DE102013017275A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) beschrieben, umfassend einen auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierenden Schichtenstapel, der einen n-Typ-Halbleiterbereich (6), einen p-Typ-Halbleiterbereich (8) und eine zwischen dem n-Typ-Halbleiterbereich (6) und dem p-Typ Halbleiterbereich (8) angeordnete aktive Schicht (7) aufweist. Der p-Typ Halbleiterbereich (8) weist zur Ausbildung einer Elektronenbarriere eine Schichtenfolge (13) mit mehreren p-dotierten Schichten (1, 2, 3, 4) aus AlxInyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 auf, wobei die Schichtenfolge (13) eine erste p-dotierte Schicht (1) mit einem Aluminiumanteil x1 ≥ 0,5 und einer Dicke von nicht mehr als 3 nm aufweist, und der ersten p-dotierten Schicht (1) an einer von der aktiven Schicht (7) abgewandten Seite mindestens eine zweite p-dotierte Schicht (2) mit einem Aluminiumanteil x2 < x1 und eine dritte p-dotierte Schicht (3) mit einem Aluminiumanteil x3 < x2 nachfolgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das auf einem Nitridverbindungshalbleiter basiert.
  • Die Effizienz von auf Nitridverbindungshalbleitern basierenden lichtemittierenden Bauelementen ist davon abhängig, wie effektiv Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert und dort eingeschlossen werden können. Wenn nicht alle Ladungsträger in der aktiven Schicht rekombinieren, sondern in anderen Bereichen des Halbleiterbauelements verloren gehen, vermindert sich die Effizienz. Insbesondere die Laserschwelle und die Steilheit der Kennlinie von auf Nitridverbindungshalbleitern basierenden Halbleiterlasern sind von der Ladungsträger-Injektionseffizienz abhängig.
  • Um Elektronen effektiv in der aktiven Schicht eines auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierenden lichtemittierenden Bauelements einzufangen, kann eine an die aktive Schicht angrenzende p-dotierte Elektronenbarriereschicht eingesetzt werden, die in der Regel einen vergleichsweise hohen Aluminiumgehalt von bis zu dreißig Prozent aufweist. Es hat sich aber herausgestellt, dass eine herkömmliche Elektronenbarriereschicht aufgrund der starken Gitterfehlanpassung zwischen der Elektronenbarriereschicht und dem umgebenden Halbleitermaterial starke piezoelektrische Felder erzeugt. Die piezoelektrischen Felder bewirken eine lokale Verbiegung der Bandstruktur, die zur Ausbildung von Bandkantenminima im Bereich der Elektronenbarriereschicht führt. Aus diesem Grund können dort hohe Elektronen- und Löcherdichten entstehen, die zu optischen Verlusten führen können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierendes optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, bei dem Ladungsträger effektiv in der aktiven Zone eingeschlossen werden, wobei piezoelektrische Felder und daraus resultierende optische Verluste reduziert sind.
  • Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierenden Schichtenstapel. „Auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass der Schichtenstapel oder zumindest eine Schicht davon ein III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlxInyGa1-x-yN umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlxInyGa1-x-yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, In, Ga, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
  • Das optoelektronische Halbleiterbauelement ist vorzugsweise ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode.
  • Der Schichtenstapel weist einen n-Typ-Halbleiterbereich, einen p-Typ-Halbleiterbereich und eine zwischen dem n-Typ-Halbleiterbereich und dem p-Typ-Halbleiterbereich angeordnete aktive Schicht auf. Die aktive Schicht kann insbesondere eine strahlungsemittierende aktive Schicht sein. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
  • Der p-Typ-Halbleiterbereich weist zur Ausbildung einer Elektronenbarriere eine Schichtenfolge mit mehreren p-dotierten Schichten auf, wobei die Schichtenfolge eine erste p-dotierte Schicht mit einem Aluminiumanteil x1 ≥ 0,5 und einer Dicke von nicht mehr als 3 nm aufweist. Die erste p-dotierte Schicht ist vorzugsweise die der aktiven Schicht nächstliegende Schicht der Schichtenfolge.
  • Gemäß einer Ausgestaltung folgen der ersten p-dotierten Schicht an einer von der aktiven Schicht abgewandten Seite mindestens eine zweite p-dotierte Schicht mit einem Aluminiumanteil x2 < x1 und eine dritte p-dotierte Schicht mit einem Aluminiumanteil x3 < x2 nach.
  • Bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement wird eine Elektronenbarriere zum Einschluss von Elektronen in der aktiven Schicht und zur Verbesserung der Injektionseffizienz vorteilhaft aus der Schichtenfolge von mindestens drei p-dotierten Schichten gebildet, von denen die der aktiven Schicht nächstliegende erste p-dotierte Schicht den höchsten Aluminiumanteil x1 aufweist.
  • Bei Nitridverbindungshalbleitermaterialien nimmt die elektronische Bandlücke mit zunehmendem Aluminiumanteil des Halbleitermaterials zu. Da die erste p-dotierte Schicht einen Aluminiumanteil x1 ≥ 0,5 aufweist, weist die erste p-dotierte Schicht eine große elektronische Bandlücke auf, welche für Elektronen, die sich aus Richtung der aktiven Schicht in Richtung des p-dotierten Halbleiterbereichs bewegen, eine vorteilhaft hohe Barriere ausbildet. Dadurch, dass die erste p-dotierte Schicht mit einer Dicke von nicht mehr als 3 nm sehr dünn und p-dotiert ist, wird trotzdem eine gute Injektion von Löchern in die aktive Schicht erreicht. Auf diese Weise wird eine gute Injektionseffizienz von Ladungsträgern in die aktive Schicht erreicht.
  • Die der ersten p-dotierten Schicht nachfolgende zweite p-dotierte Schicht weist einen geringeren Aluminiumanteil x2 und somit eine geringere elektronische Bandlücke als die erste p-dotierte Schicht auf. Die der zweiten p-dotierten Schicht nachfolgende dritte p-dotierten Schicht weist wiederum einen geringeren Aluminiumanteil als die zweite p-dotierte Schicht und somit eine geringere elektronische Bandlücke als die zweite p-dotierte Schicht auf. Mit anderen Worten folgen der ersten p-dotierten Schicht mindestens zwei Schichten nach, wobei sich der Aluminiumanteil von Schicht zu Schicht verringert. Auf diese Weise können vorteilhaft Verspannungen aufgrund von Gitterfehlanpassungen zwischen den Halbleiterschichten reduziert und durch Spannungen entstehende piezoelektrische Felder reduziert werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erste p-dotierte Schicht einen Aluminiumanteil x1 ≥ 0,8 auf. Auf diese Weise wird eine besonders gute Barrierewirkung für Elektronen erzielt.
  • Die zweite p-dotierte Schicht weist vorteilhaft einen Aluminiumanteil x2 auf, der geringer ist als der Aluminiumanteil x1 der ersten p-dotierten Schicht. Bevorzugt gilt für den Aluminiumanteil der zweiten p-dotierten Schicht x2 ≤ 0,4, besonders bevorzugt x2 ≤ 0,3.
  • Der Aluminiumanteil x2 in der zweiten p-dotierten Schicht muss nicht notwendigerweise konstant sein. Vielmehr ist es auch möglich, dass die zweite p-dotierte Schicht zumindest in einem Teilbereich einen Gradienten des Aluminiumgehalts x2 aufweist. In diesem Fall kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Aluminiumgehalt x2 in der zweiten p-dotierten Schicht in Richtung zur dritten p-dotierten Schicht hin abnimmt. Der Aluminiumgehalt x2 in der zweiten p-dotierten Schicht kann insbesondere kontinuierlich, zum Beispiel linear, abnehmen.
  • Die zweite p-dotierte Schicht weist bevorzugt eine Dicke von weniger als 20 nm auf. Die zweite p-dotierte Schicht kann dicker als die besonders dünne erste p-dotierte Schicht sein, wobei die zweite p-dotierte Schicht aber mit einer Dicke von nicht mehr als 20 nm im Vergleich zu herkömmlichen Elektronenbarriereschichten vorteilhaft nur eine sehr dünne Schicht ist. Durch die dünne zweite p-dotierte Schicht, deren Aluminiumanteil zwischen dem Aluminiumanteil x1 der ersten p-dotierten Schicht und dem Aluminiumanteil x3 der dritten p-dotierten Schicht liegt, werden vorteilhaft mechanische Spannungen, die bei einer abrupten Änderung des Aluminiumanteils aufgrund der daraus resultierenden abrupten Änderung der Gitterkonstante auftreten würden, vorteilhaft vermindert.
  • Die dritte p-dotierte Schicht weist bei einer bevorzugten Ausgestaltung einen Aluminiumanteil x3 ≤ 0,1 auf.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der ersten p-dotierten Schicht und der zweiten p-dotierten Schicht eine vierte p-dotierte Schicht angeordnet, die eine Dicke von weniger als 4 nm aufweist. Diese sehr dünne vierte p-dotierte Schicht bietet eine weitere Möglichkeit, den Verlauf der elektronischen Bandlücke zur Erzielung einer besonders guten Injektionseffizienz einzustellen, und mechanische Spannungen weiter zu reduzieren. Insbesondere kann mittels der dünnen vierten p-dotierten Schicht eine verbesserte Löcherinjektion durch Verkleinerung der effektiven Potentialbarriere erzielt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die vierte p-dotierte Schicht einen Aluminiumgehalt x4 auf, wobei x4 < x1 und x4 < x2 gilt. Mit anderen Worten ist der Aluminiumgehalt in der vierten p-dotierten Schicht sowohl kleiner als der Aluminiumgehalt x1 in der ersten p-dotierten Schicht als auch der Aluminiumgehalt in der zweiten p-dotierten Schicht. Bei dieser Ausgestaltung wird der in einer Richtung zur aktiven Schicht stufenförmig erfolgende Anstieg des Aluminiumgehalts zwischen der zweiten p-dotierten Schicht und der ersten p-dotierten Schicht unterbrochen.
  • Bei einer Ausgestaltung weist die vierte p-dotierte Schicht einen Gradienten des Aluminiumgehalts x4 auf, wobei der Aluminiumgehalt x4 in der vierten p-dotierten Schicht ein Minimum aufweist, in dem x4 < x1 und x4 < x2 gilt. Beispielsweise kann der Aluminiumgehalt x4 in der vierten p-dotierten Schicht ausgehend von der ersten p-dotierten Schicht zunächst kontinuierlich bis zu einem Minimum abfallen, in dem der Aluminiumgehalt x4 kleiner als der Aluminiumgehalt x1 und der Aluminiumgehalt x2 der zweiten p-dotierten Schicht ist, und nach dem Minimum kontinuierlich bis zu dem Aluminiumgehalt x2 der zweiten p-dotierten Schicht ansteigen.
  • Die p-dotierten Schichten der als Elektronenbarriere fungierenden Schichtenfolge weisen vorzugsweise einen geringen Indiumgehalt y ≤ 0,1 auf. Besonders bevorzugt gilt für den Indiumgehalt in den p-dotierten Schichten y ≤ 0,05.
  • Eine Dotierstoffkonzentration in den p-dotierten Schichten weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung einen Wert von mindestens 1 × 1018 cm–3, bevorzugt zwischen 1 × 1018 cm–3 und 1 × 1020 cm–3 auf. Durch die vergleichsweise hohe p-Dotierung wird vorteilhaft eine gute Löcherinjektion in die aktive Schicht erzielt. Bevorzugt weisen die p-dotierten Schichten Magnesium als Dotierstoff auf. Alternativ können aber auch andere p-Dotierstoffe oder Kombinationen aus mehreren Dotierstoffen eingesetzt werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der aktiven Schicht und der Schichtenfolge eine Zwischenschicht angeordnet, welche undotiert ist oder eine Dotierstoffkonzentration von nicht mehr als 5 × 1017 cm–3 aufweist. Die Zwischenschicht weist also nur eine sehr geringe Dotierung oder sogar gar keine Dotierung auf, wobei die Zwischenschicht im Fall einer geringen Dotierung beispielsweise mit Magnesium als Dotierstoff p-dotiert ist.
  • Im Fall der p-Dotierung weist die Zwischenschicht bevorzugt einen Gradienten der Dotierstoffkonzentration auf, wobei die Dotierstoffkonzentration in Richtung zur aktiven Schicht hin abnimmt. Die Zwischenschicht kann beispielsweise als Wellenleiterschicht fungieren, insbesondere wenn das optoelektronische Halbleiterbauelement ein Kantenemitter-Halbleiterlaser ist. Die Zwischenschicht vergrößert vorteilhaft den Abstand zwischen einem Maximum einer im Wellenleiter geführten optischen Mode zu dem Bereich der p-dotierten Schichtenfolge.
  • Die Zwischenschicht weist vorzugsweise AlxInyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 0,02 und 0 ≤ y ≤ 0,1 auf. Die Zwischenschicht weist also nur einen sehr geringen Anteil an Aluminium und Indium auf, so dass die Zwischenschicht im Vergleich zu der nachfolgenden ersten p-dotierten Schicht der Schichtenfolge nur eine sehr geringe elektronische Bandlücke aufweist. An der Grenze zwischen der Zwischenschicht und der ersten p-dotierten Schicht tritt daher ein besonders hoher Sprung des Aluminiumgehalts auf, wodurch eine besonders effiziente Barriere für Elektronen erzielt wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 8 näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 und 3 jeweils eine grafische Darstellung des Verlaufs des Aluminiumgehalts x und der elektronischen Bandlücke Eg in einem Bereich eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 4 eine grafische Darstellung der Injektionseffizienz in Abhängigkeit von der Stromdichte bei zwei optoelektronischen Halbleiterbauelementen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einem herkömmlichen optoelektronischen Halbleiterbauelement,
  • 5 eine grafische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
  • 6 bis 8 jeweils eine grafische Darstellung des Verlaufs des Aluminiumgehalts x und der elektronischen Bandlücke Eg in einem Bereich eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • Bei dem in 1 dargestellten optoelektronischen Bauelement 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, das beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode sein kann. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 weist einen auf ein Substrat 5 aufgebrachten Schichtenstapel mit einem n-Typ-Halbleiterbereich 6, einem p-Typ-Halbleiterbereich 8 und einer zwischen dem n-Typ-Halbleiterbereich 6 und dem p-Typ-Halbleiterbereich 8 angeordneten aktiven Schicht 7 auf. Der Schichtenstapel ist insbesondere eine Epitaxieschichtenfolge, die epitaktisch auf das Substrat 5 aufgewachsen wurde. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 muss nicht notwendigerweise ein Substrat 5 aufweisen, vielmehr kann dieses nach der Herstellung der Epitaxieschichtenfolge abgelöst sein.
  • Zur elektrischen Kontaktierung weist das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 zum Beispiel eine erste Elektrodenschicht 11 und eine zweite Elektrodenschicht 12 auf, wobei die erste Elektrodenschicht 11 beispielsweise an einer von dem Schichtenstapel abgewandten Rückseite des Substrats 5 und die zweite Elektrodenschicht 12 an einer dem Substrat 5 gegenüberliegenden Oberfläche des Schichtenstapels angeordnet sein kann. Alternativ sind auch andere Möglichkeiten zur Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 möglich. Zum Beispiel können beide Elektrodenschichten 11, 12 an der gleichen Hauptfläche des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 angeordnet sein.
  • Der Schichtenstapel des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 basiert auf einem Nitrid-Verbindungshalbleiter, d. h. die darin enthaltenen Halbeleiterschichten weisen III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialen, vorzugsweise AlxInyGa1-x-yN, auf, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt.
  • Die aktive Schicht 7 kann beispielsweise eine Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen. Der n-Typ-Halbleiterbereich 6 sowie die aktive Schicht 7 können jeweils aus mehreren Teilschichten gebildet sein, die zur Vereinfachung der Darstellung nicht einzeln dargestellt sind.
  • Der p-Typ-Halbleiterbereich 8 weist eine p-dotierte Schichtenfolge 13 auf, welche als Elektronenbarriere für in die aktive Schicht 7 injizierte Elektronen dient. Der p-Typ-Halbleiterbereich 14 kann zusätzlich zu der Schichtenfolge 13 eine oder mehrere weitere Schichten enthalten, zum Beispiel eine p-Typ Kontaktschicht 14.
  • Die p-dotierten Schichten 1, 2, 3 der Schichtenfolge 13 weisen jeweils ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mit der Zusammensetzung AlxInyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 auf. Eine der aktiven Schicht 7 nächstliegende erste p-dotierte Schicht 1 weist einen Aluminiumanteil x1 0,5 und eine Dicke von nicht mehr als 3 nm auf. Der ersten p-dotierten Schicht 1 folgen an einer von der aktiven Schicht 7 abgewandten Seite mindestens eine zweite p-dotierte Schicht 2 mit einem Aluminiumanteil x2 < x1 und eine dritte p-dotierte Schicht 3 mit einem Aluminiumanteil x3 < x2 nach.
  • Dadurch, dass die der aktiven Schicht 7 am nächsten liegende erste p-dotierte Schicht 1 der Schichtenfolge 13 einen vergleichsweise hohen Aluminiumanteil x1 ≥ 0,5 aufweist, weist die Schicht 1 eine vergleichsweise große elektronische Bandlücke auf. Vorzugsweise weist die erste p-dotierte Schicht 1 die größte elektronische Bandlücke innerhalb des Schichtenstapels des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 auf. Aufgrund der vergleichsweise großen elektronischen Bandlücke bildet die erste p-dotierte Schicht 1 eine effektive Barriere für Elektronen aus, die sich ausgehend von der aktiven Schicht 7 in Richtung zur zweiten Elektrodenschicht 12 ausbreiten, die insbesondere eine p-Elektrode ausbildet. Elektronen werden daher vorteilhaft in der aktiven Schicht 7 eingeschlossen, wodurch die Anzahl strahlender Rekombinationen in der aktiven Schicht 7 erhöht und somit die Effizienz des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 verbessert wird. Dadurch, dass die erste p-dotierte Schicht 1 zwar eine sehr große elektronische Bandlücke aufweist, aber andererseits mit einer Dicke von weniger als 3 nm sehr dünn ist, wird die Injektion von Löchern in die aktive Schicht 7 nicht wesentlich vermindert.
  • Der ersten p-dotierten Schicht 1 folgt in der Schichtenfolge 13 eine zweite p-dotierte Schicht 2 nach, die einen Aluminiumanteil x2 aufweist, der geringer als der Aluminiumanteil x1 in der ersten p-dotierten Schicht 1 ist. Weiterhin folgt der zweiten p-dotierten Schicht 2 eine dritte p-dotierten Schicht 3 nach, deren Aluminiumgehalt x3 kleiner ist als der Aluminiumgehalt x2 der zweiten p-dotierten Schicht 2. Mit anderen Worten nimmt der Aluminiumgehalt x in der Schichtenfolge 13 in einer von der aktiven Schicht 7 zur p-Elektrodenschicht 12 zeigenden Richtung stufenweise ab.
  • Besonders bevorzugt weist die erste p-dotierte Schicht 1 einen Aluminiumanteil x1 ≥ 0,8 auf. Die zweite p-dotierte Schicht 2 weist bevorzugt einen Aluminiumanteil x2 ≤ 0,4, besonders bevorzugt x2 ≤ 0,3 auf. Die Dicke der zweiten p-dotierten Schicht beträgt vorzugsweise weniger als 20 nm.
  • Die dritte p-dotierten Schicht 3 weist vorteilhaft einen Aluminiumanteil x3 ≤ 0,1 auf. Durch die stufenweise Verminderung des Aluminiumgehalts in der Schichtenfolge 13 werden durch Gitterfehlanpassung verursachte mechanische Spannungen und daraus resultierende piezoelektrischer Felder, welche Rekombinationen von Ladungsträgern außerhalb der aktiven Zone und somit optische Verluste bewirken könnten, vorteilhaft vermindert.
  • Bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 muss die erste p-dotierte Schicht 1 der p-dotierten Schichtenfolge 13 nicht unmittelbar an die aktive Schicht 7 angrenzen. Vielmehr kann zwischen der aktiven Schicht 7 und der ersten p-dotierten Schicht 1 eine Zwischenschicht 9 angeordnet sein, welche vorzugsweise undotiert ist oder nur eine sehr geringe Dotierstoffkonzentration von weniger als 5 × 1017 cm–3 aufweist. Die Zwischenschicht 9 kann beispielsweise eine p-Dotierung mit einer derart geringen Dotierstoffkonzentration aufweisen.
  • Im Gegensatz dazu weisen die p-dotierten Schichten 1, 2, 3 der Schichtenfolge 13 vorzugsweise eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 × 1018 cm–3, bevorzugt zwischen 1 × 1018 cm–3 und 1 × 1020 cm–3, auf. Die p-dotierten Schichten 1, 2, 3 können insbesondere Magnesium als p-Dotierstoff aufweisen.
  • In den 2 und 3 ist der Verlauf des Aluminiumgehalts x, der qualitativ dem Verlauf elektronischen Bandlücke Eg entspricht, in der Zwischenschicht 9 und den Schichten 1, 2, 3 der p-dotierten Schichtenfolge 13 schematisch entlang einer in Wachstumsrichtung des Schichtenstapels verlaufenden Ortskoordinate z dargestellt. Die Zwischenschicht 9 weist einen sehr geringen Aluminiumanteil x9 auf, für den vorzugsweise x9 ≤ 0,02 gilt. Darauf folgen bei dem Ausführungsbeispiel der 2 die erste p-dotierte Schicht 1 mit einem Aluminiumanteil x1 ≥ 0,5, bevorzugt x1 ≥ 0,8, die zweite p-dotierte Schicht 2 mit einem Aluminiumanteil x2 ≤ 0,4, bevorzugt x2 ≤ 0,3, und die dritte p-dotierte Schicht 3 mit einem Aluminiumanteil x3 ≤ 0,1.
  • Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 dadurch, dass der Aluminiumgehalt x2 in der zweiten p-dotierten Schicht 2 nicht konstant ist, sondern zumindest bereichsweise einen Gradienten aufweist. Es sind schematisch drei Varianten x2a, x2b und x2c für den Verlauf des Aluminiumgehalts x2 in der zweiten p-dotierten Schicht 2 dargestellt. Bei der Variante x2a vermindert sich der Aluminiumgehalt ausgehend von der ersten p-dotierten Schicht 1 in einem ersten Bereich kontinuierlich und ist dann in einem nachfolgenden Teilbereich konstant. Bei der Variante x2b fällt der Aluminiumgehalt in der zweiten p-dotierten Schicht 2 kontinuierlich vom Wert x1 in der ersten p-dotierten Schicht 1 auf einen geringeren Wert an der Grenzfläche zur dritten p-dotierten Schicht 3 ab. Bei der Variante x2c fällt der Aluminiumgehalt in der zweiten p-dotierten Schicht 2 ebenfalls ausgehend von der ersten p-dotierten Schicht 1 zur dritten p-dotierten Schicht 3 hin kontinuierlich ab, wobei aber der Endwert an der Grenzfläche zur dritten p-dotierten Schicht 3 größer als bei der Variante x2b ist.
  • In 4 ist die Injektionseffizienz IE in Abhängigkeit von der Stromdichte CD für ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer ersten p-dotierten Schicht 1 aus Al0,80In0,20N und einer zweiten p-dotierten Schicht 2 aus Al0,30Ga0,70N (Kurve 15), bei einem weiteren optoelektronischen Halbleiterbauelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer ersten p-dotierten Schicht 1 aus Al0,99In0,01N und einer zweiten p-dotierten Schicht 2 aus A0,30Ga0,70N (Kurve 16) sowie für ein herkömmliches optoelektronisches Bauelement mit einer einfachen Elektronenbarriereschicht aus Al0,30Ga0,70N (Kurve 17) dargestellt. Es wird deutlich, dass sich die Injektionseffizienz bei den optoelektronischen Halbleiterbauelementen gemäß dem Ausführungsbeispiel insbesondere bei großen Stromdichten gegenüber dem herkömmlichen optoelektronischen Halbleiterbauelement verbessert.
  • In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterbauelements schematisch im Querschnitt dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwischen der ersten p-dotierten Schicht 1 und der zweiten p-dotierten Schicht 2 der Schichtenfolge 13 eine vierte p-dotierte Schicht 4 angeordnet ist. Die vierte p-dotierte Schicht 4 ist wie die erste p-dotierte Schicht 1 vorzugsweise eine sehr dünne Schicht und weist bevorzugt eine Dicke von nicht mehr als 4 nm auf. Durch die zusätzliche Schicht 4 kann der Verlauf der elektronischen Bandstruktur in der Schichtenfolge 13 noch weiter zur Verbesserung der Injektionseffizienz und zur Reduzierung piezoelektrischer Felder optimiert werden.
  • Das in 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht ansonsten dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel.
  • Beispielhafte Verläufe für den Aluminiumgehalt x und die dazu korrespondierende elektronische Bandlücke Eg bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind in den 6 bis 8 dargestellt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 weist die vierte p-dotierten Schicht 9 einen Aluminiumanteil x4 auf, der geringer ist als der Aluminiumanteil x1 der ersten p-dotierten Schicht und der Aluminiumanteil x2 der zweiten p-dotierten Schicht. Es wäre alternativ aber auch denkbar, dass die vierte p-dotierte Schicht 4 einen Aluminiumanteil x1 aufweist, der noch größer als der Aluminiumanteil x1 in der ersten p-dotierten Schicht 1 ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 entspricht der Verlauf des Aluminiumgehalts x2 und der elektronischen Bandlücke in der zweiten p-dotierten Schicht 2 und der dritten p-dotierten Schicht 3 dem in 2 dargestellten Beispiel.
  • Ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel der 3 kann auch bei der Ausführungsform mit der zusätzlichen vierten p-dotierten Schicht 9 die zweite p-dotierte Schicht 2 einen Gradienten des Aluminiumgehalts x2 aufweisen. Ein solches Beispiel ist in 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist wie bei dem Ausführungsbeispiel der 6 eine vierte p-dotierte Schicht 4 mit einem Aluminiumgehalt x4 zwischen der ersten p-dotierten Schicht 1 und der zweiten p-dotierten Schicht 2 angeordnet, wobei der Verlauf des Aluminiumgehalts x2 in der zweiten p-dotierten Schicht 2 und des Aluminiumgehalts x3 in der dritten p-dotierten Schicht 3 den in der 3 dargestellten Varianten entspricht.
  • Das Ausführungsbeispiel der 8 unterscheidet sich von dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die vierte p-dotierte Schicht 4 einen Gradienten des Aluminiumgehalts x4 aufweist. Insbesondere fällt der Aluminiumgehalt x4 innerhalb der vierten p-dotierten Schicht 4 ausgehend von der ersten p-dotierten Schicht 1 zunächst kontinuierlich bis zu einem Minimum ab, in dem der Aluminiumgehalt x4 kleiner als der Aluminiumgehalt x2 in der zweiten p-dotierten Schicht 2 ist. Nach dem Minimum steigt der Aluminiumgehalt x4 in der vierten p-dotierten Schicht 4 wieder kontinuierlich bis zum Wert des Aluminiumgehalts x2 in der zweiten p-dotierten Schicht 2 an.
  • 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 (15)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10), umfassend einen auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierenden Schichtenstapel, der einen n-Typ-Halbleiterbereich (6), einen p-Typ-Halbleiterbereich (8) und eine zwischen dem n-Typ-Halbleiterbereich (6) und dem p-Typ Halbleiterbereich (8) angeordnete aktive Schicht (7) aufweist, wobei – der p-Typ Halbleiterbereich (8) zur Ausbildung einer Elektronenbarriere eine Schichtenfolge (13) mit mehreren p-dotierten Schichten (1, 2, 3, 4) aus AlxInyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist, – die Schichtenfolge (13) eine erste p-dotierte Schicht (1) mit einem Aluminiumanteil x1 ≥ 0,5 und einer Dicke von nicht mehr als 3 nm aufweist, und – der ersten p-dotierten Schicht (1) an einer von der aktiven Schicht (7) abgewandten Seite mindestens eine zweite p-dotierte Schicht (2) mit einem Aluminiumanteil x2 < x1 und eine dritte p-dotierte Schicht (3) mit einem Aluminiumanteil x3 < x2 nachfolgen.
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die erste p-dotierte Schicht (1) einen Aluminiumanteil x1 ≥ 0,8 aufweist.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite p-dotierte Schicht (2) einen Aluminiumanteil x2 ≤ 0,4 aufweist.
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, wobei die zweite p-dotierte Schicht (2) einen Aluminiumanteil x2 ≤ 0,3 aufweist.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite p-dotierte Schicht (2) zumindest in einem Teilbereich einen Gradienten des Aluminiumgehalts x2 aufweist, wobei der Aluminiumgehalt x2 in Richtung zur dritten p-dotierten Schicht (3) hin abnimmt.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite p-dotierte Schicht (2) eine Dicke von weniger als 20 nm aufweist.
  7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte p-dotierte Schicht (3) einen Aluminiumanteil x3 ≤ 0,1 aufweist.
  8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten p-dotierten Schicht (1) und der zweiten p-dotierten Schicht (2) eine vierte p-dotierte Schicht (4) angeordnet ist, die eine Dicke von weniger als 4 nm aufweist.
  9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei die vierte p-dotierte Schicht (4) einen Aluminiumgehalt x4 aufweist, wobei x4 < x1 und x4 < x2 gilt.
  10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vierte p-dotierte Schicht (4) einen Gradienten des Aluminiumgehalts x4 aufweist, wobei der Aluminiumgehalt x4 in der vierten p-dotierten Schicht (4) ein Minimum aufweist, in dem x4 < x1 und x4 < x2 gilt.
  11. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die p-dotierten Schichten (1, 2, 3, 4) einen Indiumgehalt y ≤ 0,1 aufweisen.
  12. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die p-dotierten Schichten (1, 2, 3, 4) eine Dotierstoffkonzentration von 1 × 1018 cm–3 bis 1 × 1020 cm–3 aufweisen.
  13. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der aktiven Schicht (7) und der Schichtenfolge (13) eine Zwischenschicht (9) angeordnet ist, welche undotiert ist oder eine Dotierstoffkonzentration von nicht mehr als 5 × 1017 cm–3 aufweist.
  14. Optoelektronisches Halbleiterbauelement Anspruch 13, wobei die Zwischenschicht (9) AlxInyGa1-x-yN mit 0 ≤ x 0,02 und 0 ≤ y ≤ 0,1 aufweist.
  15. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Zwischenschicht (9) einen Indium-Gehalt y < 0,05 aufweist.
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