DE102016117477A1

DE102016117477A1 - Halbleiterschichtenfolge

Info

Publication number: DE102016117477A1
Application number: DE102016117477.7A
Authority: DE
Inventors: Werner Bergbauer; Joachim Hertkorn
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-03-22
Also published as: WO2018050466A1; KR20190025706A; US20190267511A1; KR102233927B1; CN109690793B; JP6735409B2; US10720549B2; JP2019525474A; CN109690793A

Abstract

In einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge (2) auf AlInGaN und ist für einen optoelektronischen Halbleiterchip (1) vorgesehen und weist die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge auf, von einer n-leitenden n-Seite (20) her gesehen:
– eine Vorbarriereschicht (21) aus AlGaN,
– einen Vorquantentopf (23) aus InGaN mit einer ersten Bandlücke, der nicht zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist,
– eine Multiquantentopfstruktur (3) mit mehreren sich abwechselnden Hauptquantentöpfen (32) aus InGaN mit einer zweiten Bandlücke und Hauptbarriereschichten (31) aus AlGaN oder AlInGaN, wobei die zweite Bandlücke größer als die erste Bandlücke ist und die Hauptquantentöpfe (32) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 490 nm eingerichtet sind, und
– eine Elektronenblockierschicht (29) aus AlGaN, wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Vorbarriereschicht (21) um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Hauptbarriereschichten (31).

Description

Es wird eine Halbleiterschichtenfolge angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine hochqualitative Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Halbleiterschichtenfolge mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN. Das heißt, die einzelnen Schichten der Halbleiterschichtenfolge sind aus Al_xIn_yGa_1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ x + y < 1. Dabei können zusätzlich Dotierstoffe wie Silizium oder Magnesium vorhanden sein. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, In, Ga und N, aufgeführt, selbst wenn diese durch geringe Mengen anderer Elemente ersetzt sein können. Insbesondere werden nachfolgend Verunreinigungen oder Beimengungen nicht berücksichtigt, wenn diese einen Anteil an AlInGaN von höchstens 0,1 Masse-% ausmachen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine Vorbarriereschicht. Die Vorbarriereschicht ist aus AlGaN. Dabei liegt ein Aluminiumgehalt der Vorbarriereschicht bevorzugt bei mindestens 2 % oder 20 % und/oder bei höchstens 50 % oder 40 % oder 30 %. Insbesondere liegt der Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 20 % und 30 %. Die Vorbarriereschicht ist bevorzugt frei von Indium. In diesem Zusammenhang stehen die Prozentangaben für die Indizes x, y in Al_xIn_yGa_1-x-yN. Ein Aluminiumgehalt von beispielsweise 30 % bedeutet, dass x = 0,30, entsprechendes gilt hinsichtlich y für den Indiumgehalt.
Optional ist es möglich, dass die Vorbarriereschicht geringe Mengen an Indium aufweist und damit aus Al_xIn_yGa_1-x-yN ist. In diesem Fall gelten die oben genannten Werte für Aluminium im Falle einer AlGaN-Vorbarriereschicht in gleicher Weise. Der Indiumgehalt liegt bevorzugt bei höchstens 1 % oder 0,5 % oder 0,2 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Vorbarriereschicht eine Dicke von mindestens 1 nm oder 2,5 nm und/oder von höchstens 4 nm oder 10 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke der Vorbarriereschicht zwischen einschließlich 2,5 nm und 3,5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge einen Vorquantentopf. Der Vorquantentopf ist aus InGaN gebildet. Der Vorquantentopf weist eine erste Bandlücke auf, der eine erste Emissionsenergie zuordenbar ist. Es ist möglich, dass der Vorquantentopf im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Halbleiterschichtenfolge nicht zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist. Das heißt, in diesem Fall wird in dem Vorquantentopf im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Halbleiterschichtenfolge keine Strahlung oder kein signifikanter Strahlungsanteil generiert und der Vorquantentopf kann als dunkler Quantentopf bezeichnet werden. Alternativ ist es möglich, dass der Vorquantentopf, etwa bei einer anderen Wellenlänge als die Hauptquantentöpfe, zur Strahlungserzeugung beiträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Vorquantentopf einen Indiumgehalt von mindestens 0,2 % oder 1 % oder 2 % auf oder ist alternativ frei von Indium. Alternativ oder zusätzlich liegt der Indiumgehalt des Vorquantentopfes bei höchstens 6 % oder 15 %. Insbesondere beträgt der Indiumgehalt zwischen einschließlich 4 % und 5,5 %. Besonders bevorzugt ist der Vorquantentopf frei von Aluminium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Vorquantentopf eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,2 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 3,4 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke des Vorquantentopfs zwischen einschließlich 2,4 nm und 2,8 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine Multiquantentopfstruktur. Die Multiquantentopfstruktur beinhaltet mehrere sich abwechselnde Hauptquantentöpfe und Hauptbarriereschichten. Dabei sind die Hauptquantentöpfe bevorzugt aus InGaN und die Hauptbarriereschichten bevorzugt aus AlGaN oder AlInGaN gebildet. Die Hauptquantentöpfe weisen eine zweite Bandlücke entsprechend einer zweiten Emissionsenergie auf, die größer als oder gleich der ersten Bandlücke des Vorquantentopfs ist. Die Hauptquantentöpfe sind zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 365 nm oder 375 nm oder 385 nm und/oder von höchstens 490 nm oder 410 nm oder 395 nm eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe mindestens 0,2 % oder 2 % oder 4 % oder es sind die Hauptquantentöpfe alternativ frei von Indium. Alternativ oder zusätzlich liegt der Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe bei höchstens 5 % oder 15 %. Insbesondere liegt der Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe zwischen einschließlich 5 % und 6,5 %. Die Hauptquantentöpfe sind besonders bevorzugt frei von Aluminium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Hauptquantentöpfe eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,2 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 3,4 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke der Hauptquantentöpfe zwischen einschließlich 2,4 nm und 2,8 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Hauptbarriereschichten einen Aluminiumgehalt von mindestens 2 % oder 10 % und/oder von höchstens 20 % oder 30 % auf. Insbesondere liegt der Aluminiumgehalt der Hauptbarriereschichten zwischen einschließlich 12 % und 18 %. Bevorzugt sind die Hauptbarriereschichten frei von Indium, können aber auch einen geringen Indiumanteil von höchstens 1 % oder 0,5 % oder 0,2 % aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Hauptbarriereschichten eine Dicke von mindestens 0,5 nm oder 0,9 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 2,3 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke der Hauptbarriereschichten zwischen einschließlich 1,5 nm und 2 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine Elektronenblockierschicht. Die Elektronenblockierschicht ist aus AlGaN gebildet und kann frei von Indium sein oder einen kleinen Indium-Anteil, beispielsweise höchstens 0,5 % oder 1 % oder 2 %, aufweisen. Eine Dicke der Elektronenblockierschicht beträgt bevorzugt mindestens 6 nm oder 8 nm oder 10 nm und/oder höchstens 20 nm oder 15 nm oder 12 nm. Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Aluminiumgehalt oder ein mittlerer Aluminiumgehalt der Elektronenblockierschicht bei mindestens 15 % oder 20 % oder 30 % und/oder bei höchstens 80 % oder 70 % oder 60 % liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Vorbarriereschicht um mindestens einen Faktor 1,3 größer als ein Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Hauptbarriereschichten oder der nächstgelegenen Hauptbarriereschicht. Bevorzugt liegt dieser Faktor bei mindestens 1,5 oder 2 oder 2,5 oder 3. Weiterhin ist es möglich, dass dieser Faktor bei höchstens 7 oder 5 oder 4 liegt.
In mindestens einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN und ist für einen optoelektronischen Halbleiterchip, insbesondere eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, vorgesehen. Die Halbleiterschichtenfolge weist die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge auf, von einer n-leitenden n-Seite her gesehen:

– eine Vorbarriereschicht aus AlGaN,
– einen Vorquantentopf aus InGaN mit einer ersten Bandlücke,
– eine Multiquantentopfstruktur mit mehreren sich abwechselnden Hauptquantentöpfen aus InGaN mit einer zweiten Bandlücke und Hauptbarriereschichten aus AlGaN oder AlInGaN, wobei die zweite Bandlücke größer als die erste Bandlücke oder gleich der ersten Bandlücke ist und die Hauptquantentöpfe zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 490 nm eingerichtet sind, und
– einer Elektronenblockierschicht aus AlGaN, wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Vorbarriereschicht um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Hauptbarriereschichten oder der nächstgelegenen Hauptbarriereschicht.

Speziell für Leuchtdioden für den UVA-Spektralbereich führt ein zu hoher Aluminiumgehalt bei gleichzeitig reduziertem Indiumgehalt in den optisch aktiven Schichten, insbesondere in den Quantenfilmen oder Quantentöpfen, zu tensil verspannten Schichtstapeln. Dies kann beispielsweise zu einer Rissbildung und damit zu Qualitätsproblemen führen, insbesondere bei substratlosen Dünnfilmleuchtdioden.
Des Weiteren ist zu beachten, dass ein Ladungsträgertransport und ein Ladungsträgereinfangen an den Quantentrögen durch die Zugabe von Aluminium in den Barrieren zwischen den Quantentrögen eingestellt werden muss. Zu hohe Aluminiumkonzentrationen wirken sich nachteilig auf eine homogene Ladungsträgerverteilung in der Mehrfachquantentopfstruktur aus. Ist der Aluminiumgehalt zu niedrig, nehmen insbesondere bei hohen Stromdichten und bei höheren Temperaturen nicht strahlende Verluste aufgrund einer zu geringen Ladungsträgereinfangrate zu. Dabei ist es möglich, dass sowohl Elektronen als auch Löcher die Multiquantentopfstruktur verlassen, um anschließend in angrenzenden Schichten nichtstrahlend zu rekombinieren.
Die hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge weist eine Kombination aus der Vorbarriereschicht und dem Vorquantentopf und bevorzugt auch aus einer Nachbarriereschicht und einem Nachquantentopf auf. Die Vorbarriereschicht, die Nachbarriereschicht, der Vorquantentopf und der Nachquantentopf befinden sich im direkten Umfeld der Multiquantentopfstruktur. Durch den höheren Aluminiumgehalt und/oder die größere Dicke der Vorbarriereschicht und/oder der Nachbarriereschicht wären aufgrund von piezoelektrischen Feldern Übergangsenergien, entsprechend Bandlücken, direkt angrenzender Quantentöpfe energetisch niedriger, was zu einer ungleichmäßigen Ladungsträgerverteilung innerhalb der Quantentöpfe führen würde.
Aufgrund dessen sind bei der hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge die direkt an die Multiquantentopfstruktur und an die Vorbarriereschicht und die Nachbarriereschicht angrenzenden Vorquantentöpfe und Nachquantentöpfe mit weniger Indium und/oder einer geringeren Schichtdicke gewachsen. Alternativ können diese bei geeignet großem piezoelektrischem Effekt auch dünner bei vergleichbarem Indiumgehalt sein. Zudem weisen die Hauptbarriereschichten zwischen den Hauptquantentöpfen eine geringere Dicke und/oder einen geringeren Aluminiumgehalt auf als die Vorbarriereschicht und die Nachbarriereschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Indiumgehalt und/oder eine Dicke des Vorquantentopfs kleiner als ein Indiumgehalt und/oder eine Dicke der Hauptquantentöpfe. Beispielsweise unterscheiden sich der Indiumgehalt und/oder die Dicke um mindestens 5 % oder 10 % und/oder um höchstens 40 % oder 25 % voneinander, bezogen auf die Dicke und/oder den Indiumgehalt der Hauptquantentöpfe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließt sich in Richtung weg von der n-Seite an die Multiquantentopfstruktur ein Nachquantentopf an. Der Nachquantentopf weist eine dritte Bandlücke auf, die kleiner ist als die zweite Bandlücke der Hauptquantentöpfe. Der Nachquantentopf kann genauso gestaltet sein wie der Vorquantentopf, sodass die dritte Bandlücke gleich der ersten Bandlücke sein kann. Die obigen Angaben hinsichtlich Dicke, Indiumgehalt und Aluminiumgehalt zum Vorquantentopf gelten daher in gleicher Weise für den Nachquantentopf. Alternativ ist es möglich, dass der Vorquantentopf und der Nachquantentopf voneinander verschieden gestaltet sind.
Insbesondere ist der Nachquantentopf frei von Aluminium und liegt dessen Indiumgehalt bei mindestens 0,2 % oder 1 % und/oder bei höchstens 6 % oder 15 % oder ist frei von Indium. Insbesondere beträgt der Indiumgehalt zwischen einschließlich 4 % und 5,5 %. Zum Beispiel weist der Nachquantentopf eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,2 nm und/oder von höchstens 5 nm oder 3,4 nm auf. Insbesondere liegt die Dicke des Vorquantentopfs zwischen einschließlich 2,4 nm und 2,8 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt der Multiquantentopfstruktur in Richtung weg von der n-Seite eine Nachbarriereschicht nach. Die Nachbarriereschicht ist aus AlGaN oder AlInGaN hergestellt. Die Nachbarriereschicht kann genauso gestaltet sein wie die Vorbarriereschicht. Die oben genannten Ausführungen hinsichtlich Dicke, Zusammensetzung und Bandlücke zur Vorbarriereschicht gelten bevorzugt genauso für die Nachbarriereschicht. Bevorzugt folgt die Nachbarriereschicht auf den Nachquantentopf, sodass sich der Nachquantentopf zwischen der Multiquantentopfstruktur und der Nachbarriereschicht befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt in Richtung weg von der n-Seite die Elektronenblockierschicht der Nachbarriereschicht nach. Dabei weist die Elektronenblockierschicht für Elektronen bevorzugt eine um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 3 und/oder um höchstens einen Faktor 10 oder 6 oder 4 größere Dicke auf als die Nachbarriereschicht. Bevorzugt ist auch die Barrierenhöhe der Elektronenblockierschicht mindestens gleich, besonders bevorzugt um zumindest einen Faktor 1,25 oder 1,5 oder 2 höher als die der Nachbarriereschicht. Mit anderen Worten blockiert die Elektronenblockierschicht Elektronen stärker als die Nachbarriereschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der Elektronenblockierschicht und der Nachbarriereschicht eine Abstandsschicht. Bevorzug grenzt die Abstandsschicht direkt an die Elektronenblockierschicht und/oder an die Nachbarriereschicht. Die Abstandsschicht ist aus GaN oder InGaN oder AlGaN oder AlInGaN. Bevorzugt liegt eine Dicke der Abstandsschicht bei mindestens 5 nm oder 8 nm und/oder bei höchstens 20 nm oder 15 nm oder 12 nm. Ein Aluminiumgehalt der Abstandsschicht liegt bevorzugt bei höchstens 5 % oder 2 % oder 0,5 % oder die Abstandsschicht ist frei von Aluminium. Ein Indiumgehalt der Abstandsschicht liegt bevorzugt bei höchstens 5 % oder 2 % oder 1 % und/oder bei mindestens 0,5 % oder 1 %, alternativ ist die Abstandsschicht frei von Indium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Elektronenblockierschicht mehrstufig gestaltet. Alternativ ist es möglich, dass die Elektronenblockierschicht aus mehreren voneinander beabstandeten Teilschichten zusammengesetzt ist. Ein Aluminiumgehalt oder ein mittlerer Aluminiumgehalt der Elektronenblockierschicht beträgt bevorzugt mindestens 15 %. Es ist möglich, dass in Richtung weg von der n-Seite der Aluminiumgehalt in den Teilschichten der Elektronenblockierschicht oder für die Elektronenblockierschicht insgesamt betrachtet monoton oder streng monoton abfällt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Aluminiumgehalt innerhalb der Vorbarriereschicht und/oder der Hauptbarriereschichten und/oder der Nachbarriereschicht konstant, insbesondere im Rahmen der Herstellungstoleranzen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Indiumgehalt in dem Vorquantentopf, den Hauptquantentöpfen und dem Nachquantentopf konstant ist, wiederum im Rahmen der Herstellungstoleranzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich an einer oder an beiden Seiten des Vorquantentopfes eine Konditionierungsschicht. Eine Dicke der Konditionierungsschicht liegt bevorzugt bei mindestens 0,1 nm oder 1 nm und/oder bei höchstens 5 nm oder 2 nm, insbesondere zwischen einschließlich 1,6 nm und 2 nm. Die Konditionierungsschicht basiert bevorzugt auf GaN. Alternativ ist es möglich, dass die Konditionierungsschicht geringe Mengen an Indium aufweist, beispielsweise höchstens 2 % oder 1 %, insbesondere zwischen einschließlich 0,1 % und 0,3 %. Die Konditionierungsschicht kann frei von Aluminium sein.
Alternativ ist es möglich, dass die Konditionierungsschicht Aluminium enthält. Dabei liegt der Aluminiumgehalt der Konditionierungsschicht bevorzugt bei höchstens 100 % oder 50 % oder 20 % oder 5 % des Aluminiumgehalts der nächstgelegenen Hauptbarriereschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine oder sind zwei Konditionierungsschichten jeweils direkt an den Hauptquantentöpfen vorhanden. Die Konditionierungsschichten an den Hauptquantentöpfen können genauso gestaltet sein wie die Konditionierungsschichten an dem Vorquantentopf und/oder an dem Nachquantentopf. Abweichend hiervon ist es möglich, dass die Konditionierungsschichten an dem Vorquantentopf und/oder an dem Nachquantentopf anders gestaltet sind als die Konditionierungsschichten an den Hauptquantentöpfen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch die Konditionierungsschichten je ein Bandlückensprung zwischen den Hauptbarriereschichten und dem angrenzenden Vorquantentopf oder dem angrenzenden Hauptquantentopf in zwei kleinere Sprünge aufgeteilt. Die beiden kleineren Sprünge können jeweils 50 % des größeren, gesamten Bandlückensprungs betragen. Alternativ liegt einer der beiden Sprünge bei mindestens 25 % oder 35 % oder 40 % und/oder bei höchstens 45 % oder 40 % des gesamten, größeren Bandlückensprungs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Konditionierungsschichten oder ein Teil der Konditionierungsschichten einen Indium-Gradienten mit in Richtung hin zu dem angrenzenden Vorquantentopf oder Hauptquantentopf oder Nachquantentopf steigenden Indiumgehalt auf. Alternativ oder zusätzlich gilt, dass ein Aluminium-Gradient mit in Richtung weg von dem angrenzenden Vorquantentopf oder Hauptquantentopf oder Nachquantentopf steigenden Aluminiumgehalt vorliegt. Durch solche Gradienten ist eine verbesserte Kristallqualität in der Halbleiterschichtenfolge hin zu den Quantentöpfen erzielbar und/oder es sind verbesserte elektrooptische Charakteristika erreichbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge genau einen Vorquantentopf und/oder genau einen Nachquantentopf auf. Alternativ sind mehrere Vorquantentöpfe und/oder mehrere Nachquantentöpfe vorhanden. Die Anzahl der Vorquantentöpfe und/oder der Nachquantentöpfe liegt bevorzugt je bei höchstens fünf oder drei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge in der Multiquantentopfstruktur mindestens vier oder acht oder zwölf und/oder höchstens 50 oder 30 oder 20 der Hauptquantentöpfe auf. Die Anzahl der Hauptquantentöpfe übersteigt eine Summe aus der Anzahl an Vorquantentöpfen und Nachquantentöpfen bevorzugt um mindestens einen Faktor 2 oder 4 oder 8.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Paare aus Hauptbarriereschichten und Hauptquantentöpfen sowie den optional vorhandenen Konditionierungsschichten in der Multiquantentopfstruktur gleich gestaltet. Alternativ ist es möglich, dass die Hauptbarriereschichten und die Hauptquantentöpfe und optional die Konditionierungsschichten über die Multiquantentopfstruktur hinweg variierend gestaltet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Vorbarriereschicht und optional die Nachbarriereschicht sowie die Hauptbarriereschichten den gleichen Aluminiumgehalt auf, insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 20 % oder 10 % oder 2 % oder im Rahmen der Herstellungsgenauigkeiten. Mit anderen Worten unterscheiden sich dann lediglich die Dicken der Hauptbarriereschichten von den Dicken der Vorbarriereschicht und/oder der Nachbarriereschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die zweite Bandlücke der Hauptquantentöpfe je bei mindestens 70 % oder 80 % oder 85 % und/oder bei höchstens 95 % oder 90 % oder 85 % der ersten Bandlücke des Vorquantentopfs und/oder des Nachquantentopfs. Die Hauptquantentöpfe weisen bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranzen alle die gleiche Bandlücke auf.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Halbleiterschichtenfolge unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge anhand eines Verlaufs einer Bandlücke,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterchips mit einer hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge, und
3 schematische Darstellungen einer Abhängigkeit einer Helligkeit von einem Dickenverhältnis der Hauptbarriereschichten und der Vorbarriereschicht von hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolgen.
In 1 ist schematisch anhand eines Verlaufs einer Bandlücke entlang einer Wachstumsrichtung G ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterschichtenfolge 2 illustriert. Die Wachstumsrichtung G verläuft von einer n-leitenden n-Seite 20 hin zu einer p-leitenden p-Seite 40.
Optional weist die Halbleiterschichtenfolge 2 vor einer Vorbarriereschicht 21 ein Übergitter mit sich abwechselnden Schichten auf. Entlang der Wachstumsrichtung G können dem Übergitter weitere Schichten wie Pufferschichten, Nukleationsschichten oder Wachstumsschichten vorangehen, wobei diese Schichten zur Vereinfachung der Darstellung in 1 nicht illustriert sind.
Eine Vorbarriereschicht 21 dient als Löcherblockierschicht. Eine Dicke der Vorbarriereschicht 21 liegt zum Beispiel bei 2,9 nm. Die Vorbarriereschicht 21 ist aus AlGaN mit einem Aluminiumgehalt von 30 %, also aus Al_0,3Ga_0,7N.
Der Vorbarriereschicht 21 folgt eine Konditionierungsschicht 22 nach. Bei der Konditionierungsschicht 22 handelt es sich um eine dünne Schicht aus InGaN mit einem geringen Indiumgehalt von 0,2 %. Eine Dicke der Konditionierungsschicht 22 liegt bei 1,8 nm.
Auf die Konditionierungsschicht folgt ein nicht primär zur Strahlungserzeugung vorgesehener Vorquantentopf 23. Der Vorquantentopf 23 ist aus InGaN mit einem Indiumanteil von 5 % und mit einer Dicke von 2,6 nm.
Auf den Vorquantentopf 23 folgt eine Multiquantentopfstruktur 3, die zur Strahlungserzeugung vorgesehen ist, beispielsweise zur Erzeugung von nah-ultravioletter Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 390 nm und 395 nm. In der Multiquantentopfstruktur 3 wechseln Hauptbarriereschichten 31 und Hauptquantentöpfe 32 einander ab.
Bevorzugt befindet sich dabei zwischen benachbarten Hauptbarriereschichten 31 und den zugehörigen Hauptquantentöpfen 32 jeweils eine der Konditionierungsschichten 22. Dabei können alle Konditionierungsschichten 22 gleich zueinander gestaltet sein. Die Multiquantentopfstruktur 3 umfasst beispielsweise 20 der Hauptquantentöpfe 32. Bevorzugt beginnt und endet die Multiquantentopfstruktur 3 mit einer der Hauptbarriereschichten 31.
Eine Bandlücke oder Emissionsenergie der Hauptquantentöpfe 32 ist dabei kleiner als oder genauso groß wie eine Bandlücke oder Emissionsenergie des Vorquantentopfs 23.
Die optional vorhandenen Konditionierungsschichten 22 können, wie in 1 als Strichlinie veranschaulicht, je einen Indiumgradienten und/oder einen Aluminiumgradienten aufweisen, sodass in den Konditionierungsschichten 22 der Verlauf der Bandenergie schräg zur Wachstumsrichtung G orientiert ist und sodass ein gleichmäßigerer Übergang der Bandlücke von den zugehörigen Barriereschichten 21, 31, 27 hin zu den nach Quantentöpfen 23, 32, 26 ermöglicht ist. Insbesondere können die Konditionierungsschichten 22 symmetrisch zu dem zugehörigen Quantentopf 23, 32, 26 gestaltet sein.
Die Hauptquantentöpfe 32 und die Hauptbarriereschichten 31 innerhalb der Multiquantentopfstruktur 3 sind gleich zueinander gestaltet. Die Hauptquantentöpfe 32 aus InGaN weisen zum Beispiel eine Dicke von 2,6 nm und einen Indiumgehalt von 6 % auf. Eine Dicke der AlGaN-Hauptbarriereschichten 31 liegt bei 1,7 nm und ein Aluminiumgehalt bei 15 %.
Unmittelbar auf die letzte Hauptbarriereschicht 31 und die zugehörige Konditionierungsschicht 22 folgt ein Nachquantentopf 26 nach. Der Nachquantentopf 26 kann genauso gestaltet sein wie der Vorquantentopf 23 und zum Beispiel eine Dicke von 2,6 nm und einen Indiumgehalt von 5 % aufweisen. Auch beiderseits des Nachquantentopfs 26 befinden sich die Konditionierungsschichten 22.
Die entlang der Wachstumsrichtung G letzte der Konditionierungsschichten 22 oder alle dem zugehörigen Quantentopf 23, 32, 26 nachfolgenden Konditionierungsschichten 22 können optional dicker und/oder indiumreicher sein als die dem zugehörigen Quantentopf 23, 32, 26 vorangehenden Konditionierungsschichten 22 und zum Beispiel einen Indiumgehalt von mindestens 1 % und/oder von höchstens 15 % oder 6 % aufweisen oder frei von Indium sein und eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,2 nm und/oder von höchstens 3,4 nm oder 5 nm haben.
Besonders bevorzugt befindet sich direkt nach der letzten Konditionierungsschicht 22, die dem Nachquantentopf 26 entlang der Wachstumsrichtung G nachfolgt, eine Nachbarriereschicht 27. Bei der Nachbarriereschicht 27 handelt es sich um eine Barriereschicht für Elektronen mit einer relativ geringen Barrierenhöhe, verlichen mit einer nachfolgenden Elektronenblockierschicht 29. Beispielsweise ist die Nachbarriere 27 identisch zur Vorbarriereschicht 21 gestaltet oder kann auch von der Vorbarriereschicht 21 abweichen. Gemäß 1 weist die AlGaN-Nachbarriereschicht 27 einen Aluminiumgehalt von 15 % und eine Dicke von 2,9 nm auf.
Der Nachbarriereschicht 27 folgt direkt eine Abstandsschicht 28 nach, die aus InGaN ist und bevorzugt frei von Aluminium ist und einem geringen Indiumgehalt von zum Beispiel höchstens 1% aufweist. Die Dicke der Abstandsschicht 28 liegt bei 10 nm.
Der Abstandsschicht 28 folgt direkt die zweistufige Elektronenblockierschicht 29 nach. Die Dicke der Elektronenblockierschicht 29 liegt insgesamt bei 11 nm. Ein mittlerer Aluminiumgehalt in der Elektronenblockierschicht 29 liegt bei 25 %, wobei der Aluminiumgehalt entlang der Wachstumsrichtung G stufenförmig abfällt.
An die Elektronenblockierschicht 29 schließt sich bevorzugt eine p-dotierten GaN-Schicht an sowie eine Kontaktschicht, die aus hochdotiertem GaN gebildet sein kann.
Die in 1 gezeichneten Schichten folgen bevorzugt direkt aufeinander. Bevorzugt weisen alle gezeichneten Schichten, optional mit Ausnahme der Konditionierungsschichten 22 und/oder der Elektronenblockierschicht 29, eine konstante Materialzusammensetzung auf. Alle entlang der Wachstumsrichtung 3 der Multiquantentopfstruktur 3 vorgeordneten Schichten sind bevorzugt n-dotiert und alle nachgeordneten Schichten sind bevorzugt p-dotiert. Die Multiquantentopfstruktur 3 kann dotiert oder auch undotiert sein.
Bei der hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge können aufgrund insbesondere der Vorbarriereschicht 21 und der optionalen Nachbarriereschicht 27, insbesondere in Kombination mit dem Vorquantentopf 23 und/oder dem Nachquantentopf 26, die Hauptbarriereschichten 31 dünner ausgeführt werden, wodurch für die erzeugte Strahlung eine höhere Transparenz im Bereich der Multiquantentopfstruktur 3 erzielbar ist. Es zeigen sich weiterhin signifikante Vorteile bei höheren Stromdichten, da die Ladungsträger besser über die Hauptquantentöpfe 32 verteilt werden können. Dennoch werden durch die Vorbarriereschicht 21 und die Nachbarriereschicht 27 die Ladungsträger in der Multiquantentopfstruktur 3 gehalten und Leckströme werden verhindert. Da die Ladungsträger selbst bei höheren Umgebungstemperaturen nicht signifikant über die Vorbarriereschicht 21 und/oder die Nachbarriereschicht 27 aus der Multiquantentopfstruktur entweichen können, stellt sich eine verbesserte Temperaturstabilität ein. Dadurch ergibt sich eine hocheffiziente Struktur, die durch den Aluminiumgehalt und die Dicke der Hauptbarriereschichten 31 und der Vorbarriereschicht 21 sowie der Nachbarriereschicht 27 auf die jeweilig gewünschte Emissionswellenlänge der Hauptquantentöpfe 32 angepasst werden kann.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 illustriert, der eine solche Halbleiterschichtenfolge 2 aufweist. Die Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich an einem Substrat 6, bei dem es sich um ein Aufwachssubstrat handeln kann. Beispielsweise ist das Substrat 6 ein Saphirsubstrat mit einer strukturierten Auswachsoberfläche. Die Halbleiterschichtenfolge 2 ist über elektrische Kontakte 5 elektrisch kontaktierbar. Bevorzugt erstreckt sich die Halbleiterschichtenfolge 2 in gleichbleibender Zusammensetzung über das gesamte Substrat 6 hinweg.
In 3 ist eine Helligkeit L in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von einem Quotienten Q illustriert. Der Quotient Q ist in Prozent angegeben und entspricht der Dicke der Hauptbarriereschichten 31 geteilt durch die Dicke der Vorbarriereschicht 21. Gemäß 3 liegt dabei die Dicke der Vorbarriereschicht 21 fest bei 3 nm, die Dicke der Hauptbarriereschichten 31 ist variiert.
In 3A ist dabei ein Verlauf bei einem Strom von 1 A dargestellt, in 3B mit der Strich-Linie ein Verlauf bei einem Strom von 0,35 A und in der durchgezogenen Linie in 3B für einen Strom von 1,5 A, je bei einer Chipfläche von 1 mm².
Aus den 3A und 3B ist zu erkennen, dass für einen Wert des Quotienten Q von 50 % bis 60 % ein Optimum erreicht ist. Das heißt, die Vorbarriereschicht 21 und bevorzugt auch die Nachbarriereschicht 27 sind in etwa doppelt so dick wie die Hauptbarriereschichten 31. Insbesondere liegt die Dicke der Hauptbarriereschichten 31 zwischen einschließlich 40 % und 65 % oder zwischen einschließlich 45 % und 60 % der Dicke der Vorbarriereschicht 21.
Ferner ist aus den 3A und 3B zu sehen, dass der Quotient Q für höhere Ströme einen ausgeprägteren Abfall hin zu dickeren Hauptbarriereschichten 31 aufzeigt. Das heißt, mit den hier beschriebenen Vorbarriereschichten 21 und Hauptbarriereschichten 31 ist insbesondere bei höheren Stromdichten eine verbesserte Effizienz erzielbar.
Die hier beschriebene 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.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronischer Halbeiterchip
2: Halbleiterschichtenfolge
20: n-Seite
21: Vorbarriereschicht
22: Konditionierungsschicht
23: Vorquantentopf
26: Nachquantentopf
27: Nachbarriereschicht
28: Abstandsschicht
29: Elektronenblockierschicht
3: Multiquantentopfstruktur
31: Hauptbarriereschicht
32: Hauptquantentopf
40: p-Seite
5: elektrischer Kontakt
6: Substrat
G: Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge
L: Helligkeit in willkürlichen Einheiten (a.u.)
Q: Quotient aus der Dicke der Hauptbarriereschichten und der Dicke der Vor- oder der Nachbarriereschicht

Claims

Halbleiterschichtenfolge (2) auf Basis von AlInGaN für einen optoelektronischen Halbeiterchip (1) mit den folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge von einer n-Seite (20) her: – einer Vorbarriereschicht (21) aus AlGaN, – einem Vorquantentopf (23) aus InGaN mit einer ersten Bandlücke, – einer Multiquantentopfstruktur (3) mit mehreren sich abwechselnden Hauptquantentöpfen (32) aus InGaN mit einer zweiten Bandlücke und Hauptbarriereschichten (31) aus AlGaN oder AlInGaN, wobei die zweite Bandlücke kleiner als die erste Bandlücke ist und die Hauptquantentöpfe (32) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 490 nm eingerichtet sind, und – einer Elektronenblockierschicht (29) aus AlGaN, wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Vorbarriereschicht (21) um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Hauptbarriereschichten (31).
Halbleiterschichtenfolge (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 365 nm und 395 nm liegt, wobei das Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Vorbarriereschicht (21) um mindestens einen Faktor 1,25 und um höchstens einen Faktor 5 größer ist als das Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Hauptbarriereschichten (31), wobei der Vorquantentopf (23) nicht oder nicht primär zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist, und wobei ein Indiumgehalt und/oder eine Dicke des Vorquantentopfs (23) kleiner sind als ein Indiumgehalt und/oder eine Dicke der Hauptquantentöpfe (32).
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich in Richtung weg von der n-Seite (20) an die Multiquantentopfstruktur (3) ein Nachquantentopf (26) mit einer dritten Bandlücke anschließt und die dritte Bandlücke größer ist als die zweite Bandlücke der Hauptquantentöpfe (32).
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Aluminiumgehalt der Elektronenblockierschicht (29) bei mindestens 20 % und eine Dicke der Elektronenblockierschicht (29) bei mindestens 8 nm und höchstens 15 nm liegt.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektronenblockierschicht (29) mehrstufig ist und der Aluminiumgehalt der Elektronenblockierschicht (29) in Richtung weg von der n-Seite (20) monoton oder streng monoton abfällt.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in Richtung weg von der n-Seite (20) der Multiquantentopfstruktur (3) eine Nachbarriereschicht (27) aus AlGaN oder AlInGaN nachfolgt, wobei ein Produkt aus einem Aluminiumgehalt und einer Dicke der Nachbarriereschicht (27) um mindestens einen Faktor 1,3 größer ist als das Produkt aus dem Aluminiumgehalt und der Dicke der Hauptbarriereschichten (31).
Halbleiterschichtenfolge (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der in Richtung weg von der n-Seite (20) die Elektronenblockierschicht (29) der Nachbarriereschicht (27) nachfolgt und sich unmittelbar zwischen der Elektronenblockierschicht (29) der Nachbarriereschicht (27) eine Abstandsschicht (28) aus GaN oder AlGaN oder AlInGaN mit einer Dicke zwischen einschließlich 5 nm und 15 nm und einem Aluminiumgehalt von höchstens 5 % befindet, wobei die Elektronenblockierschicht (29) für Elektronen eine um mindestens einen Faktor 1,5 dickere und/oder höhere Barriere darstellt als die Nachbarriereschicht (27).
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei der der Aluminiumgehalt innerhalb der Vorbarriereschicht (21), der Hauptbarriereschichten (31) und der Nachbarriereschicht (27) sowie der Indiumgehalt in dem Vorquantentopf (23), den Hauptquantentöpfen (32) und dem Nachquantentopf (26) je konstant ist.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich direkt beiderseits des Vorquantentopfs (23) und direkt beiderseits der Hauptquantentöpfe (32) je eine Konditionierungsschicht (22) befindet, wobei die Konditionierungsschichten (22) je zwischen einschließlich 1 nm und 2 nm dick sind, und wobei durch die Konditionierungsschichten (22) je ein Bandlückensprung zwischen den Hauptbarriereschichten (31) und dem angrenzenden Vorquantentopf (23) oder Hauptquantentopf (32) in zwei kleinere Sprünge aufgeteilt ist.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Konditionierungsschichten (22) einen Indiumgradienten mit in Richtung hin zu dem angrenzenden Vorquantentopf (23) oder Hauptquantentopf (32) steigenden Indiumgehalt und/oder einen Aluminiumgradienten mit in Richtung weg von dem angrenzenden Vorquantentopf (23) oder Hauptquantentopf (32) steigenden Aluminiumgehalt aufweisen.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Hauptbarriereschichten (31) eine Dicke zwischen einschließlich 0,9 nm und 2,3 nm und einen Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 10 % und 20 % aufweisen, wobei die genau eine Vorbarriereschicht (21) eine Dicke zwischen einschließlich 2,5 nm und 4 nm und einen Aluminiumgehalt zwischen einschließlich 20 % und 40 % aufweist.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der genau eine Vorquantentopf (23) eine Dicke zwischen einschließlich 2,2 nm und 3,4 nm und einen Indiumgehalt zwischen einschließlich 0,5 % und 6 % aufweist, wobei die mindestens vier und höchstens 30 Hauptquantentöpfe (32) je eine Dicke zwischen einschließlich 2,2 nm und 3,4 nm und einen Indiumgehalt zwischen einschließlich 1 % und 7 % aufweisen.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Bandlücke der Hauptquantentöpfe (32) zwischen einschließlich 80 % und 95 % der ersten Bandlücke des Vorquantentopfs (23) beträgt.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der alle Paare aus Hauptbarriereschichten (31) und Hauptquantentöpfen (32) in der Multiquantentopfstruktur (3) gleich gestaltet sind.