DE102006025964A1

DE102006025964A1 - Mehrfachquantentopfstruktur, strahlungsemittierender Halbleiterkörper und strahlungsemittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE102006025964A1
Application number: DE102006025964A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Stauss
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-06
Also published as: CN101461069A; TW200810152A; KR20090018688A; JP2009539234A; WO2007140738A1; EP2027607A1; US20100025652A1

Abstract

Beschrieben ist eine Mehrfachquantentopfstruktur (1), die mindestens eine erste Quantentopfstruktur (2a) zur Erzeugung von Strahlung einer ersten Wellenlänge (6) und mindestens eine zweite Quantentopfstruktur (2b) zur Erzeugung von Strahlung einer zweiten Wellenlänge (7) umfasst, die größer ist als die erste Wellenlänge (6), und die zur Emission von Strahlung einer Hauptwellenlänge (14) vorgesehen ist, wobei sich die zweite Wellenlänge (7) derart von der ersten Wellenlänge (6) unterscheidet, dass sich die Hauptwellenlänge (14) bei einer Verschiebung der ersten Wellenlänge (6) und der zweiten Wellenlänge (7) nur um einen vorgegebenen Höchstwert ändert. Ferner sind ein strahlungsemittierender Halbleiterkörper und ein strahlungsemittierendes Bauelement beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachquantentopfstruktur und einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper, der die Mehrfachquantentopfstruktur umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein strahlungsemittierendes Bauelement, das den strahlungsemittierenden Halbleiterkörper aufweist.
Eine in der Offenlegungsschrift US 2004/0090779 A1 beschriebene LED kann mittels einer ersten als Quantentopfstruktur ausgebildeten strahlungserzeugenden Schicht und einer zweiten als Quantentopfstruktur ausgebildeten strahlungserzeugenden Schicht mischfarbige Strahlung erzeugen. Zwischen den beiden Schichten ist eine Tunnelbarriere angeordnet. Unter der Voraussetzung, dass die Wellenlängen der beiden strahlungserzeugenden Schichten festgelegt sind, kann die Chromatizität der mischfarbigen Strahlung dadurch variiert werden, dass eine Dicke der Tunnelbarriere verändert wird.
Aus dem Artikel Liang et al. (Dual wavelength InGaN/GaN multi-quantum well LEDs grown by metalorganic vapor phase epitaxy, Journal of Crystal Growth 272 (2004) 333–339) hervor, dass bei einer LED, die blaues und grünes Licht erzeugende Quantentopfstrukturen aufweist, die spektrale Verteilung der von der LED emittierten Strahlung von der Anzahl und der Anordnung der Quantentopfstrukturen und von der Bestromung der LED abhängt. Beispielsweise führt die zunehmende Bestromung einer LED, die in Wachstumsrichtung drei blaues Licht erzeugende Quantentopfstrukturen und eine grünes Licht erzeugende Quantentopfstruktur aufweist, zu einer Verschiebung des Intensitätsmaximums vom blauen in den grünen Spektralbereich.
Eine unerwünschte Veränderung der Chromatizität kann auftreten, wenn eine wie in zahlreichen Anwendungen beabsichtigte Erhöhung der Strahlungsintensität mittels zunehmender Bestromung erfolgen soll. Denn mit zunehmender Stromstärke ist eine Verschiebung der Wellenlänge hin zu kürzeren Wellenlängen zu bemerken. Dies ist insbesondere bei einer auf einem Nitrid-Halbleitermaterial wie InGaN basierenden LED der Fall.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mehrfachquantentopfstruktur anzugeben, die für einen wellenlängenstabilen Betrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Mehrfachquantentopfstruktur gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper anzugeben, der für einen wellenlängenstabilen Betrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper gemäß Patentanspruch 18 gelöst.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein strahlungsemittierendes Bauelement anzugeben, das für einen wellenlängenstabilen Betrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß Patentanspruch 21 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Mehrfachquantentopfstruktur umfasst mindestens eine erste Quantentopfstruktur zur Erzeugung von Strahlung einer ersten Wellenlänge und mindestens eine zweite Quantentopfstruktur zur Erzeugung von Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die größer ist als die erste Wellenlänge, und ist zur Emission von Strahlung einer Hauptwellenlänge vorgesehen, wobei sich die zweite Wellenlänge derart von der ersten Wellenlänge unterscheidet, dass sich die Hauptwellenlänge bei einer Verschiebung der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge nur um einen vorgegebenen Höchstwert ändert.
Bevorzugt beträgt der Höchstwert etwa 3%. Besonders bevorzugt ist der Höchstwert kleiner als 3%.
Vorliegend ist die Hauptwellenlänge wie folgt zu verstehen: Gemäß der Farblehre wird einem Farbton, den ein Betrachter bei polychromatischer Strahlung wahrnimmt, eine Hauptwellenlänge oder auch dominante Wellenlänge zugeordnet, die einer Wellenlänge der monochromatischen Strahlung entspricht, bei welcher der Betrachter denselben Farbton wahrnehmen würde.
Die von der Mehrfachquantentopfstruktur emittierte Strahlung setzt sich vorzugsweise mindestens aus der in der ersten Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung und der in der zweiten Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung zusammen. Sind mehr als zwei Quantentopfstrukturen vorgesehen, setzt sich die gesamte emittierte Strahlung aus der in den einzelnen Quantentopfstrukturen erzeugten Strahlung zusammen. Typischerweise weist die Strahlung der Quantentopfstruktur eine höhere Intensität auf, in deren Bereich sich das Hauptrekombinationszentrum befindet.
Das Hauptrekombinationszentrum gibt vorliegend die Zone an, in welcher eine Mehrzahl von Elektronen und Löchern strahlend rekombinieren.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist die erste Quantentopfstruktur n-seitig und die zweite Quantentopfstruktur p-seitig angeordnet. Da sich das Hauptrekombinationszentrum bei zunehmender Bestromung der Mehrfachquantentopfstruktur typischerweise in eine Richtung verschiebt, die zur p-Seite der Mehrfachquantentopfstruktur hinweist, und die zweite Quantentopfstruktur p-seitig angeordnet ist, kann die zweite Quantentopfstruktur dann, das heißt bei stärkerer Bestromung, stärker zur Strahlungserzeugung beitragen als die erste Quantentopfstruktur.
Gemäß einer weiter bevorzugten Variante erfolgt die Verschiebung der ersten und der zweiten Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen. Eine derartige Verschiebung tritt insbesondere bei zunehmender Bestromung der Mehrfachquantentopfstruktur auf. Das Ausmaß der Verschiebung ist dabei wellenlängenabhängig, wobei die Verschiebung umso größer ausfällt, je größer die Wellenlänge ist.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, dass die zweite Wellenlänge gegenüber der ersten Wellenlänge derart verstimmt ist, dass die bei zunehmender Bestromung auftretende Verschiebung der ersten und zweiten Wellenlänge, die wiederum zu einer Verschiebung der Hauptwellenlänge führen würde, mittels der stärker zur Strahlungserzeugung beitragenden zweiten Quantentopfstruktur ausgeglichen werden kann. Vorteilhafterweise werden die beiden genannten „Verschiebungs-Effekte" (Wellenlängenverschiebung der Quantentopfstrukturen und Verschiebung des Hauptrekombinationszentrums) erfindungsgemäß derart gekoppelt, dass auch bei zunehmender Bestromung ein wellenlängenstabiler Betrieb eines strahlungsemittierenden Bauelements, das eine Mehrfachquantentopfstruktur wie vorliegend beschrieben aufweist, möglich ist.
Insbesondere kann die erste Wellenlänge anfänglich etwa der Hauptwellenlänge entsprechen, wobei sich das Hauptrekombinationszentrum im Bereich der ersten Quantentopfstruktur befindet. Bei zunehmender Bestromung verschiebt sich zum Einen das Hauptrekombinationszentrum in Richtung der zweiten Quantentopfstruktur, zum Anderen verschiebt sich die zweite Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen. Besonders bevorzugt ist die zweite Wellenlänge gegenüber der ersten Wellenlänge beziehungsweise der Hauptwellenlänge derart verstimmt, dass sich mittels der Wellenlängenverschiebung die zweite Wellenlänge dem anfänglichen Wert der ersten Wellenlänge beziehungsweise der Hauptwellenlänge annähert, wenn sich das Hauptrekombinationszentrum im Bereich der zweiten Quantentopfstruktur befindet. Die verschobene zweite Wellenlänge kann dann etwa der Hauptwellenlänge entsprechen.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann sich die zweite Wellenlänge um einen Betrag im einstelligen Nanometerbereich, vorzugsweise um etwa 5 nm, von der ersten Wellenlänge unterscheiden. Dies gilt insbesondere für eine Hauptwellenlänge von 520 nm bis 540 nm. Bei einer größeren Hauptwellenlänge ist der Unterschied zwischen der ersten und zweiten Wellenlänge vorzugsweise größer.
Beispielsweise kann die Mehrfachquantenstruktur vier Quantentopfstrukturen aufweisen, wobei die ersten drei Quantentopfstrukturen eine Bandlücke entsprechend der ersten Wellenlänge aufweisen und die vierte Quantentopfstruktur eine Bandlücke entsprechend der zweiten Wellenlänge, die sich um etwa 5 nm von der ersten Wellenlänge unterscheidet, aufweist. Im Betrieb müssen nicht alle vier Quantentopfstrukturen zur Strahlungserzeugung beitragen. Sind die ersten drei Quantentopfstrukturen n-seitig angeordnet, so verschiebt sich das Hauptrekombinationszentrum bei zunehmender Bestromung von der ersten Quantentopfstruktur in Richtung der vierten Quantentopfstruktur. Die Hauptwellenlänge kann dabei im Wesentlichen unverändert bleiben.
Die von der Mehrfachquantentopfstruktur emittierte Strahlung ist nicht auf eine bestimmte Hauptwellenlänge festgelegt. Allerdings liegt die Hauptwellenlänge vorzugsweise im kurzwelligen Spektralbereich, beispielsweise im grünen Spektralbereich, wobei die Hauptwellenlänge Werte im Bereich zwischen 510 nm und 560 nm annehmen kann. Eine derartige Mehrfachquantentopfstruktur, die zur Emission von kurzwelliger Strahlung geeignet ist, kann insbesondere ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Mehrfachquantentopfstruktur jeweils eine zur ersten und zur zweiten Quantentopfstruktur gehörende Schichtenfolge auf, wobei zwischen den Schichtenfolgen eine Barriereschicht angeordnet ist. Die Ladungsträger können durch die Barriereschicht von der ersten Quantentopfstruktur zur zweiten Quantentopfstruktur gelangen und umgekehrt. Beispielsweise können Elektronen von der Seite der Mehrfachquantentopfstruktur, auf der die erste Quantentopfstruktur angeordnet ist, in das Hauptrekombinationszentrum eingeprägt werden, während Löcher von der Seite der zweiten Quantentopfstruktur dorthin gelangen.
Die Ladungsträger können durch die Barriereschicht diffundieren oder tunneln.
Die Dicke der Barriereschicht ist vorzugsweise an die Verschiebung des Hauptrekombinationszentrums angepasst. Dieses ist umso leichter verschiebbar, je dünner die Barriereschicht ist.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführung nimmt die Dicke der Barriereschicht Werte im einstelligen bis zweistelligen Nanometerbereich an. Insbesondere beträgt die Dicke zwischen 4 nm und 25 nm. Mittels Beimischung eines geeigneten Materials kann eine effektive Absenkung der Bandkante und somit ein besserer Ladungsträgertransport über die Barriereschicht hinweg erreicht werden, wodurch die Barriereschicht um wenige Nanometer dicker ausgebildet sein kann. Ein für die Absenkung der Bandkante geeignetes Material ist beispielsweise In.
Die Barriereschicht ist in bevorzugter Weise n-dotiert. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen vergleichsweise guten Ladungsträgertransport beziehungsweise führt zu einer Verringerung der Vorwärtsspannung im fertigen Bauelement. Besonders bevorzugt ist die Barriereschicht Si-dotiert.
Typischerweise liegt die Si-Dotierung zwischen 10¹⁷/cm³ und 10¹⁸/cm³. Gemäß der Erfindung wird eine Si-Dotierung bevorzugt, die kleiner ist als etwa 3–4·10¹⁷/cm³. Vorteilhafterweise kann mittels einer geringeren Dotierung eine Ausdehnung des Hauptrekombinationszentrum vergrößert werden, wodurch mehrere Quantentopfstrukturen zur strahlenden Rekombination beitragen.
Weiterhin kann die Barriereschicht ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthalten.
Unter einem „auf Nitrid basierenden Halbleitermaterial" ist im vorliegenden Zusammenhang ein Nitrid-III/V-Verbindungshalbleitermaterial zu verstehen, das vorzugsweise aus Al_nGa_mIn_1-n-mN besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Vorzugsweise enthält die Barriereschicht GaN, InGaN oder AlInGaN.
Die zur ersten und zweiten Quantentopfstruktur zählenden Schichtenfolgen enthalten vorzugsweise In_xGa_(1-x)N, wobei 0 ≤ x < 1 ist. Eine derartige Mehrfachquantentopfstruktur ist zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung im grünen bis ultravioletten Spektralbereich geeignet. Da es möglich ist, die kurzwellige Strahlung beispielsweise mittels eines Konvertermaterials in langwellige Strahlung umzuwandeln, kann die Mehrfachquantentopfstruktur vorteilhafterweise auch als aktive Schicht zur Erzeugung langwelliger Strahlung dienen.
Die erste und die zweite Schichtenfolge weisen jeweils eine Topfschicht auf, deren Dicke vorzugsweise zwischen 1 nm und 5 nm beträgt. Mittels der Dicke der Topfschicht ist die Tiefe des Quantentopfs einstellbar. Es gilt der Zusammenhang, dass die Strahlung umso langwelliger ist, je dicker die Topfschicht ist. Es ist denkbar, dass die verschiedenen Topfschichten unterschiedliche Dicken aufweisen.
Die Mehrfachquantentopfstruktur gemäß der Erfindung ist für eine Bestromung im einstelligen bis zweistelligen Milliampere-Bereich, vorzugsweise zwischen mehr als 0 mA und 15 mA besonders geeignet. Die Stromdichte beträgt vorzugsweise zwischen mehr als 0 mA/mm² und etwa 160 mA/mm². Vorteilhafterweise steigt in diesem Bereich die Strahlungsintensität proportional zur Stromstärke an, ohne dass eine Verschiebung der Hauptwellenlänge auftritt.
Vorzugsweise ist die Mehrfachquantentopfstruktur epitaktisch hergestellt. Prozessparameter wie Temperatur und Gaskonzentration, welche die Epitaxie bestimmen, können ausschlaggebend sein für die Eigenschaften der Mehrfachquantentopfstruktur. Beispielsweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, um in der zweiten Quantentopfstruktur eine kleinere Bandlücke zu erzielen. Einerseits kann die Prozesstemperatur abgesenkt werden, wodurch In besser eingebaut wird, was zu einer kleineren Bandlücke führt. Andererseits kann die In-Konzentration im Prozessgas erhöht werden, was wiederum zu einem besseren Einbau von In und einer kleineren Bandlücke führt. Auch eine Kombination der beiden Prozessparametervariationen ist möglich. Die Tiefe des Quantentopfs kann mittels des In-Anteils eingestellt werden, wobei die Strahlung umso langwelliger ist, je höher der In-Anteil ist.
Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Ein erfindungsgemäßer strahlungsemittierender Halbleiterkörper umfasst eine wie oben beschriebene Mehrfachquantentopfstruktur. Diese dient vorzugsweise als aktive Schicht des strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers. Die Schichten beziehungsweise Schichtenfolgen, welche die Mehrfachquantentopfstruktur bilden, können auf einem Substrat angeordnet sein. Insbesondere weist die erste Schichtenfolge auf einer dem Substrat zugewandten Seite eine n-leitende Schicht auf, während die zweite Schichtenfolge auf einer dem Substrat abgewandten Seite eine p-leitende Schicht aufweist. Es versteht sich, dass der Halbleiterkörper weitere Schichten, beispielsweise Mantelschichten, umfassen kann. Ferner ist eine Reflexionsschicht denkbar, die zur Reflexion der von der Mehrfachquantentopfstruktur emittierten Strahlung in Richtung einer Auskoppelseite geeignet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper als Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ausgebildet.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
– die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20 μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
– die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler.
Typischerweise ist bei einem Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip das Aufwachssubstrat abgelöst. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtdioden, die mittels des Aufwachssubstrats elektrisch angeschlossen werden oder die erzeugte Strahlung durch das Aufwachssubstrat hindurch auskoppeln, weder eine besondere elektrische Leitfähigkeit noch eine besondere Strahlungsdurchlässigkeit aufweisen muss.
Ein erfindungsgemäßes strahlungsemittierendes Bauelement weist einen wie oben beschriebenen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf. Ein derartiges Bauelement ist für einen wellenlängenstabilen Betrieb, insbesondere bei Erhöhung der Stromstärke und einer damit verbundenen Erhöhung der Strahlungsintensität, geeignet.
Gemäß einer Variante ist der strahlungsemittierende Halbleiterkörper innerhalb eines Gehäusekörpers angeordnet. Ferner kann der Halbleiterkörper in eine Umhüllung eingebettet sein. Mittels eines geeigneten Umhüllungsmaterials können beispielsweise Strahlungsverluste reduziert werden, die aufgrund von Totalreflexionen an Brechungsindexgrenzen auftreten können.
Gemäß einer weiteren Variante ist dem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf einer Auskoppelseite ein optisches Element nachgeordnet. Insbesondere ist das optische Element zur Strahlungsformung geeignet und kann beispielsweise als Linse ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das strahlungsemittierende Bauelement dimmbar. Dies bedeutet, dass vorteilhafterweise mittels der Stromstärke die Strahlungsintensität des strahlungsemittierenden Bauelements geregelt werden kann.
Weitere bevorzugte Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Vorteile einer Mehrfachquantentopfstruktur sowie eines strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers oder Bauelements gemäß der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit den 1 bis 9 näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen
1 ein Schaubild darstellend die Hauptwellenlänge einer herkömmlichen blauen Leuchtdiode in Abhängigkeit von der Stromstärke,
2 ein Schaubild darstellend die Hauptwellenlänge einer herkömmlichen grünen Leuchtdiode in Abhängigkeit von der Stromstärke,
3 eine schematische Darstellung eines Modells einer Mehrfachquantentopfstruktur,
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Mehrfachquantentopfstruktur gemäß der Erfindung,
5 ein Schaubild darstellend die spektrale Verteilung einer Mehrfachquantentopfstruktur,
6 ein Schaubild darstellend die Hauptwellenlänge verschiedener strahlungsemittierender Halbleiterkörper in Abhängigkeit von der Stromstärke,
7 ein Schaubild darstellend die Strahlungsintensität verschiedener strahlungsemittierender Halbleiterkörper in Abhängigkeit von der Stromstärke,
8 ein schematischer Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers gemäß der Erfindung,
9 ein schematischer Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines strahlungsemittierenden Bauelements gemäß der Erfindung.
Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt kann insbesondere bei einer Leuchtdiode, die ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthält, bei zunehmender Bestromung eine Verschiebung der Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen auftreten.
Aus 1 geht hervor, dass sich die Hauptwellenlänge einer herkömmlichen Leuchtdiode, die im blauen Spektralbereich leuchtet, von etwa 473.5 nm nach etwa 468.25 nm verschiebt, wenn die Stromstärke von > 0 mA auf 100 mA erhöht wird.
Die in 2 dargestellte Kurve zeigt ebenso wie die in 1 dargestellte Kurve, dass sich die Hauptwellenlänge ändert, wenn die Stromstärke von > 0 mA auf 100 mA erhöht wird. Die Messung wurde an einer herkömmlichen Leuchtdiode, die im grünen Bereich leuchtet, durchgeführt. Bei einer Erhöhung von > 0 auf 100 mA verschiebt sich die Wellenlänge von etwa 545 nm nach etwa 512.5 nm.
Die in 3 modellhaft dargestellte Mehrfachquantentopfstruktur 1 umfasst eine erste Quantentopfstruktur 2a und eine zweite Quantentopfstruktur 2b. Vorzugsweise basieren sowohl die Quantentopfstruktur 2a als auch die Quantentopfstruktur 2b auf InGaN/GaN.
In die erste Quantentopfstruktur 2a werden Elektronen 4 eingeprägt, die eine Barriereschicht 3 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durchqueren können. Geschieht dies, so besteht die Möglichkeit einer strahlenden Rekombination mit in die zweite Quantentopfstruktur 2b eingeprägten Löchern 5. Ein Abstand der Energieniveaus bestimmt die zweite Wellenlänge der emittierten Strahlung 7.
Wie die Elektronen 4 können auch die Löcher 5 die Barriereschicht 3 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durchqueren. Die Löcher 5, die somit in die erste Quantentopfstruktur 2a gelangen, können mit den dort vorhandenen Elektronen 4 strahlend rekombinieren. Die so erzeugte Strahlung 6 weist eine erste Wellenlänge entsprechend dem Abstand der relevanten Energieniveaus auf.
Da der Energieabstand in der ersten Quantentopfstruktur 2a größer ist als in der zweiten Quantentopfstruktur 2b, ist die erste Wellenlänge kürzer als die zweite Wellenlänge.
Ein strahlungsemittierender Halbleiterkörper, der als aktive Schicht die Mehrfachquantentopfstruktur 1 aufweist, emittiert mischfarbige Strahlung 14, die sich aus der von der ersten Quantentopfstruktur 2a emittierten Strahlung 6 und der von der zweiten Quantentopfstruktur 2b emittierten Strahlung 7 zusammensetzt. Typischerweise kann der Strahlung 14 eine Hauptwellenlänge zugewiesen werden.
In 4 ist ein möglicher Aufbau einer Mehrfachquantentopfstruktur 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Auf einem Substrat 8, das vorzugsweise eines der Materialien Saphir, SiC, GaN oder GaAs enthält, ist eine n-leitende Schicht 9 angeordnet. Mittels der n-leitenden Schicht 9 können Elektronen in die Mehrfachquantentopfstruktur 1 eingeprägt werden. Eine erste Schicht 10, die Teil einer ersten Schichtenfolge 200a ist, ist auf einer dem Substrat 8 abgewandten Seite der n-leitenden Schicht 9 angeordnet. Der ersten Schicht 10 ist eine zur ersten Quantentopfstruktur 2a und zur ersten Schichtenfolge 200a zählende Topfschicht 11 nachgeordnet, die vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 nm und 5 nm aufweist. Die erste Quantentopfstruktur 2a ist mittels der Schicht 10, der Topfschicht 11 und der Barriereschicht 3 gebildet. Der Barriereschicht 3 sind auf der dem Substrat 8 abgewandten Seite eine Topfschicht 12 und eine Schicht 13, die eine zweite Schichtenfolge 200b bilden, nachgeordnet. Die Schichtenfolge 200b und die Barriereschicht 3 bilden zusammen die zweite Quantentopfstruktur 2b. Der Schichtenfolge 200b ist eine p-leitende Schicht 16 nachgeordnet, die dafür vorgesehen ist, Löcher in die Mehrfachquantentopfstruktur 1 einzuprägen. Die Schichten 10 und 13 sind als Abstands(Spacer)-Schichten gedacht, die vorzugsweise eine Dicke zwischen 2 nm und 20 nm aufweisen.
Die Schichten 10, 11, 3, 12 und 13 enthalten vorzugsweise ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial, insbesondere In_xGa_(1-x)N, wobei 0 ≤ x < 1 ist.
Um eine Mehrfachquantentopfstruktur 1 zu erhalten, die mehr als zwei Quantentopfstrukturen umfasst, können zwischen der Barriereschicht 3 und der Topfschicht 12 weitere Topfschichten 11' und 11'' sowie weitere Barriereschichten 3' und 3'' angeordnet sein. Welches Material die Schichten 11' und 11'' oder die Barriereschichten 3' und 3'' enthalten, hängt beispielsweise davon ab, welche Wellenlänge die in den Quantentopfstrukturen erzeugte Strahlung aufweisen soll.
Die Schichten 9, 10, 11, 12, 3, 13 und 16 sind insbesondere mittels Epitaxie hergestellt, wobei das Substrat 8 das Aufwachssubstrat bildet.
In 5 ist die spektrale Verteilung einer Mehrfachquantentopfstruktur dargestellt, die fünf Quantentopfstrukturen umfasst, wobei ausgehend von einer n-leitenden Seite der Mehrfachquantentopfstruktur vier Quantentopfstrukturen aufeinander folgen, die eine Bandlücke aufweisen, welche einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich, beispielsweise von etwa 500 nm, entspricht. Eine p-seitig angeordnete fünfte Quantentopfstruktur weist eine Bandlücke auf, die einer Wellenlänge im blauen Spektralbereich, beispielsweise von etwa 450 nm, entspricht.
Von Kurve I bis Kurve VIII nimmt die Stromstärke beständig zu (Kurve I: 0.1 mA; Kurve II: 0.2 mA; Kurve III: 1.0 mA; Kurve IV: 2.0 mA; Kurve V: 3.0 mA; Kurve VI: 5.0 mA; Kurve VII: 10.0 mA; Kurve VIII: 20.0 mA). Die Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.
Während auf der Abszisse die Wellenlänge λ[nm] der von der vierten und fünften Quantentopfstruktur emittierten Strahlung aufgetragen ist, gibt die Ordinate die Intensität I_v (ohne Einheit) der emittierten Strahlung an. Ein Intentsitätsmaximum existiert für die fünfte Quantentopfstruktur bei etwa 450 nm und für die die vierte Quantentopfstruktur bei etwa 500 nm.
Die entscheidende Information, die aus 5 gewonnen werden kann, ist, dass die Intensität I_v der von der 5. Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung bei zunehmender Bestromung stärker ansteigt als die Intensität der von der 4. Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung. Dies kann dadurch begründet werden, dass sich das Hauptrekombinationszentrum bei zunehmender Bestromung in Richtung der 5. Quantentopfstruktur verschiebt.
In 6 sind Messkurven dargestellt, die an vier verschiedenen Mehrfachquantentopfstrukturen durchgeführt wurden, die jeweils vier Quantentopfstrukturen umfassen.
Die Mehrfachquantentopfstruktur, die die Messkurve IV liefert, weist Si-dotierte Barriereschichten auf. Die Schichtenfolgen der einzelnen Quantentopfstrukturen unterscheiden sich hinsichtlich der Bandlücke nicht wesentlich voneinander. Die Messkurve dient somit als Referenzkurve für die Kurven I, II und III, die mittels Mehrfachquantentopfstrukturen ermittelt wurden, deren vierte Quantentopfstruktur eine von den ersten drei Quantentopfstrukturen verschiedene Bandlücke aufweist.
Die Referenzkurve IV zeigt bei zunehmender Bestromung eine Verschiebung der Hauptwellenlänge λ_dom in Richtung kürzerer Wellenlängen. Auch die Kurven I und III zeigen dieses Verhalten. Lediglich die Kurve II zeigt zumindest bis zu einer Stromstärke von etwa 10 mA ein wellenlängenstabiles Verhalten der Mehrfachquantentopfstruktur.
Bei Kurve I unterscheidet sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen Quantentopfstrukturen, dass die Differenz einer etwa 10 nm kürzeren Wellenlänge entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schichtenfolge der vierten Quantentopfstruktur bei einer höheren Prozesstemperatur gewachsen wird als die Schichtenfolgen der weiteren Quantentopfstrukturen. Insbesondere ist die Prozesstemperatur 7K höher. Vorzugsweise sind alle Barriereschichten Si-dotiert.
Bei Kurve III unterscheidet sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen Quantentopfstrukturen, dass die Differenz einer etwa 10 nm längeren Wellenlänge entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schichtenfolge der vierten Quantentopfstruktur bei einer geringeren Prozesstemperatur gewachsen wird als die übrigen Schichtenfolgen. Insbesondere wird die Prozesstemperatur um 7K abgesenkt. Vorzugsweise sind alle Barriereschichten Si-dotiert.
Bei Kurve II unterscheidet sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen Quantentopfstrukturen, dass die Differenz einer etwa 5 nm längeren Wellenlänge entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schichtenfolge der vierten Quantentopfstruktur bei einer geringeren Prozesstemperatur gewachsen wird als die übrigen Schichtenfolgen. Insbesondere wird die Prozesstemperatur um 3K abgesenkt. Ferner wird die in Wachstumsrichtung vor der Schichtenfolge der vierten Quantentopfstruktur angeordnete Barriereschicht nicht dotiert.
Als Ergebnis kann somit festgehalten werden, dass mittels einer geringfügigen Wellenlängenverstimmung der vierten Quantentopfstruktur gegenüber den ersten drei Quantentopfstrukturen ein wellenlängenstabiler Betrieb möglich ist.
In 7 ist die Intensität I_v (ohne Einheit) der Strahlung in Abhängigkeit von der Stromstärke I [mA] dargestellt. Die Messungen wurden an den bereits im Zusammenhang mit 6 beschriebenen Mehrfachquantentopfsturkturen durchgeführt.
Wie aus 7 hervorgeht, nähert sich der Verlauf der Kurve II stärker einem linearen Verlauf an als die übrigen Kurven.
Vorteilhafterweise kann also mittels der Mehrfachquantentopfstruktur, deren vierte Quantentopfstruktur gegenüber den ersten drei Quantentopfstrukturen eine geringfügige Wellenlängenverstimmung aufweist, sowohl ein wellenlängenstabiler Betrieb als auch eine annähernd lineare Zunahme der Strahlungsintensität bei gleichmäßiger Erhöhung der Stromstärke erzielt werden.
Der in 8 dargestellte strahlungsemittierende Halbleiterkörper 18 weist als aktive Schicht die Mehrfachquantentopfstruktur 1 auf. Die Mehrfachquantentopfstruktur 1 umfasst mindestens die erste Quantentopfstruktur 2a und die zweite Quantentopfstruktur 2b. Vorzugsweise umfasst der Halbleiterkörper 18 eine Mehrfachquantentopfstruktur 1, die bei zunehmender Bestromung einen wellenlängenstabilen Betrieb bei gleichzeitiger Steigerung der Strahlungsintensität ermöglicht. Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, dass die Mehrfachquantentopfstruktur 1 entsprechend der Mehrfachquantentopfstruktur, die in den 6 und 7 die Messkurven II liefert, ausgebildet ist. Beispielsweise umfasst die Mehrfachquantentopfstruktur 1 vier Quantentopfstrukturen, wobei sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen Quantentopfstrukturen unterscheidet, dass die Differenz einer etwa 5 nm längeren Wellenlänge entspricht. Die erste Quantentopfstruktur ist dabei n-seitig angeordnet, während die vierte Quantentopfstruktur p-seitig angeordnet ist.
Die Mehrfachquantentopfstruktur 1 ist zwischen einer n-leitenden Schicht 9 und einer p-leitenden Schicht 16 angeordnet. Vorzugsweise sind die Schichten 9, 10, 11, 3, 12, 13, 16 des Halbleiterkörpers 18 epitaktisch auf einem Substrat 8 aufgewachsen. Insbesondere ist das Substrat 8 elektrisch leitend. Somit kann auf einer der Schichtenfolge abgewandten Seite des Substrats 8 eine n-Elektrode 15 angeordnet sein. Auf einer dieser gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers 18 ist eine p-Elektrode 17 angeordnet. Mittels der beiden Elektroden 15 und 17 ist der Halbleiterkörper 18 elektrisch anschließbar.
Alternativ kann das Aufwachssubstrat abgelöst sein, wobei der Halbleiterkörper dann als Dünnfilm-Halbleiterkörper ausgebildet ist.
9 zeigt ein strahlungsemittierendes Bauelement 19, das den strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 18 aufweist. Der strahlungsemittierende Halbleiterkörper 18 kann beispielsweise wie in 8 dargestellt ausgebildet sein.
Der Halbleiterkörper 18 ist auf einer Wärmesenke 20 angeordnet, welche zur Kühlung des Halbleiterkörpers 18 vorgesehen ist. Eine Betriebsdauer des Bauelements 19 kann dadurch vorteilhaft erhöht werden.
Die Wärmesenke 20 kann auf der Seite, auf welcher der Halbleiterkörper 18 angeordnet ist, mittig eingesenkt sein, so dass der Halbleiterkörper 18 in einer Reflektorwanne 21 montiert ist. Seitenwände der Reflektorwanne 21 erhalten mittels eines Gehäusekörpers 22, in welchen die Wärmesenke 20 eingebettet ist, eine Verlängerung. Mittels eines auf diese Weise gebildeten Reflektors 23 kann die Strahlungsintensität in einer Hauptabstrahlrichtung 24 vorteilhaft erhöht werden.
Zum Schutz ist der Halbleiterkörper 18 in eine Umhüllung 25 eingebettet, die beispielsweise ein Reaktionsharz wie Epoxidharz oder Acrylharz enthalten kann. Die Umhüllung 25 füllt vorzugsweise den Reflektor 23 aus. Zur Bündelung der vom Halbleiterkörper 18 erzeugten Strahlung kann die Umhüllung 25, vorzugsweise auf einer Strahlungsaustrittsseite, eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Dadurch kann die Wirkung einer Linse erzielt werden. Alternativ kann dem strahlungsemittierenden Bauelement 19 auf der Strahlungsaustrittsseite ein optisches Element nachgeordnet sein.
Der strahlungsemittierende Halbleiterkörper 18 ist mit der elektrisch leitenden Wärmesenke 20 elektrisch verbunden, insbesondere ist der Halbleiterkörper 18 rückseitig aufgelötet oder aufgeklebt. Die Wärmesenke 20 ist ferner mit einem ersten Anschlussstreifen 26a elektrisch verbunden. Weiterhin ist der Halbleiterkörper 18, beispielsweise mittels einer Drahtverbindung (nicht dargestellt), vorderseitig mit einem zweiten Anschlussstreifen 26b elektrisch verbunden. Mittels der beiden Anschlussstreifen 26a und 26b ist der Halbleiterkörper 18 elektrisch anschließbar.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Mehrfachquantentopfstruktur (1), die mindestens – eine erste Quantentopfstruktur (2a) zur Erzeugung von Strahlung einer ersten Wellenlänge (6) und eine zweite Quantentopfstruktur (2b) zur Erzeugung von Strahlung einer zweiten Wellenlänge (7) umfasst, die größer ist als die erste Wellenlänge (6), und – zur Emission von Strahlung einer Hauptwellenlänge (14) vorgesehen ist, wobei sich die zweite Wellenlänge (7) derart von der ersten Wellenlänge (6) unterscheidet, dass sich die Hauptwellenlänge (14) bei einer Verschiebung der ersten Wellenlänge (6) und der zweiten Wellenlänge (7) nur um einen vorgegebenen Höchstwert ändert.
Mehrfachquantentopfstruktur (1), wobei die erste Quantentopfstruktur (2a) n-seitig und die zweite Quantentopfstruktur p-seitig (2b) angeordnet ist.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verschiebung in Richtung kürzerer Wellenlängen erfolgt.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die zweite Wellenlänge (7) um einen Betrag im einstelligen Nanometerbereich von der ersten Wellenlänge (6) unterscheidet.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptwellenlänge (14) im kurzwelligen Spektralbereich, beispielsweise im grünen Spektralbereich, liegt.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die jeweils eine zur ersten (2a) und zur zweiten (2b) Quantentopfstruktur gehörende Schichtenfolge (200a, 200b) aufweist, wobei zwischen den Schichtenfolgen (200a, 200b) eine Barriereschicht (3) angeordnet ist.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6, wobei eine Dicke der Barriereschicht (3) zwischen 4 nm und 25 nm beträgt.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Barriereschicht (3) n-dotiert ist.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 8, wobei die Barriereschicht (3) Si-dotiert ist.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 9, wobei die Si-Dotierung zwischen 10¹⁷/cm³ und 10¹⁸/cm³ beträgt.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Barriereschicht (3) ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthält.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 11, wobei die Barriereschicht (3) GaN, InGaN oder AlInGaN enthält.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6 oder einem der auf Anspruch 6 rückbezogenen Ansprüche, wobei die Schichtenfolgen (200a, 200b) In_xGa_(1-x)N enthalten, und 0 ≤ x < 1 ist.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6 oder einem der auf Anspruch 6 rückbezogenen Ansprüche, wobei die Schichtenfolgen (200a, 200b) jeweils eine Topfschicht (11, 12) umfassen, deren Dicke zwischen 1 nm und 5 nm beträgt.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die im einstelligen bis zweistelligen Milliampere-Bereich, vorzugsweise zwischen etwa 1 mA und 15 mA, bestrombar ist.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit einer Stromdichte zwischen mehr als 0 mA/mm² und etwa 160 mA/mm² bestrombar ist.
Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die epitaktisch hergestellt ist.
Strahlungsemittierender Halbleiterkörper (18), der eine Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist.
Strahlungsemittierender Halbleiterkörper (18) nach Anspruch 18, wobei die Mehrfachquantentopfstruktur (1) als aktive Schicht dient.
Strahlungsemittierender Halbleiterkörper (18) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, der als Dünnfilm-Leuchtioden-Chip ausgebildet ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (19), das einen strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (18) nach einem der Ansprüche 17 bis 20 aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (19) nach Anspruch 21, wobei der strahlungsemittierende Halbleiterkörper (18) innerhalb eines Gehäusekörpers (22) angeordnet ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (19) nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei dem strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (18) auf einer Auskoppelseite ein optisches Element nachgeordnet ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement (19) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, das dimmbar ist.