DE102012107795A1

DE102012107795A1 - Optoelektronischer Halbleiterkörper und optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE102012107795A1
Application number: DE102012107795.9A
Authority: DE
Inventors: Ivar Tångring; Jens Ebbecke; Ines Pietzonka
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: JP6192722B2; DE102012107795B4; US20150200328A1; US9306114B2; CN104584242A; CN104584242B; JP2015529974A; WO2014029633A1

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterkörper (1) angegeben, der eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20), einem ersten Barrierebereich (21) und einem zweiten Barrierebereich (22) aufweist. Der aktive Bereich (20) ist zwischen dem ersten Barrierebereich (21) und dem zweiten Barrierebereich (22) angeordnet. In dem ersten Barrierebereich (21) ist zumindest eine Ladungsträgerbarriereschicht (3) angeordnet, die zugverspannt ist. Weiterhin wird ein Halbleiterchip (10) mit einem solchen Halbleiterkörper angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterkörper und einen optoelektronischen Halbleiterchip.
Leckströme können in strahlungsemittierenden Bauelementen wie Leuchtdioden einen wesentlichen Verlustmechanismus darstellen, der die Effizienz der Bauelemente limitiert. Für Leuchtdioden auf der Basis von InGaAlP hat sich gezeigt, dass dieser Verlustmechanismus zu kurzen Wellenlängen hin verstärkt auftritt und sich zudem mit zunehmender Betriebstemperatur erheblich verstärkt.
Eine Aufgabe ist es, eine verbesserte Effizienz der Strahlungsemission zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Halbleiterchip mit einem solchen Halbleiterkörper gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen weiteren Ansprüche.
Ein optoelektronischer Halbleiterkörper weist gemäß einer Ausführungsform eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich, einem ersten Barrierebereich und einem zweiten Barrierebereich auf. Der aktive Bereich ist zwischen dem ersten Barrierebereich und dem zweiten Barrierebereich angeordnet. Zweckmäßigerweise sind der erste Barrierebereich und der zweite Barrierebereich bezüglich des Leitungstyps voneinander verschieden. Beispielsweise kann der erste Barrierebereich p-leitend und der zweite Barrierebereich n-leitend ausgebildet sein oder umgekehrt. In dem ersten Barrierebereich ist zumindest eine Ladungsträgerbarriereschicht angeordnet, die zugverspannt ist.
Es hat sich herausgestellt, dass mittels einer zugverspannten Ladungsträgerbarriereschicht Leckströme im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterkörpers effizient reduziert werden können. Die Effizienz des optoelektronischen Halbleiterkörpers wird dadurch erhöht.
Bei einer zugverspannten Schicht ist eine Gitterkonstante der Schicht entlang einer Haupterstreckungsebene der Schicht größer ist als die intrinsische Gitterkonstante des Materials der Schicht. Analog werden Halbleiterschichten, deren Gitterkonstante kleiner ist als ihre intrinsische Gitterkonstante, als druckverspannt bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt eine relative Gitterfehlanpassung der Ladungsträgerbarriereschicht zwischen einschließlich 0,2 % und einschließlich 1 %, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,3 % und einschließlich 0,7 %. Die relative Gitterfehlanpassung ist das Verhältnis der Differenz zwischen der Gitterkonstante g der Schicht und der intrinsischen Gitterkonstante g0 zur intrinsischen Gitterkonstante, also (g – g0)/g0.
Es hat sich herausgestellt, dass sich eine derartige relative Gitterfehlanpassung besonders eignet, um eine Ladungsträgerbarriereschicht so auszugestalten, dass diese Leckströme effizient reduziert und zugleich eine hohe Kristallqualität, insbesondere frei von die Verspannung abbauenden Relaxationen, aufweisen kann.
Die Ladungsträgerbarriereschicht kann insbesondere als eine Elektronenbarriere in einem p-leitenden ersten Barrierebereich ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Ladungsträgerbarriere aber auch als eine Löcherbarriere in einem n-leitenden ersten Barrierebereich oder zweiten Barrierebereich ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung basiert der aktive Bereich auf dem Verbindungshalbleiter-Materialsystem Al_xIn_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dieses Materialsystem, das nachfolgend auch als phosphidisches Halbleitermaterial bezeichnet wird, eignet sich besonders für die Erzeugung von Strahlung im gelben bis roten Spektralbereich.
Der aktive Bereich kann jedoch auf einem anderen Halbleitermaterial, insbesondere einem anderen III-V-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Zur Erzeugung von Strahlung im ultravioletten über den blauen bis in den grünen Spektralbereich eignet sich beispielsweise nitridisches Halbleitermaterial (Al_xIn_yGa_1-x-yN) und für den roten bis in den infraroten Spektralbereich arsenidisches Verbindungshalbleitermaterial (Al_xIn_yGa_1-x-yAs). Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Ladungsträgerbarriereschicht einen höheren Aluminiumgehalt auf als das auf zumindest einer Seite der Ladungsträgerbarriereschicht, besonders bevorzugt als das auf beiden Seiten der Ladungsträgerbarriereschicht angrenzende Material.
Weiterhin bevorzugt ist das an die Ladungsträgerbarriereschicht angrenzende Material bezogen auf Galliumarsenid gitterangepasst oder im Wesentlichen gitterangepasst. Unter im Wesentlichen gitterangepasst wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die relative Gitterfehlanpassung betragsmäßig höchstens 0,15% beträgt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ladungsträgerbarriereschicht einen Aluminiumgehalt x zwischen einschließlich 0,52 und einschließlich 0,7 auf. Bei phosphidischem Halbleitermaterial, das auf Galliumarsenid abgeschieden ist, ist die Ladungsträgerbarriereschicht also bezogen auf Galliumarsenid zugverspannt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ladungsträgerbarriereschicht eine Dicke zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 25 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 20 nm auf.
Durch eine Ladungsträgerbarriereschicht in diesem Dickenbereich kann, insbesondere in Verbindung mit der vorstehend angegebenen relativen Gitterfehlanpassung, eine Ladungsträgerbarriere ausgebildet sein, die Leckströme effizient vermindert und deren Dicke unterhalb der kritischen Schichtdicke liegt. Die kritische Schichtdicke für eine Halbleiterschicht ist eine materialspezifische Obergrenze für das Wachstum einer verspannten Halbleiterschicht. Oberhalb der kritischen Schichtdicke ist ein die Kristallqualität mindernder Abbau der Verspannung in Form von Versetzungen typisch. Je geringer die relative Gitterfehlanpassung ist, desto größer ist typischerweise die kritische Schichtdicke.
In einer Weiterbildung weist der erste Barrierebereich zumindest eine weitere Ladungsträgerbarriereschicht auf. Die Ladungsträgerbarriereschicht und die weitere Ladungsträgerbarriereschicht stellen für denselben Ladungstype eine Barriere dar, beispielsweise für Elektronen in einem p-leitenden ersten Barrierebereich.
Die Ladungsträgerbarriereschicht und die weitere Ladungsträgerbarriereschicht sind vorzugsweise zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 200 nm voneinander beabstandet. Insbesondere können die erste Ladungsträgerbarriereschicht und die weitere Ladungsträgerbarriereschicht zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 200 nm voneinander beabstandet sein.
Zweckmäßigerweise ist die weitere Ladungsträgerbarriereschicht ebenfalls zugverspannt. Insbesondere kann die weitere Ladungsträgerbarriereschicht zumindest eines oder mehrere der vorstehend im Zusammenhang mit der Ladungsträgerbarriereschicht genannten Merkmale aufweisen.
Das Halbleitermaterial zwischen der Ladungsträgerbarriereschicht und der weiteren Ladungsträgerbarriereschicht kann unverspannt ausgebildet sein. Alternativ kann zwischen der Ladungsträgerbarriereschicht und der weiteren Ladungsträgerbarriereschicht eine Zwischenschicht angeordnet sein, die druckverspannt ist.
Mittels der druckverspannten Zwischenschicht kann die Verspannung der Ladungsträgerbarriereschicht zumindest teilweise kompensiert werden. Durch eine solche Verspannungskompensation kann vermieden werden, dass die gesamte Verspannung des Halbleitermaterials zum Ausbilden von Versetzungen führt.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die weitere Ladungsträgerbarriereschicht weiter vom aktiven Bereich entfernt als die Ladungsträgerbarriereschicht und weist einen höheren Aluminiumgehalt auf als die Ladungsträgerbarriereschicht. Die weitere Ladungsträgerbarriereschicht ist also stärker zugverspannt als die Ladungsträgerbarriereschicht und stellt eine größere Ladungsträgerbarriere dar als die weitere Ladungsträgerbarriereschicht. Aufgrund der stärkeren Verspannung ist die Gefahr einer Relaxation und einer daraus resultierenden reduzierten Barrierewirkung erhöht. Im Fall einer solchen Relaxation ist jedoch durch die vorgelagerte Ladungsträgerbarriereschicht mit niedrigerem Aluminium-Gehalt noch eine Barrierewirkung für die Ladungsträger gewährleistet.
Der aktive Bereich weist vorzugsweise eine Quantenstruktur mit zumindest einer Quantenschicht auf. Der Begriff Quantenstruktur impliziert hierbei keine Einschränkung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung und umfasst insbesondere Quantentöpfe (quantum wells), Quantendrähte (quantum rods) und Quantenpunkte (quantum dots).
Die Ladungsträgerbarriereschicht ist vorzugsweise zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 900 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 600 nm von der der Ladungsträgerbarriereschicht nächstgelegenen Quantenschicht der Quantenstruktur entfernt.
Durch eine Ladungsträgerbarriereschicht in diesem Abstand von der Quantenschicht kann eine besonders effiziente Barrierewirkung erzielt werden.
Ein optoelektronischer Halbleiterchip weist bevorzugt einen Halbleiterkörper mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen und einen Träger auf, wobei der Halbleiterkörper auf dem Träger angeordnet ist.
Der Träger kann beispielsweise ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers sein. Beispielsweise eignet sich für phosphidisches Verbindungshalbleitermaterial Galliumarsenid als Aufwachssubstrat.
Alternativ kann der Träger von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge verschieden sein. In diesem Fall ist der Träger mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Halbleiterkörper verbunden. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden die, bevorzugt vorgefertigten, Verbindungspartner mittels atomarer und/oder molekularer Kräfte zusammengehalten. Eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels eines Verbindungsmittels, etwa eines Klebemittels oder eines Lots, erzielt werden. In der Regel geht eine Trennung der Verbindung mit einer Zerstörung des Verbindungsmittels und/oder zumindest eines der Verbindungspartner einher.
Der Träger dient insbesondere der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge. Das Aufwachssubstrat ist hierfür nicht mehr erforderlich und kann daher entfernt sein.
Ein Halbleiterchip, bei dem das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge entfernt ist, wird auch als Dünnfilm-Halbleiterchip bezeichnet. Vorzugsweise ist zwischen dem Halbleiterkörper und dem Träger eine insbesondere metallische Spiegelschicht angeordnet. Im aktiven Bereich erzeugte und in Richtung des Trägers abgestrahlte Strahlung kann an der Spiegelschicht reflektiert werden und auf einer dem Träger gegenüberliegenden Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterchips austreten.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
1 und 2 jeweils ein Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip mit einem Halbleiterkörper in schematischer Schnittansicht;
3 einen schematischen Verlauf der Bandlücke E_G entlang einer Abscheiderichtung z gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4A bis 4C jeweils einen Ausschnitt des Leitungsbandkantenverlaufs E_C für verschiedene Ausführungsbeispiele;
5 Messungen der emittierten Strahlungsleistung für verschiedene, mit einer Emissionswellenlänge λ emittierende, Halbleiterchips mit Ladungsträgerbarriereschicht und ohne Ladungsträgerbarriereschicht;
6A bis 6D jeweils einen simulierten Verlauf der Stromdichte j entlang der Abscheiderichtung z für Halbleiterkörper mit Ladungsträgerbarriereschicht (6B und 6D) und ohne Ladungsträgerbarriereschicht (6A und 6C) bei verschiedenen Betriebstemperaturen.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente und insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Halbleiterchip 10 mit einem Halbleiterkörper 1 ist in 1 schematisch dargestellt. Die nachstehende Beschreibung erfolgt exemplarisch anhand einer Lumineszenzdiode, beispielsweise einer Leuchtdiode mit einem für die Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Bereich auf der Basis von phosphidischem Verbindungshalbleitermaterial. Es kann aber auch ein anderes III-V-Verbindungshalbleitermaterial Anwendung finden, beispielsweise nitridisches Verbindungshalbleitermaterial oder arsenidisches Verbindungshalbleitermaterial. Der Halbleiterchip 10 weist einen Halbleiterkörper 1 auf, der auf einem Träger 5 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Träger das Aufwachssubstrat für die vorzugsweise epitaktische Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge 2 des Halbleiterkörpers 1, beispielsweise mittels MOCVD oder MBE. Als Aufwachssubstrat eignet sich insbesondere Galliumarsenid.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 erstreckt sich in vertikaler Richtung, also in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge 2 verlaufenden Richtung, zwischen einer ersten Hauptfläche 23 und einer zweiten Hauptfläche 24 und bildet den Halbleiterkörper 1.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20. Der aktive Bereich 20 weist eine Quantenstruktur mit einer Mehrzahl von Quantenschichten 201 auf, wobei zwischen benachbarten Quantenschichten jeweils eine Quantenbarriere 202 angeordnet ist. Zur vereinfachten Darstellung sind lediglich drei Quantenschichten gezeigt. Die Zahl der Quantenschichten kann jedoch in weiten Grenzen variiert werden. Insbesondere kann der aktive Bereich zwischen einschließlich einer und einschließlich 200 Quantenschichten aufweisen.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist weiterhin einen ersten Barrierebereich 21 und einen zweiten Barrierebereich 22 auf. Der aktive Bereich 20 ist zwischen dem ersten Barrierebereich und dem zweiten Barrierebereich angeordnet. In der nachfolgenden Beschreibung ist der erste Barrierebereich 21 p-leitend und der zweite Barrierebereich 22 n-leitend ausgebildet. Der erste Barrierebereich 21 erstreckt sich zwischen dem aktiven Bereich und der ersten Hauptfläche 23, der zweite Barrierebereich 22 erstreckt sich zwischen dem aktiven Bereich und der zweiten Hauptfläche 24. Der Halbleiterkörper 1 kann bezüglich des Leitungstyps aber auch invertiert ausgebildet sein.
Der Halbleiterchip 10 umfasst weiterhin einen ersten Kontakt 61 und einen zweiten Kontakt 62. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontakten können Ladungsträger von entgegengesetzten Seiten in den aktiven Bereich 20 injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren.
Der erste Barrierebereich 21 weist eine Ladungsträgerbarriereschicht 3 auf. Die Ladungsträgerbarriereschicht 3 ist zugverspannt ausgebildet. Im Unterschied hierzu ist das an beiden Seiten der Ladungsträgerbarriereschicht angrenzende Material des ersten Barrierebereichs unverspannt ausgebildet. Bei einem Galliumarsenid-Aufwachssubstrat eignet sich beispielsweise phosphidisches Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere phosphidisches Verbindungshalbleitermaterial mit einem Aluminiumgehalt zwischen 48 % und 51 % und entsprechend einem Indiumgehalt zwischen 52 % und 49 %.
Insbesondere kann das an die Ladungsträgerbarriereschicht 3 angrenzende Material frei von Gallium oder im Wesentlichen frei von Gallium, also mit einem Gallium-Gehalt von höchstens 5 %, sein.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der erste Barrierebereich 21 einen Hauptbereich 212 und einen Kontaktbereich 211 auf. Der Kontaktbereich 211 bildet die erste Hauptfläche 23. Die Ladungsträgerbarriereschicht 3 ist innerhalb des Hauptbereichs 212 angeordnet.
Der Kontaktbereich 211 kann auf arsenidischem Verbindungshalbleitermaterial basieren. Der Kontaktbereich 211 kann auch mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere kann das direkt an die Hauptfläche 23 angrenzende Material aus p-dotiertem Galliumarsenid bestehen.
Ein ohmscher Kontakt zum ersten Kontakt 61 kann so vereinfacht erzielt werden. Davon abweichend kann auf einen solchen Kontaktbereich aus arsenidischem Verbindungshalbleitermaterial aber auch verzichtet werden.
Die vertikale Ausdehnung des Hauptbereichs 212 ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie die vertikale Ausdehnung des Kontaktbereichs 211.
Die relative Gitterfehlanpassung der zugverspannten Ladungsträgerbarriereschicht 3 beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 0,2 % und einschließlich 1 %, insbesondere zwischen einschließlich 0,3 % und einschließlich 0,7 %.
Eine Dicke der Ladungsträgerbarriereschicht beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 5 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 20 nm.
Vorzugsweise sind die relative Gitterfehlanpassung der Ladungsträgerbarriereschicht 3 und die Dicke der Ladungsträgerbarriereschicht derart aufeinander abgestimmt, dass die Ladungsträgerbarriereschicht die kritische Schichtdicke nicht übersteigt. Je geringer also die relative Gitterfehlanpassung ist, desto größer kann die Dicke der Ladungsträgerbarriereschicht sein und umgekehrt.
Ein Abstand d zwischen der dem Barrierebereich 21 nächstgelegenen Quantenschicht 201 des aktiven Bereichs 20 und der Ladungsträgerbarriereschicht 3 beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 900 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 600 nm.
Das Halbleitermaterial des ersten Barrierebereichs 21 muss nicht notwendigerweise durchgängig p-leitend dotiert abgeschieden sein. Beispielsweise kann ein Teilbereich, insbesondere die Ladungsträgerbarriereschicht 3 nominell undotiert aufgewachsen sein. Eine Dotierung der nominell undotiert abgeschiedenen Schicht kann sich durch eine Rückdiffusion des nachfolgend abgeschiedenen Halbleitermaterials einstellen.
Die p-Dotierung des ersten Barrierebereichs 21 kann beispielsweise mittels Magnesiums und/oder Kohlenstoffs erfolgen. Insbesondere kann der Hauptbereich 212 mit Magnesium dotiert und der Kontaktbereich 211 mit Kohlenstoff dotiert sein. Für eine n-Dotierung eignet sich beispielsweise Tellur oder Silizium.
Die Ladungsträgerbarriereschicht 3 weist vorzugsweise einen höheren Aluminiumgehalt auf als das an beiden Seiten der Ladungsträgerbarriereschicht angrenzende Material. Insbesondere kann der Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 0,52 und einschließlich 0,7 liegen. Je höher der Aluminiumgehalt ist, desto größer ist typischerweise die Bandlücke E_G des Materials.
In einem p-leitenden ersten Barrierebereich 21 ist die Ladungsträgerbarriereschicht 3 als eine Elektronenbarriere ausgebildet. Mittels der Elektronenbarriere kann der Anteil an Elektronen reduziert werden, der ohne strahlende Rekombination im aktiven Bereich 20 den aktiven Bereich durchquert und zum ersten Kontakt 61 gelangt.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch die beschriebene zugverspannte Ladungsträgerbarriereschicht eine effiziente Elektronenbarriere ausbilden lässt, auch wenn die Zugverspannung der Barrierewirkung leicht entgegenwirken kann.
Zudem hat sich gezeigt, dass die Positionierung der Ladungsträgerbarriereschicht 3 in einem Bereich, der stark dotiert ist, etwa mit einer Dotierung von mindestens 1·10¹⁸ cm^–3 eine vergleichsweise große Barriere für Minoritäts-Ladungsträger, also für Elektronen in einem p-leitenden Bereich, und gleichzeitig eine vergleichsweise geringe Barriere für die Majoritäts-Ladungsträger, also Löcher im p-leitenden Bereich, darstellt. Die Banddiskontinuitäten am Übergang zwischen der Ladungsträgerbarriereschicht und dem angrenzenden Material des ersten Barrierebereichs 21 treten also überwiegend im Leitungsband auf.
Weiterhin bewirkt eine vergleichsweise starke Dotierung im an die Ladungsträgerbarriereschicht 3 angrenzenden Material des ersten Barrierebereichs 21, dass die Verarmungszone im Bereich der Banddiskontinuitäten klein ist und sich das Fermi-Niveau nahe an der Bandkante befindet.
Von der beschriebenen Ausgestaltung abweichend, kann der erste Barrierebereich 21 auch n-leitend ausgebildet sein. In diesem Fall ist die im ersten Barrierebereich ausgebildete Ladungsträgerbarriereschicht 3 eine Löcherbarriere. Außerdem kann zusätzlich zur Ladungsträgerbarriereschicht im ersten Barrierebereich 21 auch eine Ladungsträgerbarriereschicht im zweiten Barrierebereich 22 ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Halbleiterkörper sowohl eine Elektronenbarriere als auch eine Löcherbarriere aufweisen.
Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der Träger 5 von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge 2 verschieden. Der Träger 5 dient insbesondere der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge 2, sodass das Aufwachssubstrat hierfür nicht mehr erforderlich ist und entfernt werden kann. Der Halbleiterchip 10 ist also als ein Dünnfilm-Halbleiterchip ausgeführt.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 ist stoffschlüssig mittels einer Verbindungsschicht 71 an dem Träger 5 befestigt, beispielsweise mittels einer Lotschicht oder einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht.
Auf der ersten Hauptfläche 23 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist eine Spiegelschicht 72 angeordnet, die im aktiven Bereich 20 erzeugte und in Richtung des Trägers 5 abgestrahlte Strahlung reflektiert. Die Abstrahlung des Halbleiterchips erfolgt überwiegend, vorzugsweise zu mindestens 70 %, durch die dem Träger 5 abgewandte zweite Hauptfläche 24 des Halbleiterkörpers 1.
Weiterhin weist der zweite Barrierebereich 22 im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel einen Kontaktbereich 221 auf, der an die zweite Hauptfläche 24 angrenzt. Der Kontaktbereich 221 kann auf arsenidischem Verbindungshalbleitermaterial basieren. Auf einen solchen Kontaktbereich kann aber auch verzichtet werden.
Ein schematischer Verlauf der Bandlücke E_G entlang der Abscheiderichtung z, also entlang der vertikalen Richtung, ist in 3 schematisch dargestellt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der aktive Bereich 20 eine Vielzahl von Quantenschichten, beispielsweise hundert Quantenschichten, auf, sodass die einzelnen Quantenschichten in der Figur nicht einzeln auflösbar sind.
Die Ladungsträgerbarriereschicht 3 weist einen höheren Aluminiumgehalt und damit eine höhere Bandlücke auf als das beidseitig an die Ladungsträgerbarriereschicht 3 angrenzende Halbleitermaterial.
Das beidseitig an die Ladungsträgerbarriereschicht 3 angrenzende Halbleitermaterial des ersten Barrierebereichs 21 weist einen größeren Aluminiumgehalt und damit eine größere Bandlücke auf als die Quantenbarrieren 202 des aktiven Bereichs 20.
Der erste Barrierebereich 21 stellt also selbst bereits eine Ladungsträgerbarriere dar, wobei durch die zugverspannte Ladungsträgerbarriereschicht 3 die Barrierewirkung weitergehend erhöht ist. Aufgrund der Ausgestaltung der Ladungsträgerbarriereschicht 3 unterhalb der kritischen Schichtdicke kann also erzielt werden, dass die Barrierewirkung für Elektronen im p-leitenden ersten Barrierebereich 21 verbessert wird, ohne dass die Materialqualität aufgrund von Relaxationen vermindert wird.
In den 4A bis 4C ist jeweils schematisch der Bandkantenverlauf E_C des Leitungsbands in einem Ausschnitt dargestellt, in dem jeweils ein Teil des aktiven Bereichs 20 und die Ladungsträgerbarriereschicht 3 zu sehen ist.
Bei dem in 4A dargestellten Ausführungsbeispiel weist der erste Barrierebereich 21 zusätzlich zur Ladungsträgerbarriereschicht 3 zwei weitere Ladungsträgerbarriereschichten 35 auf. Ein Abstand zwischen den Ladungsträgerbarriereschichten beträgt vorzugsweise jeweils zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 200 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 200 nm.
Die Ladungsträgerbarriereschicht 3 und die weiteren Ladungsträgerbarriereschichten 35 sind in dem Ausführungsbeispiel jeweils gleichartig, insbesondere hinsichtlich des Aluminiumgehalts und ihrer Verspannung ausgeführt. Die Barrierewirkung wird durch die Erhöhung der Anzahl der Ladungsträgerbarriereschichten verbessert.
Im Unterschied zur gleichartigen Ausgestaltung weisen die Ladungsträgerbarriereschichten in dem in 4B dargestellten Ausführungsbeispiel mit zunehmendem Abstand vom aktiven Bereich 20 eine einen höheren Aluminiumgehalt und damit einen höheren Grad der Zugverspannung auf.
Je höher der Aluminiumgehalt ist, desto stärker kann die Ladungsträgerbarriereschicht 3 beziehungsweise der weiteren Ladungsträgerbarriereschichten 35 jeweils die Funktion einer Elektronenbarriere erfüllen. Allerdings steigt auch die Gefahr, dass bei der Herstellung die kritische Schichtdicke überschritten wird und dadurch die Verspannung in Form von Relaxationen abgebaut wird. Vorzugsweise ist die Ladungsträgerbarriereschicht 3 mit dem niedrigsten Aluminiumgehalt so ausgebildet, dass die kritische Schichtdicke der Ladungsträgerbarriereschicht auch bei Prozessschwankungen nicht überschritten wird. Falls die weiter vom aktiven Bereich entfernten Ladungsträgerbarriereschichten 35 mit höherem Aluminiumgehalt relaxieren, so ist zumindest durch die dem aktiven Bereich nächstgelegene Ladungsträgerbarriereschicht 3 eine Ladungsträgerbarrierenwirkung gewährleistet.
Bei dem in 4C dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen benachbarten Ladungsträgerbarriereschichten 3, 35 jeweils eine Zwischenschicht 31 angeordnet, wobei die Zwischenschichten jeweils druckverspannt sind. Diese Zwischenschichten sind dafür vorgesehen, die Verspannung der zugverspannten Ladungsträgerbarriereschichten 3, 35 zu kompensieren, sodass die Summe der Schichtdicken der Ladungsträgerbarriereschichten 3, 35 auch oberhalb der kritischen Schichtdicke liegen kann. Eine Dicke der Zwischenschichten 31 und damit ein Abstand zwischen benachbarten Ladungsträgerbarriereschichten beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 100 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 40 nm. Bei einer Dicke der Zwischenschicht 31 von höchstens 10 nm können zudem Quanteneffekte genutzt werden.
Messergebnisse der Strahlungsleistung P für verschiedene Halbleiterchips sind in 5 gezeigt, wobei sich die Messwerte 80 jeweils auf Halbleiterkörper mit Ladungsträgerbarriereschicht und die Messwerte 90 auf Halbleiterkörper ohne Ladungsträgerbarriereschicht beziehen.
Die Dicke der Ladungsträgerbarriereschicht beträgt jeweils 15 nm.
Die Messungen wurden bei einer Temperatur von 100 °C durchgeführt. Da die Strahlungsleistung P auch von der Emissionswellenlänge λ abhängt, sind für die Messwerte jeweils wellenlängenabhängige Geraden als obere Schranken 82 beziehungsweise 92, untere Schranken 83 beziehungsweise 93 und Mittelwerte 81 beziehungsweise 91 eingetragen. Vergleicht man die Mittelwerte, dargestellt durch Pfeil 95, so ergibt sich eine Steigerung der Strahlungsleistung von 23 %. Bei einem Vergleich der oberen Schranken, dargestellt durch Pfeil 96, beträgt die Steigerung 14 %. Selbst bei einem Vergleich des Mittelwerts der vier Halbleiterkörper mit Ladungsträgerbarriere mit der oberen Schranke 92 für Halbleiterkörper ohne Ladungsträgerbarriere ergibt sich noch eine Steigerung von 10 %. Die Messungen belegen also, dass durch die Ladungsträgerbarriereschicht 3 die Effizienz der Halbleiterchips signifikant erhöht werden kann.
In den 6A bis 6D sind Simulationsergebnisse für den Verlauf der Stromdichte j entlang der Abscheiderichtung z gezeigt. Den Simulationen wurde eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich mit 20 Quantentöpfen und einer Emissionswellenlänge von 600 nm zugrunde gelegt. Die Simulationen beziehen sich jeweils auf eine Stromdichte j von 2200 A/cm bei einer Temperatur von 100 °C (6A und 6B) und 20 °C (6C und 6D).
Die 6A und 6C betreffen jeweils eine Vergleichsstruktur ohne Ladungsträgerbarriere und die 6B und 6D eine Struktur mit einer zugverspannten 10 nm dicken Ladungsträgerbarriereschicht als Elektronenbarriere mit einer Bandlücke, die 40 meV größer ist als die Bandlücke des angrenzenden Materials des ersten Barrierebereichs.
Die Kurven 97 und 98 zeigen jeweils die Stromdichte für Löcher beziehungsweise Elektronen. Der Wert der Kurve 98 für z = 0 dividiert durch die zugrunde gelegte Stromdichte von 200 A/cm² gibt jeweils den Anteil der Elektronen wieder, der den aktiven Bereich ohne Rekombination durchquert und somit keinen Beitrag zur Strahlungsemission liefert. Vergleicht man diese Werte, so kann durch die Ladungsträgerbarriereschicht 3 bei einer Temperatur von 100 °C dieser Anteil von 23,3 % auf 20,9 % und bei einer Temperatur von 20 °C von 3,8 % auf 3,2 % verringert werden. Bei Annahme einer direkten Proportionalität der Effizienzsteigerung zum verringerten Leckstrom würde sich also eine Erhöhung von etwa 3 % bei 100 °C ergeben. Für die tatsächlich zu erwartende Steigerung der emittierten Strahlungsleistung ist jedoch noch der so genannte Photon-Recycling-Faktor zu berücksichtigen. Dieser gibt an, wie oft ein Photon absorbiert und re-emittiert wird, bevor es das Halbleitermaterial verlässt. Bei einem Rückgang der Verluste von 23,3% auf 20,9% und einem typischen Photon-Recycling-Faktor von etwa 5 ist also anhand der Simulationen eine Steigerung der Effizienz um einen Faktor ((1 – 0,209)/1 – 0,233))^5 = 1,17, also um etwa 17% zu erwarten.
Die Simulationen belegen also im Einklang mit den in 5 dargestellten Messungen, dass durch Vorsehen einer zugverspannten Ladungsträgerbarriereschicht die Effizienz der Strahlungserzeugung erheblich verbessert werden kann. Zudem kann die Verbesserung erzielt werden, ohne dass an dem übrigen Herstellungsverfahren für die Halbleiterchips wesentliche Änderungen vorgenommen werden müssen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterkörper (1), der eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einem zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20), einem ersten Barrierebereich (21) und einem zweiten Barrierebereich (22) aufweist, wobei – der aktive Bereich zwischen dem ersten Barrierebereich und dem zweiten Barrierebereich angeordnet ist; und – in dem ersten Barrierebereich zumindest eine Ladungsträgerbarriereschicht (3) angeordnet ist, die zugverspannt ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 1, wobei eine relative Gitterfehlanpassung der Ladungsträgerbarriereschicht zwischen einschließlich 0,2% und einschließlich 1% beträgt.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der aktive Bereich auf dem Materialsystem Al_xIn_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 basiert.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungsträgerbarriereschicht einen höheren Al-Gehalt aufweist als das auf beiden Seiten der Ladungsträgerbarriereschicht angrenzende Material.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungsträgerbarriereschicht einen Al-Gehalt x von 0.52 ≤ x ≤ 0.7 aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungsträgerbarriereschicht eine Dicke zwischen einschließlich 1 nm und einschließlich 25 nm aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Barrierebereich zumindest eine weitere zugverspannte Ladungsträgerbarriereschicht (35) aufweist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 7, wobei die erste Ladungsträgerbarriereschicht und die weitere Ladungsträgerbarriereschicht zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 200 nm voneinander beabstandet sind.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 7, wobei die erste Ladungsträgerbarriereschicht und die weitere Ladungsträgerbarriereschicht zwischen einschließlich 50 nm und einschließlich 200 nm voneinander beabstandet sind.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach Anspruch 7, wobei die erste Ladungsträgerbarriereschicht und die weitere Ladungsträgerbarriereschicht zwischen einschließlich 3 nm und einschließlich 100 nm voneinander beabstandet sind.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die weitere Ladungsträgerbarriereschicht weiter vom aktiven Bereich entfernt ist als die Ladungsträgerbarriereschicht und einen höheren Al-Gehalt aufweist als die Ladungsträgerbarriereschicht.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei zwischen der Ladungsträgerbarriereschicht und der weiteren Ladungsträgerbarriereschicht eine Zwischenschicht (31) angeordnet ist, die druckverspannt ist.
Optoelektronischer Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der aktive Bereich eine Quantenstruktur mit zumindest einer Quantenschicht (201) aufweist und die Ladungsträgerbarriereschicht zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 900 nm von der der Ladungsträgerbarriereschicht nächst gelegenen Quantenschicht der Quantenstruktur entfernt ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip mit einem Halbleiterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper auf einem Träger (5) angeordnet ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 14, wobei zwischen dem Halbleiterkörper und dem Träger eine metallische Spiegelschicht (72) angeordnet ist.