DE102017113531A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips - Google Patents

Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips Download PDF

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Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip (100) beschrieben, mit einer Halbleiterschichtenfolge (20), die auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert, wobei
- die Halbleiterschichtenfolge (20) einen p-Typ Halbleiterbereich (4), einen n-Typ Halbleiterbereich (8) und eine zwischen dem p-Typ Halbleiterbereich (4) und dem n-Typ Halbleiterbereich (8) angeordnete aktive Schicht (6) enthält,
- die aktive Schicht (6) als Mehrfach-Quantentopfstruktur (6A, 6B) ausgebildet ist und abwechselnde Quantentopfschichten (6A) und Barriereschichten (6B) aufweist,
- an einer dem p-Typ Halbleiterbereich (4) zugewandten Seite der aktiven Schicht (6) und an einer dem n-Typ Halbleiterbereich (8) zugewandten Seite der aktiven Schicht (6) jeweils eine Ladungsträgerbarriereschicht (5, 7) angeordnet ist, die eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die Quantentopfschichten (6A) und die Barriereschichten (6B), und
- die Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) eine Dicke von mindestens 5 nm aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip, insbesondere einen auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basierenden optoelektronischen Halbleiterchip.
  • Bei optoelektronischen Halbleiterchips, die auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basieren, kann die Effizienz dadurch beeinträchtigt sein, dass Ladungsträger (Elektronen und Löcher) die zur Emission von Strahlung vorgesehene aktive Schicht verlassen und außerhalb der aktiven Schicht nicht-strahlend rekombinieren.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Strahlung emittierenden optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der sich durch eine verbesserte Effizienz 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 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 ausgebildet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist die Mehrfach-Quantentopfstruktur abwechselnde Quantentopfschichten und Barriereschichten auf. Die Barriereschichten weisen jeweils eine größere Bandlücke als die Quantentopfschichten auf. Insbesondere weisen alle Quantentopfschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur die gleiche elektronische Bandlücke EQW auf, und alle Barriereschichten der Quantentopfstruktur die gleiche elektronische Bandlücke EB auf, wobei EB > EQW ist.
  • Die Quantentopfschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur sind zur Emission von Strahlung geeignet. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Mehrfach-Quantentopfstruktur mindestens 5 und höchstens 100 Quantentopfschichten auf. Der Wellenlängenbereich der Strahlung liegt vorzugsweise im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, insbesondere im Wellenlängenbereich des grünen, gelben oder roten Lichts.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge des optoelektronischen Halbleiterchips auf einem Phosphidverbindungshalbleiter. „Auf einem Phosphidverbindungshalbleiter basierend“ bedeutet insbesondere, dass eine oder mehrere Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge jeweils InxAlyGa1-x-yPnAs1-n umfassen, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 und 0 < n ≤ 1. Vorzugsweise weisen eine oder mehrere Halbleiterschichten, insbesondere die Halbleiterschichten der aktiven Schicht, InxAlyGa1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 auf. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, As, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist an einer dem p-Typ Halbleiterbereich zugewandten Seite der aktiven Schicht und an einer dem n-Typ Halbleiterbereich zugewandten Seite der aktiven Schicht jeweils eine Ladungsträgerbarriereschicht angeordnet. Die aktive Schicht ist insbesondere beidseitig von Ladungsträgerbarriereschichten umgeben. Vorzugsweise grenzt die aktive Schicht beidseitig unmittelbar an jeweils eine der Ladungsträgerbarriereschichten an. Die Ladungsträgerbarriereschichten weisen jeweils eine größere elektronische Bandlücke auf als die Quantentopfschichten und die Barriereschichten der aktiven Schicht.
  • Die Bandlücke der Ladungsträgerbarriereschichten sowie der Quantentopfschichten und Barriereschichten kann insbesondere durch die Materialzusammensetzung eingestellt werden. Eine Vergrößerung der Bandlücke kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass der Aluminiumgehalt erhöht und beispielsweise der Galliumgehalt vermindert wird. Vorzugsweise ist daher der Aluminiumgehalt der Ladungsträgerbarriereschichten größer als der Aluminiumgehalt der Quantentopfschichten und Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur und beispielsweise der Galliumgehalt der Ladungsträgerbarriereschichten kleiner als der Galluiumgehalt der Quantentopfschichten und Barriereschichten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Ladungsträgerbarriereschichten jeweils eine Dicke von mindestens 5 nm auf. Der optoelektronische Halbleiterchip macht sich insbesondere die Erkenntnis zu Nutze, dass eine besonders hohe externe Quanteneffizienz (external quantum effieciency, EQE) erzielt werden kann, wenn die aktive Schicht beidseitig, d.h. an der dem n-Typ Halbleiterbereich zugewandten Seite und an der dem p-Typ Halbleiterbereich zugewandten Seite, von Ladungsträgerbarriereschichten umgegeben ist, wobei die Dicke der Ladungsträgerbarriereschichten jeweils mindestens 5 nm beträgt. Es wurde insbesondere herausgefunden, dass mit Ladungsträgerbarriereschichten, die jeweils eine Dicke von mindestens 5 nm aufweisen, eine höhere externe Quanteneffizienz erzielt werden kann als bei der Verwendung dünnerer Ladungsträgerbarriereschichten, die beispielsweise nur weniger als 5 nm dick sind. Bevorzugt weisen die Ladungsträgerbarriereschichten jeweils eine Dicke zwischen einschließlich 5 nm und einschließlich 20 nm auf.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Ladungsträgerbarriereschichten mindestens 7 nm, besonders bevorzugt mindestens 10 nm. Es hat sich herausgestellt, dass mit Ladungsträgerbarriereschichten, die mindestens 7 nm oder bevorzugt mindestens 10 nm dick sind, eine noch höhere externe Quanteneffizienz erzielt werden kann, als mit dünneren Ladungsträgerbarriereschichten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der optoelektronische Halbleiterchip mit einer vergleichsweise geringen Stromdichte von weniger als 0,5 A/cm2 betrieben wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung grenzen die Ladungsträgerbarriereschichten unmittelbar an die aktive Schicht an. Die Ladungsträgerbarriereschichten können insbesondere jeweils direkt an eine Barriereschicht der Mehrfach-Quantentopfstruktur angrenzen. Der Einschluss von Ladungsträgern, also Elektronen und Löchern, in der aktiven Schicht ist besonders effektiv, wenn zwischen der aktiven Schicht und den Ladungsträgerbarriereschichten keine Zwischenschichten angeordnet sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der optoelektronische Halbleiterchip zum Betrieb mit einer Stromdichte zwischen 0,01 A/cm2 und 0,5 A/cm2 vorgesehen. Dies entspricht bei einer Fläche des optoelektronischen Halbleierchips von beispielsweise etwa 1 mm2 einer Betriebsstromstärke zwischen 0,1 mA und 5 mA. Bei einer anderen Fläche des optoelektronischen Halbleiterchips ergeben sich bei gleicher Stromdichte andere Werte für die Betriebsstromstärke. Der optoelektronische Halbleiterchip ist insbesondere an eine Stromversorgung angeschlossen, die dazu eingerichtet ist, den optoelektronischen Halbleiterchip mit einer Betriebsstromstärke zu versorgen, die bezogen auf die Fläche des optoelektronischen Halbleiterchips eine Stromdichte zwischen 0,01 A/cm2 und 0,5 A/cm2 bewirkt.
  • Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass die Ladungsträgerbarriereschichten mit einer Dicke von mindestens 5 nm die externe Quanteneffizienz insbesondere dann positiv beeinflussen, wenn der optoelektronische Halbleiterchip mit einer vergleichsweise geringen Stromdichte zwischen 0,01 A/cm2 und 0,5 A/cm2 betrieben wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die Bandlücke der Ladungsträgerbarriereschichten um mindestens 0,1 eV größer ist als die Bandlücke der Barriereschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur. In diesem Fall liegt eine vorteilhaft hohe Ladungsträgerbarriere vor. Besonders bevorzugt beträgt gleichzeitig die Dicke der Ladungsträgerbarriereschichten mindestens 7 nm, besonders bevorzugt mindestens 10 nm. Auf diese Weise wird ein Tunneln der Ladungsträger durch die Ladungsträgerbarriereschichten effektiv vermindert.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weisen die Ladungsträgerbarriereschichten jeweils AlxIn1-xP mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 auf. Bei einem Aluminiumgehalt der Ladungsträgerbarriereschichten in diesem Bereich ergibt sich eine vorteilhaft große elektronische Bandlücke, ohne eine zu große Verspannung zu den benachbarten Halbleiterschichten zu erzeugen. Die Ladungsträgerbarriereschichten können daher bei einer Materialzusammensetzung in diesem Bereich in hoher Qualität aufgewachsen werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weisen die Quantentopfschichten und Barriereschichten AlxGayIn1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 auf.
    In den Quantentopfschichten und Barriereschichten ist der Aluminiumgehalt kleiner und vorzugsweise der Galliumgehalt y größer als in den Ladungsträgerbarriereschichten, so dass die Quantentopfschichten und Barriereschichten eine geringere elektronische Bandlücke als die Ladungsträgerbarriereschichten aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten der Mehrfach-Quantentopfstruktur zur Emission von Strahlung mit einem Intensitätsmaximum im Wellenlängenbereich von 550 nm bis 700 nm, bevorzugt im Wellenlängenbereich von 580 nm bis 660 nm, geeignet. Der optoelektronische Halbleiterchip kann insbesondere grünes oder rotes Licht emittieren. Die Wellenlänge des Intensitätsmaximums kann insbesondere durch die Einstellung der elektronischen Bandlücke EQW durch die Materialzusammensetzung des Halbleitermaterials eingestellt werden.
  • Bei einem Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften wird dieser vorzugsweise mit einer Stromdichte zwischen 0,01 A/cm2 und 0,5 A/cm2 betrieben. Vorteilhaft wird der optoelektronische Halbleiterchip mit einer Betriebsstromstärke zwischen 0,1 mA und 5 mA betrieben. Solch geringe Stromdichten oder Betriebsstromstärken können beispielsweise bei optoelektronischen Halbleiterchips verwendet werden, die in einer Anzeigevorrichtung eingesetzt werden.
  • Eine Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsform enthält vorteilhaft mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip mit den zuvor beschriebenen Merkmalen, insbesondere mit den beidseitig der aktiven Schicht angeordneten Ladungsträgerbarriereschichten, die eine Dicke von mindestens 5 nm, bevorzugt von mindestens 7 nm und besonders bevorzugt von mindestens 10 nm aufweisen. Insbesondere kann die Anzeigevorrichtung eine Vielzahl optoelektronischer Halbleiterchips gemäß dem hierin vorgeschlagenen Prinzip enthalten.
  • Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere ein Display für ein mobiles Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationsgerät wie beispielsweise ein Handy, Smartphone, Notebook, Tablet-PC oder Navigationsgerät sein. Solche mobilen Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationsgeräte werden häufig netzunabhängig mit Strom versorgt, insbesondere über Akkus oder Batterien, so dass ein niedriger Stromverbrauch wünschenswert ist. Das Display trägt wesentlich zum Stromverbrauch solcher Geräte bei. Die bei dem hierin beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips erzielte hohe Effizienz bei geringer Betriebsstromstärke ist deshalb besonders vorteilhaft beim Einsatz in solchen Geräten.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 2A eine schematische graphische Darstellung der Bandlücke Eg bei einem Vergleichsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips,
    • 2B eine schematische graphische Darstellung der Bandlücke Eg bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips,
    • 2C eine schematische graphische Darstellung der Bandlücke Eg bei einem zweiten Ausführungsbeispiel optoelektronischen Halbleiterchips, und
    • 3 eine graphische Darstellung der externen Quanteneffizienz EQE für die optoelektronischen Halbleiterchips gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel relativ dem Vergleichsbeispiel.
  • Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen dargestellten. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • Der in 1 dargestellte optoelektronische Halbleiterchip 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Leuchtdiodenchip, der beispielsweise zur Emission von rotem oder gelbem Licht vorgesehen ist. Der optoelektronische Halbleiterchip 100 weist eine Halbleiterschichtenfolge 20 mit einem p-Typ-Halbleiterbereich 4, einem n-Typ-Halbleiterbereich 8 und einer zwischen dem p-Typ-Halbleiterbereich 4 und dem n-Typ-Halbleiterbereich 8 angeordneten, zur Emission von Strahlung geeigneten aktiven Schicht 6 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips 100 handelt es sich um einen sogenannten Dünnfilm-Halbleiterchip, von dem ein ursprünglich zum epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichten 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 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 100 hin umlenkt. Die Spiegelschicht 3 ist beispielsweise eine Metallschicht, die Ag, Al oder Au enthält.
  • Zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterchips 100 können beispielsweise eine n-Anschlussschicht 10 auf einem Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche 9 und eine p-Anschlussschicht 11 an einer Rückseite des Trägersubstrats 1 vorgesehen sein.
  • Der p-Typ-Halbleiterbereich 4 und der n-Typ-Halbleiterbereich 8 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 100 auch eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, das heißt, es könnte der n-Typ-Halbleiterbereich 8 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.
  • Die zur Emission von Strahlung vorgesehene aktive Schicht 6 des optoelektronischen Halbleiterchips 100 ist als Mehrfach-Quantentopfstruktur 6A, 6B ausgebildet. Die Mehrfach-Quantentopfstruktur 6A, 6B weist eine Mehrzahl von abwechselnd angeordneten Quantentopfschichten 6A und Barriereschichten 6B auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Mehrfach-Quantentopfstruktur fünf Schichtpaare aus jeweils einer Quantentopfschicht 6A und einer Barriereschicht 6B auf. Im Allgemeinen beträgt die Anzahl der Schichtpaare der Mehrfach-Quantentopfstruktur vorteilhaft zwischen 5 und 100. Die Quantentopfschichten 6A weisen vorzugsweise eine Dicke zwischen 4 nm und 10 nm auf. Die an die Quantentopfschichten 6A angrenzenden Barriereschichten 6B weisen vorteilhaft eine Dicke zwischen 5 nm und 20 nm auf.
  • In der Mehrfachquantentopfstruktur 6A, 6B weisen die Quantentopfschichten 6A eine Bandlücke EQW und die Barriereschichten 6B eine Bandlücke EB > EQW auf. Die Bandlücke EQW der Quantentopfschichten 6A ist derart gewählt, dass die Quantentopfschichten 6A zur Emission von Strahlung 12 im sichtbaren gelben oder roten Licht geeignet sind. Die Strahlung 12 kann insbesondere ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 550 nm und 700 nm, bevorzugt zwischen 580 nm und 660 nm, aufweisen.
  • Beispielsweise können die Quantentopfschichten 6A und die Barriereschichten 6B jeweils Halbleitermaterialien mit der Zusammensetzung AlxGayIn1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen, wobei die Barriereschichten 6B einen größeren Aluminiumgehalt x und einen geringeren Galliumgehalt y als die Quantentopfschichten 6A aufweisen.
  • Die aktive Schicht 6 ist zwischen einer p-seitigen Ladungsträgerbarriereschicht 5 und einer n-seitigen Ladungsträgerbarriereschicht 7 angeordnet. Die Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 weisen eine größere elektronische Bandlücke als die in der aktiven Schicht 6 enthaltenen Quantentopfschichten 6A und Barriereschichten 6B auf. Insbesondere weist die p-seitige Ladungsträgerbarriereschicht 5 eine Bandlücke Ep-EBL auf, für die Ep-EBL > EB > EQW gilt. Weiterhin weist die n-seitige Ladungsträgerbarriereschicht 7 eine Bandlücke En-EBL auf, für die En-EBL > EB > EQW gilt. Die Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 dienen zum Einschluss (confinement) von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) in der aktiven Schicht 6, um die strahlende Rekombination der Ladungsträger in der aktiven Schicht 6 zu begünstigen. Vorzugsweise weisen die Ladungsträgerbarriereschichten jeweils AlxIn1-xP mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 auf. Hierbei weisen die Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 vorzugsweise einen größeren Aluminiumgehalt x und/oder einen geringeren Indiumgehalt als die Barriereschichten 6B und Quantentopfschichten 6A auf.
  • Die 2A bis 2C zeigen den Verlauf der Bandlücke Eg in den Halbleiterschichtenfolgen entlang einer senkrecht zu den Schichtebenen zeigenden Ortskoordinate x für ein nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel ohne Ladungsträgerbarriereschichten (2A), für ein erstes Ausführungsbeispiel mit 5 nm dicken Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 (2B) und für ein zweites Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Halbleiterchips mit 10 nm dicken Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 (2C).
  • Bei den optoelektronischen Halbleiterchips der 2B und 2C grenzen die Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 jeweils unmittelbar an die aktive Schicht 6 an, die aus abwechselnden Quantentopfschichten 6A und Barriereschichten 6B gebildet ist. Die Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 grenzen insbesondere jeweils unmittelbar an eine äußerste Barriereschicht der Mehrfach-Quantentopfstruktur an. In der als Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildeten aktiven Schicht weisen die Barriereschichten 6B eine größere Bandlücke als die Quantentopschichten 6A auf. Die Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 weisen eine noch größere Bandlücke als die Barriereschichten 6B der aktiven Schicht 6 auf. Dies kann insbesondere durch einen höheren Aluminiumanteil in den Ladungsträgerbarriereschichten 5, 7 realisiert sein.
  • Die 3 zeigt die externe Quanteneffizienz für die optoelektronischen Halbleiterchips mit den in den 2A bis 2C dargestellten Halbleiterschichtenfolgen in Abhängigkeit von der Betriebsstromdichte J der optoelektronischen Halbleiterchips. Die externe Quanteneffizienz des Beispiels der 2A ohne Ladungsträgerbarriereschichten dient als Referenzkurve 30A (EQERef ) für die Ausführungsbeispiele mit Ladungsträgerbarriereschichten und ist deshalb auf 100% normiert worden. Die Kurve 30B zeigt die relative externe Quanteneffizienz (EQETest/EQERef) für das Ausführungsbeispiel der 2B und die Kurve 30C die relative externe Quanteneffizienz (EQETest/EQERef) für das Ausführungsbeispiel der 2C.
  • Es zeigt sich, dass sich eine erhöhte Quanteneffizienz bei den Ausführungsbeispielen mit den 5 nm dicken Ladungsträgerbarriereschichten (Kurve 30B) und den 10 nm dicken Ladungsträgerbarriereschichten (Kurve 30C) insbesondere dann ergibt, wenn die Betriebsstromdichte vergleichsweise niedrig ist. Bei dem Ausführungsbeispiel mit den 10 nm dicken Ladungsträgerbarriereschichten ergibt sich eine besonders hohe Quanteneffizienz, wenn die Betriebsstromdichte nicht mehr als 0,5 A/cm2 beträgt. Bei höheren Betriebsstromstärken kann die Quanteneffizienz dagegen geringer sein als bei dem Ausführungsbeispiel mit den 5 nm dicken Ladungsträgerbarriereschichten (Kurve 30B) oder dem Vergleichsbeispiel ohne Ladungsträgerbarriereschichten (Kurve 30A).
  • 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.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Trägersubstrat
    2
    Verbindungsschicht
    3
    Spiegelschicht
    4
    p-Typ Halbleiterbereich
    5
    p-seitige Ladungsträgerbarriereschicht
    6
    aktive Schicht
    6A
    Quantentopfschicht
    6B
    Barriereschicht
    7
    n-seitige Ladungsträgerbarriereschicht
    8
    n-Typ Halbleiterbereich
    9
    Strahlungsaustrittsfläche
    10
    n-Anschlussschicht
    11
    p-Anschlussschicht
    12
    Strahlung
    20
    Halbleiterschichtenfolge
    100
    optoelektronischer Halbleiterchip

Claims (14)

  1. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) mit einer Halbleiterschichtenfolge (20), die auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (20) einen p-Typ Halbleiterbereich (4), einen n-Typ Halbleiterbereich (8) und eine zwischen dem p-Typ Halbleiterbereich (4) und dem n-Typ Halbleiterbereich (8) angeordnete aktive Schicht (6) enthält, - die aktive Schicht (6) als Mehrfach-Quantentopfstruktur (6A, 6B) ausgebildet ist und abwechselnde Quantentopfschichten (6A) und Barriereschichten (6B) aufweist, - an einer dem p-Typ Halbleiterbereich (4) zugewandten Seite der aktiven Schicht (6) und an einer dem n-Typ Halbleiterbereich (8) zugewandten Seite der aktiven Schicht (6) jeweils eine Ladungsträgerbarriereschicht (5, 7) angeordnet ist, die eine größere elektronische Bandlücke aufweist als die Quantentopfschichten (6A) und die Barriereschichten (6B), und - die Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) eine Dicke von mindestens 5 nm aufweisen.
  2. Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) zwischen 5 nm und 20 nm dick sind.
  3. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) mindestens 7 nm dick sind.
  4. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) mindestens 10 nm dick sind.
  5. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) unmittelbar an die aktive Schicht (6) angrenzen.
  6. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Halbleiterchip (100) zum Betrieb mit einer Stromdichte zwischen 0,01 A/cm2 und 0,5 A/cm2 vorgesehen ist.
  7. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bandlücke der Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) um mindestens 0,1 eV größer ist als die Bandlücke der Barriereschichten (6B) der Mehrfach-Quantentopfstruktur.
  8. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungsträgerbarriereschichten (5, 7) AlxIn1-xP mit 0,4 ≤ x ≤ 0,6 aufweisen.
  9. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantentopfschichten (6A) zur Emission von Strahlung mit einem Intensitätsmaximum im Wellenlängenbereich von 550 nm bis 700 nm geeignet sind.
  10. Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quantentopfschichten (6A) und die Barriereschichten jeweils InxAlyGa1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen.
  11. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Halbleiterchips nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Halbleiterchip (100) mit einer Stromdichte zwischen 0,01 A/cm2 und 0,5 A/cm2 betrieben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der optoelektronische Halbleiterchip mit einer Betriebsstromstärke zwischen 0,1 mA und 5 mA betrieben wird.
  13. Anzeigevorrichtung, umfassend mindestens einen optoelektronischen Halbleiterchip (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  14. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Anzeigevorrichtung (100) ein Display für ein mobiles Datenverarbeitungs- und/oder Kommunikationsgerät ist.
DE102017113531.6A 2017-06-20 2017-06-20 Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips Withdrawn DE102017113531A1 (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5272712A (en) * 1992-02-28 1993-12-21 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device
US6055253A (en) * 1993-04-05 2000-04-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser device with an optical guide layer
US20100283035A1 (en) * 2009-05-07 2010-11-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Light emitting device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1521311A3 (de) * 2003-09-30 2010-09-15 OSRAM Opto Semiconductors GmbH Strahlungsemittierender Halbleiterkörper mit Confinement-Schichten
DE102012107795B4 (de) * 2012-08-23 2022-02-03 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optoelektronischer Halbleiterkörper und optoelektronischer Halbleiterchip
US9450147B2 (en) * 2013-12-27 2016-09-20 Apple Inc. LED with internally confined current injection area

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5272712A (en) * 1992-02-28 1993-12-21 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device
US6055253A (en) * 1993-04-05 2000-04-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser device with an optical guide layer
US20100283035A1 (en) * 2009-05-07 2010-11-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Light emitting device

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