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Die
Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schichtstruktur, die ein Übergitter
aus gestapelten Schichten eines ersten und mindestens eines zweiten
Typs, wobei die Schichten des ersten Typs und des mindestens einen
zweiten Typs III-V Verbindungshalbleiter sind und sich im Übergitter
benachbarte Schichten unterschiedlichen Typs in der Zusammensetzung
in mindestens einem Element unterscheiden. Die Erfindung betrifft
weiterhin ein optoelektronisches Bauelement, das eine derartige
Halbleiter-Schichtstruktur aufweist.
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Verglichen
mit einer Schicht gleicher Dicke aus nur einem Material einer Zusammensetzung
haben Übergitter
mit gestapelten Schichten verschiedenen Typs unterschiedliche elektrische,
optische und epitaktische Eigenschaften. Insbesondere kann bei geeigneter
Zusammensetzung und Dotierung ein Übergitter aus alternierend
gestapelten p-dotierten Gallium-Nitrid-(GaN) und p-dotierten Aluminium-Gallium-Nitrid-(AlGaN)
Schichten eine höhere
Leitfähigkeit
aufweisen als eine p-dotierte reine GaN- oder AlGaN-Schicht der
gleichen Dicke. Aufgrund dieser Eigenschaften finden Übergitter
vielfach Verwendung in elektronischen und optoelektronischen Bauteilen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Halbleiter-Schichtstruktur mit Übergitter
der eingangs genannten Art mit verbesserten elektrischen und optischen
Eigenschaften zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung,
ein optoelektronisches Bauelement mit einer solchen Halbleiter-Schichtstruktur anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1
durch eine Halbleiter-Schichtstruktur der eingangs genannten Art
gelöst,
bei der im Übergitter
zumindest zwei Schichten eines gleichen Typs einen unterschiedlichen
Gehalt an dem mindestens einen Element aufweisen.
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Grundsätzlich wird
als Übergitter
eine Struktur bezeichnet, die eine Periodizität aufweist, deren Periodenlänge größer ist
als die Gitterkonstanten eingesetzter Materialien. Im Rahmen der
Anmeldung wird als Übergitter
eine Folge gestapelter Schichten bezeichnet, bei der sich in einer
Richtung senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den Schichten,
also z.B. in Aufwachsrichtung der Schichten, eine Schichtabfolge,
umfassend mindestens zwei Schichten unterschiedlichen Typs, wiederholt.
Ein Übergitter
in diesem Sinne ist beispielsweise durch eine Folge alternierend
gestapelter Schichten verschiedener Typen gegeben, wobei alternierend
so zu verstehen ist, dass sich zwei oder mehr Schichten abwechseln. Innerhalb
der sich wiederholenden Schichtabfolge kann dabei ein Typ durch
mehr als eine Schicht vertreten sein. Beispiele für derartige Übergitter
sind durch die folgenden Schichtenfolgen gegeben: "ab|ab|ab|...", "abc|abc|abc|...", "abcb|abcb|..." und "ababababc|ababababc|...", wobei a, b und
c jeweils Schichten eines Typs angeben und die sich wiederholende
Schichtenabfolge durch das Trennzeichen "|" verdeutlicht
ist.
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Im
Rahmen der Anmeldung ist die Zusammensetzung einer Schicht durch
in der Schicht enthaltene Elemente sowie ihre nominelle (d.h. im
Rahmen der Genauigkeit der Kompositionsüberwachung während oder
nach dem Wachstumsprozess) Stöchiometrie
definiert, wobei Dotierstoffe und Verunreinigungen nicht mitberücksichtigt
werden. Die Stöchiometrie
ist durch den Gehalt (Anteil) der einzelnen Elemente in der Schicht
gegeben. Für
die Anzahl der Elemente einer Schicht besteht im Rahmen der Anmeldung
keine Begrenzung. Die Schichten des Übergitters können z.B.
elementar sein, d.h. nur aus einem Element bestehen, oder auch binär, ternär, quaternär usw. sein.
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Der
Typ einer Schicht ist durch die Zusammensetzung der Schicht gegeben,
wobei das jedoch nicht zwangsläufig
bedeutet, dass alle Schichten eines Typs die gleiche Zusammensetzung
aufweisen. Die Zusammensetzung der Schichten eines Typs kann innerhalb
des Übergitters
in vorgegebener Weise variieren, z.B. indem die Konzentration eines
Elements der Schichten eines Typs von Schicht zu Schicht dieses
Typs anwächst.
Im Übergitter
benachbarte Schichten unterschiedlichen Typs unterscheiden sich
jedoch in ihrer Zusammensetzung in mindestens einem Element.
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Erfindungsgemäß unterscheiden
sich im Übergitter
zumindest zwei Schichten eines gleichen Typs darin, dass der Gehalt
an dem mindestens einen Element, durch das sich benachbarte Schichten unterschiedlichen
Typs in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, in den zwei Schichten
des gleichen Typs unterschiedlich ist. Ein unterschiedlicher Gehalt an
dem mindestens einen Element in zumindest zwei Schichten des gleichen
Typs, also eine nicht gleiche Zusammensetzung bei Schichten gleichen
Typs innerhalb des Übergitters,
ist geeignet, die elektrischen, optischen und epitaktische Eigenschaften
des Übergitters
bestmöglich
an gegebene Erfordernisse anzupassen. Dieses gilt insbesondere für epitaktische
Randbedingungen, an die das Übergitter
angepasst werden kann.
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Beispielsweise
kann die Zusammensetzung innerhalb der Schichten eines Typs sowohl
Einfluss auf den Brechungsindex und damit auf eine optische Wellenführung, als
auch auf die Größe der Bandlücke und
damit auf optische Absorptionsverluste, als auch auf Gitterstruktur
und/oder -konstante und damit auf Verspannungen, die das Übergitter
auf angrenzende Schichten ausübt,
haben. Dabei kann die Abhängigkeit
der Größen von
dem Gehalt an einem Element bezüglich
gewünschter
Eigenschaften des Übergitters
beispielsweise derart gegenläufig
sein, dass ein hoher Gehalt zwar die Wellenführung durch das Übergitter
vorteilhaft beeinflusst und/oder optische Absorptionsverluste vorteilhaft
verringert, aber auch Verspannungen angrenzender Schichten nachteilig
verstärkt.
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Eine
gleiche Zusammensetzung für
alle Schichten eines Typs kann in einem solchen Fall bestenfalls
ein Kompromiss zwischen erreichbaren Vorteilen und in Kauf zu nehmenden
Nachteilen darstellen. Durch die innerhalb eines Schichtentyps variierenden
Zusammensetzung können
räumlich
unterschiedlichen Anforderungen an das Übergitter dagegen Rechnung
getragen werden und beispielsweise für Schichten im Randbereich
des Übergitters,
die bezüglich
der Verspannungen auf angrenzende Schichten maßgeblich sind, eine andere
Zusammensetzung vorzusehen, als für Schichten im mittleren Bereich
des Übergitters,
die wegen der größeren räumlichen
Ausdehnung des mittleren Bereichs für die Wellenführung maßgeblich
sind.
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Gemäß vorteilhafter
Ausgestaltungen der Halbleiter-Schichtstruktur weist das Übergitter
alternierend gestapelte InxAlyGa1-x-yN- und InwAlzGa1-w-zN-Schichten
mit 0 ≤ x,
y, w, z ≤ 1
und x + y ≤ 1
und w + z ≤ 1
oder alternierend gestapelte InxAlyGa1-x-yP und InwAlzGa1-w-zP
Schichten mit 0 ≤ x, y,
w, z ≤ 1
und x + y ≤ 1
und w + z ≤ 1
oder alternierend gestapelte InxAlyGa1-x-yAs und InwAlzGa1-w-zAs Schichten
mit 0 ≤ x,
y, w, z ≤ 1
und x + y ≤ 1
und w + z ≤ 1
auf. Diese Materialsysteme sind zum einen von großer technologischer
Bedeutung und zum anderen kann in diesen Systemen eine vorteilhafte
Leitfähigkeitserhöhung insbesondere
der Löcherleitung
durch den Einsatz eines Übergitters
beobachtet werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Halbleiter-Schichtstruktur
ist den einzelnen Schichten des Übergitters
eine vertikale Position innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur zugeordnet und der Gehalt
an dem mindestens einen Element in einer Schicht ist in vorgegebener
Weise abhängig von
ihrer vertikalen Position innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur.
Auf diese Weise kann das Übergitter
und seine Eigenschaften bestmöglich
an räumlich
unterschiedliche Anforderungen an das Übergitter angepasst werden.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausgestaltungen ist die Abhängigkeit des Gehalts an dem
mindestens einen Element von der vertikalen Position entweder für alle Schichten
durch eine gemeinsame Funktion vorgegeben oder sie ist für Schichten
des ersten Typs durch eine erste Funktion und für Schichten des zweiten Typs
durch mindestens eine zweite Funktion vorgegeben. Besonders bevorzugt
ist dabei die erste und/oder die mindestens eine zweite und/oder
die gemeinsame Funktion eine Stufenfunktion oder eine monoton steigende/fallende
Funktion oder eine lineare Funktion oder eine Polynomfunktion oder
eine Wurzelfunktion oder eine exponentielle Funktion oder eine logarithmische
Funktion oder eine periodische Funktion oder eine Superposition
der genannten Funktion oder enthält
Anteile einer dieser Funktionen.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausgestaltungen ist der Gehalt an dem mindestens einen
Element innerhalb einer Schicht des Übergitters konstant oder gradiert.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen weisen alle Schichten des Übergitters eine
gleiche Dicke auf. Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen weisen Schichten unterschiedlichen
Typs unterschiedliche Dicken auf.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch ein optoelektronisches Bauelement gelöst, das
eine Halbleiter-Schichtstruktur der zuvor beschriebenen Art aufweist.
In einem optoelektronischen Bauelement sind die Anforderungen an
bestimmte Eigenschaften des Übergitters
häufig
räumlich
nicht konstant. Durch eine Halbleiter-Schichtstruktur mit einer
nicht gleichen Zusammensetzung bei Schichten gleichen Typs innerhalb
des Übergitters,
können
die elektrischen, optischen und epitaktische Eigenschaften des Übergitters
bestmöglich
an gegebene Erfordernisse angepasst werden.
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Gemäß vorteilhafter
Ausgestaltungen des optoelektronischen Bauelements weist dieses
eine optisch aktive Schicht auf und das mindestens eine Element,
dessen Gehalt in zumindest zwei Schichten des gleichen Typs unterschiedlich
ist, ist Al. Dabei steigt der Al-Gehalt innerhalb des Übergitters
der Halbleiter-Schichtstruktur mit wachsendem Abstand von der optisch
aktiven Schicht an oder fällt
ab. Bei einem optoelektronischen Bauelement mit optisch aktiver
Schicht kann ein hoher Al-Gehalt einer unmittelbar oder mittelbar
an die aktive Schicht angrenzenden Schicht des Übergitters zu nachteiligen
Verspannungen in der aktiven Schicht führen, durch die die Quanteneffizienz
dieser Schicht verringert wird. Durch einen zur aktiven Schicht
hin abfallenden Al-Gehalt
innerhalb des Übergitters
können
Verluste durch eine geringere Quanteneffizienz verringert werden.
Ein höherer
Al-Gehalt führt dagegen
zu einer größeren Bandlücke und
damit zu einer geringeren optischen Absorption einer Schicht. Da
in Richtung der aktiven Schicht die Intensität einer von der aktiven Schicht
erzeugten Strahlung ansteigt, kann ein zur aktiven Schicht hin ansteigender
Al-Gehalt innerhalb des Übergitters
folglich bezüglich
optischer Absorptionsverluste vorteilhaft sein.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausgestaltungen ist das optoelektronische Bauelement
eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
im folgenden in Verbindung mit den in den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Querschnittszeichnung eines optoelektronischen Bauelements mit einer
erfindungsgemäßen Halbleiter-Schichtstruktur
mit Übergitter und
die
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2-8 schematische
Darstellungen des Gehalts eines oder verschiedener Elemente abhängig von
einer vertikalen Position in einem Übergitter bei verschiedenen
Ausführungsbeispielen
einer Halbleiter-Schichtstruktur mit Übergitter.
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In 1 ist
die Schichtenfolge einer Halbleiter-Schichtstruktur eines optoelektronischen
Bauelements mit einem Übergitter
im Querschnitt schematisch dargestellt. Auf einem Substrat 1 sind
eine Anpassungsschicht 2 und folgend eine n-dotierte Kontaktschicht 3 aufgewachsen.
Zur einfacheren Darstellung wird der Dotierungstyp von Schichten
im Folgenden durch Voranstellen des Buchstabens n oder p angegeben,
also z.B. n-Kontaktschicht 3.
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Auf
der n-Kontaktschicht 3 befindet sich eine n-Mantelschicht 4 und
eine n-Wellenleiterschicht 5. Auf diese ist eine aktive
Schicht 6 aufgebracht, anschließend eine Barriereschicht 7 sowie
eine p-Wellenleiterschicht 8. Es folgt eine p-Mantelschicht,
die als Übergitter 9 ausgeführt ist.
Das Übergitter 9 weist die
alternierend gestapelten Schichten 9a eines ersten Typs
a und Schichten 9b eines zweiten Typs b auf.
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Auf
das Übergitter 9 ist
eine p-Kontaktschicht 10 aufgewachsen. Im rechten Bereich
ist die Schichtenfolge durch Abätzen
bis auf eine dem Substrat abgewandte Fläche der n-Kontaktschicht 3 abgetragen, beziehungsweise
wurde in diesem Bereich durch Maskierung erst gar nicht aufgebaut.
Auf der freiliegenden Fläche
der n-Kontaktschicht 3 ist ein n-Kontakt 11 aufgebracht.
Auf der p-Kontaktschicht 10 befindet sich ein p-Kontakt 12.
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Die 1 ist
als schematische Zeichnung zu verstehen. Insbesondere sind die gezeigten
Schichtdicken nicht maßstabsgetreu.
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Das
gezeigte Ausführungsbeispiel
kann beispielsweise auf Basis des InxAlyGa1-x-yN, InxAlyGa1-x-yAs,
InxAlyGa1-x-yP oder InxGa1-xAsyN1-y mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1 Materialsystems
realisiert werden. Selbstverständlich
ist die Erfindung nicht auf diese Materialsysteme beschränkt, sondern kann
je nach gewünschter
Wellenlänge
oder sonstige Anforderung auch auf Basis weiterer Materialsysteme
aufgebaut sein.
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Das
in 1 gezeigte Bauelement stellt eine Doppel-Heterostruktur Laserdiode
dar. Im Folgenden ist beispielhaft eine Realisierung im InxAlyGa1-x-yN
Materialsystem näher
beschrieben. In einem solchen Fall kann Saphir als Substrat 1 Verwendung
finden und n-dotiertes GaN als n-Kontaktschicht 3 eingesetzt
werden. Zur n-Dotierung der GaN-Schicht wird vorzugsweise Silizium
(Si) eingesetzt. Als Anpassungsschicht 2 ist typischerweise
eine Aluminiumnitrid (AlN) Schicht zwischen dem Saphir-Substrat 1 und
der GaN n-Kontaktschicht 3 zur Anpassung der unterschiedlichen
Gitterkonstanten dieser Schicht vorgesehen.
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Analog
kann die p-Kontaktschicht 10 durch eine mit Magnesium (Mg)
p-dotierte GaN-Schicht realisiert werden, wobei eine durch die Magnesiumstörstellen
induzierte Löcherleitung
nach Aufwachsen der Schicht in bekannter Weise aktiviert wird, z.B.
durch Elektronenbestrahlung oder thermische Behandlung. Als n- oder
p-Kontakte 11 bzw. 12 können Elektroden, z.B. aus Aluminium
oder Nickel, auf die entsprechenden n- oder p-Kontaktschichten 3 bzw. 10 aufgedampft
werden. Das zu dem Zweck erforderliche Freilegen der n-Kontaktschicht 3 kann beispielsweise
durch einen Trockenätzprozess
in Chlorgas oder durch Argon-Ionen-Sputtern erfolgen.
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Alternativ
kann statt eines nicht leitenden Substrats 1 ein leitendes
Substrat, wie z.B. Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC),
eingesetzt werden. In einem solchen Fall kann die n-Kontaktschicht 3 und
gegebenenfalls, z.B. beim Einsatz von GaN, die Anpassungsschicht 2 entfallen.
Der n-Kontakt 11 kann dann gegenüber dem p-Kontakt 12 auf der
der Halbleiter-Schichtstruktur abgewandten Seite des Substrats aufgebracht
werden, so dass eine vertikal leitende Halbleiter-Schichtstruktur
gebildet wird.
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Ohne
Einschränkung
ist in der 1 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei
dem zunächst
n-dotierte Schichten auf das Substrat 1 aufgebracht sind. Eine
Anordnung, bei der p-dotierte Schichten näher am Substrat 1 angeordnet
sind als die n-dotierten Schichten, ist ebenso möglich. Die beiden Ausführungen
können
bezüglich
der Ladungsträgerinjektion in
die Halbleiter-Schichtstruktur unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Abhängig
von den gewünschten
Eigenschaften kann sich jede der Ausführungen im Einzelfall als vorteilhaft
erweisen.
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Die
aktive Schicht 6 kann z.B. eine Einfach- oder Mehrfach-Quantenschichtstruktur
sein, bei der Indium-Galliumnitrid (InGaN)-Quantenschichten abwechselnd
mit AlGaN-Barriereschichten
gestapelt sind.
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Als
Quantenschicht ist im Rahmen der Erfindung eine Schicht zu verstehen,
die so dimensioniert oder strukturiert ist, dass eine für die Strahlungserzeugung
wesentliche Quantisierung der Ladungsträger-Energieniveaus, zum Beispiel
durch Einschluss (confinement), auftritt. Insbesondere beinhaltet
die Bezeichnung Quantenschicht keine Angabe oder Einschränkung über die
Dimensionalität
der Quantisierung. Die Quantenschicht kann einen zweidimensionalen
Quantentopf bilden oder strukturelle Elemente mit niedrigerer Dimensionalität wie Quantendrähte oder
Quantenpunkte oder Kombinationen dieser Strukturen enthalten.
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Darüber hinaus
ist auch der Einsatz einer Fotolumineszenzaktiven Schicht, z. B.
einer Fremdatom-dotierten InGaN-Schicht
als aktive Schicht 6 denkbar.
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Die
die aktive Schicht 6 umgebenden Schichten (n- und p-Wellenleiterschichten 5 bzw. 8, n-Mantelschicht 4, Übergitter 9 als
p-Mantelschicht und Barriereschicht 7) haben eine größere Bandlücke als
die aktiven Schicht 6. Dieses bewirkt eine Konzentration
oder eine Eingrenzung, auch confinement genannt, von Ladungsträgern und/oder
Feldern auf die aktive Schicht 6. Die Anzahl der zu diesem Zweck
vorgesehenen Schichten ist nicht auf die in der Figur gezeigte Anzahl
von fünf
Schichten festgelegt, sondern prinzipiell beliebig.
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Weiterhin
bilden die die aktive Schicht 6 umgebenden Schichten einen
Wellenleiter für
die in der aktiven Schicht 6 erzeugte Strahlung. Gute Wellenführungseigenschaften
werden erreicht, wenn der Brechungsindex in einer Richtung senkrecht
zur aktiven Schicht 6 von dieser aus nach außen abnimmt. Da
GaN einen höheren
Brechungsindex aufweist als AlGaN, sind die näher an der aktiven Schicht 6 angeordneten
n- und p-Wellenleiterschichten 5 bzw. 8 im Ausführungsbeispiel
als GaN-Schichten ausgeführt. Die
n-Mantelschicht 4 und das Übergitter 9 als p-Mantelschicht
sind bevorzugt aluminiumhaltig.
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Auf
der dem Substrat 1 zugewandten Seite der aktiven Schicht 6 (n-dotierte
Seite) kann die Wellenleiterschicht 5 beispielsweise als
eine Si-dotierte GaN-Schicht ausgeführt sein und die Mantelschicht 4 als
eine Si-dotierte AlGaN-Schicht.
Auf der dem Substrat 1 abgewandten Seite der aktiven Schicht 6 (p-dotierte
Seite) kann analog eine Magnesium (Mg)-dotierte GaN-Schicht als
Wellenleiterschicht 8 eingesetzt werden. Um eine direkte
Rekombination von Elektronen, die aus der aktiven Schicht 6 in
die Wellenleiterschicht 8 diffundieren, mit den dort befindlichen
Löchern
zu verhindern, ist zwischen beiden Schichten zusätzlich die Barriereschicht 7 vorgesehen.
Diese kann durch eine bevorzugt hoch p-dotierte AlGaN-Schicht realisiert
sein, die typischerweise deutlich dünner als die n- und p-Wellenleiterschichten 5 bzw. 8,
die n-Mantelschicht 4 oder das Übergitter 9 ausgeführt ist.
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Die
p-seitige Mantelschicht wird durch das Übergitter 9 realisiert.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 ist das Übergitter 9 durch
abwechselnd angeordnete Schichten 9a des ersten Typs a
und Schichten 9b des zweiten Typs b gebildet. Beispielhaft
und wegen einer übersichtlicheren
Darstellung sind in der Figur nur je 3 Schichten der zwei verschiedenen
Typen a und b gezeigt. In tatsächlichen
Umsetzungen der Erfindung weist das Übergitter üblicherweise eine größere Anzahl
von Schichten auf, beispielsweise mehrere zehn bis einige hundert
Schichten jeden Typs. Typische Schichtdicken für eine einzelne Schicht des Übergitters 9 liegen
im Bereich von wenigen nm bis hin zu mehreren zehn nm, z.B. zwischen
2 nm und 50 nm und bevorzugt zwischen 3 nm und 10 nm. Schichten
gleichen Typs weisen nominell (d.h. im Rahmen der Genauigkeit der Schichtdickenkontrolle
während oder
nach dem Wachstumsprozess) die gleiche Schichtdicke auf. Die Schichten 9a des
ersten Typs a und die Schichten 9b des zweiten Typs b können sich in
ihrer Dicke jedoch voneinander unterscheiden (asymmetrisches Übergitter)
oder auch gleich sein (symmetrisches Übergitter).
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Im
GaN-basierten Materialsystem kann das Übergitter 9 als p-Mantelschicht
z.B. aus alternierenden Mg-dotierten GaN-Schichten und Mg-dotierten AlGaN-Schichten
bestehen. Aufgrund der hohen Aktivierungsenergie der Mg-Dotieratome
ist die elektrische Leitfähigkeit
von p-dotierten Schichten gering. Zudem hat AlGaN eine größere Bandlücke als
GaN und weist aufgrund einer geringeren Dotiereffizienz eine geringere
Leitfähigkeit
auf. Die Dotiereffizienz gibt an, in welcher Konzentration Dotierstoffe überhaupt
vom Material aufgenommen werden und welcher Anteil aufgenommener
Dotieratome prinzipiell (d.h. unbeachtlich temperaturbedingter Besetzungseffekte) überhaupt
zur Leitfähigkeit
beitragen kann. Die Dotiereffizienz ist unter anderem davon abhängig, welche
Gitter- oder Zwischengitterplätze
die Dotieratome einnehmen.
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Durch
den Einsatz höher
und effizienter dotierbarer und somit leitfähigerer GaN-Schichten kann das Übergitter 9 verglichen
mit einer p-dotierten reinen AlGaN-Mantelschicht eine erhöhte Leitfähigkeit bei
effektiv gleichem Brechungsindex aufweisen. Ein effektiv gleicher
Brechungsindex kann durch einen erhöhten Aluminiumgehalt der im Übergitter 9 eingesetzten
AlGaN-Schichten verglichen mit der reinen AlGaN-Mantelschicht erreicht
werden.
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Statt
eines GaN-/AlGaN-Übergitters 9 ist ebenso
ein Übergitter 9 denkbar,
in dem AlxGa1-xN/AlyGa1-yN-Schichten
mit 0 ≤ x,
y ≤ 1 und
x≠y abwechselnd
gestapelt sind. Ebenfalls ist der Einsatz von In statt Al in allen
oder einigen Schichten des Übergitters 9 möglich. Auch
sind Übergitter 9 denkbar,
bei denen drei oder mehr verschiedenen Schichttypen alternierend
gestapelt sind.
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Weiterhin
ist auch für
die n-dotierte AlGaN-Mantelschicht 4 der Einsatz eines Übergitters denkbar.
Aufgrund der im allgemeinen höheren
Leitfähigkeit
von n-dotierten Schichten liegt in diesem Fall ein Vorteil nicht
primär
in einer erhöhten
vertikalen Leitfähigkeit.
Vorteile ergeben sich jedoch durch eine möglichen Verringerung von Verspannungen, die
in der aktiven Schicht 6 induziert werden. Ein weiterer
Vorteil, der insbesondere bei seitlicher Stromeinbringung zum Tragen
kommt, liegt in der erhöhten
lateralen Stromleitfähigkeit
eines Übergitters begründet.
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Das Übergitter 9 kann,
z.B. aufgrund seines Gehalts an Al, Verspannungen in der aktiven
Schicht 6 induzieren. Diese Verspannungen können durch die
zwischen dem Übergitter 9 und
der aktiven Schicht 6 liegende GaN-Wellenleiterschicht 8 zwar abgemindert
werden, jedoch nicht unbedingt in ausreichendem Maße. Dieses
gilt insbesondere, da die Dicke der GaN-Wellenleiterschicht 8, von
der eine Verringerung der induzierten Verspannungen abhängt, aufgrund
der Anforderungen an die optischen Wellenleitereigenschaften vorgegeben
ist.
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Erfindungsgemäß ist der
Gehalt an Al und auch In, das ebenfalls Auswirkungen auf induzierte Verspannungen
in der aktiven Schicht 6 hat, innerhalb der Schichten zumindest
einen Typs im Übergitter 9 nicht
konstant, wodurch das Übergitter 9 in
bestmöglicher
Weise an die gegenläufigen
Anforderungen von guter Wellenleitung und geringer induzierter Verspannung
angepasst werden kann. Detaillierte Beschreibungen von entsprechenden Übergittern, bei
denen der Gehalt an zumindest einem Element (hier Al und/oder In)
innerhalb Schichten einer oder mehrerer Typen im Übergitters
variiert, werden im Folgenden im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen
der 2 bis 8 gegeben.
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In
den 2 bis 8 ist jeweils
zu verschiedenen Ausführungsbeispielen
eines Übergitters je
ein Diagramm gezeigt, in dem der Al-Gehalt cAl und ggf.
der In-Gehalt cIn in Prozent (Ordinate)
abhängig von
einer vertikalen Position z innerhalb des Übergitters einer Halbleiter-Schichtstruktur
(Abszisse) angegeben ist. Als Nullpunkt der vertikalen Position
z innerhalb des Übergitters
ist die Seite des Übergitters gewählt, die
einer aktiven Schicht zugewandt ist. Die aktive Schicht liegt folglich
links vom dargestellten Bereich des Übergitters bei negativen Werten
der vertikalen Position z.
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Das Übergitter
wird jeweils durch eine Vielzahl alternierend gestapelter Schichten
verschiedener Typen a, b und ggf. auch c, d gebildet, wobei per Definition
die bei z = 0 beginnende, der aktiven Schicht am nächsten liegende
Schicht des Übergitters
vom Typ a sei.
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In 2a ist
ein Übergitter
einer Halbleiter-Schichtstruktur dargestellt, bei dem Schichten zwei
verschiedener Typen a, b alternierend gestapelt sind. Von jedem
Schichttyp a, b sind 30 Schichten mit einer Schichtdicke von je
7.5 nm vorgesehen, so dass das Übergitter
insgesamt 450 nm dick ist. Die Schichten des Typs a sind GaN-Schichten.
Die Schichten des Typs b sind AlGaN-Schichten, wobei der Al-Gehalt
cAl dieser Schichten von etwa 5% bis 20%
von Schicht zu Schicht linear ansteigt. Der mittlere Al-Gehalt der
AlGaN-Schichten beträgt
somit 12.5%. Die der aktiven Schicht zugewandte Schicht weist dabei
den geringsten Al-Gehalt cAl auf. Gegenüber einem
GaN/AlGaN-Übergitter,
bei dem die AlGaN-Schichten
einen mittleren Al-Gehalt von 12.5% haben, induziert das Übergitter
der 2a weniger Verspannungen in der aktiven Schicht,
da sich die Gitterstruktur und -konstanten im Übergitter mit dem zur aktiven
Schicht hin abfallenden Al-Gehalt vorteilhaft ändern. Ein zur aktiven Schicht
hin abfallender Al-Gehalt kann weiterhin bevorzugt sein, weil Übergangsbarrieren
zur aktiven Schicht erniedrigt werden und so ein Heterostrukturübergang
weniger stark ausfällt.
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Ein
weiterer Vorteil eines Übergitters,
bei dem der Al-Gehalt cAl sich linear oder,
allgemeiner, umkehrbar eindeutig mit der Position einer Schicht
im Übergitter
verändert,
ergibt sich im Herstellungsprozess eines Bauelements. Zur Aufbringung
von Kontakten oder zur Wellenführung
ist häufig
das Einbringen von Gräben
(ridges) in eine Halbleiterstruktur erforderlich. Um eine definierte
Tiefe der Gräben
sicherzustellen, wird in manchen Materialsystemen nasschemisches Ätzen in
Verbindung mit so genannte Ätzstoppschichten
eingesetzt. Beim dem gegenüber
nasschemischen Ätzprozessen
resistenten AlGaN-Materialsystem kann jedoch üblicherweise nur das wenig
material-selektive Trockenätzen
benutzt werden. Wenn während
des Ätzprozesses
der Al-Gehalt des abgetragenen Materials gemessen wird, kann über den
Zusammenhang zwischen Al-Gehalt cAl der
Schichten im Übergitter
und deren Position innerhalb des Übergitters eine in-situ Tiefenbestimmung
erfolgen. Eine Messung des Al-Gehalt des abgetragenen Materials
kann beispielsweise massenspektometrisch erfolgen.
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Das
in 2b gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht dem
in 2a gezeigten, außer dass der Al-Gehalt cAl innerhalb der einzelnen AlGaN-Schichten
nicht konstant ist wie bei 2a, sondern
gradiert. Ein gradierter Al-Gehalt innerhalb einer Schicht kann
den leitfähigkeitserhöhenden Effekt
eines Übergitters
unterstützen.
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2c zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines GaN/AlGaN-Übergitters,
das spiegelbildlich zu dem in 2a dargestellten
ist. Der Al-Gehalt cAl der AlGaN-Schichten
fällt hier
von 20% bei der der aktiven Schicht nächstliegenden Schicht auf etwa
5% bei der von der aktiven Schicht am weitesten entfernten Schicht
linear ab. Diese Ausführung
ist vorteilhaft, wenn zwischen dem Übergitter eine hinreichend
dicke GaN-Wellenleiterschicht (siehe z.B. die GaN-Wellenleiterschicht 8 in 1)
zur Verringerung der Verspannungen in der aktiven Schicht vorgesehen
ist. Durch den hohen Al-Gehalt cAl in den
der aktiven Schicht zugewandten Schichten des Übergitters wird eine bessere
optische Führung
der von der aktiven Schicht erzeugten Strahlung erreicht als von einem
GaN/AlGaN-Übergitter
mit entsprechendem mittleren konstanten Al-Gehalt von hier 12.5%.
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2d zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines GaN/AlGaN-Übergitters,
bei dem der Al-Gehalt cAl in den AlGaN-Schichten
im Inneren des Übergitters
einen Maximalwert von etwa 17% aufweist und zu beiden Seiten abfällt. Auf
diese Weise werden Verspannungen zu beiden Seiten des Übergitters
verringert, wobei im gezeigten Beispiel der Maximalwert nicht genau
in der Mitte des Übergitters
erreicht wird und die einer aktiven Schicht nächstliegenden Schicht einen
geringeren Al-Gehalt cAl aufweist, als die
von der aktiven Schicht am weitesten entfernte Schicht.
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Verallgemeinert
kann der Verlauf des Al-Gehalts cAl innerhalb
eines Übergitters
durch eine (Hüllkurven-)Funktion
beschrieben werden, die den Al-Gehalt cAl einer
Schicht abhängig
von der Position der Schicht angibt. Dabei kann entweder eine gemeinsame
Funktion für
alle Schichtentypen a, b, usw. vorgegeben sein, oder es kann für jeden
Schichtentyp eine eigene Funktion vorgegeben sein. Prinzipiell ist
dabei jeder beliebige, z.B. auch nichtlineare, Funktionsverlauf
möglich.
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3 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele
eines GaN/AlGaN-Übergitters
einer Halbleiter-Schichtstruktur, bei denen der Al-Gehalt cAl innerhalb des Übergitters nicht konstant ist.
Bei dem in 3a gezeigten Beispiel ist der
Al-Gehalt cAl durch eine Treppenfunktion
mit nicht konstanter Stufenbreite vorgegeben. Bei dem in 3a gezeigten
Beispiel folgt der Al-Gehalt der AlGaN-Schichten im Bereich von
z = 0 bis etwa z = 430 nm einer Wurzelfunktion und ist im Bereich
von z > 430 nm auf
einem Plateau konstant.
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Wie
in den 2 und 3 sind
auch in 4 Übergitter einer Halbleiter-Schichtstruktur
dargestellt, bei denen sich Schichten zweier verschiedener Typen
abwechseln. Die Schichten des Typs b sind wiederum AlGaN-Schichten,
deren Al-Gehalt cAl innerhalb des Übergitters
variiert, und zwar linear ansteigend im Beispiel von 4a und
wurzelförmig
mit konstantem Plateau in 4b.
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Die
Schichten des Typs a sind hier InGaN-Schichten, deren In-Gehalt cIn innerhalb
des Übergitters
variiert. Der In-Gehalt ist im negativen Wertebereich der Ordinate
angegeben, von den abgelesenen Werten ist der Betrag zu bilden.
Im Ausführungsbeispiel
von 4a wird der In-Gehalt cIn der
Typ a InGaN-Schichten durch eine Stufenfunktion beschrieben und
beträgt
etwa 2% in den ersten 8 einer aktiven Schicht zugewandten Schichten
und ist Null in den übrigen
Schichten. Im Beispiel von 4b fällt der
In-Gehalt cIn der Typ a InGaN-Schichten
von etwa 4% in der der aktiven Schicht am nächsten liegenden Schicht innerhalb
der ersten 8 Schichten auf Null ab und bleibt konstant Null in den übrigen Schichten.
Der Einsatz von InGaN-Schichten statt reiner GaN-Schichten kann einerseits zur Verringerung
von in der aktiven Schicht induzierten Verspannungen führen, aber
andererseits die Wellenleitung durch das Übergitter verschlechtern, da
ein höherer In-Gehalt
den Brechungsindex des Übergitters
erhöht,
was zu einem geringeren Brechungsindexkontrast gegenüber einer
angrenzenden Wellenleiterschicht führt.
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Durch
den nicht konstanten, in Richtung der aktiven Schicht größeren In-Gehalt
cIn werden die positiven Auswirkungen von
InGaN-Schichten im Übergitter
gegenüber
den nachteiligen Effekten verstärkt.
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In 5 sind Ausführungsbeispiele von Übergittern
einer Halbleiter-Schichtstruktur dargestellt, bei denen Schichten
drei verschiedener Typen a, b und c alternierend gestapelt sind.
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Die
Schichten vom Typ a sind im Beispiel von 5a GaN-Schichten mit konstanter
Zusammensetzung über
das Übergitter.
Die Schichten der Schichttypen b und c sind AlGaN-Schichten, deren Al-Gehalt
cAl innerhalb des Übergitters variiert. Sowohl
für Schichten
des Typs b als auch für
Schichten des Typs c steigt der Al-Gehalt cAl linear
mit wachsender vertikaler Position z der Schicht, jedoch weist eine
Schicht vom Typ c jeweils 2% mehr Al auf, als die zu ihr direkt
benachbarte Schicht vom Typ b. Schichten vom Typ b und c sind zudem
nur halb so dick wie Schichten vom Typ a. In gewisser Weise kann
die Struktur auch als GaN/AlGaN-Übergitter
mit nur zwei Schichttypen betrachtet werden, von denen die AlGaN-Schichten mit einer
Stufenfunktion gradiert sind. Wie weiter oben bereits erwähnt, kann
ein gradierter Al-Gehalt innerhalb einer Schicht den leitfähigkeitserhöhenden Effekt
eines Übergitters
unterstützen.
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Bei
den in den 5b-d gezeigten Beispielen sind
die AlGaN-Schichten vom Typ b und c ebenso ausgeführt wie
im Beispiel von 5a. Als Schichten vom Typ a
sind jedoch analog zu den Beispielen aus 4 InGaN-Schichten
mit variablem In-Gehalt cIn vorgesehen.
In den Beispielen von 5b und 5c folgt
der In-Gehalt cIn einer Stufenfunktion (vergleiche 4a),
im ersten Fall mit konstantem In-Gehalt
innerhalb einer Schicht, im zweiten Fall mit gradiertem In-Gehalt.
In dem Beispiel von 5d nimmt der In-Gehalt cIn innerhalb von 6 Schichten linear ab und
ist für
die übrigen
Schichten Null (vergleiche 4b). Auch
hier werden durch den Einsatz von InGaN die induzierten Verspannungen
in benachbarten Schichten verringert.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiele
eines Übergitters
einer Halbleiter-Schichtstruktur, bei dem Schichten vier verschiedener
Typen a, b, c und d alternierend gestapelt sind. Die Schichten vom
c und d sind, ähnlich
den Schichten b und c aus 5, AlGaN-Schichten,
deren Al-Gehalt cAl innerhalb des Übergitters
innerhalb der Schichten eines Typs linear ansteigt, wobei der Al-Gehalt
cAl einer Schicht vom Typ d jeweils um etwa
2% höher
ist, als der der benachbarten Schicht vom Typ c. Die Schichten vom Typ
a und b sind Schichten der Zusammensetzung InxAlyGazN(1-x-y-z),
mit x = 0 wenn y > 0
und y = 0 wenn x > 0.
In und Al kommen in diesen Ausführungsbeispielen
folglich nicht gleichzeitig in einer Schicht vor. Grundsätzlich ist
ein Einsatz von Schichten, die In und Al enthalten, natürlich möglich. Der
In-Gehalt cIn, d.h. der Koeffizient x, fällt zunächst in
den ersten 9 Schichten des Typs a und den ersten 8 Schichten des Typs
b (von einer aktiven Schicht aus gerechnet) linear ab und ist bei
den folgenden Schichten Null. Der Al-Gehalt cAl,
d.h. der Koeffizient y, ist dagegen in den ersten 8 bzw. 9 Schichten
Null (z zwischen 0 und 130 nm), steigt dann für die folgenden mittleren Schichten (z
zwischen 130 und 270 nm) linear an, um für die restlichen Schichten
(z > 270 nm) auf einem
konstanten Niveau zu bleiben. Dabei ist für jede Schicht vom Typ a der
In-Gehalt cIn größer und der Al-Gehalt cAl kleiner als für die jeweilige benachbarte
Schicht vom Typ b. Die Vorteile, die ein geringer Al-Gehalt cAl und ein erhöhter In-Gehalt cIn in
Schichten, die unmittelbar oder mittelbar der aktiven Schicht benachbart sind,
bezüglich
induzierter Verspannung haben, werden in dieser Ausführungsform
mit den positiven Auswirkungen eines (stufenweise) gradierten Al-Gehalt auf
die Leitfähigkeit
des Übergitters
kombiniert.
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In 7 sind Ausführungsbeispiele von AlGaN/AlGaN-Übergittern einer Halbleiter-Schichtstruktur
dargestellt. Die Schichten beider Typen a und b sind AlGaN-Schichten,
bei denen der Al-Gehalt cAl innerhalb des Übergitters
variiert. Der Al-Gehalt cAl abhängig von
der vertikalen Position z einer Schicht vom Typ a sei durch eine
erste Funktion beschrieben, der Al-Gehalt cAl einer
Schicht vom Typ b sei durch eine zweite Funktion gegeben. Für alle drei
Beispiele in 7 ist die erste Funktionen
ungleich der zweiten. Direkt benachbarte Schichten unterscheiden
sich somit in ihrem Al-Gehalt cAl und somit
ihrer Zusammensetzung. Das bedeutet jedoch nicht, dass eine Schicht
des Typs a nicht die gleiche Zusammensetzung aufweisen kann wie
eine Schicht des Typs b.
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Bei
dem Beispiel in 7a sind die erste und die zweite
Funktion Treppenfunktionen mit unterschiedlichen Stufenbreiten und
-höhen.
Im Beispiel in 7b ist die erste Funktion eine
mit der vertikalen Position z linear ansteigende Funktion. Die zweite Funktion
weist zunächst
einen linearen Anstieg bis zu einem Maximum bei etwa z = 350 nm
auf und fällt
bei größeren Werten
von z wiederum linear ab. Bei dem Beispiel in 7c weisen
beide Funktionen linear ansteigende und linear abfallende Bereiche
auf, wobei die Steigungen der Funktionen und die Positionen des
Maximums (Typ b) und Minimums (Typ a) des Al-Gehaltes cAl bei
beiden Funktionen unterschiedlich sind.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
der 7 wird durch den bei beiden Schichttypen
a und b variierenden Al-Gehalt cAl ein Übergitter
geschaffen, das durch einen hohen mittleren Al-Gehalt eine gute Wellenführung ermöglicht und
dennoch durch den zur aktiven Schicht hin abfallenden Al-Gehalt
cAl Verspannungen auf die aktive Schicht
vertretbar gering hält.
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Wie 7 zeigt auch 8 ein Ausführungsbeispiel
eines AlGaN/AlGaN-Übergitters
einer Halbleiter-Schichtstruktur, bei dem der Al-Gehalt cAl innerhalb des Übergitters bei beiden Schichttypen
a und b variiert. Die Variation ist hier jeweils durch eine Stufenfunktion
gegeben, wobei der Al-Gehalt cAl der Schichten
des Typs a um 10% unter dem benachbarter Schichten des Typs b liegt.
Die Schichten beider Typen weisen jeweils die gleiche Dicke auf,
die schichten des Typs a sind jedoch jeweils nur etwa halb so dick
wie die des Typs b. Auf diese Weise kann ein Übergitter mit hohem mittleren
Al-Gehalt bei gegebenem maximalen Al-Gehalt einer Schicht geschaffen
werden. Bei einem Übergitter
mit gleich dicken Schichten müsste
zum Erreichen desselben mittleren Al-Gehalts der Al-Gehalt cAl in den höher Al-haltigen Schichten größer ausfallen,
was in bestimmten Fällen
z.B. aus epitaktischen Gründen
unerwünscht
sein kann.
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Auf
analoge Weise, nämlich
durch dünnere Schichten
des höheren
Al-Gehalts cAl, kann erreicht werden, dass
bei gegebenen Al-Gehalt der Schichten das Übergitter einen geringen mittleren
Al-Gehalt aufweist. Ein geringer mittlerer Al-Gehalt kann z.B. aufgrund
der höheren
Leitfähigkeit
in anderen Fällen bevorzugt
sein.
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Die
Erläuterung
der Erfindung anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist nicht als
Beschränkung
der Erfindung hierauf zu verstehen. Vielmehr umfasst die Erfindung
auch die Kombination mit allen anderen in den Ausführungsbeispielen
und der sonstigen Beschreibung genannten Merkmale, auch wenn diese
Kombination nicht Gegenstand eines Patentanspruchs sind.