DE102013107969B4 - Optoelektronischer Halbleiterchip - Google Patents

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Abstract

Optoelektronischer Halbleiterchip (10), umfassend:
- einen p-Typ-Halbleiterbereich (4),
- einen n-Typ-Halbleiterbereich (6),
- eine zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich (4) und dem n-Typ-Halbleiterbereich (6) angeordnete aktive Schicht (5), die als Mehrfach-Quantentopfstruktur (7) ausgebildet ist, wobei die Mehrfach-Quantentopfstruktur (7) eine Mehrzahl von abwechselnden Quantentopfschichten (71) und Barriereschichten (72, 73) aufweist,
wobei mindestens eine Barriereschicht, welche näher an dem p-Typ-Halbleiterbereich (4) als an dem n-Typ-Halbleiterbereich (6) angeordnet ist, eine Hochbarriereschicht (73) ist, die eine elektronische Bandlücke Ehb aufweist, die größer ist als eine elektronische Bandlücke Eb der übrigen Barriereschichten (72), und wobei zumindest eine Quantentopfschicht (74), welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandten Seite an die mindestens eine Hochbarriereschicht (73) angrenzt, eine elektronische Bandlücke Elw aufweist, welche geringer ist als eine Bandlücke Ew der übrigen Quantentopfschichten (71), und/oder eine Dicke aufweist, welche größer ist als die Dicke der übrigen Quantentopfschichten (71).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip, der eine als Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildete aktive Schicht aufweist.
  • Optoelektronische Halbleiterchips mit einer Mehrfach-Quantentopfstruktur sind aus den Druckschriften US 2009 / 0 045 392 A1 und DE 694 11 364 T2 bekannt.
  • Bei strahlungsemittierenden optoelektronischen Halbleiterchips wie beispielsweise LED-Chips oder Laserdiodenchips ist die Emission von Strahlung in der Regel von der Betriebstemperatur abhängig. Typischerweise ist eine Verminderung der Effizienz der Strahlungserzeugung mit zunehmender Temperatur zu beobachten. Die verminderte Effizienz der Strahlungserzeugung kann bei sehr hohen Betriebstemperaturen zu einer deutlichen Verminderung der Helligkeit führen. Beispielsweise kann bei strahlungsemittierenden Halbleiterchips, die ein InGaAlP-Halbleitermaterial enthalten und im Wellenlängenbereich von 550 nm bis 640 nm emittieren, bei einer Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf eine Temperatur von etwa 100 °C eine Verminderung der Helligkeit von bis zu 80 Prozent auftreten, wenn keine geeigneten Maßnahmen zur Stabilisierung der Strahlungsemission getroffen werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen strahlungsemittierenden optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der sich durch eine verminderte Temperaturabhängigkeit der Strahlungsemission auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst einen p-Typ-Halbleiterbereich, einen n-Typ-Halbleiterbereich und eine zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich und dem n-Typ-Halbleiterbereich angeordnete aktive Schicht, die als Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet ist. Die Mehrfach-Quantentopfstruktur weist eine Mehrzahl von abwechselnden Quantentopfschichten und Barriereschichten auf, wobei die Barriereschichten eine größere elektronische Bandlücke als die Quantentopfschichten aufweisen.
  • Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip ist mindestens eine der Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur, welche näher an dem p-Typ-Halbleiterbereich als an dem n-Typ-Halbleiterbereich angeordnet ist, eine Hochbarriereschicht. Unter einer Hochbarriereschicht wird hier und im Folgenden eine Barriereschicht verstanden, die eine elektronische Bandlücke Ehb aufweist, die größer ist als eine elektronische Bandlücke Eb der übrigen Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur. Mit anderen Worten weisen die Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur mit Ausnahme der mindestens einen Hochbarriereschicht jeweils eine elektronische Bandlücke Eb auf, wobei die elektronische Bandlücke in einer oder mehreren Hochbarriereschichten, welche näher an dem p-Typ-Halbleiterbereich als an dem n-Typ-Halbleiterbereich angeordnet sind, auf einen Wert Ehb > Eb erhöht ist. Zur Erzielung der größeren elektronischen Bandlücke Ehb der mindestens einen Hochbarriereschicht weist die mindestens eine Hochbarriereschicht vorteilhaft eine Materialzusammensetzung auf, die sich von der Materialzusammensetzung der übrigen Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur unterscheidet. Die übrigen Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur, die nicht als Hochbarriereschicht ausgebildet sind, weisen vorteilhaft jeweils die gleiche Materialzusammensetzung und die gleiche elektronische Bandlücke Eb auf.
  • Das Einfügen der mindestens einen Hochbarriereschicht in einem Bereich der Mehrfach-Quantentopfstruktur, welcher dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandt ist, hat den Vorteil, dass die Hochbarriereschicht als Ladungsträgerbarriere insbesondere für Löcher wirkt. Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass es für Löcher schwieriger ist, die Hochbarriereschicht zu passieren, als für Elektronen. Die von dem p-Typ-Halbleiterbereich in die Mehrfach-Quantentopfstruktur injizierten Löcher können sich daher nicht ungehindert in der gesamten Mehrfach-Quantentopfstruktur verteilen, sondern sammeln sich vorzugsweise in der Quantentopfschicht oder den mehreren Quantentopfschichten, die zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich und der mindestens einen Hochbarriereschicht angeordnet sind. Durch diese ungleichmäßige Verteilung der Löcher in der Mehrfach-Quantentopfstruktur vermindert sich die Effizienz der Strahlungserzeugung insbesondere bei niedrigen Temperaturen wie zum Beispiel bei Raumtemperatur. Bei höheren Temperaturen ist es dagegen für die Löcher leichter, die Hochbarriereschicht in dem dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandten Bereich der Mehrfach-Quantentopfstruktur zu passieren. Die Löcher verteilen sich mit zunehmender Temperatur gleichmäßiger in der Mehrfach-Quantentopfstruktur, so dass Ladungsträgerrekombinationen zur Erzeugung von Strahlung in einem größeren Bereich der Mehrfach-Quantentopfstruktur stattfinden. Die Verminderung der Effizienz der Strahlungserzeugung durch die mindestens eine Hochbarriereschicht ist aus diesem Grund umso geringer, je höher die Temperatur ist.
  • Eine Verminderung der Effizienz der Strahlungserzeugung bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Raumtemperatur, durch die mindestens eine in die Quantentopstruktur eingefügte Hochbarriereschicht wird bei der hierin beschriebenen Mehrfach-Quantentopfstruktur bewusst in Kauf genommen, um der bei strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen typischerweise beobachteten verminderten Effizienz bei zunehmenden Temperaturen entgegenzuwirken. Typischerweise nimmt die Effizienz von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen mit zunehmender Temperatur ab, da der Einschluss der Ladungsträger in der aktiven Zone aufgrund der größeren Beweglichkeit der Ladungsträger schlechter wird und somit zunehmende Verluste in Form von nicht-strahlenden Rekombinationen außerhalb der aktiven Schicht auftreten. Das Einfügen der mindestens einen Hochbarriereschicht in einen dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandten Bereich der Mehrfach-Quantentopfstruktur bewirkt einen gegenläufigen Effekt, durch den sich die Effizienz der Strahlungserzeugung mit zunehmender Temperatur erhöht. Auf diese Weise wird eine üblicherweise beobachtete Verringerung der Helligkeit mit zunehmender Temperatur vermindert oder vorzugsweise sogar kompensiert. Der optoelektronische Halbleiterchip zeichnet sich daher durch eine verbesserte Temperaturstabilität der Helligkeit der emittierten Strahlung aus.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die mindestens eine Hochbarriereschicht eine elektronische Bandlücke Ehb auf, für die gilt: Ehb - Eb ≥ 0,05 eV. Die Materialzusammensetzung der Hochbarriereschicht ist also bevorzugt derart gewählt, dass die Hochbarriereschicht eine um mindestens 0,05 eV größere elektronische Bandlücke als die übrigen Barriereschichten aufweist. Bei einer besonders bevorzugten Variante ist die elektronische Bandlücke Ehb der mindestens einen Hochbarriereschicht sogar um 0,1 eV größer als die elektronische Bandlücke der übrigen Barriereschichten.
  • Die Mehrfach-Quantentopfstruktur weist vorzugsweise nicht mehr als 10 Hochbarriereschichten auf. Die Anzahl der Hochbarriereschichten in der Mehrfach-Quantentopfstruktur beträgt bevorzugt zwischen 1 und 10, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5.
  • Bei einer Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterchips sind ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich die ersten k Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur Hochbarriereschichten, wobei k eine Zahl zwischen 1 und 10 und besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Mehrfach-Quantentopfstruktur genau eine Hochbarriereschicht auf. Mit Ausnahme der genau einen Hochbarriereschicht weisen vorzugsweise alle übrigen Barriereschichten jeweils die gleiche Bandlücke Eb auf. Das Einfügen genau einer Hochbarriereschicht hat den Vorteil, dass die Effizienz der Strahlungserzeugung bei Raumtemperatur weniger stark vermindert wird als bei der Verwendung mehrerer Hochbarriereschichten.
  • Bei der Verwendung genau einer Hochbarriereschicht ist diese vorzugsweise zwischen einer Quantentopfschicht, welche ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich die m-te Quantentopfschicht ist, und der unmittelbar benachbarten Quantentopfschicht angeordnet ist, wobei m eine Zahl zwischen 1 und 20, bevorzugt zwischen 1 und 10 ist. Mit anderen Worten sind bei dieser Ausgestaltung zwischen 1 und 20, bevorzugt zwischen 1 und 10 Quantentopfschichten zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich und der Hochbarriereschicht angeordnet, und alle übrigen Quantentopfschichten zwischen der Hochbarriereschicht und dem n-Typ-Halbleiterbereich. Bei niedrigen Betriebstemperaturen sammeln sich die Löcher daher bevorzugt in den m Quantentopfschichten zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich und der Hochbarriereschicht.
  • Bei dieser Ausgestaltung kann insbesondere m = 1 sein. In diesem Fall ist die Hochbarriereschicht zwischen der ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich ersten Quantentopfschicht und zweiten Quantentopfschicht angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung wird also nur die äußerste Quantentopfschicht der Mehrfach-Quantentopfstruktur mittels der Hochbarriereschicht von den übrigen Quantentopfschichten separiert.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung weist die Mehrfach-Quantentopfstruktur nicht nur eine Hochbarriereschicht, sondern mehrere Hochbarriereschichten auf, welche näher an dem p-Typ-Halbleiterbereich als an dem n-Typ-Halbleiterbereich angeordnet sind. Bei der Verwendung mehrerer Hochbarriereschichten muss möglicherweise eine noch stärkere Verminderung der Effizienz bei Raumtemperatur in Kauf genommen werden, wobei dies aber die Möglichkeit bietet, noch größere Abfälle der Helligkeit bei hohen Temperaturen zu vermindern oder sogar zu kompensieren. Somit ergibt sich gegenüber einer Mehrfach-Quantentopfstruktur ohne Hochbarriereschichten eine zwar deutlich verminderte Helligkeit bei Raumtemperatur, die aber eine wesentlich verbesserte Temperaturstabilität aufweist.
  • Die Mehrfach-Quantentopfstruktur kann auf einem Phosphidverbindungshalbleiter, insbesondere InxAlyGa1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, basieren und beispielsweise zur Emission von Strahlung im Wellenlängenbereich von 550 nm bis 640 nm vorgesehen sein. Bei optoelektronischen Halbleiterchips mit einer derartigen aktiven Schicht ist die mindestens eine Hochbarriereschicht besonders vorteilhaft, da solche optoelektronischen Halbleiterchips typischerweise eine starke Temperaturabhängigkeit der emittierten Helligkeit aufweisen, die mittels der mindestens einen Hochbarriereschicht vermindert oder sogar kompensiert werden kann.
  • Alternativ kann die Mehrfach-Quantentopfstruktur auf einem Nitridverbindungshalbleiter, insbesondere InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, basieren, und beispielsweise zur Emission im ultravioletten oder blauen Spektralbereich vorgesehen sein. Weiterhin kann die Mehrfach-Quantentopfstruktur auch auf einem Arsenidverbindungshalbleiter, insbesondere InxAlyGa1-x-yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, basieren und für eine Emission im roten und/oder infraroten Spektralbereich, zum Beispiel bei etwa 700 nm bis 800 nm, vorgesehen sein.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die mindestens eine Hochbarriereschicht und die übrigen Barriereschichten jeweils InxAlyGa1-x-yP, InxAlyGa1-x-yN oder InxAlyGa1-x-yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 uns x + y ≤ 1 auf, wobei der Aluminiumgehalt y der mindestens einen Hochbarriereschicht größer als der Aluminiumgehalt y der übrigen Barriereschichten ist. Der größere Aluminiumgehalt bewirkt vorteilhaft eine Vergrößerung der elektronischen Bandlücke der Hochbarriereschicht im Vergleich zu den übrigen Barriereschichten.
  • Die Anzahl der übrigen Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur, die nicht als Hochbarriereschicht ausgeführt sind und jeweils die gleiche elektronische Bandlücke Eb aufweisen, beträgt vorteilhaft mindestens 10, bevorzugt mindestens 20. Die Anzahl der übrigen Barriereschichten kann insbesondere zwischen 10 und 100 betragen. Die Anzahl der übrigen Barriereschichten ist vorteilhaft mindestens 5 mal und besonders bevorzugt mindestens 10 mal so groß wie die Anzahl der Hochbarriereschichten mit der erhöhten Bandlücke.
  • Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip weist zumindest eine Quantentopfschicht, welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandten Seite an die mindestens eine Hochbarriereschicht angrenzt, eine elektronische Bandlücke Elw auf, welche geringer als die Bandlücke Ew der übrigen Quantentopfschichten ist. Es hat sich herausgestellt, dass in einer Quantentopfschicht, welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandten Seite an die mindestens eine Hochbarriereschicht angrenzt, aufgrund der Barrierewirkung eine sehr hohe Ladungsträgerdichte entsteht. Dies kann dazu führen, dass Ladungsträgerrekombinationen auch aus höher angeregten Zuständen erfolgen, wobei durch solche Rekombinationen Strahlung mit größerer Energie und somit kürzerer Wellenlänge emittiert wird. Eine dadurch bewirkte Verschiebung des Emissionsspektrums zu einer kürzeren Wellenlänge hin kann vorteilhaft dadurch vermindert oder sogar ganz kompensiert werden, dass die an die mindestens eine Hochbarriereschicht angrenzende Quantentopfschicht eine geringere Bandlücke als die übrigen Quantentopfschichten aufweist.
  • Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit, den Effekt einer Verschiebung des Emissionsspektrums zu einer kürzeren Wellenlänge hin zu vermindern oder zu kompensieren, besteht darin, dass zumindest eine Quantentopfschicht, welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandten Seite an die mindestens eine Hochbarriereschicht angrenzt, eine größere Dicke aufweist als die übrigen Quantentopfschichten. Ähnlich wie die Verringerung der elektronischen Bandlücke führt auch eine Vergrößerung der Dicke der Quantentopfschicht zu einer Vergrößerung der emittierten Wellenlänge und somit zu einer Verminderung oder Kompensation des unerwünschten Effekts.
  • Der optoelektronische Halbleiterchip wird im Folgenden anhand von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen (3 und 4) und zusätzlichen Beispielen (1, 2, 5 und 6), die nicht sämtliche Merkmale der Erfindung aufweisen, näher erläutert. Beispiele, die nicht sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, sind kein Bestandteil der vorliegenden Erfindung, obwohl sie zum Teil in der Beschreibung als „Ausführungsbeispiele“ bezeichnet sind. Sie sind lediglich Beispiele, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich sind.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
    • 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
    • 5 eine graphische Darstellung der elektronischen Bandlücke in Abhängigkeit von einer in senkrechter Richtung verlaufenden Ortskoordinate z bei einem fünften Ausführungsbeispiel, und
    • 6 eine graphische Darstellung der relativen Helligkeit B(T)/ B(T=25°C) in Abhängigkeit von der Temperatur T bei einem optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einem herkömmlichen optoelektronischen Halbleiterchip.
  • 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.
  • Der in 1 dargestellte optoelektronische Halbleiterchip 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein LED-Chip, der einen p-Typ-Halbleiterbereich 4, einen n-Typ-Halbleiterbereich 6 und eine zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 und dem n-Typ-Halbleiterbereich 6 angeordnete zur Emission von Strahlung geeignete aktive Schicht 5 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips 10 handelt es sich um einen sogenannten Dünnfilm-Halbleiterchip, von dem ein ursprünglich zum epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichten 4, 5, 6 verwendetes Aufwachssubstrat abgelöst wurde und stattdessen die Halbleiterschichtenfolge mittels einer Verbindungsschicht 2, insbesondere einer Lotschicht, mit einem vom Aufwachssubstrat verschiedenen Trägersubstrat 1 verbunden wurde. Bei einem solchen Dünnfilm-Leuchtdiodenchip 10 ist der p-Typ-Halbleiterbereich 4 in der Regel dem Trägersubstrat 1 zugewandt. Zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 und dem Trägersubstrat 1 ist vorteilhaft eine Spiegelschicht 3 angeordnet, welche vorteilhaft in Richtung des Trägersubstrats 1 emittierte Strahlung in Richtung zu einer Strahlungsaustrittsfläche 11 des optoelektronischen Halbleiterchips hin umlenkt. Die Spiegelschicht 3 ist beispielsweise eine Metallschicht, die Ag, Al oder Au enthält.
  • Zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips 10 können beispielsweise eine erste Kontaktschicht 8 an einer Rückseite des Trägersubstrats 1 und eine zweite Kontaktschicht 9 auf einem Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche 11 vorgesehen sein.
  • Der p-Typ-Halbleiterbereich 4 und der n-Typ-Halbleiterbereich 6 können jeweils aus mehreren Teilschichten aufgebaut sein und müssen nicht notwendigerweise ausschließlich aus p-dotierten Schichten oder n-dotierten Schichten bestehen, sondern können beispielsweise auch eine oder mehrere undotierte Schichten aufweisen.
  • Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der optoelektronische Halbleiterchip 10 auch eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, das heißt, es könnte der n-Typ-Halbleiterbereich 6 einem Substrat und der p-Typ-Halbleiterbereich 4 einer Strahlungsaustrittsfläche 11 des optoelektronischen Halbleiterchips zugewandt sein (nicht dargestellt). Dies ist in der Regel bei optoelektronischen Halbleiterchips der Fall, bei denen das zum epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichten verwendete Aufwachssubstrat nicht abgelöst wird, da in der Regel der n-Typ-Halbleiterbereich zuerst auf das Aufwachssubstrat aufgewachsen wird.
  • Die zur Emission von Strahlung vorgesehene aktive Schicht 5 des optoelektronischen Halbleiterchips 10 ist als Mehrfach-Quantentopfstruktur 7 ausgebildet. Die Mehrfach-Quantentopfstruktur 7 weist eine Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Quantentopfschichten 71 und Barriereschichten 72, 73 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Mehrfach-Quantentopfstruktur 7 einhundert Schichtpaare aus jeweils einer Quantentopfschicht 71 und einer Barriereschicht 72, 73 auf. Die Quantentopfschichten 71 weisen jeweils eine elektronische Bandlücke Ew auf. Ausgehend von dem n-Typ-Halbleiterbereich 6 des optoelektronischen Halbleiterchips 10 weisen die ersten 98 Barriereschichten jeweils eine elektronische Bandlücke Eb auf.
  • Die beiden dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 am nächsten liegenden Barriereschichten 73 sind jeweils als Hochbarriereschicht 73 ausgeführt, die eine größere elektronische Bandlücke Ehb aufweisen als die übrigen Barriereschichten 72. Hierzu unterscheiden sich die Hochbarriereschichten 73 in der Materialzusammensetzung von den übrigen Barriereschichten 72. Die größere elektronische Bandlücke EhW der Hochbarriereschichten 73 kann insbesondere dadurch erzeugt sein, dass die Hochbarriereschichten 73 einen größeren Aluminiumanteil als die übrigen Barriereschichten 72 aufweisen. Beispielsweise können die Hochbarriereschichten 73 In0.5Al0.5P und die übrigen Barriereschichten 72 In0.5Ga0.25Al0.25P aufweisen.
  • Aufgrund der erhöhten elektronischen Bandlücke Ehb wirken die Hochbarriereschichten 73 insbesondere als Barriere für Löcher und erschweren das Eindringen von Löchern aus dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 in den dem n-Typ-Halbleiterbereich 6 zugewandten Teil der Quantentopfstruktur 7. Beim Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips 10 ist die Konzentration von Löchern daher in den Quantentopfschichten 71, welche an die dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 zugewandten Grenzflächen der Hochbarriereschichten 73 angrenzen, höher als in den übrigen 98 Quantentopfschichten 71 der Mehrfach-Quantentopfstruktur 7. Insbesondere bei niedrigen Betriebstemperaturen entsteht dadurch eine ungleichmäßige Ladungsträgerverteilung in der Mehrfach-Quantentopfstruktur 7, welche die Effizienz der Strahlungserzeugung vermindert.
  • Bei höheren Betriebstemperaturen können die Hochbarriereschichten 73 leichter von den Löchern passiert werden, so dass die Ladungsträgerverteilung mit zunehmender Temperatur gleichmäßiger wird. Auf diese Weise erhöht sich die Effizienz der Strahlungserzeugung mit zunehmender Temperatur. Dieser Effekt vermindert oder kompensiert vorteilhaft den gegenläufigen Effekt, dass die Effizienz der Strahlungserzeugung in der aktiven Schicht 5 mit zunehmender Temperatur aufgrund eines schlechteren Einschlusses der Ladungsträger in der Mehrfach-Quantentopfstruktur 7 abnimmt, wie es typischerweise bei strahlungsemittierenden Halbleiterchips beobachtet wird. Der optoelektronische Halbleiterchip 10 zeichnet sich daher durch eine verbesserte Temperaturstabilität der emittierten Helligkeit aus.
  • Der in 1 dargestellte optoelektronische Halbleiterchip 10 ist zum Beispiel zur Emission bei einer Wellenlänge von 590 nm vorgesehen. Es hat sich herausgestellt, dass sich die Helligkeit bei Raumtemperatur aufgrund der beiden Hochbarriereschichten 73 um etwa 15 Prozent im Vergleich zu einem ansonsten identischen Halbleiterchip vermindert, bei dem alle einhundert Barriereschichten 72 aus In0.5Ga0.25Al0.25P gebildet sind. Bei einer Betriebstemperatur von 100 °C emittiert der optoelektronische Halbleiterchip 10 aber die gleiche Helligkeit wie ein ansonsten identischer herkömmlicher Halbleiterchip, bei dem alle Barriereschichten die gleiche elektronische Bandlücke aufweisen. Die relative Änderung der Helligkeit mit der Betriebstemperatur ist daher bei dem optoelektronischen Halbleiterchip 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel geringer als bei dem Vergleichsbeispiel, bei dem alle Barriereschichten die gleiche elektronische Bandlücke aufweisen.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 10 dargestellt, der zur Emission bei einer Wellenlänge von 615 nm vorgesehen ist. Der optoelektronische Halbleiterchip 10 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1 dadurch, dass die als aktive Schicht 5 fungierende Mehrfach-Quantentopfstruktur 7 fünfzig Schichtpaare aus Quantentopfschichten 71 und Barriereschichten 72, 73 aufweist. Im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich 4 nur die erste Barriereschicht 73 als Hochbarriereschicht 73 ausgeführt. Die Hochbarriereschicht 73 enthält In0.5Al0.5P und weist daher eine größere elektronische Bandlücke auf als die 49 übrigen Barriereschichten 72, die jeweils In0.5Ga0.25Al0.25P aufweisen.
  • Dadurch, dass die ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich 4 erste Barriereschicht als Hochbarriereschicht 73 ausgeführt ist, reduziert sich die Helligkeit des optoelektronischen Halbleiterchips 10 bei Raumtemperatur um etwa 17 Prozent im Vergleich zu einem ansonsten identischen optoelektronischen Halbleiterchip, bei dem alle Barriereschichten die gleiche elektronische Bandlücke aufweisen. Die relative Verminderung der Helligkeit bei einer Temperaturerhöhung auf 100 °C beträgt bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 40 Prozent anstelle von 50 Prozent bei einem herkömmlichen Halbleiterchip, der Barriereschichten mit gleicher elektronischer Bandlücke aufweist. Der relative Helligkeitsverlust zwischen Raumtemperatur und einer Betriebstemperatur von 100 °C reduziert sich somit vorteilhaft bei dem Ausführungsbeispiel um 20 Prozent gegenüber einem herkömmlichen Halbleiterchip.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorteile des in 2 dargestellten optoelektronischen Halbleiterchips 10 entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel und werden daher nicht nochmals näher erläutert.
  • In 3 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 10 dargestellt, bei dem es sich um eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 1 handelt. Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch, dass die beiden Quantentopfschichten 74, welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 zugewandten Seite an die beiden Hochbarriereschichten 73 angrenzen, eine elektronische Bandlücke Elw aufweisen, welche geringer ist als die Bandlücke Ew der übrigen Quantentopfschichten 71. Dies ist vorteilhaft, da sich herausgestellt hat, dass die Hochbarriereschichten 73 eine erhöhte Konzentration von Löchern in den in Richtung des p-Typ-Halbleiterbereichs 4 angrenzenden Quantentopfschichten 74 bewirken. Aufgrund der hohen Ladungsträgerkonzentration in diesen Quantentopfschichten 74 erfolgen strahlungserzeugende Ladungsträgerrekombinationen auch aus höher angeregten Zuständen, wodurch energiereichere Strahlung mit kürzerer Wellenlänge emittiert wird. Dieser Effekt wird dadurch vermindert oder sogar kompensiert, dass die elektronische Bandlücke Elw der Quantentopfschichten 74, welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 zugewandten Seite an die Hochbarriereschichten 73 angrenzen, im Vergleich zu den übrigen Quantentopfschichten 71 vermindert ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorteile des in 3 dargestellten optoelektronischen Halbleiterchips 10 entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel und werden daher nicht nochmals näher erläutert.
  • In 4 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 10 dargestellt, bei dem es sich um eine Abwandlung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels handelt. Das Ausführungsbeispiel der 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 dadurch, dass die Quantentopfschicht 75, welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 zugewandten Seite an die Hochbarriereschicht 73 angrenzt, eine Dicke d2 aufweist, welche größer als die Dicke d1 der übrigen Quantentopfschichten 71 ist. Die Vergrößerung der Dicke der an die Hochbarriereschicht 73 angrenzenden Quantentopfschicht 75 stellt eine Alternative zu der in 3 gezeigten Möglichkeit dar, die Emissionswellenlänge der in der Quantentopfschicht 75 emittierten Strahlung zu verringern, um einen gegenläufigen Effekt durch Ladungsträgerrekombinationen aus höher angeregten Zuständen zu vermindern oder ganz zu kompensieren. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen entspricht das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • In 5 ist der Verlauf der elektronischen Bandlücke Eg in Abhängigkeit von einer in senkrechter Richtung verlaufenden Ortskoordinate z bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips 10 dargestellt. Es handelt sich um einen zur Emission bei einer Wellenlänge von 615 nm vorgesehenen Halbleiterchip, der auf dem Materialsystem InGaAlP basiert und wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel fünfzig Schichtpaare aus abwechselnden Quantentopfschichten und Barriereschichten aufweist. Die ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich erste Barriereschicht ist als Hochbarriereschicht 73 geführt, die eine wesentlich größere elektronische Bandlücke aufweist als die übrigen Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur. Die Funktion der Hochbarriereschicht 73 und die sich daraus ergebenden Vorteile entsprechen den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen und werden daher an dieser Stelle nicht nochmals näher erläutert.
  • Alternativ zu dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wäre es auch möglich, die Hochbarriereschicht 73 nicht nach der ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich 4 ersten Quantentopfschicht anzuordnen, sondern erst nach mehreren Quantentopfschichten. Insbesondere kann die Hochbarriereschicht 73 zwischen einer Quantentopfschicht, welche ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich die m-te Quantentopfschicht ist, und der unmittelbar benachbarten Quantentopfschicht angeordnet werden, wobei m eine Zahl zwischen 1 und 20, bevorzugt zwischen 1 und 10 ist.
  • In 6 ist die gemessene relative Helligkeit B(T)/ B(T=25°C) für einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (Kurve 12) im Vergleich zu einem herkömmlichen Halbleiterchip (Kurve 13) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T dargestellt. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen auf dem Halbleitermaterial InGaAlP basierenden Leuchtdiodenchip mit einer Mehrfach-Quantentopfstruktur, die 100 Schichtpaare aus Quantentopfschichten und Barriereschichten aufweist, wobei die ausgehend von dem p-Typ-Halbleiterbereich ersten 10 Barriereschichten als Hochbarriereschichten ausgeführt sind, die eine größere elektronische Bandlücke als die übrigen 90 Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen. Bei dem Vergleichsbeispiel eines herkömmlichen Halbleiterchips handelt es sich um einen ansonsten gleich aufgebauten Halbleiterchip, bei dem alle 100 Barriereschichten die gleiche elektronische Bandlücke aufweisen.
  • Bei einer niedrigen Temperatur T verringern die Hochbarriereschichten des Ausführungsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterchips die emittierte Helligkeit, da der Ladungsträgertransport von Löchern in die 90 Quantentopfschichten, die den Hochbarriereschichten in Richtung zu dem n-Typ-Halbleiterbereich hin nachfolgen, reduziert ist. Dieser Effekt nimmt mit zunehmender Temperatur T ab, da die Ladungsträger mit zunehmender Temperatur eine größere Beweglichkeit aufweisen und somit die Hochbarriereschichten leichter passieren können. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip gemäß dem Ausführungsbeispiel nimmt die Helligkeit mit zunehmender Temperatur daher weniger ab als bei dem herkömmlichen Halbleiterchip. Beispielsweise ist die Verminderung der Helligkeit bei einer Temperatur von T = 100 °C um etwa 7 Prozent geringer als bei dem herkömmlichen Halbleiterchip.

Claims (13)

  1. Optoelektronischer Halbleiterchip (10), umfassend: - einen p-Typ-Halbleiterbereich (4), - einen n-Typ-Halbleiterbereich (6), - eine zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich (4) und dem n-Typ-Halbleiterbereich (6) angeordnete aktive Schicht (5), die als Mehrfach-Quantentopfstruktur (7) ausgebildet ist, wobei die Mehrfach-Quantentopfstruktur (7) eine Mehrzahl von abwechselnden Quantentopfschichten (71) und Barriereschichten (72, 73) aufweist, wobei mindestens eine Barriereschicht, welche näher an dem p-Typ-Halbleiterbereich (4) als an dem n-Typ-Halbleiterbereich (6) angeordnet ist, eine Hochbarriereschicht (73) ist, die eine elektronische Bandlücke Ehb aufweist, die größer ist als eine elektronische Bandlücke Eb der übrigen Barriereschichten (72), und wobei zumindest eine Quantentopfschicht (74), welche an einer dem p-Typ-Halbleiterbereich zugewandten Seite an die mindestens eine Hochbarriereschicht (73) angrenzt, eine elektronische Bandlücke Elw aufweist, welche geringer ist als eine Bandlücke Ew der übrigen Quantentopfschichten (71), und/oder eine Dicke aufweist, welche größer ist als die Dicke der übrigen Quantentopfschichten (71).
  2. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Hochbarriereschicht (73) eine Bandlücke Ehb aufweist, für die gilt: Ehb - Eb ≥ 0,05 eV.
  3. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrfach-Quantentopfstruktur (7) nicht mehr als 10 Hochbarriereschichten (73) aufweist.
  4. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 3, wobei ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich die ersten k Barriereschichten Hochbarriereschichten sind, wobei k eine Zahl zwischen 1 und 10 ist.
  5. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrfach-Quantentopfstruktur (7) genau eine Hochbarriereschicht (73) aufweist.
  6. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 5, wobei die Hochbarriereschicht (73) zwischen einer Quantentopfschicht (71), welche ausgehend vom p-Typ-Halbleiterbereich die m-te Quantentopfschicht (71) ist, und der unmittelbar benachbarten Quantentopfschicht (71) angeordnet ist, wobei m eine Zahl zwischen 1 und 20 ist.
  7. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 6, wobei m = 1 ist.
  8. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mehrfach-Quantentopfstruktur (7) mehrere Hochbarriereschichten (73) aufweist, welche näher an dem p-Typ-Halbleiterbereich (4) als an dem n-Typ-Halbleiterbereich (6) angeordnet sind.
  9. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Hochbarriereschicht (73) und die übrigen Barriereschichten (72) jeweils InxAlyGa1-x-yP, InxAlyGa1-x-yN oder InxAlyGa1-x-yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen, und wobei der Aluminiumgehalt y der mindestens einen Hochbarriereschicht (73) größer ist als der Aluminiumgehalt y der übrigen Barriereschichten (72) .
  10. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der übrigen Barriereschichten (72) mindestens 10 beträgt.
  11. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 10, wobei die Anzahl der übrigen Barriereschichten (72) mindestens 20 beträgt.
  12. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der übrigen Barriereschichten (72) mit der Bandlücke Eb mindestens 5 mal so groß ist wie die Anzahl der Hochbarriereschicht(en) (73) mit der erhöhten Bandlücke Ehb.
  13. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der übrigen Barriereschichten (72) mit der Bandlücke Eb mindestens 10 mal so groß ist wie die Anzahl der Hochbarriereschicht(en) (73) mit der erhöhten Bandlücke Ehb.
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