CN109661730A - 光电子器件 - Google Patents
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Abstract
提出一种具有有源层的光电子器件(10)，所述有源层具有多重量子阱结构(5)，其中多重量子阱结构(5)包含量子阱层(51)，所述量子阱层具有Alx1Iny1Ga1‑x1‑y1N，其中0≤x1＜0.03，0≤y1≤0.1，并且x1+y1≤1，并且所述多重量子阱结构包含势垒层(52)，所述势垒层具有Alx2Iny2Ga1‑x2‑y2N，其中0≤x2≤1，0≤y2≤0.02，并且x2+y2≤1，其中势垒层(52)具有在空间上变化的铝含量x2，势垒层(52)中的铝含量的最大值为x2,max≥0.05，并且势垒层(52)中的铝含量的最小值为x2,min<0.05。
Description
技术领域
本申请涉及一种尤其发射紫色辐射或者紫外辐射的光电子器件，所述光电子器件具有带有量子阱结构的有源层，所述有源层具有氮化物化合物半导体材料，尤其AlInGaN。
本申请要求德国专利申请10 2016 116 425.9的优先权，其公开内容通过参引并入本文。
背景技术
由尤其具有AlInGaN的氮化物化合物半导体构成的量子阱结构常常用作为LED或者激光二极管中的有源层，所述LED或者激光二极管通常在蓝色的光谱范围中进行发射。与半导体材料的组成相关地，尤其也可以在紫色或者紫外光谱范围中进行发射。为了实现在紫外光谱范围中的有效发射，必要的是，在量子阱结构中使用势垒层，所述势垒层具有相对大的电子带隙。这能够在材料体系AlInGaN中通过如下方式来实现：提高铝含量。然而，氮化物化合物半导体材料的晶格常数随着铝含量提高而降低。这在具有高的铝含量的层生长时导致：产生相对大的拉应力。由此产生如下风险：出现缺陷的构成，尤其出现在半导体层中的裂纹形成。
发明内容
本发明基于如下目的，提出一种具有有源层的光电子器件，所述有源层尤其适合于发射在紫外光谱范围中的辐射并且特征在于降低形成缺陷的风险。
该目的通过具有权利要求1的特征的光电子器件来实现。本发明的有利的设计方案和改进形式是从属权利要求的主题。
根据至少一个设计方案，光电子器件具有有源层，所述有源层具有多重量子阱结构，其中多重量子阱结构包含量子阱层和势垒层。势垒层与量子阱层相比至少局部地具有较大的电子带隙。量子阱层优选具有Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中0≤x1＜0.03，0≤y1≤0.1，并且x1+y1≤1。优选地，量子阱层中的铝含量为x1＝0。此外，对于量子阱层中的铟含量而言优选适用的是y1>0。量子阱层优选具有InGaN，尤其Iny1Ga1-y1N，其中0<y1≤0.1。
势垒层优选具有Alx2Iny2Ga1-x2-y2N，其中0≤x2≤1，0≤y2≤0.02，并且x2+y2≤1，其中势垒层中的铝含量x2在空间上变化。铝含量沿着垂直于势垒层的主面的方向变化，或者换言之沿着势垒层的生长方向变化。对于势垒层中的铝含量x2的最大值优选适用的是，x2,max≥0.05。此外，对于势垒层中的铝含量的最小值x2,min优选适用的是x2,min<0.05。
通过量子阱结构的势垒层中的铝含量x2不是恒定的、而是在空间上变化并且具有最大值x2,max≥0.05和最小值x2,min<0.05的方式，能够实现大的电子带隙，但是其中关于势垒层的层厚度取平均值的铝含量有利地小于铝含量的最大值x2,max≥0.05。由此，降低势垒层中的拉应力从而预防如下风险：在势垒层中出现缺陷的构成和/或裂纹形成。
势垒层有利地在与相邻的量子阱层的至少一个边界面处具有铝含量的最大值x2,max。这具有如下优点：势垒层在与分别相邻的量子阱层的边界面处具有大的电子带隙。以这种方式实现：在与量子阱层的边界面处实现大的势垒高度。
在一个优选的设计方案中，铝含量的最大值x2,max为x2,max≥0.1，尤其优选为x2,max≥0.2。这样大的铝含量对于如下量子阱结构是有利的，所述量子阱结构设置用于发射在紫外光谱范围中的辐射。
特别地，势垒层中的铝含量从与在其之前的层的边界面起首先以一级或多级的方式或者连续地降低直至最小值x2,min。紧接着，铝含量能够从最小值起以一级或多级的方式或者连续地再次增加。
根据至少一个设计方案，势垒层在如下至少一个区域中具有铝含量的最小值x2,min，所述区域与相邻的量子阱层具有至少1nm的间距。
铝含量的最小值在势垒层中优选为x2,min≤0.02，尤其优选为x2,min＝0。特别地，势垒层在铝含量的最小值的区域中能够具有GaN。
在光电子器件的一个优选的设计方案中，有源层设置在n型半导体区域和p型半导体区域之间，其中在从n型半导体区域指向p型半导体区域的方向上，中间层分别设置在势垒层和紧接着的量子阱层之间。从p型半导体区域指向n型半导体区域的方向典型地对应于半导体层序列的生长方向。因此在该设计方案中在边界面处设置中间层，在所述边界面处沿着生产方向量子阱层跟随势垒层。中间层优选具有Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，其中0≤x3＜0.03，0≤y3≤0.02，并且x3+y3≤1。中间层的厚度有利地小于1.5nm，尤其优选小于1nm。中间层与紧接着的势垒层相比具有相对小的铝含量x3≤0.03，优选x3≤0.01并且尤其优选x3＝0。此外，中间层中的铟含量y3≤0.02仅是非常小的或者优选y3＝0。特别地，中间层能够是GaN层。
将中间层插入势垒层和紧接着的量子阱层之间尤其具有下述优点：避免量子阱层在具有高的铝份额的势垒层上的直接生长。已经证实为有利的是，尤其具有铟含量的量子阱层不直接在具有高的铝含量的势垒层上生长，因为在这种情况下会在铟和铝之间出现不利的反应。
根据另一有利的设计方案，势垒层在从n型半导体区域指向p型半导体区域的方向上分别直接邻接于之前的量子阱层。由此，在这些边界面处尤其分别不设置中间层。更确切地说，有利的是，在这些边界面处进行从量子阱层的材料到势垒层的材料的突然的转变，以便避免势垒层中的空穴的提高的停留概率。
量子阱结构在一个有利的设计方案中是多重量子阱结构，所述多重量子阱结构具有分别由三个层构成的多个周期，其中所述三个层是势垒层、中间层和量子阱层。周期的数量有利地在3和15之间，优选在4和8之间。
多重量子阱结构中的势垒层的厚度优选在3nm和8nm之间，优选在3nm和5nm之间。量子阱层优选具有在2nm和4nm之间的厚度。
光电子器件优选是发射UV辐射的光电子器件。特别地，光电子器件能够适合于发射中央波长小于420nm的UV辐射。尤其优选地，中央波长在365nm和400nm之间。在该光谱范围中进行发射的光电子器件尤其能够用于漆的硬化。
附图说明
接下来根据实施例结合图1至4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器件的横截面的示意图，
图2示出在一个实施例中在势垒层中的铝含量的变化曲线的示意图，
图3示出在另一实施例中在势垒层中的铝含量的变化曲线的示意图，以及
图4示出贯穿根据另一实施例的光电子器件的横截面的示意图。
相同的或者起相同作用的组成部分在附图中分别设有相同的附图标记。所示出的组成部分以及所述组成部分彼此间的大小关系不应视为是符合比例的。
具体实施方式
在图1中示出的根据一个实施例的光电子器件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之间并且适合于发射辐射的有源层，所述有源层是多重量子阱结构5。LED芯片10优选是在紫外光谱范围中进行发射的LED芯片。LED芯片10的多重量子阱结构5优选适合于发射中央波长小于420nm、优选在365nm和400nm之间的辐射。
根据所述实施例的LED芯片10是所谓的薄膜半导体芯片，其中原本用于外延生长半导体层序列4、5、6的生长衬底已经剥离并且替代于此半导体层序列4、5、6已经借助于连接层2、尤其焊料层与不同于生长衬底的载体衬底1连接。
在这种薄膜发光二极管芯片中，p型半导体区域4通常朝向载体衬底1。在p型半导体区域4和载体衬底1之间有利地设置有镜层3，所述镜层有利地将朝向载体衬底1发射的辐射朝向光电子器件10的辐射出射面9偏转。镜层3例如是金属层，所述金属层包含Ag、Al或者Au。
为了电接触光电子器件10例如能够在载体衬底1的背侧上设置第一接触层7和在辐射出射面9的子区域上设置第二接触层8。
p型半导体区域4和n型半导体区域6能够分别由多个子层构造并且不一定必须仅由p型掺杂的层或者n型掺杂的层构成，而是例如也能够具有一个或多个名义上未掺杂的层。
替选于所示出的实施例，光电子器件10也能够具有相反的极性，也就是说，n型半导体区域6可能朝向衬底，而p型半导体区域4可能朝向光电子半导体芯片的辐射出射面9(未示出)。这通常在如下光电子半导体芯片中是这种情况，在所述光电子半导体芯片中用于外延生长半导体层的生长衬底未剥离，因为通常n型半导体区域首先生长到生长衬底上。
光电子器件10的半导体层序列4、5、6基于氮化物化合物半导体。“基于氮化物化合物半导体”在本文中表示：半导体层序列或者其中至少一个层包括III族氮化物化合物半导体材料，优选AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，并且x+y≤1。在此，所述材料不必强制性地具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，所述材料能够具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分，所述一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分基本上不改变AlxInyGa1-x-yN材料的特征性的物理特性。然而，为了简单起见，上式仅包含晶格的主要组成部分(In、Al、Ga、N)，即使这些主要组成部分能够部分地通过少量其它材料替代时也如此。
氮化物化合物半导体材料的电子带隙尤其能够通过如下方式设定：改变半导体材料中的铝含量和/或铟含量。在这些类型的半导体中，带隙随着铝含量x的增加而增加并且随着铟含量y的增加而下降。
光电子半导体芯片10的设置用于发射辐射的有源层构成为多重量子阱结构5。多重量子阱结构5具有多个交替地设置的量子阱层51和势垒层52。量子阱层51具有带隙EQW并且势垒层52至少局部地具有带隙EB>EQW。多重量子阱结构5尤其是周期性的层序列，所述层序列具有数量为N的周期，其中周期的数量N例如在3和15之间，优选在4和8之间。
量子阱层51例如具有在2nm和4nm之间的厚度。势垒层52的厚度例如在3nm和8nm之间，优选在3nm和5nm之间。
量子阱层51在多重量子阱结构5的该实施例中具有Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中0≤x1＜0.03，0≤y1≤0.1，并且x1+y1≤1。由于少的铝含量x1＜0.03，优选x1＝0，与具有较高的铝份额的势垒层52相比能够实现电子带隙的大的差。换言之，因此能够产生相对深的量子阱。此外，量子阱层51中的铟含量y1≤0.1也是小的，因为电子带隙会随着铟含量的增加而减小。因为光电子器件尤其设置用于发射非常短波的辐射，尤其在UV范围中的辐射，所以小的、在y1＝0和y1＝0.1的范围中的铟含量是有利的。
势垒层52在光电子器件的所述实施例中具有Alx2Iny2Ga1-x2-y2N，其中0.05≤x2≤1，0≤y2≤0.02，并且x2+y2≤1。为了实现大的电子带隙，势垒层52具有仅非常低的铟含量y2≤0.02或者优选不具有铟，使得y2＝0。也就是说，势垒层52的材料优选是Alx2Ga1-x2N，其中0≤x2≤1。优选地，势垒层52的铝含量至少在边界面处具有最大值x2,max≥0.05，在所述边界面处在从n型半导体区域6朝向p型半导体区域4伸展的方向上势垒层52跟随量子阱层51。尤其优选地，x2,max≥0.1或者甚至x2,max≥0.2。势垒层52在与相邻的量子阱层51的边界面处例如能够具有Al0.15Ga0.85N。
在这种情况下，势垒层52中的铝份额x2不是恒定的，而是在z方向上具有空间上的变化，所述z方向垂直于层面从n型半导体区域6指向p型半导体区域。尤其可行的是，势垒层52由多个子层52a、52b、52c组成，所述子层具有不同的铝含量x2。
铝含量沿着势垒层52的z方向的变化曲线针对两个实施例在图2和3中示出。
在图2的实施例中，势垒层52具有两个外部的子层52a、52c和设置在其之间的中部的子层52b。中部的子层52b与外部的子层52a、52c相比具有较低的铝含量x2。优选地，外部的子层52a、52c中的铝含量x2具有最大值x2,max≥0.05，例如x2,max＝0.15。在中部的子层52c中，铝含量具有最小值x2,min<0.05，优选x2,min<0.02，例如x2,min＝0。在所示出的实施例中，外部的子层52a、52c分别是Al0.15Ga0.85N层，而中部的子层52b是GaN层。外部的子层52a、52c例如能够具有在1nm和2nm之间的厚度，而中部的子层52b具有在2nm和3nm之间的厚度。由三个子层组成的势垒层52的总厚度能够为大致3nm至8nm。
通过在该实施例中铝含量x2的阶梯状的变化曲线实现：由于势垒层52的外部的子层52a、52c的高的铝含量，在与相邻的量子阱层51的边界面处实现有利地高的电子带隙。这是有利的，以便尤其能够实现发射在UV范围中的非常短波的辐射。另一方面，通过中部的子层52c中的较低的铝含量，势垒层52中的机械应力降低，从而减小在势垒层52中构成晶体缺陷、例如损伤或者裂纹的风险。
在势垒层52外延生长时首先生长的第一子层52a由于其相对小的晶格常数在生产在位于其下方的具有较大的晶格常数的半导体层上时具有拉应力，所述相对小的晶格常数由高的铝含量x2,max引起。这种拉应力会随着层厚度的增加导致构成缺陷。通过插入中部的子层52b，在第一子层已经达到不大于2nm或者优选不大于1nm的厚度之后，能够有效地减少这种缺陷形成。
在图3中示意地示出势垒层52中的铝含量x2的变化曲线的另一实施例。势垒层52具有第一外部子层52a、中部子层52b和第二外部子层52c。外部子层52a、52c与之前的实施例不同地不具有恒定的铝含量，而是具有铝含量的梯度。第一外部子层52a中的铝含量例如能够从最大值x2,max下降到最小值x2,min并且在第二外部子层中再次从最小值x2,min升高到最大值x2,max。在图3中示例性地分别示出外部子层中的铝含量x2的线性梯度。
但是，替选地也可行的是，铝含量以非线性的方式下降或升高。尤其可行的是，铝含量阶梯状地下降或升高。
也可以考虑的是，省去中部的子层52b，使得势垒层52仅具有两个子层52a、52b。第一子层52a中的铝含量例如能够阶梯状地或者连续地下降至最小值x2,min并且接下来在直接邻接的第二子层52c中再次阶梯状地或者连续地增加。铝含量的变化曲线也不一定必须关于势垒层52的中点是对称的，更确切地说，势垒层52也能够具有铝含量x2的不对称的变化曲线。
因此，关于势垒层52中的铝含量的变化曲线，不同的设计方案是可行的，其中铝含量优选在势垒层52的内部中具有最小值x2,min并且在与相邻的半导体层的边界面处具有最大值x2,max。
在图4中示出光电子器件10的另一实施例。该实施例与图1的实施例的区别在于，在从n型半导体区域6指向p型半导体区域4的z方向上，也就是说，在半导体层序列的生长方向上，在每个量子阱层51之前分别设置有中间层53。在该设计方案中，多重量子阱结构5的周期由此分别具有三个层，即中间层53、紧随中间层53的量子阱层51和紧随量子阱层51的势垒层52。周期的数量N如在之前的实施例中那样有利地在3和15之间，优选在4和8之间。
中间层53是相对薄的层，其厚度优选不大于1.5nm，尤其优选不大于1nm。中间层具有Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，其中0≤x3＜0.03，0≤y3≤0.02，并且x3+y3≤1。优选地，铝含量x3＝0和/或铟含量y3＝0。具有相对低的铝含量或者优选不具有铝含量的薄的中间层具有如下优点：在典型地具有铟含量的量子阱层53生长时，不出现在铟和铝或者其气相的前体材料之间的不期望的反应。
在多重量子阱结构5的边界面处优选分别不设置中间层，在所述边界面处，在从n型半导体区域6指向p型半导体区域4的z方向上势垒层52跟随量子阱层51。换言之，在生长方向上，中间层53直接位于量子阱层51之前，但是在量子阱层51之后不直接跟随中间层。在如下边界面处有利的是，势垒层52直接邻接于量子阱层53，在所述边界面处在生长方向上势垒层52跟随量子阱层51。已证实的是，以这种方式影响电子带结构，使得降低势垒层52中的空穴的停留概率。以这种方式能够改进多重量子阱结构中产生辐射的效率。
关于其它有利的设计方案，尤其势垒层52的设计方案和与其相关联的优点，图4的实施例在其它方面对应于之前所描述的实施例。
本发明不受限于根据实施例的描述。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未明确地在权利要求或者实施例中说明时也如此。
附图标记列表
1 载体衬底
2 连接层
3 镜层
4 p型半导体区域
5 多重量子阱结构
6 n型半导体区域
7 第一接触层
8 第二接触层
9 辐射出射面
10 光电子器件
51 量子阱层
52 势垒层
52a 势垒层的子层
52b 势垒层的子层
52c 势垒层的子层
53 中间层
Claims (13)
1.一种光电子器件(10)，所述光电子器件具有有源层，所述有源层具有多重量子阱结构(5)，其中所述多重量子阱结构(5)包含量子阱层(51)，所述量子阱层具有Alx1Iny1Ga1-x1- y1N，其中0≤x1＜0.03，0≤y1≤0.1，并且x1+y1≤1，并且所述多重量子阱结构包含势垒层(52)，所述势垒层具有Alx2Iny2Ga1-x2-y2N，其中0≤x2≤1，0≤y2≤0.02，并且x2+y2≤1，其中
-所述势垒层(52)具有在空间上变化的铝含量x2，
-所述势垒层(52)中的铝含量的最大值为x2,max≥0.05，并且
-所述势垒层(52)中的铝含量的最小值为x2,min<0.05。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)在与相邻的量子阱层(51)的至少一个边界面处具有铝含量的最大值x2,max。
3.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)中的铝含量的最大值为x2,max≥0.1。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)中的铝含量的最大值为x2,max≥0.2。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)中的铝含量从与位于其之前的层的边界面起以一级或多级的形式或者连续地下降至所述最小值x2,min，并且从所述最小值起以一级或多级的形式或者连续地再次提高。
6.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)在如下区域中具有铝含量的所述最小值x2,min，所述区域与相邻的量子阱层(51)具有至少1nm的间距。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)中的铝含量的最小值为x2,min<0.02。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)中的铝含量的最小值为x2,min＝0。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述多重量子阱结构(5)设置在n型半导体区域(6)和p型半导体区域(4)之间，并且其中在从所述n型半导体区域(6)指向所述p型半导体区域(4)的方向上，中间层(53)分别设置在势垒层(52)和紧随的量子阱层(51)之间，其中所述中间层的厚度小于1.5nm并且具有Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，其中0≤x3＜0.03，0≤y3≤0.02，并且x3+y3≤1。
10.根据权利要求9所述的光电子器件，
其中所述中间层(53)具有GaN。
11.根据权利要求9或10所述的光电子器件，
其中所述势垒层(52)在从所述n型半导体区域(6)指向所述p型半导体区域(4)的方向上分别直接邻接于位于前方的量子阱层(51)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述光电子器件(10)适合于发射中央波长小于420nm的UV辐射。
13.根据上述权利要求中任一项所述的光电子器件，
其中所述中央波长在365nm和400nm之间。
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