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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip, insbesondere einen im infraroten Spektralbereich emittierenden LED-Chip.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen strahlungsemittierenden optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der sich durch eine verbesserte Langzeitstabilität auszeichnet. Insbesondere soll eine durch Alterung des optoelektronischen Halbleiterchips bedingte Abnahme der Strahlungsemission nach langer Betriebsdauer verringert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst gemäß zumindest einer Ausgestaltung 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 (MWQ-Multiple Quantum Well) ausgebildet ist.
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Die Mehrfach-Quantentopfstruktur weist Quantentopfschichten und Barriereschichten auf, wobei die Barriereschichten eine größere Bandlücke als die Quantentopfschichten aufweisen. Insbesondere kann die Mehrfach-Quantentopfstruktur eine Mehrzahl von Schichtpaaren aufweisen, die jeweils eine Quantentopfschicht und eine Barriereschicht aufweisen oder daraus bestehen. Die Anzahl der Schichtpaare in der Mehrfach-Quantentopfstruktur beträgt vorzugsweise zwischen 3 und 20.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantentopfschichten ein III-Arsenidverbindungshalbleitermaterial auf, wobei die Materialkomponente der Gruppe III des Periodensystems einen Aluminiumgehalt von mindestens 1 Atomprozent und höchstens 20 Atomprozent aufweist. Insbesondere können die Quantentopfschichten InxAlyGa1-x-yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen, wobei für den Aluminiumgehalt y der Quantentopfschichten gilt: 0,01 ≤ y ≤ 0,2.
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Es hat sich herausgestellt, dass sich die Alterungsstabilität des optoelektronischen Halbleiterchips durch einen Aluminiumgehalt y im Bereich zwischen 0,01 und 0,2 verbessert. Insbesondere wurde festgestellt, dass bei optoelektronischen Halbleiterchips, bei denen die Quantentopfstruktur einen Aluminiumgehalt im Bereich zwischen 0,01 und 0,2 aufweist, die Alterungsstabilität im Vergleich zu Quantentopfstrukturen, bei denen die Quantentopfschichten keinen Aluminiumgehalt aufweisen und zum Beispiel InGaAs oder GaAs aufweisen, verbessert ist. Dies zeigt sich insbesondere dadurch, dass bei Quantentopfstrukturen mit Quantentopfschichten aus InGaAs ohne Aluminiumgehalt bei einer Betriebsdauer von typischerweise mehr als 105 s eine Verminderung der Helligkeit der emittierten Strahlung auftreten kann. Bei untersuchten Quantentopfstrukturen, die für die gleiche Emissionswellenlänge optimiert wurden und einen Aluminiumgehalt zwischen 0,01 und 0,2 aufwiesen, tritt dagegen auch bei Betriebsdauer von mehr als 105 s im Wesentlichen keine Verminderung der Helligkeit auf.
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Gemäß zumindest einer Ausgestaltung beträgt der Aluminiumgehalt der Quantentopfschichten vorteilhaft y ≥ 0,04, bevorzugt y ≥ 0,06 und besonders bevorzugt y ≥ 0,08.
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Da eine Erhöhung des Aluminiumgehalts y im Materialsystem InxAlyGa1-x-yAs eine Vergrößerung der Bandlücke bewirkt, würde sich die Schwerpunktwellenlänge λ der emittierten Strahlung vermindern, wenn dieser Effekt nicht durch geeignete Maßnahmen kompensiert würde. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement die Dicke der Quantentopfschichten erhöht, um trotz der Erhöhung des Aluminiumgehalts in den Quantentopfschichten eine vorgegebene Schwerpunktwellenlänge der emittierten Strahlung zu erzielen. Die Erhöhung der Dicke der Quantentopfschichten bewirkt eine Verminderung des Einschlusspotentials in den Quantentopfschichten, d.h. der Einfluss von Einschluss (Confinement) auf die Energieniveaus in den Quantentopfschichten wird vermindert. Auf diese Weise wird einer Erhöhung der Bandlücke durch den Aluminiumgehalt entgegengewirkt. Vorzugsweise beträgt eine Dicke dqw der Quantentopfschichten mindestens 4,0 nm, besonders bevorzugt mindestens 7,0 nm.
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Beispielsweise kann ein optoelektronischer Halbleiterchip, bei dem die Schwerpunktwellenlänge der emittierten Strahlung λ = 850 nm beträgt, Quantentopfschichten mit einem Aluminiumgehalt y = 0,08 und einer Dicke dqw = 7,0 aufweisen. Die gleiche Schwerpunktwellenlänge könnte mit einem nicht erfindungsgemäßen Halbleiterchip, der Quantentopfschichten mit einer Dicke dqw = 4,5 nm ohne Aluminiumgehalt aufweist, erzielt werden. Mit anderen Worten wird die Dicke der Quantentopschichten bei der hierin beschriebenen Mehrfach-Quantentopfstruktur im Vergleich zu einer Mehrfach-Quantentopfstruktur ohne Aluminiumgehalt bei gleicher vorgegebener Schwerpunktwellenlänge erhöht. Bevorzugt ist die Dicke der Quantentopfschichten um mindestens 1,0 nm, bevorzugt um mindestens 2,5 nm größer als bei einer Mehrfach-Quantentopfstruktur ohne Aluminiumgehalt in den Quantentopfschichten, welche die gleiche Schwerpunktwellenlänge aufweist.
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Alternativ oder zusätzlich zur Vergrößerung der Dicke der Quantentopfschichten ist es möglich, die durch den Aluminiumgehalt in den Quantentopfschichten bewirkte Vergrößerung der Bandlücke durch einen Indiumgehalt x > 0 in den Quantentopfschichten zu kompensieren. Eine Erhöhung des Indiumgehalts x im Materialsystem InxAlyGa1-x-yAs bewirkt eine Verkleinerung der Bandlücke. Vorzugsweise weisen die Quantentopfschichten einen Indium-Gehalt x ≥ 0,07, besonders bevorzugt x ≥ 0,14 auf.
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Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip werden vorteilhaft sowohl der Aluminiumgehalt als auch der Indiumgehalt in den Quantentopfschichten erhöht, um die Alterungsstabilität zu erhöhen, ohne dass sich die Schwerpunktwellenlänge zu einer kleineren Wellenlänge hin verschiebt. Mit anderen Worten werden der Aluminiumgehalt y und der Indiumgehalt x der Quantentopfschichten auf Kosten des Galliumgehalts 1-x-y erhöht. Der Galliumgehalt 1-x-y beträgt vorzugsweise 0,90 oder weniger, bevorzugt 0,85 oder weniger, besonders bevorzugt 0,80 oder weniger.
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Die Quantentopfschichten können insbesondere einen größeren Indiumgehalt als die Barriereschichten aufweisen. Bevorzugt weisen die Barriereschichten kein Indium auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Barriereschichten AlwGa1-wAszP1-z mit 0 < w < 1 und 0 < z < 1 auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der optoelektronische Halbleiterchip ein im infraroten Spektralbereich emittierender LED-Chip. Der optoelektronische Halbleiterchip kann insbesondere eine Schwerpunktwellenlänge zwischen 750 nm 1000 nm aufweisen, bevorzugt zwischen 800 nm und 950 nm. Beispielsweise kann die Schwerpunktwellenlänge 850 nm oder 940 nm betragen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
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2A eine graphische Darstellung der relativen Helligkeit I/I0 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer für einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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2B eine graphische Darstellung der relativen Helligkeit I/I0 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer für einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel,
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3A eine graphische Darstellung der relativen Helligkeit I/I0 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer für einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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3B eine graphische Darstellung der relativen Helligkeit I/I0 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer für einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel,
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4A eine graphische Darstellung der relativen Helligkeit I/I0 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer für einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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4B eine graphische Darstellung der relativen Helligkeit I/I0 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer für einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel.
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Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Der in 1 dargestellte optoelektronische Halbleiterchip 10 gemäß einem 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.
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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 9 des optoelektronischen Halbleiterchips hin umlenkt. Die Spiegelschicht 3 ist beispielsweise eine Metallschicht, die Ag, Al oder Au enthält.
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Zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips 10 können beispielsweise eine erste Kontaktschicht 7 an einer Rückseite des Trägersubstrats 1 und eine zweite Kontaktschicht 8 auf einem Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche 9 vorgesehen sein.
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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.
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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 9 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.
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Die zur Emission von Strahlung vorgesehene aktive Schicht 5 des optoelektronischen Halbleiterchips 10 ist als Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet. Die Mehrfach-Quantentopfstruktur weist eine Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A und Barriereschichten 51B, 52B, 53B auf. Die Barriereschichten 51B, 52B, 53B weisen jeweils eine Bandlücke Eb auf, die größer als eine Bandlücke Eqw der Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A ist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Mehrfach-Quantentopfstruktur drei Schichtpaare 51, 52, 53 aus jeweils einer Quantentopfschicht 51A, 52A, 53A und einer Barriereschicht 51B, 52B, 53B auf. Die Anzahl der Schichtpaare kann auch größer als bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sein. Beispielsweise kann die Anzahl der Schichtpaare 51, 52, 53 zwischen einschließlich 3 und einschließlich 20 betragen.
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Die Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A weisen vorteilhaft ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial auf, bei dem die Materialkomponente der Gruppe III des Periodensystems zumindest 1 Atomprozent und höchstens 20 Atomprozent Aluminium aufweist. Insbesondere können die Quantentopfschichten InxAlyGa1-x-yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0,01 ≤ y < 0,2 und x + y ≤ 1 aufweisen. Dadurch, dass die Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A einen Aluminiumgehalt y zwischen einschließlich 0,01 und einschließlich 0,2 aufweisen, wird vorteilhaft einer Verminderung der Helligkeit der emittierten Strahlung nach langer Betriebsdauer entgegengewirkt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass sich die Helligkeit der emittierten Strahlung bei der Verwendung von Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A mit einem Aluminiumgehalt zwischen 0,01 und 0,2 auch bei Betriebsdauer von beispielsweise mehr als 105 Sekunden nicht wesentlich vermindert, während bei Mehrfach-Quantentopfstrukturen mit Quantentopfschichten aus InGaAs ohne Aluminiumgehalt nach sehr langer Betriebsdauer eine Verminderung der Helligkeit im Vergleich zur Ausgangshelligkeit zu beachten ist.
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Um eine Verschiebung der Emissionswellenlänge durch eine Erhöhung des Aluminiumgehalts in den Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A zu vermeiden, sind bei dem optoelektronischen Halbleiterchip 10 vorteilhaft die Dicken dqw der Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A im Vergleich zu einem optoelektronischen Halbleiterchip gleicher Emissionswellenlänge mit Quantentopfschichten ohne Aluminiumgehalt erhöht. Beispielsweise wird die Dicke dqw der Quantentopfschichten für eine vorgegebene Emissionswellenlänge um mindestens 1,0 nm, vorzugsweise um mindestens 2,5 nm im Vergleich zu einer Quantentopfstruktur Quantentopfschichten ohne Aluminiumgehalt erhöht. Vorzugsweise beträgt die Dicke dqw der Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A mindestens 4,0 nm, besonders bevorzugt mindestens 7,0 nm. Durch die Vergrößerung der Dicke dqw der Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A wird das Einschlusspotenzial in den Quantentöpfen vermindert und auf diese Weise die Vergrößerung der Bandlücke durch den Aluminiumgehalt zumindest teilweise oder vorzugsweise ganz kompensiert.
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Alternativ oder zusätzlich zur Vergrößerung Dicke dqw kann der Indiumanteil x in den Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A im Vergleich zu einem optoelektronischen Halbleiterchip gleicher Emissionswellenlänge mit Quantentopfschichten ohne Aluminiumgehalt erhöht sein, um eine Vergrößerung der Bandlücke der Quantentopfschichten durch den Aluminiumgehalt zu kompensieren. Beispielsweise wird der Indiumgehalt der Quantentopfschichten für eine vorgegebene Emissionswellenlänge um mindestens 0,02, vorzugsweise um mindestens 0,04 im Vergleich zu einer Quantentopfstruktur Quantentopfschichten ohne Aluminiumgehalt erhöht. Vorzugsweise beträgt der Indiumgehalt x der Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A mindestens 0,07, Besonders bevorzugt mindestens 0,14.
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In dem Arsenidverbindungshalbleitermaterial der Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A werden insbesondere der Aluminiumgehalt und der Indiumgehalt auf Kosten des Galliumgehalts erhöht. Vorzugsweise beträgt der Galliumgehalt der Quantentopfschichten 51A, 52A, 53A weniger als 0,90, bevorzugt 0,85 oder weniger, besonders bevorzugt 0,80 oder weniger.
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Die Barriereschichten 51B, 52B, 53B der Mehrfach-Quantentopfstruktur weisen vorzugsweise AlwGa1-wAszP1-z mit 0 < w < 1 und 0 < z < 1 auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Barriereschichten 51B, 52B, 53B kein Indium aufweisen. Die Barriereschichten können insbesondere AlwGa1-wAszP1-z mit 0 ≤ w ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1, vorzugsweise mit 0 < w < 1 und 0 < z < 1, aufweisen.
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Die folgenden 2 bis 4 verdeutlichen den Effekt des Aluminiumgehalts in den Quantentopfschichten auf die Alterungsstabilität des optoelektronischen Halbleiterchips. Dargestellt ist jeweils die relative Helligkeit I/I0, die gleich dem Quotienten aus der gemessenen Helligkeit I und der gemessenen Anfangshelligkeit I0 ist, in Abhängigkeit von der Zeit t für Ausführungsbeispiele des optoelektronischen Halbleiterchips (2A, 3A, 4A) und nicht erfindungsgemäße Vergleichsbeispiele (2B, 3B, 4B). Da die Alterung von optoelektronischen Halbleiterchips statistischen Schwankungen unterliegt, wurde die Messung der relativen Helligkeit jeweils für mehrere im Aufbau identische Halbleiterchips der Ausführungsbeispiele und Vergleichsbeispiele durchgeführt, insbesondere für mindestens 10 Halbleiterchips und bis zu 30 Halbleiterchips. Die mehreren Messkurven sind in den grafischen Darstellungen der Messergebnisse jeweils überlagert.
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2A zeigt die Messkurven für ein Ausführungsbeispiel, bei dem es sich um einen IR-Leuchtdiodenchip mit einer Schwerpunktwellenlänge λ = 940 nm handelt. Der Leuchtdiodenchip des Ausführungsbeispiels weist Quantentopfschichten mit einem Aluminiumgehalt y = 0,04 auf.
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Bei der Messung wurden die Leuchtdiodenchips mit einer Stromstärke von 1,0 mA betrieben.
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2B zeigt die relative Helligkeit I/I0 eines nicht erfindungsgemäßen ersten Vergleichsbeispiels eines optoelektronischen Halbleiterchips in Abhängigkeit von der Zeit t. Der optoelektronische Halbleiterchip des ersten Vergleichsbeispiels ist ein IR-Leuchtdiodenchip, der ebenfalls eine Schwerpunktwellenlänge λ = 940 nm aufweist. Anders als der IR-Leuchtdiodenchip des ersten Ausführungsbeispiels weisen die Quantentopfschichten bei dem Vergleichsbeispiel aber keinen Aluminiumgehalt auf, sondern sind aus InGaAs gebildet. Der Vergleich zeigt, dass sich die relative Helligkeit I/I0 bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach einer Betriebsdauer von mehr als 105 s oder mehr als 106 s nicht wesentlich ändert, während bei dem Vergleichsbeispiel eine Verminderung der Helligkeit auftritt.
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3A zeigt den zeitlichen Verlauf der relativen Helligkeit I/I0 eines zweiten Ausführungsbeispiels des optoelektronischen Halbleiterchips. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip handelt es sich um einen IR-Leuchtdiodenchip mit einer Schwerpunktwellenlänge von etwa 850 nm, wobei der Aluminiumgehalt in den Quantentopfschichten y = 0,08 beträgt. Zum Vergleich zeigt 3B den zeitlichen Verlauf der relativen Helligkeit I/I0 eines zweiten nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiels, das ebenfalls eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 850 nm aufweist, wobei die Quantentopfschichten aber kein Aluminium enthalten. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass sich die relative Helligkeit bei dem Vergleichsbeispiel mit zunehmender Betriebsdauer stärker vermindert als bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Quantentopfschichten einen Aluminiumgehalt von 8 % aufweisen.
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4A zeigt den zeitlichen Verlauf der relativen Helligkeit I/I0 eines zweiten Ausführungsbeispiels des optoelektronischen Halbleiterchips. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip handelt es sich um einen IR-Leuchtdiodenchip mit einer Schwerpunktwellenlänge von etwa 810 nm, wobei der Aluminiumgehalt in den Quantentopfschichten y = 0,08 beträgt. Zum Vergleich zeigt 3B den zeitlichen Verlauf der relativen Helligkeit I/I0 eines dritten nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiels, das ebenfalls eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 810 nm aufweist, wobei die Quantentopfschichten aber kein Aluminium enthalten. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass sich die relative Helligkeit zumindest bei einigen der getesteten Halbleiterchips bei dem Vergleichsbeispiel mit zunehmender Betriebsdauer stärker vermindert als bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Quantentopfschichten einen Aluminiumgehalt von 8 % aufweisen.
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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.
