DE102011115312A1

DE102011115312A1 - Halbleiterschichtenfolge, optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge

Info

Publication number: DE102011115312A1
Application number: DE102011115312A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tångring; Martin Rudolf Behringer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: US20140326948A1; DE102011115312B4; CN103875141A; WO2013045178A1; US9331238B2; TW201320394A; TWI514619B; CN103875141B

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge (1) für einen optoelektronischen Halbleiterchip (10) vorgesehen. Die Halbleiterschichtenfolge (1) beinhaltet mindestens drei Quantentöpfe (2), die zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet sind. Weiterhin umfasst die Halbleiterschichtenfolge (1) mehrere Barriereschichten (3), von denen jeweils mindestens eine zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen (2) angeordnet ist. Die Quantentöpfe (2) weisen einen ersten mittleren Indiumgehalt und die Barriereschichten (3) einen zweiten, kleineren mittleren Indiumgehalt auf. Eine zweite mittlere Gitterkonstante der Barriereschichten (3) ist dabei kleiner als eine erste mittlere Gitterkonstante der Quantentöpfe (2).

Description

Es wird eine Halbleiterschichtenfolge angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiterschichtenfolge sowie ein optoelektronischer Halbleiterchip, aufweisend eine derartige Halbleiterschichtenfolge, angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Halbleiterschichtenfolge sowie einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einer solchen Halbleiterschichtenfolge anzugeben, wobei die Halbleiterschichtenfolge eine hohe Emissionswellenlängenstabilität bezüglich Temperaturänderungen aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge ist diese für einen optoelektronischen Halbleiterchip vorgesehen. Die Halbleiterschichtenfolge ist dann bevorzugt dazu eingerichtet, in einer Fotodiode, einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode eingesetzt zu werden.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge umfasst diese mindestens einen, besonders bevorzugt mindestens drei Quantentöpfe. Die Quantentöpfe sind zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Die Bezeichnung Quantentopf entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Strukturen mit einer Quantisierung in ein, zwei oder drei Raumrichtungen und jede Kombination dieser Strukturen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge sind die mindestens drei Quantentöpfe entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge übereinander angeordnet. Mit anderen Worten ist jeder der Quantentöpfe in einer Schicht angeordnet oder eine Schicht ist durch die Quantentöpfe gebildet, wobei diese Schichten senkrecht zur Wachstumsrichtung orientiert sind und entlang der Wachstumsrichtung aufeinander folgen. Zwischen benachbarten Quantentöpfen oder durch die Quantentöpfe gebildete Schichten liegen bevorzugt weitere Schichten der Halbleiterschichtenfolge, so dass die Quantentöpfe oder die durch sie gebildeten Schichten nicht unmittelbar aufeinander folgen. Im Folgenden werden die Begriffe Quantentöpfe und die Schicht, die durch die Quantentöpfe gebildet ist, synonym verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge umfasst diese mehrere Barriereschichten. Zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen befindet sich jeweils mindestens eine der Barriereschichten. Es ist möglich, dass sich zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen jeweils genau eine der Barriereschichten befindet und dass die Barriereschichten je unmittelbar an einen oder an zwei der benachbarten Quantentöpfe angrenzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge weisen die Quantentöpfe einen ersten mittleren Indiumgehalt auf und die Barriereschichten weisen einen zweiten mittleren Indiumgehalt auf. Mittlerer Indiumgehalt kann bedeuten, dass der Indiumgehalt über die entsprechende Barriereschicht oder den entsprechenden Quantentopf gemittelt ist, oder auch dass der Indiumgehalt über alle Quantentöpfe und/oder über alle Barriereschichten gemittelt ist, oder dass der Indiumgehalt über alle gleich geformten Quantentöpfe und/oder Barriereschichten gemittelt ist. Der erste mittlere Indiumgehalt der Quantentöpfe ist hierbei größer als der zweite mittlere Indiumgehalt der Barriereschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge weisen die Barriereschichten eine zweite mittlere Gitterkonstante auf und die Quantentöpfe eine erste mittlere Gitterkonstante. Für die Mittelung der Gitterkonstanten gilt bevorzugt dasselbe wie für die Mittelung über den Indiumgehalt, wie oben beschrieben. Die erste mittlere Gitterkonstante der Quantentöpfe ist hierbei größer als die zweite mittlere Gitterkonstante der Barriereschichten. Mit anderen Worten ist eine Verspannung zwischen den Quantentöpfen und den Barriereschichten eingestellt.
In mindestens einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge für einen optoelektronischen Halbleiterchip vorgesehen. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet mindestens drei Quantentöpfe, die zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet sind und die entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge übereinander angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Halbleiterschichtenfolge mehrere Barriereschichten, von denen jeweils mindestens eine zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen angeordnet ist. Die Quantentöpfe weisen einen ersten mittleren Indiumgehalt und die Barriereschichten einen zweiten, kleineren mittleren Indiumgehalt auf. Eine zweite mittlere Gitterkonstante der Barriereschichten ist dabei kleiner als eine erste mittlere Gitterkonstante der Quantentöpfe.
Eine Wellenlänge einer von einer beispielsweise Leuchtdiode emittierten Strahlung ändert sich mit einer Temperaturänderung der Leuchtdiode. Beispielsweise im Spektralbereich um 615 nm beträgt diese Änderung in etwa 0,1 nm/K. Werden Leuchtdioden unterschiedlicher Farben in Kombination miteinander eingesetzt, so kann sich bei Temperaturänderungen eine von den Leuchtdioden erzeugte Mischfarbe ändern. Dies ist in vielen Anwendungen unerwünscht.
Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, Temperaturänderungen der Leuchtdioden zu vermeiden, beispielsweise durch ein vergleichsweise aufwändiges Kühlen oder Heizen der Leuchtdioden. Hierzu können Sensoren und/oder Regelkreise für die Temperatur der Leuchtdiode und/oder für eine von der Leuchtdiode emittierte Farbe oder Mischfarbe zum Einsatz kommen.
Durch ein gezieltes Einstellen von Verspannungen zwischen den Quantentöpfen und den Barriereschichten ist die Wellenlängenänderung bei Temperaturänderungen reduzierbar. Diese Verspannungen werden erreicht insbesondere durch unterschiedliche Indiumgehalte der Quantentöpfe und der Barriereschichten. Mit den unterschiedlichen Indiumgehalten sind verschiedene Gitterkonstanten verbunden.
Insbesondere bei unverspanntem InGaAlP sind die durch die Barriereschichten verursachten Barrieren für Löcher relativ gesehen deutlich höher als für die Elektronen. Ebenso sind die Ladungsträger, also die Elektronen und die Löcher, ungleichmäßig verteilt. Mit steigender Temperatur verbessert sich diese Verteilung, wird also gleichmäßiger, was allerdings auch zu einer größeren Emissionswellenlänge, verbunden mit einer niedrigeren Rekombinationsenergie, führt.
Hierdurch wird eine größere Wellenlängenänderung bei Temperaturänderung hervorgerufen, als durch das Kristallgitter des Halbleitermaterials an sich gegeben. Ein Wachsen einer unverspannten Halbleiterschichtenfolge ist in der Regel einfacher als das Wachsen einer verspannten Halbleiterschichtenfolge. Durch das in der Regel kompliziertere Wachsen der verspannten Halbleiterschichtenfolge ist jedoch eine Reduzierung der Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge der Halbleiterschichtenfolge erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge basiert diese auf (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP. Hierbei gilt 0 ≤ x ≤ 1.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge gilt für die Quantentöpfe: 0,51 ≤ y ≤ 0,7 oder 0,53 ≤ y ≤ 0,6.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge gilt für die Barriereschichten der folgende Zusammenhang: 0,3 ≤ y ≤ 0,49 oder 0,4 ≤ y ≤ 0,47.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge unterscheidet sich der mittlere Indiumgehalt der Barriereschichten von dem mittleren Indiumgehalt der Quantentöpfe um mindestens 5 Prozentpunkte oder um mindestens 10 Prozentpunkte oder um mindestens 15 Prozentpunkte. Mit anderen Worten gilt dann: Δy ≥ 0,05 oder Δy ≥ 0,10 oder Δy ≥ 0,15, wobei Δy = Y_{Quantentöpfe} – y_{Barriereschichten}
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge gilt für die gesamte Halbleiterschichtenfolge und/oder für die Barriereschichten und/oder für die Quantentöpfe: 0,45 ≤ x ≤ 0,85 oder 0,50 ≤ x ≤ 0,80. Für die Quantentöpfe kann insbesondere gelten: 0 ≤ x ≤ 0,4, und für die Barriereschichten kann gelten: 0,4 ≤ x ≤ 1.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge weisen die Barriereschichten jeweils eine Dicke D3 und die Quantentöpfe jeweils eine Dicke D2 auf. Es ist möglich, dass alle Barriereschichten die gleiche Dicke D3 und alle Quantentöpfe die gleiche Dicke D2 aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass Gruppen von Barriereschichten und/oder Gruppen von Quantentöpfen jeweils die gleichen Dicken D2 und D3 aufweisen oder dass die Quantentöpfe und/oder die Barriereschichten paarweise voneinander verschiedene Dicken aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge gilt für die Dicke D3 einer der Barriereschichten hinsichtlich der Dicke D2 des zugehörigen, benachbarten Quantentopfes: 0,25 oder 0,75 oder 0,9 oder 1,0 oder 1,1 ist kleiner oder gleich D3/D2, und alternativ oder zusätzlich 10,0 oder 7,5 oder 2,0 oder 1,5 ist größer oder gleich D3/D2, insbesondere 1,0 ≤ D3/D2 ≤ 2,0. Mit anderen Worten sind die Barriereschichten bevorzugt ungefähr gleich dick oder dicker als die jeweils zugehörigen, benachbarten Quantentöpfe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge weist diese mindestens zwei Quantentöpfe auf, die dazu eingerichtet sind, bei voneinander verschiedenen Wellenlängen elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Die Halbleiterschichtenfolge weist beispielsweise mindestens zwei Gruppen von Quantentöpfen auf, wobei jede der Gruppen Quantentöpfe umfasst, die zur Erzeugung einer bestimmten Wellenlänge eingerichtet sind. Mit anderen Worten ist jede der Gruppen dazu vorgesehen, Strahlung einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen. Alternativ ist es möglich, dass die Quantentöpfe entlang der Wachstumsrichtung hinsichtlich ihrer Emissionswellenlänge einen kontinuierlichen oder nahezu kontinuierlichen Verlauf aufweisen.
Der Begriff Wellenlänge meint hierbei insbesondere diejenige Wellenlänge in einem Emissionsspektrum der Quantentöpfe, bei der eine maximale Strahlungsleistung emittiert wird, englisch auch als Peak Wavelength bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge emittieren die Quantentöpfe einer ersten Gruppe bei der ersten Wellenlänge λ1 und die Quantentöpfe einer zweiten Gruppe bei der zweiten Wellenlänge λ2. Hierbei gilt bevorzugt, dass λ1 < λ2 ist. Ferner gilt bevorzugt, dass die Differenz λ2 – λ1 ≥ 2 nm oder ≥ 3 nm ist. Ferner ist die Differenz λ2 – λ1 bevorzugt ≤ 15 nm oder ≤ 10 nm oder ≤ 8 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge weist die erste Gruppe eine größere Anzahl von Quantentöpfen auf als die zweite Gruppe. Es ist zudem möglich, dass die erste Gruppe von Quantentöpfen im bestimmungsgemäßen Betrieb der Halbleiterschichtenfolge eine gröbere Strahlungsleistung emittiert als die zweite Gruppe. Abweichend hiervon ist es auch möglich, dass die zweite Gruppe eine größere Strahlungsleistung emittiert oder dass beide Gruppen näherungsweise die gleiche Strahlungsleistung emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge sind die Gruppen von Quantentöpfen entlang der Wachstumsrichtung aufeinander folgend angeordnet. Die Quantentöpfe der verschiedenen Gruppen sind mit anderen Worten nicht durchmischt. Zwischen Quantentöpfen einer der Gruppen befindet sich dann kein Quantentopf einer anderen Gruppe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge befindet sich die erste Gruppe näher an einer n-Seite der Halbleiterschichtenfolge als die zweite Gruppe. Die n-Seite ist hierbei diejenige Seite der Halbleiterschichtenfolge, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch mit einer Kathode verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge sind die Barriereschichten und/oder die Quantentöpfe innerhalb einer Gruppe im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich ausgebildet. Es sind also dann innerhalb einer Gruppe keine gezielt voneinander verschiedenen Barriereschichten und/oder voneinander verschiedenen Quantentöpfe erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge weist diese mindestens zwei Barriereschichten auf, die voneinander verschiedene Dicken und/oder voneinander verschiedene Materialzusammensetzungen haben. Von diesen Barriereschichten befindet sich je eine zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen. Durch unterschiedlich ausgebildete Barriereschichten zwischen den Quantentöpfen ist eine Emissionswellenlänge der Quantentöpfe einstellbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge weisen die Barriereschichten, die sich näher an der n-Seite befinden, eine größere Barrierenhöhe auf als die Barriereschichten an einer p-Seite, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Halbleiterschichtenfolge zur elektrischen Kontaktierung mit einer Anode vorgesehen ist. Eine Abnahme der Barrierenhöhe von der n-Seite hin zur p-Seite kann stufenförmig oder kontinuierlich erfolgen. Durch eine derart ansteigende Barrierenhöhe ist es möglich, dass Quantentöpfe nahe der n-Seite erst bei einer höheren Temperatur, zum Beispiel nach oder während einem Aufheizen der Halbleiterschichtenfolge nach Inbetriebnahme, von Löchern gefüllt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge wächst entlang der Wachstumsrichtung und in Richtung weg von der n-Seite ein Quotient E_B/λ monoton an. E_B ist hierbei die Barrierenhöhe der jeweiligen Barriereschicht und λ ist die Wellenlänge, zu deren Emission der zu der benachbarten Barriereschicht jeweils zugehörige Quantentopf eingerichtet ist. Mit anderen Worten bezieht sich der Quotient E_B/λ auf Paare von Barriereschichten und zugehörigen Quantentöpfen. Ein Wert dieses aus den Paaren aus Barriereschicht und benachbartem Quantentopf ermittelten Produkts wird also in Richtung weg von der n-Seite größer oder bleibt abschnittsweise gleich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Gebrauch eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren, wobei eine Wellenlänge dieser Strahlung bei mindestens 550 nm oder mindestens 595 nm oder mindestens 600 nm liegt und/oder die Wellenlänge bei höchstens 1100 nm oder bei höchstens 700 nm oder bei höchstens 625 nm oder bei höchstens 620 nm liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterschichtenfolge sind die Quantentöpfe kompressiv verspannt. Dies führt zu einer Veränderung der Bandstruktur vor allen Dingen im Leitungsband und zu einem größeren Bandoffset im Leitungsband. Die Transporteigenschaften der Ladungsträger, also der Löcher und der Elektronen, gleichen sich dabei zum Teil aus.
Es wird darüber hinaus ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben. Der Halbleiterchip weist eine Halbleiterschichtenfolge auf, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale der Halbleiterschichtenfolge sind daher auch für den Halbleiterchip offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge auf, wie in Verbindung mit den oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Ferner beinhaltet der Halbleiterchip ein Substrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist. Bei dem Substrat kann es sich um ein Aufwachssubstrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch erzeugt ist, oder um ein Trägersubstrat, das von dem Aufwachssubstrat verschieden ist, handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips ist die zweite mittlere Gitterkonstante der Barriereschichten kleiner als eine mittlere Substratgitterkonstante des Substrats. Ferner ist die mittlere Gitterkonstante der Quantentöpfe größer als die Substratgitterkonstante. Mit anderen Worten liegt die Substratgitterkonstante zwischen der ersten Gitterkonstante der Quantentöpfe und der zweiten Gitterkonstante der Barriereschichten.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge angegeben. Mit dem Verfahren ist eine Halbleiterschichtenfolge herstellbar, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale der Halbleiterschichtenfolge und des Halbleiterchips sind daher auch für das hier beschriebene Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform weist das Verfahren mindestens die folgenden Schritte auf:

– Bereitstellen eines Aufwachssubstrates,
– epitaktisches, abwechselndes Aufwachsen von mindestens drei Quantentöpfen und von mehreren Barriereschichten, wobei die Quantentöpfe zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehen sind und zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen mindestens eine der Barriereschichten gewachsen wird.

Hierbei weisen die Quantentöpfe einen ersten mittleren Indiumgehalt und die Barriereschichten einen zweiten, kleineren mittleren Indiumgehalt auf. Die Barriereschichten zeigen eine zweite mittlere Gitterkonstante auf, die kleiner ist als eine Substratgitterkonstante des Aufwachssubstrats, wobei die Quantentöpfe eine erste mittlere Gitterkonstante aufweisen, die größer ist als die Substratgitterkonstante.
Die Halbleiterschichtenfolge kann unmittelbar auf dem Aufwachssubstrat gewachsen werden. Alternativ ist es möglich, dass auf dem Aufwachssubstrat eine Zwischenschicht, etwa eine Pufferschicht, angebracht ist und dass eine Gitterkonstante der Pufferschicht zwischen den Gitterkonstanten der Quantentöpfe und der Barriereschichten liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem Aufwachssubstrat um ein GaAs-Substrat oder um ein GaP-Substrat.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 und 2 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolgen und Halbleiterchips, und
3 und 4 schematische Darstellungen eines Wellenlängengangs mit der Wachstumsrichtung oder mit der Temperatur von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolgen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 10 mit einer Halbleiterschichtenfolge 1 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Die Halbleiterschichtenfolge 1 ist auf einem Substrat 5 aufgebracht. Beispielsweise ist die Halbleiterschichtenfolge 1 epitaktisch auf dem Substrat 5 aufgewachsen, wobei das Substrat 5 dann ein Aufwachssubstrat ist. Eine Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 1 weist in eine Richtung weg von dem Substrat 5. Alternativ kann es sich bei dem Substrat 5 um ein Trägersubstrat handeln, das erst nach dem Wachsen der Halbleiterschichtenfolge 1 an dieser angebracht ist. Eine n-Seite n der Halbleiterschichtenfolge 1 ist dem Substrat 5 zugewandt, eine p-Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 ist dem Substrat 5 abgewandt. Die n-Seite n und die p-Seite p können alternativ auch miteinander vertauscht sein.
Die Halbleiterschichtenfolge 1 weist mehrere Quantentöpfe 2 sowie mehrere Barriereschichten 3 auf. Zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen 2 befindet sich jeweils mindestens eine der Barriereschichten 3. Die Barriereschichten 3 sowie die Quantentöpfe 2 folgen entlang der Wachstumsrichtung G abwechselnd aufeinander. Alle Quantentöpfe 2 sowie alle Barriereschichten 3 können im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich ausgebildet sein. Die Barriereschichten 3 weisen eine Dicke D3 auf. Die Quantentöpfe 2 haben eine Dicke D2. Die Dicke D3 der Barriereschichten 3 ist bevorzugt größer oder auch ungefähr gleich der Dicke D2 der Quantentöpfe. Die Dicke D2 der Quantentöpfe 2 liegt, wie in allen anderen Ausführungsbeispielen auch, bevorzugt zwischen einschließlich 5 nm und 7 nm oder zwischen einschließlich 3 nm und 9 nm.
Optional weist die Halbleiterschichtenfolge 1 eine Zwischenschicht 4 auf, die sich an der n-Seite n befindet. Bei der Zwischenschicht 4 handelt es sich beispielsweise um eine Pufferschicht und/oder um eine Stromaufweitungsschicht. Ferner kann die Halbleiterschichtenfolge 1 optional eine Deckschicht 6 beinhalten. Beispielsweise ist die Deckschicht 6 eine Stromaufweitungsschicht und/oder eine Mantelschicht. Die Deckschicht 6 sowie die Zwischenschicht 4 können jeweils aus mehreren einzelnen Schichten zusammengesetzt sein.
Ein Indiumgehalt der Barriereschichten 3 ist kleiner als ein Indiumgehalt der Quantentöpfe 2. Hierdurch weisen die Barriereschichten 3 sowie die Quantentöpfe 2 voneinander verschiedene Gitterkonstanten auf, insbesondere entlang lateraler Richtungen senkrecht zur Wachstumsrichtung G. Daher sind die Barriereschichten 3 und die Quantentöpfe 2 gegeneinander verspannt.
Durch diese Verspannung ist eine Temperaturabhängigkeit einer von der Halbleiterschichtenfolge 1 im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung verringert, im Vergleich zu unverspannten Quantentopfstrukturen. Durch die Verspannung der Quantentöpfe ist eine Beweglichkeit der Löcher erhöht. Hierdurch wird, bei niedrigen Temperaturen, der sich am nächsten an der p-Seite befindliche Quantentopf vergleichweise gering mit Löchern gefüllt. Da sich mit zunehmender Temperatur die Löcher gleichmäßiger verteilen, ändert sich die emittierte Wellenlänge daher weniger als bei unverspannten Quantentopfstrukturen.
Die Halbleiterschichtenfolge 1 weist, wie in allen anderen Ausführungsbeispielen auch, bevorzugt mindestens drei oder mindestens fünf oder mindestens zehn Quantentöpfe 2 auf. Weiterhin bevorzugt weist die Halbleiterschichtenfolge 1 höchstens insgesamt 50 oder höchstens 100 oder höchstens 200 Quantentöpfe 2 auf.
Eine Materialzusammensetzung der Barriereschichten 3 bevorzugt so angepasst, dass eine Barrierenenergie E_B relativ zu einer Emissionsenergie des benachbarten Quantentopfs 2 konstant bleibt oder höher wird, entlang der Wachstumsrichtung G.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips 1 mit der Halbleiterschichtenfolge 1 dargestellt. Die Halbleiterschichtenfolge 1 weist eine Vielzahl von Quantentöpfen 2a, 2b auf. Die gleich aufgebauten Quantentöpfe 2a sind in einer ersten Gruppe angeordnet und die zueinander gleich aufgebauten Quantentöpfe 2b sind zu einer zweiten Gruppe zusammengefasste. Die erste Gruppe weist bevorzugt mehr Quantentöpfe 2a auf als die zweite Gruppe Quantentöpfe 2b umfasst. Die zweite Gruppe folgt entlang der Wachstumsrichtung G auf die erste Gruppe. Die Barriereschichten 3a, 3b der beiden Gruppen können jeweils innerhalb der Gruppen ebenfalls gleich aufgebaut sein, hinsichtlich Dicke und Materialzusammensetzung.
Die Quantentöpfe 2a sind dazu eingerichtet, bei einer kleineren Wellenlänge im Betrieb des Halbleiterchips 10 Strahlung zu emittieren als die Quantentöpfe 2b der zweiten Gruppe. Ein Wellenlängenunterschied zwischen Emissionswellenlängen der beiden Gruppen liegt beispielsweise zwischen einschließlich 3 nm und 6 nm.
Es ist möglich, dass die Barriereschichten 3a der ersten Gruppe anders aufgebaut sind als die Barriereschichten 3b der zweiten Gruppe. Alternativ können alle Barriereschichten 3a, 3b gleich geformt sein. Weiterhin alternativ ist es möglich, dass sich die Quantentöpfe 2a, 2b der beiden Gruppen in ihrem Aufbau nicht voneinander unterscheiden, sondern dass eine Verschiebung der Emissionswellenlängen der beiden Gruppen dadurch erzielt ist, dass die Barriereschichten 3a, 3b der Gruppen verschieden voneinander aufgebaut sind.
Die Halbleiterschichtenfolge 1 basiert insbesondere auf AlGaInP. Bei dem Substrat 5 kann es sich um ein GaAs-Substrat handeln. Die Barriereschichten 3 können sich hinsichtlich ihrer Dicken als auch ihrer Anteile am Ga, Al sowie In voneinander unterscheiden. Innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 1 variiert ein In-Gehalt der Quantentöpfe 2 bevorzugt um höchstens 5 Prozentpunkte, insbesondere um höchstens 2,5 Prozentpunkte. Mit anderen Worten liegt der In-Gehalt aller Quantentöpfe 2 dann bei einen mittleren In-Gehalt der Quantentöpfe 2 mit einer Toleranz von ±2,5 Prozentpunkte oder ±1,25 Prozentpunkte.
Mit steigender Temperatur des Halbleiterchips 10 erhöht sich ein Anteil von Löchern an der n-Seite n. Hierdurch findet ein höherer Anteil einer Ladungsträgerrekombination an der n-Seite n statt. Dies führt zu einer kürzeren Emissionswellenlänge der Halbleiterschichtenfolge 1. Hierdurch ist, zusätzlich zur Verspannung zwischen den Quantentöpfen 2a, 2b und den Barriereschichten 3a, 3b, eine insgesamt kleinere Verschiebung der Wellenlänge bei Temperaturänderungen erzielbar.
Durch die verspannten insbesondere auf InGaAlP-basierenden Quantentöpfe 2a, 2b und die gegenverspannten InGaAlP-Barriereschichten 3a, 3b wird eine Beweglichkeit der Elektronen geringer, Löcher zeigen eine größere Beweglichkeit auf. Bei unverspannten Quantentopfstrukturen hingegen bleiben die Löcher dagegen fast komplett auf der p-Seite. Daher muss eine Halbleiterstruktur mit unverspannten Quantentöpfen und/oder Barriereschichten dann Barriereschichten mit kleineren Bandlücken oder eine geringere Anzahl von Quantentöpfen aufweisen, um eine gleichmäßige Verteilung der Löcher zu erzielen.
In 3 sind schematische Verläufe einer Emissionswellenlänge λ der Halbleiterschichtenfolge 1 gegenüber der Wachstumsrichtung G dargestellt. Gemäß 3A weist die Emissionswellenlänge λ bezüglich der Wachstumsrichtung G einen stufenförmigen Verlauf auf. Ein derartiger Wellenlängenverlauf ist mit einer Halbleiterschichtenfolge 1 beispielsweise gemäß 2 erzielbar. Anders als in den 2 und 3A dargestellt können auch mehr als zwei Stufen im Wellenlängenverlauf ausgebildet sein und die Halbleiterschichtenfolge 1 dann mehr als zwei Gruppen von Quantentöpfen 2a, 2b aufweisen.
In 3B ist dargestellt, dass die Emissionswellenlänge λ sich linear entlang der Wachstumsrichtung G ändert. Linear schließt hierbei nicht aus, dass der Verlauf nur näherungsweise linear ist und mit vielen kleinen Stufen verläuft, wobei ein Sprung bezüglich der Wellenlänge λ zwischen benachbarten Stufen dann bevorzugt kleiner als 0,5 nm ist. Ein solcher näherungsweise linearer Verlauf ist in 3B als Strich-Linie gezeichnet.
In 4 ist schematisch eine Änderung Δλ der Emissionswellenlänge in Nanometer gegenüber einer Temperatur T in Grad Celsius gezeigt. Die Emissionswellenlänge bezeichnet hierbei eine Centroid-Wellenlänge oder Schwerpunktwellenlänge. Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterbauteilen, siehe die Strich-Linien in 4, ist ein Verlauf der Wellenlängenabhängigkeit bei einer Halbleiterschichtenfolge 1, beispielsweise wie in 1 illustriert, flacher. In 4 ist der Verlauf der Wellenlänge des Ausführungsbeispiels als durchgezogene Linie dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Halbleiterschichtenfolge (1) für einen optoelektronischen Halbleiterchip (10) mit – mindestens drei Quantentöpfen (2), die zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet sind und die entlang einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (1) übereinander angeordnet sind, – mehreren Barriereschichten (3), von denen jeweils mindestens eine zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen (2) angeordnet ist, wobei – die Quantentöpfe (2) einen ersten mittleren Indiumgehalt und die Barriereschichten einen zweiten, kleineren mittleren Indiumgehalt aufweisen, und – eine zweite mittlere Gitterkonstante der Barriereschichten (3) kleiner ist als eine erste mittlere Gitterkonstante der Quantentöpfe (2).
Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, die auf (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP basiert mit 0 ≤ x ≤ 1, wobei für die Quantentöpfe (2) gilt: 0,51 ≤ y ≤ 0,7, und für die Barriereschichten (3) gilt: 0,3 ≤ y ≤ 0,49.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem für die Quantentöpfe gilt: 0,53 ≤ y ≤ 0,6, und für die Barriereschichten (3) gilt: 0,4 ≤ y ≤ 0,47.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für eine Dicke D3 einer der Barriereschichten (3) hinsichtlich einer Dicke D2 des zugehörigen Quantentopfes (2) gilt: 0,75 ≤ D3/D2 ≤ 7,5.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens zwei der Quantentöpfe (2) dazu eingerichtet sind, bei voneinander verschiedenen Wellenlängen (λ) Strahlung zu emittieren.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, die mehrere Quantentöpfe (2a) einer ersten Gruppe aufweist, die dazu eingerichtet sind, bei einer ersten Wellenlänge λ1 zu emittieren, und die ferner mehrere Quantentöpfe (2b) einer zweiten Gruppe aufweist, die dazu eingerichtet sind, bei einer zweiten Wellenlänge λ2 zu emittieren, wobei λ1 < λ2 sowie 2 nm ≤ λ2 – λ1 ≤ 15 nm und die erste Gruppe eine größere Anzahl von Quantentöpfen (2a, 2b) umfasst als die zweite Gruppe, und wobei die Gruppen entlang der Wachstumsrichtung (G) aufeinander folgen und die erste Gruppe sich näher an einer n-Seite (n) der Halbleiterschichtenfolge (1) befindet als die zweite Gruppe.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Barriereschichten (3) innerhalb zumindest einer der Gruppen von Quantentöpfen (2a, 2b) gleich ausgebildet sind.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens zwei der Barriereschichten (3), die sich je zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen (2) befinden, voneinander verschiedene Dicken und/oder voneinander verschiedene Materialzusammensetzungen aufweisen.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Barriereschichten (3n), die sich näher an der n-Seite (n) der Halbleiterschichtenfolge (1) befinden, eine größere Barrierenhöhe aufweisen als die Barriereschichten (3) an einer p-Seite (p) der Halbleiterschichtenfolge (1).
Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der entlang der Wachstumsrichtung (G) und in Richtung weg von der n-Seite (n) ein Quotient E_B/λ aus den Barrierenhöhen E_B der Barrierenschichten (3) und den Wellenlängen λ, zu deren Emission die jeweils zugehörigen Quantentöpfe (2) eingerichtet sind, monoton wächst.
Halbleiterschichtenfolge (1) nach mindestens den Ansprüchen 3, 4 und 7, die dazu eingerichtet ist, bei einer Wellenlänge zwischen einschließlich 595 nm und 625 nm Strahlung zu erzeugen.
Optoelektronischer Halbleitchip (10) mit – einer Halbleiterschichtenfolge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und – einem Substrat (5), auf dem die Halbleiterschichtenfolge (1) angeordnet ist, wobei die zweite mittlere Gitterkonstante der Barriereschichten (3) kleiner ist als eine mittlere Substratgitterkonstante des Substrates (5) und die erste mittlere Gitterkonstante der Quantentöpfe (2) größer ist als die Substratgitterkonstante.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge (1) für einen optoelektronischen Halbeiterchip (10) mit den Schritten: – Bereitstellen eines Aufwachssubstrates (5), und – epitaktisches, abwechselndes Aufwachsen von mindestens drei Quantentöpfen (2) und von mehreren Barriereschichten (3), wobei die Quantentöpfe (2) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehen sind und zwischen zwei benachbarten Quantentöpfen (2) mindestens eine der Barriereschichten (3) gewachsen wird, wobei – die Quantentöpfe (2) einen ersten mittleren Indiumgehalt und die Barriereschichten einen zweiten, kleineren mittleren Indiumgehalt aufweisen, – die Barriereschichten (3) mit einer zweiten mittleren Gitterkonstante, die kleiner ist als eine Substratgitterkonstante des Aufwachssubstrates (5), und – die Quantentöpfe (2) mit einer ersten mittleren Gitterkonstante, die größer ist als die Substratgitterkonstante, gewachsen werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Aufwachssubstrat (5) ein GaAs-Substrat ist.