DE102011008477A1

DE102011008477A1 - Halbleiter, Leuchtiode und Laseriode

Info

Publication number: DE102011008477A1
Application number: DE102011008477A
Authority: DE
Inventors: Sven Hoefling; Dipl.-Ing. Gerhard Sven; Lukas Worschech
Original assignee: Julius Maximilians Universitaet Wuerzburg
Current assignee: Julius Maximilians Universitaet Wuerzburg
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-19
Also published as: WO2012095138A1

Abstract

Halbleitermaterial (1) umfassend eine Schichtstruktur mit einer ersten Materialschicht (2) aus AlGaP, mit einer zweiten Materialschicht (3) aus AlGaP und mit einer Vielzahl von zwischen den AlGaP-Materialschichten (2, 3) angeordneten Quantenpunkten (5), wobei die erste (2) und die zweite Materialschicht (3) AlGaP umfasst, wobei die Quantenpunkte (5) aus AlInP, GaInP und/oder AlGaInP aufgebaut sind und eine indirekte Bandlücke zeigen, und wobei in Richtung (4) des Schichtaufbaus jeweils mehrere Quantenpunkte (5) übereinander angeordnet und hierbei einzeln durch eine Zwischenlage (6) aus GaP und/oder Al/GaInP voneinander beabstandet sind. Weiter werden eine Leucht- und eine Laserdiode mit einem solchem Halbleitermaterial (1) angegeben. Mit dem angegebenen Halbleitermaterial (1) kann eine effiziente Lichtemission bis in den grünen Sprektralbereich hinein erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermaterial, umfassend eine Schichtstruktur mit einer ersten Materialschicht aus AlGaP, mit einer zweiten Materialschicht aus AlGaP und mit einer Vielzahl von zwischen den AlGaP-Materialschichten angeordneten Quantenpunkten. Die Erfindung betrifft weiter eine Leuchtdiode und eine Laserdiode mit einem derartigen Halbleitermaterial.
Ein Halbleitermaterial der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 103 47 292 A1 bekannt und bildet dort die Grundlage für im sichtbaren Spektralbereich Licht emittierende Halbleiterbauelemente, insbesondere in einem Spektralbereich zwischen Orange und Grün. Die Quantenpunkte bestehen dabei aus einem Halbleitermaterial mit einer so genannten direkten Bandlücke, die für optische Übergänge eine vergleichsweise hohe Effizienz aufweist, da kein Impuls ausgetauscht werden muss. Als Material für die Quantenpunkte wird ein Indium-Gallium-Phosphid, insbesondere reines Indium-Phosphid (InP) eingesetzt. Für die Materialschichten ist ein Aluminium-Gallium-Phosphid, insbesondere reines Gallium-Phosphid (GaP) offenbart.
Indium-Phosphid ist als ein III-V-Halbleiter mit direkter Bandlücke bekannt. In der DE 103 47 292 A1 sind für in GaP-Materialschichten eingebettete InP-Quantenpunkte Lichtemission bis in den grünen Spektralbereich beschrieben. Nachteiligerweise hat es sich jedoch inzwischen gezeigt, dass mit reinen InP-Quantenpunkten aufgrund der verhältnismäßig geringen Bandlücke effiziente Lichtausbeuten für Wellenlängen von deutlich unter 600 nm nicht erreichbar sind. Wird für die Quantenpunkte ein Indium-Gallium-Phosphid entsprechend der DE 103 47 292 A1 mit einem direkten Bandübergang verwendet, so vergrößert sich zwar die Bandlücke in gewünschter Art und Weise. Jedoch zeigen solche Materialien nach heutiger Erkenntnis eine effiziente Lichtemission nur in einem sehr begrenzten Wellenlängenbereich. Die Ursache hierfür wird aus der Beschreibung der hier vorliegenden Erfindung ersichtlich werden.
Aus der DE 10 347 292 A1 ist es weiter bekannt, das vorbeschriebene Halbleitermaterial zwischen eine n-dotierte und eine p-dotierte Halbleiterschicht anzuordnen. Durch Anlegen einer Spannung wird diese Anordnung als eine Leuchtdiode betrieben. Des Weiteren ist eine Ausgestaltung einer solchen Leuchtdiode als Laserdiode offenbart.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleitermaterial der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Lichtausbeute im gelben und grünen Spektralbereich gegenüber dem Stand der Technik verbessert wird. Weitere Aufgaben der Erfindung sind die Bereitstellung einer hinsichtlich der Effizienz der Lichtausbeute im gelben und grünen Spektralbereich verbesserten Leucht- und Laserdiode.
Im gelben und insbesondere im grünen Spektralbereich effizient Licht emittierende Leucht- und Laserdioden sind zum einen wegen der Bereitstellung einer Grundfarbe interessant. Beispielsweise können direkt im grünen Spektralbereich abstrahlende Laserdioden für Projektoren eingesetzt werden. Auch werden solche Leucht- und Laserdioden für medizinische und industrielle Anwendungen benötigt. Weiter sind grüne Leucht- oder Laserdioden für die Datenübertragung über Kunststofffasern von großem Interesse, da die maximale Transmission dieser Fasern im grünen Spektralbereich liegt.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleitermaterial der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die erste und die zweite Materialschicht ein Aluminium-Gallium-Phosphid (AlGaP) umfasst, dass die Quantenpunkte aus einem Aluminium-Indium-Phosphid (AlInP), aus einem Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und/oder aus einem Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) aufgebaut sind und eine indirekte Bandlücke aufweisen, wobei in Richtung des Schichtaufbaus jeweils mehrere Quantenpunkte übereinander angeordnet und hierbei einzeln durch eine Zwischenlage aus einem Gallium-Phosphid (GaP) und/oder aus einem Aluminum/Gallium-Indium-Phosphid (Al/GaInP) voneinander beabstandet sind.
Dabei bedeutet die Verwendung eines Schrägstrichs zwischen zwei Elementen, also beispielsweise Aluminum/Gallium bzw. Al/Ga, dass diese Elemente in beliebiger Mischung oder auch alleine, vorhanden sein können. Durch die Schreibweise Al/GaInP sind somit AlGaInP, AlInP und GaInP gleichermassen umfasst. Unter dem Begriff einer indirekten Bandlücke wird eine Bandlücke verstanden, wobei für einen optischen Übergang vom Leitungsband in das Valenzband ein Impuls ausgetauscht werden muss. Bildhaft gesprochen weist das „Loch” im Valenzband einen anderen Impuls auf als das Elektron im Leitungsband.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von Untersuchungen an III-V-Halbleitermaterialien der eingangs genannten Art aus, wobei die Quantenpunkte Indium-Phosphid (InP) umfassen, dem Aluminium-Phosphid (AlP) und/oder Gallium-Phosphid (GaP) beigemischt ist. Die Quantenpunkte sind in eine Gallium-Phosphid-Umgebung eingebettet. Obschon in der DE 103 47 292 A1 für das Materialsystem InGaP-Quantenpunkte in GaP beschrieben, zeigen derartige Halbleitermaterialien trotz der durch die Beimengung von AlP und/oder GaP vergrößerten Bandlücke eine gewünscht effiziente Lichtemission nur in einem äußerst begrenzten Wellenlängenbereich, insbesondere keine effiziente Abstrahlung im grünen Spektralbereich.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung dann von der Erkenntnis aus, dass die entsprechenden Materialien der Quantenpunkte abhängig vom Gehalt an Indium einen indirekten oder einen direkten Bandübergang zeigen. Dies liegt darin begründet, dass AlP und GaP indirekte Bandübergänge zeigen. Mit einer Verringerung des Indium-Gehalts verschiebt sich das direkte Γ-Leitungsband der Quantenpunkte zunächst allmählich über das indirekte X-Leitungsband des benachbarten GaP. Die Quantenpunkte selbst zeigen dann zwar nach wie vor einen direkten Bandübergang aus dem X-Leitungsband in das Valenzband. Die Elektronen werden sich jedoch an dem Punkt der geringsten Energie und damit im energetisch tiefer liegenden X-Band des umgebenden GaP aufhalten. Damit stehen die Elektronen nicht mehr für den direkten Übergang der Quantenpunkte zur Verfügung. Vielmehr muss ein indirekter Bandübergang zwischen dem X-Band des GaP und dem Valenzband stattfinden. Dadurch verringert sich jedoch die Ausbeute für den gewünschten direkten Bandübergang im Material der Quantenpunkte. Die Elektronen relaxieren indirekt aus dem X-Band des umgebenden GaP.
Dieser Effekt wird anschaulich ersichtlich aus den 1 und 2. In 1 ist eine berechnete Bandstruktur für reine InP-Quantenpunkte in einer Umgebung aus GaP im Ortsraum (z-Richtung) dargestellt. Ein Quantenpunkt ist dabei im Bereich von z = 0 angeordnet. Man erkennt als Leitungsbänder das X-Band sowie das Γ-Band. Zum tiefer gelegenen Valzenzband bildet das Γ-Band einen direkten und das X-Band einen indirekten Übergang. Mit „X” und „Γ” werden dabei nach allgemeiner Nomenklatur in der Brillouin-Zone, also im reziproken Gitter oder Impulsraum, Punkte hoher Symmetrie bezeichnet. Vorliegend weisen die Elektronen im X-Band einen anderen Impuls als die Löcher im Valenzband auf. Bei einem Übergang eines Elektrons aus dem X-Band in das Valenzband muss somit ein Gitterschwingungsquant, nämlich ein Phonon, ausgetauscht werden. Für einen optischen Übergang aus dem T-Band in das Valenzband muss kein Impuls ausgetauscht werden.
Aus 1 wird ersichtlich, dass im reinen InP-Quantenpunkt das Γ-Band energetisch tiefer als das X-Band liegt. Folglich zeigt das Material des Quantenpunkts einen direkten und somit hinsichtlich der Lichtemission effizienten Übergang. Das Γ-Band im Quantenpunkt liegt hierbei auch energetisch tiefer als das X-Band im umgebenden GaP.
In 2 sieht man beispielhaft die berechnete Bandstruktur von Al_0.15Ga_0.25In_0.6P-Quantenpunkten in GaP. Die Indizes bezeichnen dabei die auf 1 normierten Atomanteile der einzelnen Elemente in der Phosphid-Mischung. Die Quantenpunkte selbst haben nun zwar immer noch eine direkte Bandlücke (das Γ-Band liegt energetisch tiefer als das X-Band), jedoch befindet sich das Minimum des Leitungsbandes, in dem die Elektronen relaxieren, nun im umgebenden GaP. Der optische Übergang wird nun dort stattfinden und ist sowohl im Impulsraum (Übergang aus dem X-Punkt) als auch örtlich (Übergang aus dem X-Band) indirekt. Der Übergang findet „schräg”, im dargestellten Ortsraum also von einem Punkt auf der z-Skala zu einem anderen statt. Dieser Übergang ist somit nicht sehr effizient.
Die Verhältnisse gemäß 2 sind schon bei relativ geringen Konzentrationen von GaP und AlP gegeben, so dass der direkte und effiziente Übergang gemäß 1 theoretisch keine Wellenlängen unter etwa 620 nm erreichen kann.
In einem dritten Schritt geht die Erfindung schließlich anhand der gegebenen Bandstruktur von der überraschenden Überlegung aus, den eigentlich unerwünschten indirekten Übergang aus dem X-Band des umgebenden GaP für die gewünschte Lichtemission heranzuziehen und diesen Übergang dazu effizienter auszugestalten.
Die Erhöhung der Effizienz gelingt hierbei zunächst dadurch, dass in Richtung des Schichtaufbaus des Halbleitermaterials jeweils mehrere Quantenpunkte übereinander angeordnet werden und jeweils einzeln durch eine Zwischenlage aus GaP und/oder aus (Al/Ga)InP voneinander beabstandet sind. Bei einer Anordnung vieler Quantenpunkte übereinander, die nur durch sehr wenig GaP oder (Al/Ga)InP voneinander getrennt sind, überlappen durch den Quantencharakter der Ladungsträger, die in den Strukturen gebunden sind, deren Wellenfunktionen. Die diskreten Aufenthaltsbereiche der Ladungsträger der Quantenpunkte hybridisieren und man erreicht eine Kopplung aller übereinander angeordneten Quantenpunkte. Insbesondere führt dies zu einer Erhöhung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ladungsträger außerhalb des Quantenpunkts und damit insbesondere zu einer Erhöhung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ladungsträger zwischen den Quantenpunkten. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung der Wahrscheinlichkeit der im Orts- und im Impulsraum indirekten optischen Übergänge aus dem X-Band und damit zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz.
Eine weitere Steigerung der Übergangseffizienz für den indirekten Übergang wird dadurch erreicht, dass die Quantenpunkte aus den genannten III-V-Halbleitermaterialen AlInP, GaInP und/oder AlGaInP bewusst zwischen Materialschichten aus AlGaP angeordnet werden. Dadurch lässt sich nämlich eine Bandstruktur designen, bei denen der Übergang aus dem X-Leitungsband in das Valenzband zumindest örtlich direkt stattfindet, was wiederum eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des optischen Übergangs bedeutet.
Dieser letztgenannte Ansatz wird unter Zuhilfenahme von 3 ersichtlich. Dort ist die Bandstruktur von Al_0.5In₀ _. ₅P-Quantenpunkten in GaP dargestellt. Gegenüber 2 erkennt man nun, dass bei dieser Zusammensetzung der Quantenpunkt selbst zu einem indirekten Halbleiter geworden ist. Im Quantenpunkt liegt das Γ-Band nun energetisch oberhalb des X-Bands. Zugleich ist – grundsätzlich ungewollt – im Valenzband das Einschlusspotenzial der Löcher verschwunden. Das Valenzband zeigt anstelle einer Stufe nun eine Einsenkung. Das Valenzband in den Quantenpunkten liegt damit energetisch tiefer als in der Umgebung. Dies ist zunächst nicht wünschenswert, da es dem Prinzip eines Emitters auf Basis eines Quantenpunkts widerspricht. Dem Bänderschema gemäß 3 entsprechende Halbleitermaterialien würden eine sehr schlechte Effizienz im optischen Übergang des Quantenpunkts aufweisen.
Wird jedoch anstelle von GaP für die Umgebung der Quantenpunkte in den Halbleiterschichten AlGaP und/oder als Material verwendet, so gelingt es, das Valenzband der Quantenpunkte dem Valenzband der Umgebung energetisch anzugleichen. Mit anderen Worten wird die energetische Lage des Valenzbands ausgehend von 3 durch die Wahl von AlGaP abgesenkt und in etwa auf dieselbe Lage gebracht. Hierdurch wird es aber ermöglicht, den im Impulsraum indirekten Übergang aus dem X-Band in das Valenzband im Ortsraum direkt auszugestalten. In einem Diagramm entsprechend den 1 bis 3 findet ein solcher Übergang dann nicht mehr „schräg” sondern „gerade” statt. Die Effizienz ist hierdurch verbessert.
Durch den gewählten Ansatz einer Anordnung von vielen Quantenpunkten übereinander, deren Trennung durch wenig GaP voneinander, und deren Einbettung in umgebende Materialschichten aus AlGaP gelingt es, ein Halbleitermaterial zu schaffen, das entgegen der bisherigen Meinung der Fachwelt auf einem indirekten Übergang aus dem X-Band in das Valenzband aufbaut, dessen Effizienz jedoch durch die Kopplung der Wellenfunktionen der Ladungsträger in den Quantenpunkten und durch die Schaffung eines zumindest örtlich im Wesentlichen direkten Übergangs deutlich verbessert ist. Mit diesem Ansatz lässt sich auf Basis des Materialsystems InP, GaP, AlP und Mischungen hiervon erstmalig eine effiziente Lichtemission im gelben und grünen Spektralbereich bis zu Wellenlängen deutlich unterhalb von 600 nm erzielen.
Mit dem Ansatz von Quantenpunkten aus AlInP, GaInP und/oder AlGaInP, die selbst eine indirekte Bandlücke aufweisen, wird der bislang eingeschlagene Weg der Fachwelt verlassen, wobei für die Erzeugung einer effizienten Abstrahlung im gelben und grünen Spektralbereich ein Quantenpunkt-Aufbau mit direktem Bandübergang vorgeschlagen wird. Da AlP und GaP indirekte Halbleiter sind und InP einen direkten Bandübergang zeigt, gelingt die Ausgestaltung eines indirekten Übergangs im Material der Quantenpunkte durch eine entsprechende Absenkung des Indium-Gehalts. Dabei müssen bezüglich Aluminum und/oder Gallium wenigstens 20 Atomprozent an Indium enthalten sein, da sich sonst aufgrund der ähnlichen Gitterkonstanten auf der Unterlage keine Quantenpunkte mehr erzeugen lassen. Bei Absenkung des Indiumgehalts findet dabei der Übergang zwischen einem direkten und einem indirekten Halbleiter in AlInP schon bei höheren Indiumanteilen als in GaInP statt. Mit AlInP tritt in den Quantenpunkten ein indirekter Übergang schon ab einem Anteil an Aluminium von mehr als etwa 40 Atomprozent auf. In GaInP zeigen die Quantenpunkte einen indirekten Übergang ab einem Anteil an Gallium von etwa 60 Atomprozent.
Bevorzugt ist daher das Material der Quantenpunkte ein Al_1-xIn_xP, ein Ga_1-xIn_xP oder ein (Al/Ga)_1-vIn_vP, wobei x zwischen 0,2 und 0,6 und v jeweils größer 0 und kleiner 0,6 gewählt sind. Es hat sich gezeigt, dass Materialien dieser Zusammensetzung bei gleichzeitiger Anordnung vieler Quantenpunkte übereinander in der Lage sind, eine effiziente Lichtemission im gelben und grünen Sprektralbereich bis hinab zu Wellenlängen von 530 nm zu zeigen. Weiter bevorzugt ist das Material der Quantenpunkte ein Ga_1-xIn_xP, wobei x kleiner als 0,5 gewählt ist. Die gewählten Indizes x und v, im Folgenden auch u und w, bezeichnen die auf 1 normierten Atomprozent der entsprechenden Elemente in der Phosphid-Mischung.
Unter dem allgemein üblichen Begriff eines Quantenpunkts werden vorliegend nanoskalige Materialstrukturen zusammengefasst, wobei die Ladungsträger in ihrer Beweglichkeit so weit eingeschränkt sind, dass ihre Energie nur noch diskrete Werte annehmen kann. Zur Herstellung solcher Quantenpunkte sind grundsätzlich Epitaxie-Methoden bekannt. Demnach wird das Material der einzelnen Quantenpunkte auf einer geeigneten Unterlage beispielsweise durch eine Molekularstrahl-Epitaxie aufgebracht. Aufgrund Abweichungen in den Gitterkonstanten von Unterlage und aufgebrachtem Material, wie es vorliegend bei InP, AlInP, GaInP und AlGaInP auf AlGaP der Fall ist, kommt es zu Verspannungen, die zu einer Selbstorganisation des aufgebrachten Materials in Form von Quantenpunkten führen. Ab einer gewissen Schichtdicke bilden sich kleine Inseln, die eigentlichen Quantenstrukturen, aus. Neben der Molekularstrahl-Epitaxie ist auch die Aufbringung mittels Abscheidung aus der Gasphase (CVD, Chemical Vapor Deposition) bekannt. Auch eine rasterkraftmikroskopische Erzeugung von Quantenstrukturen ist grundsätzlich möglich.
Weiter hat es sich gezeigt, dass bei Wahl von Al/GaInP als Material der Zwischenlage eine verbesserte Kopplung der Wellenfunktionen der Ladungsträger in den Quantenpunkten auftritt. Auch hat die Beimischung von Indium durch die geänderte Gitterkonstante einen positiven Einfluss auf die Bildung der Quantenpunkte. Bevorzugt wird als Material der Zwischenlage ein (Al/Ga)_1-wIn_wP gewählt, wobei w kleiner als 0,1 ist. Der Gehalt an Indium ist demnach in der Zwischenlage mit weniger als 10 Atomprozent niedriger als in den Quantenpunkten, wo der Indiumgehalt wenigstens 20 Atomprozent beträgt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Material der ersten und zweiten Materialschicht ein Al_uGa_1-uP, wobei u zwischen 0,2 und 0,6 gewählt ist. Je nach Zusammensetzung des Materials für die Quantenpunkte selbst, gelingt durch diese Materialwahl die gewünschte Anpassung der energetischen Lage des Valenzbandes der Umgebung an die energetische Lage des Valenzbandes in den Quantenpunkten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Halbleitermaterials liegt die Anzahl der übereinander gehäuften Quantenpunkte zwischen 2 und 20. Eigene Untersuchungen haben hier gezeigt, dass sich mit dieser Anzahl die gewünschte Bandstruktur bei gleichzeitiger Kopplung der Wellenfunktionen zur gewünschten Steigerung der Effizienz des elektronischen Übergangs erreichen lässt. Bevorzugt sind mehr als 3 Quantenpunkte übereinander gehäuft.
Zur Herstellung werden die Quantenpunkte beispielsweise mittels Molekularstrahlepitaxie als eine erste Schicht selbstorganisierend auf die Materialschicht aus AlGaP aufgebracht. Auf der Materialschicht entstehen hierbei in lateraler Richtung sehr viele nebeneinander angeordnete molekulare Quantenpunkte. Anschließend wird eine Lage GaP und/oder Al/GaInP aufgebracht, bis die einzelnen Quantenpunkte entsprechend „dick” überdeckt sind. Dabei wird sich auch der laterale Zwischenraum der Quantenpunkte mit GaP füllen. Anschließend wird die nächste Schicht an Quantenpunkten erzeugt. Das Verfahren wird mehrfach wiederholt und abschließend die abschließende Materialschicht aus AlGaP aufgebracht. Dabei hat es sich gezeigt, dass in nachfolgenden Schichten erzeugte Quantenpunkte aufgrund der dünnen Zwischenlage tatsächlich „aufeinander” entstehen. Diese hat mit den Spannungsverhältnissen der Zwischenlage auf den darunter liegenden Quantenpunkten zu tun. Alternativ zu einer rein selbstorganisierenden Erzeugung der Quantenpunkte werden vorteilhafterweise durch an sich bekannte Ätzverfahren in der Materialschicht Einsenkungen bzw. Löcher erzeugt. In diesen oder auf diesen Löchern wachsen dann mit definierter Verteilung die Quantenpunkte. Hierdurch kann insofern gezielt eine laterale Verteilung der Quantenpunkte eingestellt werden. Dieses Herstellungsverfahen für Quantenpunkte auf einem Halbleiterwafer ist auch losgelöst von der hier beschriebenen Erfindung mit großen Vorteilen versehen.
Bevorzugt ist die Dicke der Zwischenlage zwischen den übereinander angeordneten Quantenpunkten im Bereich der De-Broglie Wellenlänge der Elektronen gewählt. Abhängig von den gewählten Materialien wird sich die effektive Masse der Elektronen und somit deren Materiewellenlänge unterscheiden. Wird die Dicke der Zwischenlage im Bereich der jeweiligen Materiewellenlänge der Elektronen gewählt, so ist hierdurch die gewünschte Kopplung der Wellenfunktionen der Ladungsträger der übereinander angeordneten Quantenpunkte erreicht.
Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der Zwischenlage zwischen den übereinander angeordneten Quantenpunkten mehr als 3 nm. Wird die Dicke kleiner als 3 nm gewählt, so kann zwischen den Quantenpunkten keine Bandstruktur des Umgebungsmaterials mehr erzielt werden, aus der der optische Übergang in das Valenzband erfolgen soll. Bevorzugt beträgt die Dicke der Zwischenlage zwischen den übereinander angeordneten Quantenpunkten weniger als 10 nm, so dass noch die Kopplung der Wellenfunktion benachbarter Quantenpunkte erzielt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Halbleitermaterials sind mehrere Stapel mit durch Zwischenlagen voneinander getrennten Lagen von Quantenpunkten übereinander angeordnet, wobei die einzelnen Stapel jeweils durch eine Abstandsschicht aus GaP und/oder Al/GaInP voneinander getrennt sind, wobei die Dicke der Abstandsschicht größer ist als die Dicke der Zwischenlage. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch die Effizienz des optischen Übergangs verbessert wird. Die Dicke der Abstandsschicht beträgt in einer vorteilhaften Ausgestaltung zwischen 10 und 20 nm.
Bevorzugt sind einzelne Stapel mit 5 bis 10 Quantenpunkten übereinander angeordnet. Die Anzahl der einzelnen durch Abstandsschichten jeweils getrennten Stapel liegt bevorzugt zwischen 5 bis 20.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Ausdehnung der Quantenpunkte parallel zu den Materialschichten, also lateral auf den Unterlagen, weniger als 40 nm und senkrecht dazu weniger als 20 nm. Damit wird für den gewünschten Übergang die geeignete Bandstruktur der Quantenpunkte erreicht.
Zur Erzeugung der Lichtemission ist die erste Materialschicht zweckmäßigerweise p-dotiert und die zweite Materialschicht n-dotiert. Durch diesen Aufbau wird ein p-n-Halbleiterübergang geschaffen. Werden die äußeren Materialschichten mit einer Spannungsquelle verbunden, so wird hierdurch die Lichtemission des Halbleitermaterials durch Elektronenübergang induziert.
In einer hierzu zweckmäßigen Ausgestaltung sind nicht die Materialschichten selbst dotiert, sondern es sind für einen Spannungsanschluss zwei weitere äußere Materialschichten aus AlGaP, GaP und/oder GaAsP (Gallium-Arsen-Phosphid) vorgesehen, die jeweils entsprechend dotiert sind.
Zu einer p-Dotierung sind vorteilhafterweise als Fremdatome Beryllium (Be), Kohlenstoff (C) oder Magnesium (Mg) eingebunden. Zu einer n-Dotierung sind bevorzugt Fremdatome aus Silizium (Si) in die Materialschichten eingebracht.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leuchtdiode mit einem Halbleitermaterial der vorbeschriebenen Art gelöst. Eine solche Leuchtdiode ist in der Lage, eine direkte Lichtabstrahlung geeigneter Effizienz mit Wellenlängen zwischen 530 und 590 nm zu erzeugen.
Die drittgenannte Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß durch eine Laserdiode gelöst, wobei die vorbezeichnete Leuchtdiode, ausgestattet mit dem erfindungsgemäßen Halbleitermaterial, zwischen einen Resonator eingebettet ist. Durch diese Einbettung kommt es hinsichtlich des Überganges zwischen dem Leitungs- und dem Valenzband zu einer stimulierten Emission, so dass kohärente Laserstrahlung generiert wird.
Die für das Halbleitermaterial genannten Vorteile lassen sich hierbei sinngemäß auf die Leucht- und auf die Laserdiode übertragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch eine Zeichnung mehr erläutert. Dabei zeigen:
1: die Bandstruktur eines InP-Quantenpunkts in einer GaP-Umgebung,
2: die Bandstruktur eines AlGaInP-Quantenpunkts in einer GaP-Umgebung,
3: die Bandstruktur eines AlInP-Quantenpunkts in einer GaP-Umgebung, wobei der Indium-Gehalt gegenüber 2 abgesenkt ist,
4: die Bandstruktur von zwei übereinander angeordneten AlGaInP-Quantenpunkten, getrennt durch GaP und eingebettet in eine AlGaP-Umgebung,
5: die Bandstruktur von zwei übereinander angeordneten GaInP-Quantenpunkten, getrennt durch GaP und eingebettet in eine AlGaP-Umgebung,
6: einen Vergleich der Lichtintensitäten eines Halbleitermaterials mit einer Schicht Quantenpunkten und mit 20-fach gestapelten Quantenpunkten,
7: einen Vergleich der Lichtintensitäten eines Halbleitermaterials mit einer Schicht aus Quantenpunkten in einer GaP-Umgebung und eines Halbleitermaterials mit 20-fach gestapelten Quantenpunkten eingebettet in eine AlGaP-Umgebung,
8: schematisch den Aufbau eines Halbleitermaterials mit 8-fach gestapelten Quantenpunkten und
9: schematisch den Aufbau eines Halbleitermaterials mit in durch Abstandsschichten getrennten einzelnen Stapeln von Quantenpunkten.
Die 1 bis 3 zeigen, wie bereits beschrieben, einen Vergleich der Bandstrukturen von in eine GaP-Umgebung eingebetteten Quantenpunkten. In 1 sind die energetischen Verhältnisse für einen Quantenpunkt aus reinem InP dargestellt. Das Material des Quantenpunkts in 2 ist ein Al_0.15Ga_0.25In_0.6P. Dem gegenüber ist in 3 als Material des Quantenpunkts ein Al_0.5In_0.5P gewählt, welches insofern einen niedrigeren Indium-Gehalt aufweist.
1 zeigt ein Halbleitermaterial mit einem gewünschten Bandübergang gemäß Stand der Technik. Der Quantenpunkt selbst zeigt einen direkten Bandübergang.
Im Bereich des Quantenpunkts ist das Γ-Band tiefer als das X-Band. Im Valenzband erscheint ein Einschlusspotenzial für die Löcher. Wird dem InP ein GaP oder ein AlP beigemischt, so verringert sich im Quantenpunkt der Abstand zwischen dem Γ-Band und dem X-Band. Gemäß 2 bleibt der Quantenpunkt selbst ein direkter Halbleiter. Allerdings liegt nun das Γ-Band im Quantenpunkt energetisch höher als das X-Band der GaP-Umgebung. Die Lichtemission insgesamt wird weniger effizient, da sich Elektronen im energetisch tieferen Bereich des benachbarten X-Bandes aufhalten. Von dort findet ein sowohl im Impuls- als auch im Ortsraum indirekter Übergang ins Valenzband statt. Das Einschlusspotenzial für die Löcher im Valenzband wird niedriger.
Das Material der Quantenpunkte gemäß 3 ist gegenüber 2 nun selbst zu einem indirekten Halbleiter geworden. Das Γ-Band liegt im Bereich des Quantenpunkts energetisch höher als das X-Band. Das Einschlusspotenzial der Löcher im Valenzband ist verschwunden.
Durch Übereinanderstapeln von vielen Quantenpunkten unter Zwischenlage von GaP gelingt es nun, die Wellenfunktionen der Ladungsträger zu koppeln, um ausgehend von 2 die Effizienz des indirekten Überganges aus dem X-Band der GaP-Umgebung in das Valenzband zu erhöhen. Durch Einbettung der gesamten Quantenpunkt-Struktur in Materialschichten aus AlGaP wird zudem das Valenzband der Umgebung energetisch an das Valenzband im Bereich der Quantenpunkte angeglichen. Hierdurch wird der im Impulsraum indirekte Bandübergang im Ortsraum direkt.
Eine solche Bandstruktur ist für zwei übereinandergestapelte Quantenpunkte in 4 dargestellt. Hierbei sind in Schichtrichtung z jeweils zwei Quantenpunkte übereinander angeordnet. Die Quantenpunkte bestehen hier aus Al_0.5In_0.5P.
Als Material der umgebenden Materialschichten ist Al_xGa_1-xP gewählt, wobei x einen Wert von 0,28 aufweist.
Man erkennt zunächst, dass durch die Wahl des Materials für die umgebenden Halbleiterschichten das Valenzband der Umgebung energetisch an das Valenzband der Quantenpunkte angeglichen ist. Gegenüber den 1 bis 3 ist das Valenzband der Umgebung energetisch abgesenkt. Die durch eine dünne Zwischenlage aus GaP getrennten. Quantenpunkte selbst zeigen jeweils einen indirekten Bandübergang. In den Quantenpunkten liegt das Γ-Band energetisch über dem X-Band. Durch das gewählte Design liegt jedoch das X-Band der die beiden Quantenpunkte in Stapelrichtung z trennenden GaP-Zwischenlage energetisch tiefer. Der durch die Kopplung der Quantenpunkte in der Effizienz verbesserte indirekte Übergang aus dem X-Band findet nun zwischen den Quantenpunkten örtlich direkt in das Valenzband statt. Hierdurch wird die Effizienz deutlich verbessert. Der hier dargestellte Übergang entspricht etwa einer Wellenlänge von 560 Nanometern.
In 5 ist die Bandstruktur für zwei übereinander gestapelte Quantenpunkte aus Ga_0.6In_0.4P, eingebettet in eine GaP-Umgebung gezeigt. Die Quantenpunkte sind durch eine Zwischenlage aus Al/GaInP mit einer Dicke von wenigen nm voneinander getrennt. Man erkennt auch hier die indirekte Bandlücke der Quantenpunkte. Der optische Übergang findet aus dem X-Band zwischen den Quantenpunkten statt.
In 6 ist das Ergebnis einer Photolumineszenzmessung von Al_0.07Ga_0.33In_0.6P-Quantenpunkten als einzelne Schicht und als 20-fach gestapelte Schicht in einer AlGaP-Umgebung dargestellt. Wie man leicht sieht, ist die Intensität der gekoppelten einzelnen Quantenpunkte des 20iger Stapels deutlich gegenüber einer Schicht aus einzelnen Quantenpunkten erhöht. Die übereinander gestapelten Quantenpunkte sind hierbei jeweils durch eine dünne Schicht aus GaP getrennt. Man erkennt mit einer Hauptlinie bei etwa 585 nm eine Emission bis hinab zu etwa 540 nm.
7 zeigt eine Vergleichsmessung der Intensitäten zwischen einer Schicht aus Ga_0.4In_0.6P-Quantenpunkten in einer GaP-Umgebung und 20 Schichten aus Al_0.5In_0.5P-Quantenpunkten in einer Al_0.28Ga_0.72P-Umgebung. Die Messung wurde hierbei bei einer Temperatur von 4 K durchgeführt. Man erkennt deutlich die erhöhte Intensität der übereinander gestapelten Quantenpunkte. Auch hier waren die Quantenpunkte in Schichtrichtung jeweils durch eine dünne Schicht aus GaP voneinander getrennt. Es wird deutlich die hohe Intensität der Lichtemission bis hinab zu etwa 550 nm erkennbar.
In 8 ist schematisch der Aufbau eines vorbeschriebenen Halbleitermaterials 1 dargestellt. Dieses zeigt einen Schichtaufbau mit einer ersten und einer zweiten Materialschicht 2 bzw. 3 aus AlGaP. Die Richtung 4 des Schicht- oder Stapelaufbaus ist mit z bezeichnet. Zwischen der ersten und der zweiten Materialschicht 2 bzw. 3 sind eine Anzahl von Quantenpunkten 5 angeordnet. Diese sind beispielsweise mittels Molekularstrahlepitaxie selbstorganisierend auf die jeweilige Unterlage aufgebracht. In Stapelrichtung z sind dabei jeweils acht Quantenpunkte (nicht alle sind dargestellt) übereinander angeordnet. In Stapelrichtung z sind die einzelnen Quantenpunkte 5 jeweils durch eine dünne Zwischenlage 6 aus GaP voneinander getrennt. Dies wird dadurch erreicht, dass nach Aufbringung der Quantenpunkte 5 eine dünne Lage aus GaP aufgebracht wird, die die bereits vorhandenen Quantenpunkte 5 überdeckt. Auch in lateraler Richtung werden die Zwischenräume hierbei durch GaP aufgefüllt.
Zur Ausgestaltung als Leucht- bzw. Laserdiode sind in Schichtrichtung z weiter eine dritte und eine vierte Materialschicht 8 bzw. 9, jeweils aus AlGaP, aufgebracht. Die Materialschicht 8 ist hierbei n-dotiert. Die Materialschicht 9 ist p-dotiert.
In 9 ist schematisch ein abgewandelter Aufbau des Halbleitermaterials 1 gemäß 8 dargestellt. Im Unterschied zu 8 sind zwischen den Materialschichten 2 und 3 aus AlGaP einzelne Stapel 10 mit einer Anzahl von Lagen 11 übereinander angeordneter Quantenpunkte 10 vorgesehen, die jeweils durch eine Abstandsschicht 12 voneinander getrennt sind. Die Zwischenlage 6 zwischen den Quantenpunkten 10 und die Abstandsschicht 12 bestehen jeweils aus Al/GaInP mit einem Indiumgehalt von weniger als 10 Atomprozent. Die Abstandsschicht 12 ist etwa 15 nm dick. Die Dicke der Zwischenlage 6 zwischen den Quantenpunkten 10 beträgt etwa 4 nm.
Bezugszeichenliste

1: Halbleitermaterial
2: erste Materialschicht
3: zweite Materialschicht
4: Richtung Schichtaufbau
5: Quantenpunkte
6: Zwischenlage
8: dritte Materialschicht
9: vierte Materialschicht
10: Stapel
11: Lage von Quantenpunkten
12: AbstandsschichtS

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10347292 A1 [0002, 0003, 0003, 0004, 0009]

Claims

Halbleitermaterial (1) umfassend eine Schichtstruktur mit einer ersten Materialschicht (2) aus AlGaP, mit einer zweiten Materialschicht (3) aus AlGaP und mit einer Vielzahl von zwischen den AlGaP-Materialschichten (2, 3) angeordneten Quantenpunkten (5), dadurch gekennzeichnet, dass die erste (2) und die zweite Materialschicht (3) AlGaP umfasst, dass die Quantenpunkte (5) aus AlInP, GaInP und/oder AlGaInP aufgebaut sind und eine indirekte Bandlücke aufweisen, und dass in Richtung (4) des Schichtaufbaus jeweils mehrere Quantenpunkte (5) übereinander angeordnet und hierbei einzeln durch eine Zwischenlage (6) aus GaP und/oder (Al/Ga)InP voneinander beabstandet sind.
Halbleitermaterial (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Quantenpunkte (5) ein Al_1-xIn_xP, ein Ga_1-xIn_xP oder ein (Al/Ga)_1-xIn_vP ist, wobei x zwischen 0,2 und 0,6 und v jeweils größer 0 und kleiner 0,6 gewählt sind.
Halbleitermaterial (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Quantenpunkte (5) ein Ga_1-xIn_xP ist, wobei x kleiner als 0,5 ist.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Zwischenlage ein (Al/Ga)_1-wIn_wP ist, wobei w kleiner als 0,1 gewählt ist.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten (2) und der zweiten Materialschicht (3) ein Al_uGa_1-uP ist, wobei u zwischen 0,2 und 0,6 gewählt ist.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der jeweils übereinander gehäuften Quantenpunkte (5) zwischen 2 und 20 liegt.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenlage (6) zwischen den übereinander angeordneten Quantenpunkten (5) im Bereich der De-Broglie Wellenlänge der Elektronen liegt.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenlage (6) zwischen den übereinander angeordneten Quantenpunkten (5) mehr als 3 nm beträgt.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenlage (6) zwischen den übereinander angeordneten Quantenpunkten (5) weniger als 10 nm beträgt.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stapel (10) mit durch Zwischenlagen (6) voneinander getrennten Lagen (11) von Quantenpunkten (5) übereinander angeordnet sind, wobei die einzelnen Stapel (10) jeweils durch eine Abstandschicht (12) aus GaP und/oder Al/GaInP voneinander getrennt sind, wobei die Dicke der Abstandsschicht (12) größer ist als die Dicke der Zwischenlage (6).
Halbleitermaterial (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Abstandsschicht (12) zwischen 10 und 20 nm beträgt.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Quantenpunkte (5) parallel zu den Materialschichten (2,3) weniger als 40 nm und senkrecht dazu weniger als 20 nm beträgt.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (2) p-dotiert und die zweite Materialschicht (3) n-dotiert ist.
Halbleitermaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Spannungsanschluss eine p-dotierte dritte und eine n-dotierte vierte Materialschicht (8, 9) aus AlGaP, GaP und/oder GaAsP vorgesehen sind.
Halbleitermaterial (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur p-Dotierung als Fremdatome Be, C oder Mg, und zur n-Dotierung als Fremdatome Si in die Materialschichten (2, 3, 8, 9) eingebunden sind.
Leuchtdiode mit einem Halbleitermaterial (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15.
Leuchtdiode nach Anspruch 16, mit einer direkten Lichtabstrahlung einer Wellenlänge zwischen 515 und 590 nm.
Laserdiode mit einer Leuchtdiode gemäß Anspruch 16 oder 17, die in einen Resonator eingebettet ist.