比。
本发明并不限于根据实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合，即使所述特征或所述组合自身没有明确地在权利要求或实施例中说明时也如此。

Claims (15)

1.一种光电子半导体芯片(10)，包括：
-p型半导体区域(4)；
-n型半导体区域(6)；
-设置在所述p型半导体区域(4)和所述n型半导体区域(6)之间的有源层(5)，所述有源层构成为多量子阱结构(7)，其中所述多量子阱结构(7)具有多个交替的量子阱层(71)和阻挡层(72，73)，其中与距所述n型半导体区域(6)相比更靠近所述p型半导体区域(4)设置的至少一个阻挡层是高阻挡层(73)，所述高阻挡层具有大于其余的阻挡层(72)的电子带隙Eb的电子带隙Ehb。
2.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片，
其中至少一个所述高阻挡层(73)具有带隙Ehb，对此适用的是：Ehb-Eb≥0.05eV。
3.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述多量子阱结构(7)具有不多于10个的高阻挡层(73)。
4.根据权利要求3所述的光电子半导体芯片，
其中从所述p型半导体区域开始，前k个阻挡层是高阻挡层，其中k是在1和10之间的数字。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述多量子阱结构(7)具有刚好一个高阻挡层(73)。
6.根据权利要求5所述的光电子半导体芯片，
其中所述高阻挡层(73)设置在从所述p型半导体区域开始为第m个量子阱层(71)的量子阱层(71)和直接相邻的量子阱层(71)之间，其中m是在1和20之间的数字。
7.根据权利要求6所述的光电子半导体芯片，其中m＝1。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中所述多量子阱结构(7)具有多个高阻挡层(73)，所述高阻挡层与距所述n型半导体区域(6)相比更靠近所述p型半导体区域(4)设置。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中至少一个所述高阻挡层(73)和其余的所述阻挡层(72)分别具有InxAlyGa1-x-yP、InxAlyGa1-x-yN或InxAlyGa1-x-yAs，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1，并且其中至少一个所述高阻挡层(73)的铝含量y大于其余的所述阻挡层(72)的铝含量y。
10.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中其余的所述阻挡层(72)的数量为至少10。
11.根据权利要求10所述的光电子半导体芯片，
其中其余的所述阻挡层(72)的数量为至少20。
12.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中具有带隙Eb的其余的所述阻挡层(72)的数量是具有提高的带隙Ehb的所述高阻挡层(73)的数量的至少5倍大。
13.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中具有带隙Eb的其余的所述阻挡层(72)的数量是具有提高的带隙Ehb的所述高阻挡层(73)的数量的至少10倍大。
14.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中在朝向所述p型半导体区域的一侧上邻接于至少一个所述高阻挡层(73)的至少一个量子阱层(74)具有小于其余的所述量子阱层(71)的带隙Ew的电子带隙Elw。
15.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，
其中在朝向所述p型半导体区域的一侧上邻接于至少一个所述高阻挡层(73)的至少一个量子阱层(75)具有大于其余的所述量子阱层(71)的厚度的厚度。
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