DE102012217681A1 - Optoelectronic component and method for operating an optoelectronic component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauteil (101), umfassend: – eine Halbleiterschichtenfolge (103) mit einer Mehrfach-Quantentopf-Struktur (105, 301), – wobei die Mehrfach-Quantentopf-Struktur (105, 301) einen ersten Quantentopf (107, 303) mit einer ersten Bandlückenenergie und – einen zweiten Quantentopf (109, 305) mit einer zweiten Bandlückenenergie aufweist, die größer ist als die erste Bandlückenenergie – wobei der erste Quantentopf (107, 303) und der zweite Quantentopf (109, 305) benachbart zu einander gebildet sind, – wobei eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Bandlückenenergie derart gewählt ist, dass mittels einer Anregung des ersten Quantentopfes (107, 303) gebildete Ladungsträger (319, 321) eine Energie aus einem Verlustprozeß, insbesondere einem Augerprozeß, nutzen können, um in den zweiten Quantentopf (109, 305) zu gelangen, um in dem zweiten Quantentopf (109, 305) strahlend zu rekombinieren. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben des optoelektronischen Bauteils (101).The invention relates to an optoelectronic component (101), comprising: a semiconductor layer sequence (103) having a multiple quantum well structure (105, 301), wherein the multiple quantum well structure (105, 301) comprises a first quantum well (107, 303) having a first bandgap energy and - a second quantum well (109, 305) having a second bandgap energy greater than the first bandgap energy - the first quantum well (107, 303) and the second quantum well (109, 305) adjacent to wherein a difference between the first and the second bandgap energy is selected such that charge carriers (319, 321) formed by excitation of the first quantum well (107, 303) can use energy from a loss process, in particular an Auger process to enter the second quantum well (109, 305) to radiantly recombine in the second quantum well (109, 305). The invention further relates to a method for operating the optoelectronic component (101).
Description
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauteil. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Bauteils. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm. The invention relates to an optoelectronic component. The invention further relates to a method for operating an optoelectronic component. The invention further relates to a computer program.
Aus der Offenlegungsschrift
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein verbessertes optoelektronisches Bauteil anzugeben. The object underlying the invention can be seen to provide an improved optoelectronic device.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Bauteils bereitzustellen. The object underlying the invention can also be seen in providing a corresponding method for operating an optoelectronic device.
Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand jeweils abhängigen Unteransprüchen. These objects are achieved by means of the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of each dependent dependent claims.
Nach einem Aspekt wird ein optoelektronisches Bauteil bereitgestellt. Das Bauteil umfasst eine Halbleiterschichtenfolge mit einer Mehrfach-Quantentopf-Struktur. Die Mehrfach-Quantentopf-Struktur weist einen Quantentopf mit einer ersten Bandlückenenergie auf. Des Weiteren umfasst die Mehrfach-Quantentopf-Struktur einen zweiten Quantentopf mit einer zweiten Bandlückenenergie. Hierbei ist die zweite Bandlückenenergie größer als die erste Bandlückenenergie. Der erste Quantentopf und der zweite Quantentopf sind benachbart zueinander gebildet. In one aspect, an optoelectronic device is provided. The component comprises a semiconductor layer sequence with a multiple quantum well structure. The multiple quantum well structure has a quantum well with a first bandgap energy. Furthermore, the multiple quantum well structure comprises a second quantum well with a second bandgap energy. Here, the second bandgap energy is greater than the first bandgap energy. The first quantum well and the second quantum well are formed adjacent to each other.
Es ist eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Bandlückenenergie derart gewählt, dass mittels einer Anregung des ersten Quantentopfes gebildete Ladungsträger, insbesondere Augerladungsträger, eine Energie aus einem Verlustprozeß nutzen können, insbesondere einem Augerprozeß, um in den zweiten Quantentopf zu gelangen, um in dem zweiten Quantentopf strahlend zu rekombinieren. Das heißt also insbesondere, dass die Ladungsträger, insbesondere die Augerladungsträger, eine Energie aufweisen, die sie durch den Verlustprozeß, insbesondere den Augerprozeß, aufgenommen haben. A difference between the first and the second bandgap energy is chosen such that charge carriers formed by excitation of the first quantum well, in particular Auger carriers, can use energy from a loss process, in particular an Auger process, to enter the second quantum well in order to enter the second quantum well second quantum well to recombine radiantly. This means, in particular, that the charge carriers, in particular the Auger charge carriers, have an energy which they have absorbed through the loss process, in particular the Auger process.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben des optoelektronischen Bauteils bereitgestellt. Hierbei wird der erste Quantentopf angeregt, sodass mittels der Anregung des ersten Quantentopfs gebildete Ladungsträger, insbesondere Augerladungsträger, eine Energie aus einem Verlustprozeß, insbesondere einem Augerprozeß, nutzen können, um in den zweiten Quantentopf zu gelangen, um in dem zweiten Quantentopf strahlend zu rekombinieren. According to a further aspect, a method for operating the optoelectronic component is provided. In this case, the first quantum well is excited so that charge carriers formed by the excitation of the first quantum well, in particular Auger carriers, can use energy from a loss process, in particular an Auger process, to enter the second quantum well to radiantly recombine in the second quantum well.
Die folgenden Ausführungen sind in Bezug zu Augerladungsträgern und zu Augerprozessen formuliert. Dies ist nicht einschränkend. Soweit konkret Augerladungsträger aufweisend eine Energie aus einem Augerprozeß beschrieben werden, sind hierbei stets Ladungsträger allgemein aufweisend eine Energie aus einem Verlustprozeß gemeint. Eine konkrete Nummerierung wie beispielsweise erster, zweiter, dritter eines Quantentopfes ist nicht zwangsläufig gleichzusetzen mit einer entsprechenden Position des Quantentopfes innerhalb der Mehrfach-Quantentopf-Struktur, sondern dient in der Regel zu einer Unterscheidung der einzelnen Quantentöpfe. The following remarks are formulated in relation to auger carriers and augmentation processes. This is not limiting. As far as concrete Auger carriers are described having an energy from an Augerprozeß, this is always carriers generally having an energy from a loss process meant. A specific numbering, such as first, second, third, of a quantum well is not necessarily equivalent to a corresponding position of the quantum well within the multiple quantum well structure, but generally serves to differentiate the individual quantum wells.
Die Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, Augerladungsträger oder Ladungsträger im allgemeinen, die bei einer Anregung des ersten Quantentopfes entstehen oder gebildet werden, wieder zu verwenden oder zu recyceln, indem diese aufgrund der gewählten Differenz zwischen der ersten und der zweiten Bandlückenenergie in den zweiten Quantentopf gelangen können, sodass diese Augerladungsträger dann in dem zweiten Quantentopf in vorteilhafter Weise strahlend rekombinieren können. Das heißt also insbesondere, dass die zusätzliche Energie der Augeladungsträger über die Bandkante des ersten Quantentopfes hinaus oder der Ladungsträger im Allgemeinen nicht strahlungslos verloren geht, sondern für eine Strahlungserzeugung wiederverwertet werden kann. In particular, the invention therefore encompasses the idea of reusing or recycling auger carriers or charge carriers which are formed or formed upon excitation of the first quantum well, by virtue of the selected difference between the first and second bandgap energy in the second quantum well can reach, so that these Auger carriers can then radiantly recombine in the second quantum well in an advantageous manner. This means, in particular, that the additional energy of the eye-load carriers beyond the band edge of the first quantum well or the charge carrier is generally not lost without radiation, but can be recycled for radiation generation.
Bei der Anregung eines Quantentopfes einer Mehrfach-Quantentopf-Struktur eines optoelektronischen Bauteils treten in der Regel Augerprozesse auf. Durch diese werden die Augerladungsträger gebildet. Die zusätzliche Energie der Augerladungsträger über die Bandkante des angeregten Quantentopfes hinaus geht somit in der Regel für eine Strahlungserzeugung oder Lichterzeugung durch Relaxation zu der entsprechenden Bandkante des angeregten Quantentopfes verloren. Das heißt also, dass aufgrund der stattfindenden Augerprozesse in den bekannten Bauteilen stets ein Teil der dem optoelektronischen Bauteil für die Strahlung und Lichterzeugung zugeführten Energie verloren geht. In bekannten Mehrfach-Quantentopf-Strukturen relaxieren die Augerladungsträger insbesondere unter Aussendung von Phononen an Bandkanten der entsprechenden Quantentöpfe, sodass ihre Energie in Wärme umgewandelt wird. During the excitation of a quantum well of a multiple quantum well structure of an optoelectronic component, Auger processes usually occur. Through these, the Augerladungsträger be formed. Thus, the extra energy of the Auger carriers beyond the band edge of the excited quantum well is usually lost for radiation generation or light generation by relaxation to the corresponding band edge of the excited quantum well. This means that due to the Auger processes taking place in the known components, part of the energy supplied to the optoelectronic component for the radiation and light generation is always lost. In known multiple quantum well structures, the Auger carriers relax, especially with the emission of phonons, at band edges of the corresponding quantum wells, so that their energy is converted into heat.
Die diesen Prozessen zu Grunde liegenden theoretischen Berechungen sind beispielsweise in dem Artikel
In dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauteil können diese Augerladungsträger aber für einen strahlenden Rekombinationsprozess verwendet werden. Dies deshalb, da eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Bandlückenenergie der beiden Quantentöpfe derart gewählt ist, dass zumindest ein Teil der Augerladungsträger, insbesondere alle, in den zweiten Quantentopf gelangen kann. Das heißt als insbesondere, dass durch die räumliche Verteilung einer Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Augerladungsträger sowie die Möglichkeit von Streuprozessen zumindest ein Teil der Augerladungsträger in gebundene höher energetische Zustände des zweiten Quantentopfs gelangen kann und aus diesem strahlend rekombiniert. In the optoelectronic component according to the invention, however, these eye charge carriers can be used for a radiative recombination process. This is because a difference between the first and the second band gap energy of the two quantum wells is selected such that at least a part of the Auger carriers, in particular all, can get into the second quantum well. This means, in particular, that due to the spatial distribution of a probability of residence of the eye carriers and the possibility of scattering processes, at least some of the eye carriers can enter bound higher energy states of the second quantum well and radiantly recombine from this.
Ladungsträger im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen insbesondere Elektronen und Löcher. Das heißt also insbesondere, dass es sich bei den Augerladungsträgern um Augerelektronen und/oder Augerlöcher handeln kann. In the context of the present invention, charge carriers comprise, in particular, electrons and holes. This means, in particular, that the auger carriers can be Auger electrons and / or Auger holes.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Quantentopf und dem zweiten Quantentopf eine Barriereschicht gebildet ist, die eine Barrierebandlückenenergie aufweist, die größer ist als die zweite Bandlückenenergie. Das Vorsehen einer solchen Barriereschicht reduziert in vorteilhafter Weise eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Ladungsträger in einem gebundenen Zustand des zweiten Quantentopfes in den energetisch günstigeren ersten Quantentopf gelangen kann, womit die potentiell gewonnene Energie wieder verloren wäre. Ein Wirkungsgrad des optoelektronischen Bauteils wird somit in vorteilhafter Weise erhöht. According to one embodiment it can be provided that a barrier layer is formed between the first quantum well and the second quantum well, which has a barrier band gap energy that is greater than the second band gap energy. The provision of such a barrier layer advantageously reduces a probability that a charge carrier in a bound state of the second quantum well can reach the energetically favorable first quantum well, whereby the potential energy gained would be lost again. An efficiency of the optoelectronic component is thus advantageously increased.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine weitere Barriereschicht benachbart zu einer dem zweiten Quantentopf abgewandten Seite des ersten Quantentopfs gebildet ist, wobei die weitere Barriereschicht eine weitere Barrierebandlückenenergie aufweist, die größer ist als die zweite Bandlückenenergie. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Wahrscheinlichkeit eines Einfangs der Ladungsträger durch den höher energetischen zweiten Quantentopf erhöht. Dadurch wird ein Wirkungsgrad des optoelektronischen Bauteils in vorteilhafter Weise erhöht. According to another embodiment, it can be provided that a further barrier layer is formed adjacent to a side of the first quantum well remote from the second quantum well, wherein the further barrier layer has a further barrier band gap energy that is greater than the second bandgap energy. As a result, a probability of trapping the charge carriers by the higher energy second quantum well is advantageously increased. As a result, an efficiency of the optoelectronic component is advantageously increased.
Benachbart zueinander angeordnet im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere den Fall, dass der erste Quantentopf und der zweite Quantentopf unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Unmittelbar benachbart im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass sich zwischen dem ersten Quantentopf und dem zweiten Quantentopf kein weiterer Quantentopf mehr befindet. Ein Zwischenraum zwischen den beiden Quantentöpfen ist somit insbesondere quantentopffrei. Hier ist es in der Regel so, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass Ladungsträger von dem ersten Quantentopf in den zweiten Quantentopf gelangen können, je größer ist desto näher die beiden Quantentöpfe zueinander angeordnet sind. Das heißt also insbesondere, dass bei einem kleineren Abstand zwischen den beiden Quantentöpfen die Wahrscheinlichkeit größer ist im Vergleich zu einem größeren Abstand zwischen den beiden Quantentöpfen. Adjacent to each other in the sense of the present invention comprises in particular the case that the first quantum well and the second quantum well are arranged immediately adjacent to one another. Immediately adjacent in the sense of the present invention means in particular that there is no further quantum well between the first quantum well and the second quantum well. A space between the two quantum wells is thus in particular free of quantum dots. In this case, it is generally the case that the probability that charge carriers can pass from the first quantum well into the second quantum well is greater, the closer the two quantum wells are to one another. This means in particular that with a smaller distance between the two quantum wells, the probability is greater compared to a larger distance between the two quantum wells.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein dritter Quantentopf benachbart zu einer dem ersten Quantentopf abgewandten Seite des zweiten Quantentopfs gebildet ist, insbesondere spiegelbildlich zu dem ersten Quantentopf gebildet ist. Auch dieser dritte Quantentopf kann in vorteilhafter Weise angeregt werden, sodass Augerladungsträger gebildet werden, die dann aber nicht strahlungslos verloren gehen, sondern in den zweiten Quantentopf gelangen können, um aus diesem strahlend zu rekombinieren. Insbesondere ist der dritte Quantentopf analog zu dem ersten Quantentopf gebildet. Insbesondere ist ein Abstand zwischen dem dritten Quantentopf und dem zweiten Quantentopf gleich dem Abstand zwischen dem ersten Quantentopf und dem zweiten Quantentopf. Das heißt also insbesondere, dass der erste Quantentopf und der dritte Quantentopf symmetrisch um den zweiten Quantentopf angeordnet sind. In der Ausführungsform mit den drei Quantentöpfen stehen dem zweiten Quantentopf gleich zwei weitere Quantentöpfe, der erste und der dritte Quantentopf, zur Verfügung, um die Augerladungsträger, die in dem ersten und dem dritten Quantentopf gebildet werden, aufzunehmen, sodass die Augerladungsträger strahlend rekombinieren können und nicht durch strahlungslose Prozesse verloren gehen. Das heißt also insbesondere, dass der zweite Quantentopf besonders effizient und effektiv doppelt genutzt wird, was in vorteilhafter Weise einen Wirkungsgrad des optoelektronischen Bauteils erhöht. According to a further embodiment it can be provided that a third quantum well is formed adjacent to a side of the second quantum well remote from the first quantum well, in particular is formed in mirror image to the first quantum well. This third quantum well can be excited in an advantageous manner, so that Auger carriers are formed, but then not lost without radiation, but can get into the second quantum well to radiantly recombine from this. In particular, the third quantum well is formed analogously to the first quantum well. In particular, a distance between the third quantum well and the second quantum well is equal to the distance between the first quantum well and the second quantum well. This means in particular that the first quantum well and the third quantum well are arranged symmetrically around the second quantum well. In the embodiment with the three quantum wells, two further quantum wells, the first and the third quantum well, are available to the second quantum well to receive the Auger carriers formed in the first and third quantum wells so that the Auger carriers can radiantly recombine and not lost by radiationless processes. That means, in particular, that the second quantum well is used particularly efficiently and effectively twice, which advantageously increases an efficiency of the optoelectronic component.
Es wird angemerkt, dass die im Zusammenhang mit dem ersten Quantentopf gemachten Ausführungen analog für den dritten Quantentopf und umgekehrt gelten. Ausführungen oder Ausführungsformen bezogen auf den ersten Quantentopf respektive dritten Quantentopf können insbesondere Ausführungen oder Ausführungsformen umfassend zusätzlich den dritten Quantentopf respektive ersten Quantentopf umfassen. It is noted that the statements made in connection with the first quantum well apply analogously to the third quantum well and vice versa. Embodiments or embodiments with respect to the first quantum well or third quantum well may in particular comprise embodiments or embodiments comprising in addition the third quantum well or first quantum well.
Nach noch einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Anregungseinrichtung zum Bereitstellen einer Anregungsenergie gebildet ist, um den ersten Quantentopf anzuregen, insbesondere um den dritten Quantentopf anzuregen, insbesondere um den ersten und den dritten Quantentopf anzuregen. Das heißt also insbesondere, dass die Anregungseinrichtung eine Anregungsenergie bereitstellt, welche die einzelnen Quantentöpfe anregen kann, sodass bei den anschließenden strahlenden Rekombinationsprozessen in den entsprechenden Quantentöpfen elektromagnetische Strahlung emittiert wird. According to yet another embodiment it can be provided that an excitation device is provided for providing an excitation energy in order to excite the first quantum well, in particular to excite the third quantum well, in particular around the first and the third quantum well to stimulate. This means, in particular, that the excitation device provides an excitation energy which can excite the individual quantum wells so that electromagnetic radiation is emitted in the subsequent radiative recombination processes in the corresponding quantum wells.
Nach einer Ausführungsform kann eine Steuerung zum Steuern der Anregungseinrichtung vorgesehen sein, um mittels der Anregungsenergie primär den ersten Quantentopf und/oder den dritten Quantentopf anzuregen. Das heißt also insbesondere, dass primär ausschließlich der erste Quantentopf respektive der dritte Quantentopf angeregt wird, ohne dass der zweite Quantentopf angeregt wird. Dieser zweite Quantentopf wird lediglich durch die aufgrund der primären Anregung entstehenden Augerladungsträger angeregt. Dies steigert in vorteilhafter Weise einen Wirkungsgrad des optoelektronischen Bauteils. According to one embodiment, a controller for controlling the excitation means may be provided to excite primarily the first quantum well and / or the third quantum well by means of the excitation energy. This means in particular that primarily only the first quantum well or the third quantum well is excited without the second quantum well being excited. This second quantum well is excited only by the resulting due to the primary excitation Auger carrier. This advantageously increases an efficiency of the optoelectronic device.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Bandlückenenergie zwischen 0 eV und 1,5 eV, insbesondere zwischen 0,5 eV und 1,5 eV, beträgt. According to one embodiment it can be provided that the difference between the first and the second bandgap energy is between 0 eV and 1.5 eV, in particular between 0.5 eV and 1.5 eV.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die zweite Bandlückenenergie größer gleich (≥) 3 eV beträgt. In a further embodiment it can be provided that the second bandgap energy is greater than or equal to (≥) 3 eV.
Nach einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die erste Bandlückenenergie zwischen 0 eV und 3,4 eV, insbesondere zwischen 1,5 eV und 3,4 eV, beträgt. According to another embodiment it can be provided that the first bandgap energy is between 0 eV and 3.4 eV, in particular between 1.5 eV and 3.4 eV.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Anregen des ersten Quantentopfes respektive des dritten Quantentopfes ein elektrisches Pumpen und/oder ein optisches Pumpen des ersten respektive dritten Quantentopfes umfasst. Das heißt also insbesondere, dass bei einem elektronischen Pumpen eine elektrische Spannung an die Halbleiterschichtenfolge angelegt wird, sodass es zu einer Verschiebung von Ladungsträgern kommt. Diese Ladungsträger können dann in den ersten respektive dritten Quantentopf gelangen, um aus diesen strahlend zu rekombinieren. According to a further embodiment it can be provided that the excitation of the first quantum well or of the third quantum well comprises an electrical pumping and / or an optical pumping of the first and third quantum well, respectively. That means, in particular, that in the case of an electronic pump, an electrical voltage is applied to the semiconductor layer sequence, resulting in a displacement of charge carriers. These charge carriers can then enter the first and third quantum well, respectively, in order to radiantly recombine out of them.
Bei einem optischen Pumpen wird die Halbleiterschichtenfolge mittels elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, wobei hier durch Absorption der elektromagnetischen Strahlung Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden, sodass bei anschließender Rekombination der Elektronen und der Löcher wieder elektromagnetische Strahlung emittiert oder abgegeben wird. In an optical pumping, the semiconductor layer sequence is irradiated by means of electromagnetic radiation, in which case electron-hole pairs are generated by absorption of the electromagnetic radiation, so that electromagnetic radiation is emitted or emitted again upon subsequent recombination of the electrons and the holes.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das optische Pumpen mittels elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge durchgeführt wird, die einer Pumpenergie entspricht, die größer ist als die erste Bandlückenenergie und kleiner ist als die zweite Bandlückenenergie. Dadurch, dass die der Wellenlänge entsprechende Energie, hier als Pumpenergie bezeichnet, kleiner ist als die zweite Bandlückenenergie, wird der zweite Quantentopf nicht angeregt werden. According to one embodiment, it may be provided that the optical pumping is performed by means of electromagnetic radiation having a wavelength which corresponds to a pumping energy that is greater than the first bandgap energy and less than the second bandgap energy. Because the energy corresponding to the wavelength, referred to here as pump energy, is smaller than the second bandgap energy, the second quantum well will not be excited.
Nach einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Folge von Quantentöpfen gebildet ist, wobei alternierend die Quantentöpfe unterschiedliche Bandlückenenergien aufweisen. Das heißt also insbesondere, dass jedem Quantentopf ein benachbarter Quantentopf zugeordnet ist, der eine höhere Bandlückenenergie aufweist. Das heißt also insbesondere, dass bei einer primären Anregung der Quantentöpfe mit der niedrigeren Energie die erzeugten Augerladungsträger in den diesen Quantentöpfen zugeordneten Quantentöpfen mit der höheren Bandlückenenergie gelangen können. Aus diesen Quantentöpfen mit der höheren Bandlückenenergie können die Augerladungsträger dann in vorteilhafter Weise strahlend rekombinieren. According to one embodiment it can be provided that a sequence of quantum wells is formed, wherein alternately the quantum wells have different bandgap energies. This means, in particular, that each quantum well is assigned an adjacent quantum well, which has a higher bandgap energy. This means, in particular, that in the case of a primary excitation of the quantum wells with the lower energy, the generated auger carriers can reach the quantum wells with the higher band gap energy assigned to these quantum wells. From these quantum wells with the higher bandgap energy, the Auger carriers can then radiantly recombine in an advantageous manner.
Beispielsweise kann eine Folge von Quantentöpfen vorgesehen sein, die aus einem ersten Quantentopf, dem zweiten Quantentopf und dann wieder dem ersten Quantentopf und wieder dem zweiten Quantentopf und wieder dem ersten Quantentopf und wieder dem zweiten Quantentopf und beliebig so weiter gebildet ist. Eine Anzahl an alternierenden ersten und zweiten Quantentöpfen kann beliebig variiert werden. Vorzugsweise kann in einer solchen Folge vorgesehen sein, dass zumindest einer der ersten Quantentöpfe durch den dritten Quantentopf ersetzt ist. Somit ist in vorteilhafter Weise ein optoelektronisches Bauteil geschaffen, das verschiedene Wellenlängen emittieren kann. For example, a sequence of quantum wells may be provided which is formed from a first quantum well, the second quantum well and then again the first quantum well and again the second quantum well and again the first quantum well and again the second quantum well and any further. A number of alternating first and second quantum wells can be varied as desired. Preferably, it may be provided in such a sequence that at least one of the first quantum wells is replaced by the third quantum well. Thus, an optoelectronic device is provided which can emit different wavelengths in an advantageous manner.
Da der zweite Quantentopf aufgrund der strahlenden Rekombinationsprozesse der Augerladungsträger eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge entsprechend seiner Bandlücke emittiert, kann das optoelektronische Bauteil unterschiedliche Wellenlängen emittieren, je nachdem wie die Bandlücke des zweiten Quantentopfes eingestellt wird. Das heißt also insbesondere, dass abhängig von den verwendeten Bandlücken der einzelnen Quantentöpfe, also insbesondere des ersten, des zweiten und des dritten Quantentopfes, unterschiedliche Wellenlängen der emittierten elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden können. Je nach Bedarf und Anwendung kann somit in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von möglichen Farbkombinationen des abgestrahlten Lichts oder der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung bewirkt werden. Insbesondere kann somit in vorteilhafter Weise Weißlicht erzeugt werden. Since the second quantum well emits an electromagnetic radiation having a wavelength corresponding to its band gap due to the radiative recombination processes of the Auger carriers, the optoelectronic component can emit different wavelengths depending on how the band gap of the second quantum well is adjusted. This means, in particular, that different wavelengths of the emitted electromagnetic radiation can be set depending on the band gaps of the individual quantum wells used, that is to say in particular of the first, second and third quantum wells. Depending on requirements and application, a large number of possible color combinations of the emitted light or the radiated electromagnetic radiation can thus be effected in an advantageous manner. In particular, white light can thus be generated in an advantageous manner.
Da aufgrund der strahlenden Rekombinationsprozesse in den einzelnen Quantentöpfen elektromagnetische Strahlung emittiert wird, können die Quantentöpfe auch als optisch aktive Quantentöpfe bezeichnet werden. Dies insbesondere zur Abgrenzung gegenüber solchen Vor-Quantentöpfen, auch „Pre-Wells“ genannt, die optisch nicht aktiv sind, also keine elektromagnetische Strahlung emittieren. Since electromagnetic radiation is emitted in the individual quantum wells due to the radiative recombination processes, the quantum wells can also be referred to as optically active quantum wells. This in particular to delimit against such pre-quantum wells, also called "pre-wells", which are not optically active, so emit no electromagnetic radiation.
Nach einer Ausführungsform kann die Halbleiterschichtenfolge folgende Halbleiterschichten umfassen, um die Mehrfach-Quantentopf-Struktur zu bilden:
GaN│AlxGa1-xN│InaGa1-aN│AlyGa1-yN│InbGa1-bN│, wobei 0 ≤ a, b, x, y ≤ 1 und x ≥ y, a ≥ b sind. According to one embodiment, the semiconductor layer sequence may comprise the following semiconductor layers to form the multiple quantum well structure:
GaN│Al x Ga 1-x N│In a Ga 1-a N│Al y Ga 1-y N│In b Ga 1-b N│, where 0 ≦ a, b, x, y ≦ 1 and x ≥ y, a ≥ b.
Das heißt also insbesondere, dass der erste Quantentopf als Halbleiterschicht die InaGa1-aN-Halbleiterschicht umfasst. Der zweite Quantentopf umfasst insbesondere als Halbleiterschicht die InbGa1-bN-Halbleiterschicht. This means, in particular, that the first quantum well comprises, as the semiconductor layer, the In a Ga 1-a N semiconductor layer. The second quantum well comprises, in particular as the semiconductor layer, the In b Ga 1 -b N semiconductor layer.
Hier kann insbesondere vorgesehen sein, dass basierend auf einem unterschiedlichen Gehalt an Indium (In) eine entsprechende Bandlückenenergie der Quantentöpfe eingestellt wird. Das heißt also insbesondere, dass der zweite Quantentopf mit der höheren Bandlückenenergie insbesondere mehr Indium aufweist als der erste Quantentopf mit der niedrigeren Bandlückenenergie. Here it can be provided in particular that based on a different content of indium (In) a corresponding bandgap energy of the quantum wells is set. This means, in particular, that the second quantum well with the higher bandgap energy in particular has more indium than the first quantum well with the lower bandgap energy.
Es kann beispielsweise nach einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass eine entsprechende Bandlückenenergie abhängig von einer Dicke der jeweiligen Halbleiterschicht des ersten respektive dritten und des zweiten Quantentopfes eingestellt wird. Das heißt also insbesondere, dass beide Halbleiterschichten des ersten respektive zweiten und des dritten Quantentopfes aus einem gleichen Material, beispielsweise In-GaN, gebildet sind, aber unterschiedliche Dicken aufweisen. Dass die Bandlückenenergien aufgrund der unterschiedlichen Dicken unterschiedlich sind, hat ihre Ursache insbesondere in der Quantisierungsenergie und des quantum-confined Stark-Effekts. For example, according to another embodiment, it may be provided that a corresponding bandgap energy is set as a function of a thickness of the respective semiconductor layer of the first or third and the second quantum well. This means, in particular, that both semiconductor layers of the first and second and third quantum wells are formed of the same material, for example In-GaN, but have different thicknesses. The fact that the bandgap energies are different due to the different thicknesses is mainly due to the quantization energy and the quantum-confined Stark effect.
Die GaN-Schicht kann beispielsweise beliebig dick sein. Die weiteren obigen Halbleiterschichten können insbesondere jeweils eine Dicke zwischen 2 nm und 20 nm aufweisen, wobei eine jeweilige Dicke der einzelnen Schichten insbesondere unterschiedlich sein kann. Insbesondere kann ein Gehalt an Indium in einer der Schichten größer als 10 Prozent betragen. The GaN layer can be of any desired thickness, for example. The further above-mentioned semiconductor layers may in particular each have a thickness between 2 nm and 20 nm, wherein a respective thickness of the individual layers may be different in particular. In particular, a content of indium in one of the layers can be greater than 10 percent.
Vorzugsweise kann eine oder mehrere oder alle der obigen Schichten durch eine Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) ersetzt werden. Preferably, one or more or all of the above layers may be replaced by an aluminum gallium indium nitride (AlGaInN).
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die vorgenannte Schichtfolge achsensymmetrisch wiederholt wird. Das heißt also insbesondere, dass sich nach der InbGa1-bN-Halbleiterschicht eine AlyGa1-yN-Schicht anschließt, an welcher sich wieder die InaGa1-aN-Halbleiterschicht des ersten Quantentopfes anschließt, an welcher sich die AlxGa1-xN-Halbleiterschicht anschließt, an welcher sich die GaN-Halbleiterschicht anschließt. In an embodiment it can be provided that the aforementioned layer sequence is repeated axially symmetrically. That means in particular that adjoins an Al y Ga 1-y N layer after the In b Ga 1-b N-type semiconductor layer to which again connects the In a Ga 1-a N-type semiconductor layer of the first quantum well, in which is followed by the Al x Ga 1-x N semiconductor layer, which is followed by the GaN semiconductor layer.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zwischen den beiden GaN-Halbleiterschichten eine beliebige Kombination aus den AlxGa1-xN-, InaGa1-aN-, AlyGa1-yN- und InbGa1-bN-Schichten gebildet sind, derart, dass einem Quantentopf mit einer niedrigeren Bandlückenenergie ein Quantentopf mit einer höheren Bandlückenenergie zugeordnet, also benachbart zueinander angeordnet, ist. In a further embodiment it can be provided that between the two GaN semiconductor layers, any combination of the Al x Ga 1-x N, In a Ga 1-a N, Al y Ga 1-y N and In b Ga 1-b N layers are formed, such that a quantum well with a lower bandgap energy associated with a quantum well with a higher bandgap energy, ie adjacent to each other, is.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments. Show here
Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Hereinafter, like reference numerals may be used for like features.
Das Bauteil
Die Mehrfach-Quantentopf-Struktur
Der erste Quantentopf
Das heißt also insbesondere, dass bei einer Anregung des ersten Quantentopfes
Die Augerladungsträger
In
In einem Schritt
Insbesondere sind die Energieverhältnisse für das Valenzband VB und das Leitungsband CB gezeigt. In Ordinatenrichtung ist die Bandlückenenergie eV aufgetragen. In Abszissenrichtung sind die einzelnen Quantentöpfe mit einer Breite, die der Schichtdicke entspricht, aufgetragen. In particular, the energy ratios for the valence band VB and the conduction band CB are shown. In the ordinate direction the bandgap energy eV is plotted. In the abscissa direction, the individual quantum wells are applied with a width corresponding to the layer thickness.
Die Mehrfach-Quantentopf-Struktur
Zum Bilden der drei Quantentöpfe
Als n-dotierte Halbleiterschicht ist eine GaN-Schicht
As the n-type semiconductor layer is a
Hierbei gilt insbesondere, dass 0 ≤ a, b, x, y ≤ 1 und x ≥ y, a ≥ b sind. Here, in particular, 0 ≦ a, b, x, y ≦ 1 and x ≥ y, a ≥ b.
Das heißt also insbesondere, dass die Halbleiterschicht
Die beiden Halbleiterschichten
Die beiden Halbleiterschichten
Wie die Ordinate zeigt, weisen die beiden Quantentöpfe
Bei einem elektrischen Pumpen dieser Halbleiterschichtenfolge, also insbesondere wenn an die Halbleiterschichtenfolge eine elektrische Spannung angelegt wird, kommt es zu einer Verschiebung von Ladungsträgern. Elektronen als negative Ladungsträger sind hier mit dem Bezugszeichen
Aufgrund des elektrischen Pumpens findet also in dem Quantentopf
Aufgrund der gewählten Energiedifferenz zwischen der ersten und der zweiten Bandlückenenergie können die Augerelektronen
Durch die in den Quantentöpfen
Der Prozess des Gelangens eines Augerladungsträgers
Ein Energiegewinn aufgrund der Wiederverwertung der Augerladungsträger
Das Vorsehen der beiden Halbleiterschichten
Die beiden Halbleiterschichten
Das heißt also insbesondere, dass die Mehrfach-Quantentopf-Struktur
Insbesondere kann die Mehrfach-Quantentopf-Struktur
In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Mehrfach-Quantentopf-Struktur
Nach einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Bandlücke des ersten Quantentopfs
In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die zweite Bandlückenenergie, also insbesondere die Bandlücke des Quantentopfs
In weiteren nicht gezeigten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die entsprechende Bandlücke des Quantentopfes
In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Bandlücken der einzelnen Quantentöpfe
In weiteren nicht gezeigten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass als Materialien für die einzelnen Halbleiterschichten beispielsweise Halbleiter mit direkter Bandlücke verwendet werden, also beispielsweise III-V-Verbindungen, wobei Phosphide und/oder Nitride insbesondere bevorzugt für den sichtbaren Bereich verwendet werden. In further embodiments, not shown, it may be provided that, for example, semiconductors with a direct bandgap are used as materials for the individual semiconductor layers, ie, for example, III-V compounds, where phosphides and / or nitrides are particularly preferably used for the visible range.
Nach einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Material für die Halbleiterschichten auch II-VI-Verbindungen verwendet werden: Beispielsweise (CdZn)Se oder (MgZn)O. According to a further embodiment not shown, it can be provided that II-VI compounds are also used as the material for the semiconductor layers: for example (CdZn) Se or (MgZn) O.
Die Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, einen Teil oder alles der in den beteiligten Augerprozessen ansonsten verlorenen Energie zur Erzeugung kürzerwelligen Lichts zu verwenden. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauteils im Vergleich zu einem bekannten optoelektronischen Bauteil erhöhen. In particular, the invention therefore encompasses the idea of using part or all of the energy otherwise lost in the Auger processes involved for generating shorter-wave light. As a result, the efficiency of an optoelectronic component according to the invention can be increased in comparison to a known optoelectronic component.
Dieser Effekt kann insbesondere noch dadurch verstärkt werden, dass nun ein geringerer Anteil der Augerenergie zur Erwärmung der LED zur Verfügung steht. Die daraus resultierende verringerte Betriebstemperatur erhöht an sich wiederum den Anteil der gewünschten strahlenden Rekombination in den niederenergetischen Quantentöpfen. In particular, this effect can be enhanced by the fact that now a smaller proportion of the Auger energy is available for heating the LED. The resulting reduced operating temperature in turn increases the fraction of the desired radiative recombination in the low-energy quantum wells.
Entsprechend lässt sich nur mit diesem Sekundäreffekt auch der Wirkungsgrad einer blauen Leuchtdiode (LED), also einer im blauen Spektralbereich (insbesondere 430 nm bis 480 nm, insbesondere 440 nm bis 460nm) emittierenden LED, verbessern, ohne dass die entstehenden (unsichtbaren) UV-Photonen wieder konvertiert werden. Accordingly, it is only with this secondary effect that the efficiency of a blue light-emitting diode (LED), that is to say an LED emitting in the blue spectral range (in particular 430 nm to 480 nm, in particular 440 nm to 460 nm), can be improved without the (invisible) UV radiation produced. Photons are converted again.
Insbesondere bietet die Erfindung jedoch auch die Möglichkeit, weißen Lichteindruck zu erzeugen, ohne dass die im Fall konventioneller Konverterlösungen unumgänglichen Stokes-Verluste auftreten. In particular, however, the invention also offers the possibility of producing a white light impression without the inevitable in the case of conventional converter solutions Stokes losses occur.
Die Kombination einer langwellig (aus dem ersten Quantenopf) (zum Beispiel: gelb-grün) emittierenden InGaN-LED mit darin enthaltenen blauen Quantenöpfe (zweiter Quantentopf) kehren das heute bekannte verwendete Prinzip der Teilkonversion gewissermaßen um, indem ausschließlich ansonsten verlorenen Energie (Augerenergie) zur Erzeugung blauverschobener Photonen verwendet wird. The combination of a long-wave (from the first quantum well) (for example: yellow-green) emitting InGaN LED with blue quantum wells contained therein (second quantum well) reverse to some extent the currently known principle of partial conversion by using exclusively otherwise lost energy (Auger energy) is used to generate blue-shifted photons.
Durch Verzicht auf einen Konverter bzw. weitere halbleiterbasierte Lichtquellen besteht neben der Möglichkeit zur Steigerung der Energieeffizienz auch Potenzial zur Senkung der Herstellungskosten einer weißen LED. By dispensing with a converter or other semiconductor-based light sources, in addition to the possibility of increasing energy efficiency, there is also potential for reducing the production costs of a white LED.
Jegliche sonstige Farbkombination zur Darstellung andersfarbigen Lichts kann über erste und zweite Quantentöpfe mit entsprechender Bandlücke in vorteilhafter Weise gebildet werden. Dies umschließt auch Halbleiter-Heterostrukturen, welche aus anderen Materialsystemen bestehen. Any other color combination for displaying differently colored light can advantageously be formed by means of first and second quantum wells with a corresponding band gap. This also includes semiconductor heterostructures consisting of other material systems.
Zusammenfassend umfasst also die Erfindung insbesondere den Gedanken, Ladungsträger, insbesondere Augerladungsträger, die bei einer primären Anregung eines Quantentopfes entstehen, in einen zweiten Quantentopf zu bringen, sodass diese in dem zweiten Quantentopf strahlend rekombinieren können. Das heißt also insbesondere, dass die gebildeten Augerladungsträger wiederverwertet oder recycelt werden können und für eine weitere Lichterzeugung zur Verfügung stehen. Ein Wirkungsgrad eines entsprechenden optoelektronischen Bauteils ist somit in vorteilhafter Weise erhöht. In summary, therefore, the invention in particular includes the idea of bringing charge carriers, in particular Auger carriers, which are produced during a primary excitation of a quantum well into a second quantum well, so that they can radiantly recombine in the second quantum well. This means in particular that the formed Auger carriers can be recycled or recycled and are available for further light generation. An efficiency of a corresponding optoelectronic component is thus increased in an advantageous manner.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101 101
- optoelektronisches Bauteil opto-electronic component
- 103 103
- Halbleiterschichtenfolge Semiconductor layer sequence
- 105,301 105.301
- Mehrfach-Quantentopf-Struktur Multiple quantum well structure
- 107,303 107.303
- erster Quantentopf first quantum well
- 109,305 109.305
- zweiter Quantentopf second quantum well
- 319,321 319.321
- Augerladungsträger Auger carriers
- 315 315
- Barriereschicht barrier layer
- 311 311
- weitere Barriereschicht further barrier layer
- 307 307
- dritter Quantentopf third quantum well
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 01/39282 A2 [0002] WO 01/39282 A2 [0002]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes“ von E. Kioupakis, P. Rinke, K. T. Delaney, and C. G. van der Walle, veröffentlicht in Appl. Phys. Lett. 98, 161107 (2011) [0012] "Indirect Auger recombination as a cause of efficiency in nitride light-emitting diodes" by E. Kioupakis, P. Rinke, KT Delaney, and CG van der Walle, published in Appl. Phys. Lett. 98, 161107 (2011) [0012]
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