CN1813359A - 辐射半导体元器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辐射半导体元器件，其具有一种层状结构，该层状构造包含有一个n－掺杂的界限层(14)、一个p－掺杂的界限层(22)和一个布置在n－掺杂界限层(14)和p－掺杂的界限层(22)之间的活性的、发射光子的层(18)。按照本发明规定，n－掺杂的界限层(14)掺杂有第一种掺杂材料(或者两种相互不同的n－掺杂材料)用于产生一种高度活性的掺杂和清晰的掺杂轮廓；而且活性层(18)只掺杂一种与第一种掺杂材料不同的第二种掺杂材料用于改善活性层(18)的层质量。
Description
本发明涉及一种辐射的半导体元器件，它具有一种层状结构，该层状结构包含有一个n-掺杂的界限层、一个p-掺杂的界限层和一个位于n-掺杂的界限层和p-掺杂的界限层之间的活性的、发射光子的层。
界限层在此处是材料层或者材料层序列，它们能够使载流子限制于层状结构的一个产生光子的活性区内。
“界限层”的概念此处既指单个的材料层，也指材料层序列，它包括有一个界限层的功能。类似地，“发射光子的层”的概念既指单个的材料层，也指材料层序列，它能够在运行时发射光子。
本专利申请要求文件号为103 29 076.6(优先权日期：2003.06.27)的德国专利申请的优先权，其公开内容引用在本专利申请中。
对于基于AlInGaP的激光器二极管和发光二极管来说，但也对于其它的材料体系来说，都力求在界限层里有尽可能高的n-掺杂，以便使通过泄漏电流的载流子损失最小。同时希望在激光器二极管的波导体边缘使掺杂明显地降低，以避免激光工作方式的吸收增高。如果满足这些条件，那么当然该活性层(必要时用n-掺杂材料掺杂的)的电气的、光学的和/或光电的质量是不够的。相反如果应用另外的掺杂材料，这些材料改善活性层的电气的或者光学的质量，那就产生另外的缺点，例如象所制元器件的效率较低。
本发明的任务是提出一种开头所述样式的辐射半导体元器件，这种元器件的活性层具有改善的电气的和/或光学质量，和/或该元器件的效率高。
该任务通过具有权利要求1特征的辐射半导体元器件来解决。
本发明的其它有利的设计方案可见从属权利要求2至13。
在一种按照本发明的辐射半导体元器件中规定，n-掺杂的界限层掺杂了第一种n-掺杂材料，尤其用于产生一种高活性掺杂和一种清晰的掺杂轮廓，而且活性层掺杂了与第一种掺杂材料不同的第二种n-掺杂材料，尤其用于改善活性层的层质量。
本发明的构思因此是使用两种不同的n-掺杂材料，它们装入在层状结构的不同位置上，从而使两种掺杂材料的不同性能够有目的地局部充分利用。
在此选择第一种n-掺杂材料，使它允许界限层最大可能地活性掺杂并有一种清晰的掺杂轮廓。相反该活性层用第二种n-掺杂材料掺杂，它适用于改善活性层的电气的和/或光学的质量。作为改善措施，可以考虑尤其是有序效应的抑制、正如它们例如由K.L.Chang et al.，J.Appl.Phys.92，6582(2002)所已知的那样，或者考虑非辐射的中心的抑制。
在本发明的一种有利设计方案中，n-掺杂的界限层既用第一种n-掺杂材料掺杂，也用另一种掺杂材料，尤其用第二种掺杂材料掺杂。因此可以提高活性掺杂直至两种活性的掺杂材料浓度之和。同时还保留了可达到的高的掺杂和清晰的掺杂轮廓等优点。
在本发明的一个优选改进方案中，半导体元器件是发光二极管。发光二极管的活性层在此可由均匀层或量子阱(Quantentopf)或多量子阱构成。
在本发明的另一种优选的改进方案中，半导体元器件是一种边缘发射的激光器二极管，其中在活性层和n-掺杂界限层之间设有一个第一波导层，并在活性层和p-掺杂界限层之间设有一个第二波导层。
激光器二极管的第一波导层可以不掺杂，或者如活性层那样用第二种n-掺杂材料掺杂。但是它也可以用两种掺杂材料，或者只用第一种n-掺杂材料来掺杂。
第二波导层最好是不掺杂的。
作为第一种n-掺杂材料优选使用硅，因为用硅既可以产生很高的n-掺杂，又有清晰下降的掺杂材料轮廓。
作为第二种掺杂材料优选使用碲。业已令人惊奇地发现，碲的性能会抑制活性层里不希望的有序效应或者说通常改善活性层的光-电质量。另一方面碲在外延生长时扩散很强烈，因此使用碲作为唯一的掺杂材料既用于界限层也用于活性层，这形成了具有相对来说较低效率的元器件。
激光器二极管或发光二极管的p-掺杂界限层优选用镁或者锌来掺杂。
本发明可以特别有利地使用于辐射半导体元器件，元器件的层状结构基于AlInGap构成。
此外本发明也可以有利地应用于基于其它材料体系，例如象AlGaAs，InGaAlAs或InGaAsP的层状结构，在这些层状结构中可能产生有序效应，或者在这些层状结构中活性层的电气的和/或光学质量可以受到掺杂材料的影响。
这种基于AlInGaP的层状结构的组首先就是每种适合于辐射半导体元器件的开头所述形式的III/V-连接半导体机构，该结构具有一个由不同的单一层组成的层序列而且它至少包含有一个单一层，该单一层具有一种由材料体系AlxInyGa1-x-yP(0≤X≤1，0≤Y≤1和X+Y≤1)组成的III/V-连接半导体材料。一种这样的III/V-连接半导体结构例如可以是一种通常的pn结、一种双异质结构、一种单量子阱结构(SQW-结构)或一种多量子阱结构(MQW-结构)。这样的结构对于专业人员来说已是众所周知的，因此这里就不再详细叙述了。
相类似的也适合于基于AlGaAs，InGaAlAs或InGaAsP的层状结构。
当加入掺杂材料时必要时可以根据生长温度充分利用掺杂材料的不同的嵌入性能。例如硅的嵌入随生长温度的增高而增加，而碲的嵌入却减少了。因此不同的掺杂材料在元器件结构里的浓度可以通过设定的温度变化曲线来调整。
本发明的其它有利的设计方案、特征和细节情况可见以下结合附图对于实施例所作的说明。
附图所示为：
图1：按照本发明的一个实施例的一个激光器二极管的剖视示意图；
图2：按照本发明的另一个实施例的一个发光二极管的剖视示意图。
此处应该明确指出：图中的层状结构和层厚关系并不是按尺寸比例表示的。
第一实施例：
图1中以示意剖视图所表示的本发明的第一实施例是一种基于AlInGaP的边缘发射的激光器二极管层状结构10。
在图1所示示意图中只表示了对于理解本发明来说主要的层。当然，其它层，例如象缓冲层、中间层、接触层、斜面和类似结构同样也可能具有。
在激光器二极管层状结构10中在一个硅掺杂的GaAs-基片12上生长出一个基于AlInGaP的层序列。
这种基于AlInGaP的层序列包括有：
-一个n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层14，它最好用硅n-掺杂，界限层在GaAs基片12上，
-一个从GaAs基片12看位于n-掺杂的界限层14后面的第一In0.5(AlxGa1-x)0.5P-波导层16，它并没有掺杂，
-一个从GaAs基片12看位于未掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-波导层16后面的碲掺杂的活性InzGa1-zP-层18，
-一个从GaAs基片12看位于碲掺杂的活性InzGa1-zP-层18后的第二In0.5(AlyGa1-y)0.5P-波导层20，它并未掺杂，
-一个从GaAs-基片12看位于第二In0.5(AlyGa1-y)0.5P-波导层20后的P掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层22，它最好用镁和/或锌进行P-掺杂。
适合于指标变量x、y、z的范围此处为：0≤x≤1，0≤y≤1，和0≤z≤1。
在该第一实施例中应用硅作为用于n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层14的第一种n-掺杂材料。因此在n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层14里达到了一种优选高的n-掺杂，而且还实现了具有明显下降的一种掺杂轮廓。
碲用作为活性的InzGa1-zP-层18的第二种掺杂材料，碲用于构成一种具有优选高的电气和光学质量的活性层。尤其是通过碲掺杂抑制在活性层的晶体结构中不希望有的有序效应。
第二实施例：
在本发明的第二实施例中(同样也参见图1)，又是一种基于AlInGaP的边缘发射的激光器二极管层状结构，它与上述第一实施例的区别在于第一In0.5(AlxGa1-x)0.5P-波导层16同样也用碲掺杂。因此形成一种层序列，其中在硅掺杂的GaAs-基片12上生长了一个用硅n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层14、一个用碲n-掺杂的第一In0.5(AlxGa1-x)0.5P-波导层16、一个用碲n-掺杂的活性InzGa1-zP层18，一个未掺杂的第二In0.5(AlyGa1-y)0.5P-波导层20和一个用镁或者锌P-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层22。
第一In0.5(AlxGa1-x)0.5P-波导层16可选择地附加用硅掺杂。
通过波导层的掺杂更为有利地进一步减小了载流子损失或者提高了元器件的效率。
第三种实施例
在本发明的第三实施例中(同样也参见图1)又是一种基于AlInGaP的边缘发射的激光器二极管层状结构，n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层14与第一实施例不同地不仅用一种，而且用两种n-掺杂材料，就是说既用第一种又用第二种所使用的n-掺杂材料进行掺杂，以便更为有利地使整个活性的掺杂材料浓度在理想情况下一直提高至两个掺杂材料浓度之和。
第一In0.5(AlxGa1-x)0.5P-波导层16在此可以是不掺杂的，同样可以用碲或者也可用硅和碲掺杂的。
总之，在该实施例中在该硅掺杂的GaAs基片12上生长出一个层序列，它具有以下层：
-一个用硅和碲n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层14，
-一个未掺杂的或者用碲-n掺杂的第一In0.5(AlxGa1-x)0.5P-波导层16，
-一个用碲n-掺杂的活性InzGa1-zP-层18，
-一个未掺杂的第二In0.5(AlyGa1-y)0.5P-波导层20，和
-一个用镁或锌P一掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层22。
如在第一实施例中那样硅用作第一种n-掺杂材料，碲用作为第二种n-掺杂材料。因此又得出上面已述的优点。
第四实施例：
图2中用示意剖视图所示的本发明的第四实施例是一种基于AlInGaP的发光二极管层状结构30，它生长于一个硅掺杂的GaAs基片32上。
这种基于AlInGaP的层序列30包括有：
-一个n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层34，它最好在GaAs基片12上用硅n-掺杂，
-一个从GaAs基片12看位于n-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层34后面的n-掺杂的活性In0.5(AlyGa1-y)0.5P-层36，它最好用碲n-掺杂，和
-一个从GaAs基片12看位于n-掺杂的活性In0.5(AlyGa1-y)0.5P-层36后面的P-掺杂的In0.5(AlxGa1-x)0.5P-界限层38，它最好用镁和/或锌掺杂。
在此活性层既可以是一个均质层，也可以由一种量子阱-机构或者多量子阱-结构构成。
如在前面的实施例中那样，用相应有利的作用对于发光二极管来说应用硅作为用于n-界限层34的第一种n-掺杂材料，并应用碲作为用于活性层36的第二种掺杂材料。
当然，在前面的说明书中，在附图中以及在权利要求书中所公开的本发明特征无论是单个还是任意的组合对于实现本发明来说都是很重要的。
当然本发明并不局限于按照实施例的举例说明。确切地说本发明包括有每个新的特征以及每个特征组合，这尤其包含了各个不同的权利要求或各个不同实施例的单一特征的每种组合，即使所涉及的特征或涉及的组合本身并没有清楚明确地在权利要求书或实施例中说明的话。
Claims (15)
1.具有层状结构的辐射半导体元器件，所述层状结构包含有：
-n-掺杂的界限层(14；34)，
-p-掺杂的界限层(22；38)，和
-位于n-掺杂的界限层(14；34)和p-掺杂的界限层(22；38)之间的活性的、发射光子的层(18；36)，其特征在于，
-n-掺杂的界限层(14；34)用第一种n-掺杂材料掺杂用于产生一种高的活性掺杂和/或一种清晰的掺杂轮廓，而且
-活性层(18；36)用一种与第一种掺杂材料不同的第二种n-掺杂材料来掺杂，用于改善活性层的层质量。
2.按权利要求1所述的辐射半导体元器件，其特征在于，所述第一种n-掺杂材料用于产生高的活性掺杂和/或清晰的掺杂轮廓。
3.按权利要求1或2所述的辐射半导体元器件，其特征在于，所述第二种n-掺杂材料用于改善活性层(18；36)的层质量。
4.按权利要求1至3中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，n-掺杂的界限层(14；34)既用第一种n-掺杂材料，又用另一种掺杂材料，尤其用第二种n-掺杂材料掺杂。
5.按权利要求1至4中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，半导体元器件是一种发光二极管(30)。
6.按权利要求5所述的辐射半导体元器件，其特征在于，发光二极管的活性层(36)由均质层构成。
7.按权利要求5所述的辐射半导体元器件，其特征在于，发光二极管的活性层(36)由量子阱或多量子阱构成。
8.按权利要求1至4中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，半导体元器件是一种激光器二极管(10)，其中在活性层(18)和n-掺杂界限层(14)之间设有一个第一波导层(16)，并在活性层(18)和p-掺杂界限层(22)之间设有一个第二波导层(20)。
9.按权利要求8所述的辐射半导体元器件，其特征在于，所述第一波导层(16)不掺杂。
10.按权利要求8所述的辐射半导体元器件，其特征在于，所述第一波导层(16)用第二种掺杂材料掺杂。
11.按权利要求8至10中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，所述第二波导层(20)未掺杂。
12.按权利要求1至11中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，硅用作为第一种n-掺杂材料。
13.按权利要求1至12中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，碲用作为第二种n-掺杂材料。
14.按权利要求1至13中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，p-掺杂的界限层(22；38)用镁、碳或锌掺杂。
15.按权利要求1至14中之一所述的辐射半导体元器件，其特征在于，层状结构(14-22；34-38)以AlInGaP，AlGaAs，InGaAlAs或InGaAsP为基础构成。
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