DE102007057708A1 - Optoelectronic component e.g. LED with emission wavelength below six hundred nanometers, has barrier layers and active layer with grating constants, which are smaller around specific percentages than grating constants of gallium arsenide - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.The The invention relates to an optoelectronic component according to the General term of the patent claim 1.
Bei optoelektronischen Bauelementen wie LEDs oder Halbleiterlasern auf der Basis von InAlGaP wird die strahlungsemittierende aktive Schicht in der Regel zwischen Mantelschichten eingeschlossen, wobei die Mantelschichten eine größere elektronische Bandlücke aufweisen als die aktive Schicht, um die Ladungsträger in der aktiven Schicht einzuschließen. Bei Bauelementen, die vergleichsweise kurzwellige Strahlung emittieren, zum Beispiel bei Wellenlängen von weniger als 600 nm bei LEDs oder weniger als 650 nm bei Halbleiterlasern, wird die interne Effizienz und das Temperaturverhalten des Bauelements oftmals nachteilig durch Leckströme von Ladungsträgern aus der aktiven Schicht in den Bereich der Mantelschichten beeinträchtigt. Die Ursache dafür ist, dass die erreichbare Höhe der elektronischen Barriere der Mantelschichten gegenüber der aktiven Schicht nicht ausreicht, um thermisch angeregte Ladungsträger bei den typischen Betriebstemperaturen optoelektronischer Bauelemente in der aktiven Schicht einzuschließen.at optoelectronic components such as LEDs or semiconductor lasers The basis of InAlGaP is the radiation-emitting active layer usually enclosed between shell layers, wherein the Coat layers a larger electronic band gap have as the active layer to the charge carriers in the active layer. For components, emit the comparatively short-wave radiation, for example at wavelengths less than 600 nm with LEDs or less than 650 nm in semiconductor lasers, the internal efficiency and the temperature behavior of the device often disadvantageous Leakage currents of charge carriers from the active Layer affected in the region of the cladding layers. The cause is that the achievable altitude the electronic barrier of the cladding layers opposite the active layer is insufficient to thermally excited charge carriers at the typical operating temperatures of optoelectronic components in the active layer.
Eine Verringerung der Ladungsträgerkonzentration und eine damit verbundene Verringerung unerwünschter Leckströme könnte zwar durch die Herstellung vergleichsweise dicker aktiver Schichten erzielt werden. Allerdings bringt diese Maßnahme bei Halbleiterlasern aufgrund der für den Laserbetrieb erforderlichen Mindestdichte an Ladungsträgern, die zur Erzeugung von optischer Verstärkung nötig sind, keine Vorteile. Weiterhin steigt bei LEDs bei einer Erhöhung der Schichtdicke der aktiven Schicht auch der Anteil nicht strahlender Rekombinationsprozesse und die Re-Absorption des erzeugten Lichts in der aktiven Schicht, so dass die Gesamteffizienz einer LED auf diese Weise nur begrenzt verbessert werden kann.A Reduction of the charge carrier concentration and one with it associated reduction of unwanted leakage currents could indeed by the production comparatively thicker active layers are achieved. However, this measure brings in semiconductor lasers due to those for laser operation required minimum density of charge carriers for the production of optical amplification are needed, no advantages. Furthermore, LEDs increase with an increase in the layer thickness the active layer also the proportion of non - radiative recombination processes and the re-absorption of the generated light in the active layer, so that limits the overall efficiency of an LED in this way only can be improved.
Ein Ansatz zur Erhöhung der Bandlücke der Barriereschichten beruht darauf, gitterverspannte Schichten aus dem Materialsystem InAlGaP zu verwenden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Bandlücke verspannter Halbleitermaterialien bei einer tensilen Verspannung gegenüber der Bandlücke unverspannten Materials erhöht ist. Die maximale Schichtdicke des verspannten Materials ist aber begrenzt und in der Regel nicht ausreichend, um die Ladungsträger in der aktiven Schicht effizient genug einzuschließen.One Approach to increase the band gap of the barrier layers based on it, grid-spanned layers from the material system To use InAlGaP. It is exploited that the band gap strained Semiconductor materials in a tensile stress opposite the band gap of unstressed material is increased. The maximum layer thickness of the strained material is limited and usually not sufficient to charge the charge carriers in to include the active layer efficiently enough.
Aus
der Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement auf der Basis von InAlGaP anzugeben, bei dem die interne Effizienz durch eine gezielte Ausnützung der Bandstruktureigenschaften des Materialsystems InAlGaP verbessert ist.Of the Invention is based on the object, an optoelectronic component based on InAlGaP, where the internal efficiency is determined by a targeted utilization of the band structure properties of the material system InAlGaP is improved.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These The object is achieved by an optoelectronic component having the features of claim 1. Advantageous embodiments The invention is the subject of the dependent claims.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist ein optoelektronisches Bauelement eine strahlungsemittierende aktive Schicht aus Inx1(Aly1Ga1-y1)1-x1P mit 0 ≤ x1 ≤ 1 und 0 ≤ y1 ≤ 1 auf, die zwischen Barriereschichten aus Inx2(Aly2Ga1-y2)1-x2P mit 0 ≤ x2 ≤ 1 und 0 ≤ y2 ≤ 1 angeordnet ist. Die Barriereschichten weisen eine größere elektronische Bandlücke auf als die aktive Schicht. Weiterhin weisen die aktive Schicht und die Barriereschichten jeweils eine Gitterkonstante auf, die um mindestens 0,2% von der Gitterkonstante von GaAs abweicht.In one embodiment of the invention, an optoelectronic component has a radiation-emitting active layer of In x1 (Al y1 Ga1 -y1 ) 1-x1 P with 0 ≦ x1 ≦ 1 and 0 ≦ y1 ≦ 1, which is formed between barrier layers of In x2 (Al y2 Ga1 -y2 ) 1-x2 P where 0≤x2≤1 and 0≤y2≤1. The barrier layers have a larger electronic band gap than the active layer. Furthermore, the active layer and the barrier layers each have a lattice constant which deviates by at least 0.2% from the lattice constant of GaAs.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die interne Effizienz eines strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelements auf der Basis von InAlGaP dadurch verbessert werden kann, dass die aktive Schicht und die Barriereschichten, die die aktive Schicht umgeben, eine derartige Materialzusammensetzung aufweisen, dass ihre Gitterkonstante im Gegensatz zum herkömmlichen gitterangepassten Aufwachsen auf GaAs um mindestens 0,2% von der Gitterkonstante von GaAs abweicht.The Invention exploits the knowledge that the internal efficiency a radiation-emitting optoelectronic component on the Base of InAlGaP can be improved by having the active Layer and the barrier layers that surround the active layer, have such a material composition that their lattice constant in contrast to conventional lattice-matched growing up on GaAs differs by at least 0.2% from the lattice constant of GaAs.
Insbesondere wurde festgestellt, dass sich durch eine von der Gitterkonstante von GaAs abweichende Gitterkonstante der aktiven Schicht und der Barriereschichten eine größere elektronische Barriere zwischen der aktiven Schicht und den Barriereschichten erzielen lässt. Auf diese Weise wird eine durch Leckströme bedingte Verminderung der internen Effizienz des Bauelements, die durch Übergänge von Ladungsträgern aus der aktiven Schicht in die Barriereschichten bedingt sind, entgegengewirkt.Especially was found to be through one of the lattice constant non-GaAs lattice constant of the active layer and the barrier layers a bigger electronic barrier between the achieve active layer and the barrier layers. In this way, a reduction caused by leakage currents the internal efficiency of the device through transitions of Charge carriers from the active layer in the barrier layers conditional, counteracted.
Bevorzugt sind die Gitterkonstanten der aktiven Schicht und der Barriereschichten jeweils um mindestens 0,2% geringer als die Gitterkonstante von GaAs. Besonders bevorzugt sind die Gitterkonstanten der aktiven Schicht und der Barriereschichten jeweils um mindestens 1% geringer als die Gitterkonstante von GaAs. Auf diese Weise werden gezielt die Bandstruktureigenschaften des Materialsystems InAlGaP zur Erhöhung der elektronischen Barriere zwischen der aktiven Schicht und den Barriereschichten ausgenutzt.Prefers are the lattice constants of the active layer and the barrier layers each at least 0.2% less than the lattice constant of GaAs. Particularly preferred are the lattice constants of the active Layer and the barrier layers each at least 1% lower as the lattice constant of GaAs. In this way are targeted the band structure properties of the material system InAlGaP to increase the electronic barrier between the active layer and the Barrier stories exploited.
Die
Abhängigkeit der elektronischen Bandlücke von
der Gitterkonstante in dem Materialsystem InAlGaP ist an sich aus
Bandstrukturberechnungen bekannt, die beispielsweise in den
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Materialzusammensetzung der aktiven Schicht, die durch die Parameter x1 und y1 gekennzeichnet ist, derart gewählt, dass die aktive Schicht eine direkte Bandlücke aufweist. Dies ermöglicht vorteilhaft die direkte Rekombination von Ladungsträgern unter Emission von Strahlung in der aktiven Schicht. Aus Bandstrukturberechnungen ergibt sich, dass eine direkte Bandlücke im Materialsystem InAlGaP insbesondere bei Werten für die Gitterkonstante von mehr als 5,57 Å vorliegt. Ein bevorzugter Wert der Gitterkonstanten liegt daher in einem Bereich zwischen 5,57 Å und 5,64 Å, wobei der letztgenannte Wert etwa 0,2% unterhalb der Gitterkonstante von GaAs liegt, die etwa 5,65 Å beträgt. In diesem Bereich ist einerseits die elektronische Bandlücke größer als bei einer Gitterkonstante, die der Gitterkonstante von GaAs entspricht, und weiterhin weist das Halbleitermaterial in diesem Bereich eine direkte Bandlücke auf.at a preferred embodiment is the material composition the active layer, characterized by the parameters x1 and y1 is chosen such that the active layer has a direct bandgap having. This advantageously allows direct recombination of charge carriers under emission of radiation in the active layer. From band structure calculations it follows that a direct band gap in the material system InAlGaP in particular at values for the lattice constant greater than 5.57 Å. A preferred value of the lattice constant is therefore within a range between 5.57 Å and 5.64 Å, the latter Value is about 0.2% below the lattice constant of GaAs, the is about 5.65 Å. In this area is one hand the electronic band gap greater than at a lattice constant corresponding to the lattice constant of GaAs, and further, the semiconductor material has a region in this region direct band gap.
Unter der aktiven Schicht ist im Rahmen der Anmeldung nicht nur eine Einzelschicht zu verstehen, vielmehr kann die aktive Schicht auch durch ein zur Strahlungserzeugung vorgesehenes Mehrschichtsystem gebildet sein. Im Fall einer aus mehreren Einzelschichten zusammengesetzten aktiven Schicht sollen die angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungen, insbesondere hinsichtlich der Gitterkonstante, für die Gesamtheit der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Schichten gelten. Insbesondere kann die aktive Schicht einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur enthalten. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere 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 unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.Under In the context of the application, the active layer is not just a single layer to understand, rather, the active layer can also by a for Radiation generation provided multilayer system may be formed. In the case of an active layer composed of several individual layers should the indicated advantageous embodiments, in particular with regard to the lattice constant, for the entirety of apply to radiation generation layers. In particular, can the active layer has a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure contain. The term quantum well structure includes in the frame the registration in particular any structure in the charge carriers by confinement a quantization of their energy states can learn. In particular, the name includes Quantum well structure no information about the dimensionality the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, Quantum wires and quantum dots and any combination of these Structures.
Die Barriereschichten weisen bevorzugt einen geringeren Galliumanteil 1-y2 auf als die aktive Schicht. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft eine besonders große Bandlücke in den Barriereschichten erzielen. Besonders bevorzugt weisen die Barriereschichten kein Gallium auf, für den Galliumanteil der Barriereschichten gilt in diesem Fall also 1-y2 = 0.The Barrier layers preferably have a lower gallium content 1-y2 as the active layer. That way advantageous a particularly large band gap achieve in the barrier layers. Particularly preferred are the Barrier layers no gallium, for the gallium content In this case, the barrier layers therefore have 1-y2 = 0.
Da die aktive Schicht und die Barriereschichten eine Gitterkonstante aufweisen, die um mindestens 0,2% von der Gitterkonstante von GaAs abweicht, ist es nicht ohne weiteres möglich, diese Schichten in hoher kristalliner Qualität auf GaAs aufzuwachsen. Das Bauelement enthält daher vorzugsweise ein Substrat, das eine geringere Gitterkonstante als GaAs aufweist. Besonders bevorzugt wird dabei ein Substrat aus GaAsxP1-x mit 0 ≤ x < 1 verwendet. Alternativ ist es aber auch möglich, ein Substrat aus einem der quaternären Materialien AlGaAsP oder InAlGaP zu verwenden.Since the active layer and the barrier layers have a lattice constant that differs by at least 0.2% from the lattice constant of GaAs, it is not readily possible to grow these layers in high crystalline quality on GaAs. The device therefore preferably includes a substrate having a lattice constant less than GaAs. In this case, a substrate made of GaAs x P 1-x with 0 ≦ x <1 is particularly preferably used. Alternatively, it is also possible to use a substrate made of one of the quaternary materials AlGaAsP or InAlGaP.
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält das Bauelement
ein Substrat aus GaAs, wobei auf dem GaAs-Substrat eine oder mehrere Pufferschichten
aus GaAsP, AlGaAsP oder InAlGaP angeordnet sind, wobei die oberste
Schicht der Pufferschichten eine geringere Gitterkonstante aufweist als
GaAs. Die oberste Pufferschicht bildet so vorteilhaft ein Quasisubstrat
zum epitaktischen Aufwachsen der weiteren Schichten, die insbesondere
die Barriereschichten und die aktive Schicht enthalten, aus. Bevorzugt
handelt es sich bei den Pufferschichten um eine Halbleiterschichtenfolge
aus mehreren Schichten, die GaAsxP1-x enthalten, wobei beispielsweise der Phosphorgehalt
1-x ausgehend von der untersten auf das GaAs-Substrat aufgebrachten
Pufferschicht bis zur obersten Pufferschicht stufenweise ansteigt.
Bei den Pufferschichten handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschichtenfolgen,
die eine Übergitterstruktur aufweisen. Besonders geeignete Pufferschichtenfolgen
sind an sich aus der Druckschrift
Bei den Pufferschichten handelt es sich vorzugsweise um metamorphe Schichten, dass heißt um Schichten, die nahezu unverspannt auf dem Substrat oder der jeweils darunter liegenden Halbleiterschicht aufgewachsen sind. Ein metamorphes Wachstum kann insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Wachstumstemperaturen, von 700°C oder weniger, beispielsweise im Bereich von 450°C bis 700°C, erzielt werden.at the buffer layers are preferably metamorphic layers, that means layers that are almost unstressed on the surface Grown substrate or the respective underlying semiconductor layer are. A metamorphic growth can be especially at comparatively low Growth temperatures, of 700 ° C or less, for example in the range of 450 ° C to 700 ° C, can be achieved.
Die Barriereschichten und die aktiven Schicht sind vorzugsweise an ein Substrat oder ein Quasisubstrat, das durch die oberste von einer oder mehreren Pufferschichten gebildet wird, gitterangepasst. Die Barriereschichten und die aktive Schicht sind also vorzugsweise unverspannt auf das Substrat oder Quasisubstrat aufgewachsen.The Barrier layers and the active layer are preferably on Substrate or a quasi-substrate passing through the top of one or more buffer layers is formed, lattice-matched. The Barrier layers and the active layer are therefore preferred grown unstressed on the substrate or quasi substrate.
Bei einer alternativen Ausgestaltung weisen die Barriereschichten gegenüber dem Substrat oder der obersten Pufferschicht eine tensile Verspannung auf. Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass durch eine tensile Verspannung der Barriereschichten in Bezug auf das gewählte Substrat oder Quasisubstrat eine weitere Erhöhung der elektronischen Bandlücke erzielt werden kann.at an alternative embodiment facing the barrier layers the substrate or the uppermost buffer layer has a tensile strain. This embodiment is based on the knowledge that by a tensile Tensioning of the barrier layers in relation to the selected Substrate or quasi substrate a further increase in the electronic Band gap can be achieved.
Das
optoelektronische Bauelement muss nicht notwendigerweise das Aufwachssubstrat,
das zum Aufwachsen der Barriereschichten und der aktiven Schicht
verwendet wurde, aufweisen. Insbesondere kann das optoelektronische
Bauelement ein Dünnfilm-Bauelement sein, wobei unter einem
Dünnfilm-Bauelement ein Bauelement verstanden wird, bei
dem ein zum epitaktischen Aufwachsen der Schichtenfolge, welche
die aktive Schicht und die Barriereschichten umfasst, verwendetes
Aufwachssubstrat nachträglich entfernt wurde. Das Grundprinzip
eines Dünnfilm-Bauelements ist beispielsweise in
Bei dem optoelektronischen Bauelement handelt es sich vorzugsweise um eine LED oder einen Halbleiterlaser.at the optoelectronic component is preferably an LED or a semiconductor laser.
Insbesondere kann es ich bei dem optoelektronischen Bauelement um eine LED mit einer Emissionswellenlänge von weniger als 600 nm oder um einen Halbleiterlaser mit einer Emissionswellenlänge von weniger als 650 nm oder sogar weniger als 600 nm handeln. Unter der Emissionswellenlänge wird dabei die Wellenlänge verstanden, bei der die emittierte Strahlung das Intensitätsmaximum aufweist.Especially can I use an LED with the optoelectronic component an emission wavelength of less than 600 nm or around a semiconductor laser having an emission wavelength of less than 650 nm or even less than 600 nm. Under the emission wavelength becomes the wavelength understood, in which the emitted radiation, the intensity maximum having.
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
im Zusammenhang mit den
Es zeigen:It demonstrate:
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.Same or equivalent elements are in the figures with the same Provided with reference numerals. The figures are not to be considered as true to scale Rather, individual elements can be exaggerated for clarity be shown large.
Bei
dem in
Die
LED enthält eine strahlungsemittierende aktive Schicht
Die
aktive Schicht
Die
aktive Schicht
Durch
das Abscheiden der Barriereschichten
Zur
elektrischen Kontaktierung enthält die LED beispielsweise
einen ersten elektrischen Kontakt
Die
Barriereschichten
Die
Halbleiterschichtenfolge des optoelektronischen Bauelements, die
insbesondere die aktive Schicht
Die
Halbleiterschichtenfolge, insbesondere die aktive Schicht
Bei
dem in
Die
Abhängigkeit der elektronischen Bandlücke von
der Gitterkonstante wird in
Das
in
Im
Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel enthält
das Bauelement aber anstelle eines Aufwachssubstrats aus GaAs0.7P0.3 ein GaAs-Substrat
Das
in
Bei
dem in
Wie
die LEDs des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels ist
der Halbleiterlaser auf einem Quasisubstrat, das ein GaAs-Substrat
Die
aktive Schicht
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.The The invention is not by the description based on the embodiments limited. Rather, the invention includes every new feature as well any combination of features, especially any combination includes features in the claims, also if this feature or combination itself is not explicit specified in the patent claims or exemplary embodiments is.
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- - WO 2004/017433 [0012] WO 2004/017433 [0012]
- - DE 102005056950 A1 [0017, 0044] - DE 102005056950 A1 [0017, 0044]
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- - I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 beschrieben [0021] I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18 October 1993, 2174-2176. [0021]
Claims (15)
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