DE102019100625A1

DE102019100625A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement mit mehrfach-quantentopfstruktur und optoelektronische halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102019100625A1
Application number: DE102019100625.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heckelmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2020-07-16
Also published as: WO2020144048A1

Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) weist eine aktive Zone (115) auf, die eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Elektron-Loch-Rekombination enthält. Die Mehrfachquantentopfstruktur umfasst eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Einheitszellen (125). Jede Einheitszelle (125) weist eine erste Quantentopfschicht (127), die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten (128, 130) angeordnet ist, und eine zweite Quantentopfschicht (129), die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten (128, 130) angeordnet ist, auf. Mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten Quantentopfschicht (127) ist von Elektron-Loch-Übergangsenergien der zweiten Quantentopfschicht (129) verschieden.

Description

Eine Leuchtdiode (LED) ist eine lichtemittierende Vorrichtung, die auf Halbleitermaterialien basiert. Üblicherweise umfasst eine LED unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten sowie eine aktive Zone. Wenn Elektronen und Löcher miteinander im Bereich der aktiven Zone rekombinieren, beispielsweise, wenn eine entsprechende Spannung angelegt wird, wird elektromagnetische Strahlung erzeugt. Dabei kann die aktive Zone eine Einfach-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweisen. Gemäß Konzepten können innerhalb einer aktiven Zone verschiedene Quantentöpfe mit jeweils unterschiedlicher Elektron-Loch-Übergangsenergie miteinander kombiniert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten optoelektronischen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Zusammenfassung
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst eine aktive Zone, die eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Elektron-Loch-Rekombination aufweist. Die Mehrfachquantentopfstruktur enthält eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Einheitszellen. Jede Einheitszelle weist eine erste Quantentopfschicht, die zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist, und eine zweite Quantentopfschicht, die zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist, auf. Mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten Quantentopfschicht ist von Elektron-Loch-Übergangsenergien der zweiten Quantentopfschicht verschieden.
Beispielsweise kann mindestens eine der Barrierenschichten, zwischen denen die erste oder die zweite Quantentopfschicht angeordnet ist, selbst Teil der Einheitszelle sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann diese Barrierenschicht auch Teil einer benachbarten Einheitszelle sein.
Gemäß Ausführungsformen weist jede Einheitszelle eine dritte Quantentopfschicht auf, die zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist. Die dritte Quantentopfschicht hat mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie, die von den Elektron-Loch-Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopfschichten verschieden ist.
Gemäß Ausführungsformen ist in der Einheitszelle eine Anzahl an ersten Quantentopfschichten von einer Anzahl an zweiten Quantentopfschichten verschieden. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist in der Einheitszelle eine Anzahl an ersten Quantentopfschichten gleich einer Anzahl an zweiten Quantentopfschichten.
Beispielsweise kann eine untere Barrierenschicht, die an eine erste Seite der ersten Quantentopfschicht angrenzt, von einer oberen Barrierenschicht, die an eine zweite Seite der ersten Quantentopfschicht angrenzt, verschieden sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine untere Barrierenschicht, die an eine erste Seite der ersten Quantentopfschicht angrenzt, identisch zu einer oberen Barrierenschicht sein. Die obere Barrierenschicht grenzt an eine zweite Seite der ersten Quantentopfschicht an. In diesem Fall stellen sowohl die obere als auch die untere Barrierenschicht eine erste Barrierenschicht dar.
Beispielsweise kann eine Anzahl von übereinander angeordneten Einheitszellen größer als 10 sein. Die Vielzahl übereinander angeordneter Einheitszellen kann eine Übergitterstruktur ausbilden.
Beispielsweise kann die erste Quantentopfschicht geeignet sein, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu emittieren, und die zweite Quantentopfschicht kann geeignet sein, elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge zu emittieren. Dabei kann eine Differenz zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge kleiner als 100 nm sein.
Ein Material der Quantentopfschichten kann GaAs oder GaP enthalten.
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst ein erstes optoelektronisches Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben sowie ein zweites optoelektronisches Halbleiterbauelement. Das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbauelement sind übereinander gestapelt und über einen Tunnelkontakt miteinander elektrisch verbunden. Das zweite Halbleiterbauelement weist eine Quantentopfschicht auf, wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der Quantentopfschicht des zweiten Halbleiterbauelements von Elektron-Loch-Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopfschichten verschieden ist.
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen wie vorstehend beschrieben. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente sind übereinander gestapelt und über Tunnelkontakte miteinander elektrisch verbunden. Beispielsweise kann die optoelektronische Halbleitervorrichtung eine Lichtquelle, beispielsweise eine Leuchtdiode sein.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer aktiven Zone eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
1B zeigt eine schematische Ansicht einer aktiven Zone eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
1C zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer aktiven Zone eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
1D zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer aktiven Zone gemäß weiteren Ausführungsformen.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen.
2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.

Detailbeschreibung
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein. Weitere Beispiele für Materialien von Wachstumssubstraten umfassen Glas, Siliziumdioxid, Quarz oder eine Keramik.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaInAsP, AlGaInP, GaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
Wie im Folgenden erläutert werden wird, weist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement eine aktive Zone 115 auf, die eine Mehrfach-Quantentopfstruktur zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Elektron-Loch-Rekombination aufweist. Die Mehrfach-Quantentopfstruktur weist dabei mehrere verschiedene Quantentopfstrukturen auf. Eine Quantentopfstruktur kann beispielsweise Teilschichten mit unterschiedlichen elektrischen Bandlücken aufweisen, wobei die entsprechenden Teilschichten in vertikaler Richtung übereinander gestapelt sind. Beispielweise kann ein Material einer kleineren Bandlücke zwischen zwei Barrierenschichten mit größerer Bandlücke angeordnet sein und an diese angrenzen. Liegt die Dicke der Teilschicht mit der kleineren Bandlücke im Bereich der de-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger, so sind die Energiezustände innerhalb der Schicht mit der kleineren Bandlücke quantisiert, und es bildet sich eine Quantentopfstruktur aus. Beispielsweise kann die Quantisierung in einer Raumrichtung vorliegen. Generell entfaltet die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Dabei können die Energiezustände oder Energieniveaus einerseits von einer Zusammensetzung oder einem Zusammensetzungsverhältnis der Quantentopfschicht mit kleinerer Bandlücke abhängen. Weiterhin können die Energieniveaus von einer Schichtdicke der Quantentopfschicht abhängen. Zusätzlich werden die Energieniveaus auch von einer Zusammensetzung der Barrierenschichten beeinflusst. Bei einer Mehrfach-Quantentopfstruktur sind nun Quantentopfschichten mit teils unterschiedlichen Energieniveaus vorgesehen, so dass aus den unterschiedlichen Quantentöpfen elektromagnetische Strahlung mit jeweils verschiedener Wellenlänge emittiert werden kann. Generell kann eine Mehrfach-Quantentopfstruktur Quantentopfschichten mit gleichen Energieniveaus aufweisen, sofern mindestens eine Quantentopfschicht der Mehrfach-Quantentopfstruktur unterschiedliche Energieniveaus aufweist. Dies hat zur Folge, dass mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie beispielsweise einer ersten Quantentopfschicht von Elektron-Loch-Übergangsenergien beispielsweise einer zweiten Quantentopfschicht verschieden ist. Dies kann dadurch realisiert sein, dass zumindest ein Energieniveau, beispielsweise das niedrigste Energieniveau, der ersten Quantentopfschicht von einem entsprechenden Energieniveau, beispielsweise dem niedrigsten, der zweiten Quantentopfschicht, verschieden ist. Insbesondere kann die Elektron-Loch-Übergangsenergie einer Hauptemission oder einer vorwiegend emittierten Strahlung der ersten Quantentopfschicht von der Elektron-Loch-Übergangsenergie der Hauptemission der zweiten Quantentopfschicht verschieden sein.
Wie in 1A veranschaulicht ist, umfasst die aktive Zone 115 beispielsweise eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Einheitszellen 125. Jede Einheitszelle umfasst eine erste Quantentopfschicht 127, die zwischen zwei Barrierenschichten 128, 130, 134, 135 angeordnet ist. Jede Einheitszelle weist ferner eine zweite Quantentopfschicht 129 auf, die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten 130, 128 angeordnet ist. Dabei ist mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten Quantentopfschicht 127 von Elektron-Loch-Übergangsenergien der zweiten Quantentopfschicht 129 verschieden. Entsprechend unterscheiden sich die erste und die zweite Quantentopfschicht in mindestens einer Elektron-Loch-Übergangsenergie .
Beispielsweise kann die Mehrfach-Quantentopfstruktur mindestens fünf oder zehn, beispielsweise mehr als 20 oder mehr als 30 übereinander angeordnete Einheitszellen 125 aufweisen. Beispielsweise kann die Vielzahl übereinander angeordneter Einheitszellen eine Übergitterstruktur ausbilden. Das heißt, durch die übereinander angeordneten Einheitszellen 125 wird eine periodische Anordnung ausgebildet.
Wie in 1A dargestellt ist, kann beispielsweise eine untere Barrierenschicht 134, 128 an eine erste Seite der ersten Quantentopfschicht 127 angrenzen. Weiterhin grenzt eine obere Barrierenschicht 135, 130 an eine zweite Seite der ersten Quantentopfschicht 127 an. Dabei kann beispielsweise die untere Barrierenschicht 134 jeweils eine erste Barrierenschicht 128 sein, und die obere Barrierenschicht 135 kann eine zweite Barrierenschicht 130 sein. Die erste und die zweite Barrierenschicht können jeweils voneinander verschieden sein. In entsprechender Weise kann an eine erste Seite der zweiten Quantentopfschicht 129 eine zweite Barrierenschicht 130 angrenzen und an eine zweite Seite der zweiten Quantentopfschicht 129 grenzt eine erste Barrierenschicht 128 an.
Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement geeignet sein, elektromagnetische Strahlung durch spontane Emission zu emittieren. Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann beispielsweise eine Leuchtdiode sein.
Generell können die einzelnen Quantentopf- und Barrierenschichten auf dem Phosphid- und/oder Arsenid-Materialsystem basieren. Beispielsweise kann das Material der Quantentopfschichten jeweils (Al)GaInAs oder (Al)GaAs enthalten. Das Material der jeweiligen Barrierenschichten kann (Al)GaAs oder (Al)GaAsP enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Material der Quantentopfschichten jeweils (Al)GaInP oder (Al)GaInAsP enthalten. Das Material der jeweiligen Barrierenschichten kann (Al)GaInP oder AlInP enthalten. Beispielsweise können Quantentopf- und Barrierenschichten derart ausgewählt sein, dass eine Differenz der emittierten Wellenlängen der beiden Quantentöpfe nicht größer als etwa 100 nm oder 60 nm oder beispielsweise kleiner als etwa 45 nm ist. Dabei bezieht sich diese Differenz jeweils auf die Elektron-Loch-Übergangsenergie der Grundzustände in Leitungs- und Valenzband. Ein zu großer Unterschied der emittierten Wellenlängen bedeutet einen entsprechend großen Unterschied zwischen jeweils den Grundzuständen im Leitungs- und Valenzband in den Quantentopfschichten. Als Folge wird die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Ladungsträger in der Quantentopfschicht mit dem größeren niedrigsten Energieniveau und damit die Emissionswahrscheinlichkeit für die kürzere Wellenlänge verringert. Entsprechend findet eine ungleiche Verteilung der Intensitäten der durch die jeweiligen Quantentopfschichten emittierten elektromagnetischen Strahlung statt, und die Emissionswellenlänge des optoelektronischen Halbleiterbauelements wird zu sehr in Richtung der längeren Wellenlänge verschoben.
Die Quantentopfschichten können beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von 2 bis 10 nm aufweisen. Eine Schichtdicke der Barrierenschichten kann in einem Bereich von 3 bis 50 nm liegen.
Gemäß Ausführungsformen können innerhalb einer Einheitszelle weitere Quantentopfschichten zwischen der ersten und der zweiten Quantentopfschicht 127, 129 angeordnet sein.
1B zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer aktiven Zone 115 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen. Wie in 1B dargestellt ist, kann jede Einheitszelle zusätzlich eine dritte Quantentopfschicht 131 aufweisen, die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist. Beispielsweise kann die dritte Quantentopfschicht 131 zwischen einer zweiten Barrierenschicht 130 und einer dritten Barrierenschicht 132 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die dritte Quantentopfschicht 131 auch zwischen zwei dritten Barrierenschichten 132 angeordnet sein. Gemäß Ausführungsformen kann jede Einheitszelle 125 genau eine erste Quantentopfschicht 127, eine zweite Quantentopfschicht 129 und eine dritte Quantentopfschicht 131 aufweisen, wobei die entsprechenden Quantentopfschichten jeweils zwischen geeigneten Barrierenschichten angeordnet sind.
1C zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer aktiven Zone 115 eines Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen. Hier weist jede Einheitszelle eine Abfolge von erster Quantentopfschicht 127, zweiter Quantentopfschicht 129, dritter Quantentopfschicht 131 sowie einer vierten Quantentopfschicht auf. Dabei kann eine kleinste Elektron-Loch-Übergangsenergie der vierten Quantentopfschicht gleich einer kleinsten Elektron-Loch-Übergangsenergie der zweiten Quantentopfschicht sein. Aus diesem Grund ist die vierte Quantentopfschicht mit 129 bezeichnet. Jede der Quantentopfschichten ist jeweils zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet. Auf diese Weise lassen sich in einer Einheitszelle 125 mehrere Quantentopfschichten unterbringen, die elektromagnetische Strahlung gleicher Wellenlänge emittieren. Entsprechend wird die Lichtemission mit einer Energie, die der zweiten Quantentopfschicht 129 entspricht, verstärkt.
Gemäß Ausführungsformen, die beispielsweise in den 1A bis 1C veranschaulicht sind, kann eine untere Barrierenschicht 134, 128 der ersten Quantentopfschicht 127 von der oberen Barrierenschicht 135, 130 verschieden sein. In entsprechender Weise ist auch eine untere Barrierenschicht 130 (zweite Barrierenschicht) der zweiten Quantentopfschicht 129 verschieden von der oberen Barrierenschicht 128 (erste Barrierenschicht). In entsprechender Weise kann, wie in 1B dargestellt ist, auch die untere Barrierenschicht 132 (dritte Barrierenschicht) der dritten Quantentopfschicht 131 von der oberen Barrierenschicht 130 (zweite Barrierenschicht) verschieden sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann beispielsweise die Schichtdicke einer jeden Barrierenschicht verringert, beispielsweise halbiert werden. Weiterhin kann angrenzend an jede der beiden Seiten der Quantentopfschichten jeweils eine Barrierenschicht des gleichen Typs angeordnet sein. Wie in 1D dargestellt ist, kann beispielweise eine erste Barrierenschicht 128 jeweils auf beiden Seiten der ersten Quantentopfschicht 127 angeordnet sein. Entsprechend ist eine zweite Barrierenschicht 130 jeweils auf beiden Seiten der zweiten Quantentopfschicht 129 angeordnet. Darüber hinaus kann auch jeweils eine dritte Barrierenschicht 132 auf beiden Seiten der dritten Quantentopfschicht 130 angeordnet sein. Dadurch, dass die Schichtdicken der jeweiligen Barrierenschichten gegenüber beispielweise den in den 1A bis 1C gezeigten Anordnung verringert, beispielsweise halbiert sind, wird die Gesamtschichtdicke der Barrierenschichten dadurch nur unwesentlich oder gar nicht verändert. Dadurch, dass die untere Barrierenschicht 134 jeweils identisch mit der oberen Barierenschicht 135 ist, können die Energieniveaus innerhalb der Quantentopfschichten genauer eingestellt werden. Insbesondere können bei Verwendung komplizierterer Einheitszellen 125 die Energieniveaus genauer eingestellt werden.
Durch die beschriebene Anordnung der einzelnen Quantentopfschichten in der aktiven Zone 115 ist es möglich, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement bereitzustellen, das eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen emittieren kann. Dadurch, dass die unterschiedlichen Quantentöpfe und Barrierenschichten periodisch angeordnet sind, entsteht innerhalb dieser periodischen Anordnung in der aktiven Zone 115 ein einziges Übergitter. Bei Untersuchung der aktiven Zone mit Röntgenbeugung oder Röntgendiffraktometrie können Signale ermittelt werden, die diesem Übergitter entsprechen. Entsprechend kann für das Übergitter beispielsweise die Übergitterperiode sowie die Gesamtverspannung der Einheitszelle bestimmt werden. Je nach Anzahl an unterschiedlichen Quantentopfstrukturen, Anzahl der jeweils einzelnen Quantentopfstrukturen und/oder deren Zahlenverhältnisse kann durch eine solche periodische Anordnung mittels Röntgenbeugung eine zuverlässige Aussage über die Verspannung im Schichtstapel erhalten werden. Weicht beispielsweise die Gesamtverspannung des Schichtstapels zur Erzeugung der aktiven Zone 115 zu stark von der des Substrats ab, so können beim Wachstum des Schichtstapels Versetzungen auftreten. Weiterhin kann ein dreidimensionales Wachstum auftreten, wodurch Aufrauungen verursacht werden. Dadurch, dass die Gesamtverspannung durch Röntgendiffraktometrie exakter bestimmt werden kann, kann eine bessere Prozesskontrolle und Prozessführung stattfinden. In deren Folge kann die Verspannung innerhalb des Schichtstapels eingestellt werden, wodurch letztendlich die Effizienz der optoelektronischen Halbleiterbauelemente verbessert wird.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Ausführungsformen. Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 10 umfasst beispielsweise eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, eine aktive Zone 115, sowie eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend. Beispielsweise können die erste Halbleiterschicht 110, die aktive Zone 115 sowie die zweite Halbleiterschicht 120 einen Schichtstapel ausbilden. Die aktive Zone 115 kann wie unter Bezugnahme auf die 1A bis 1D erläutert aufgebaut sein. Beispielsweise kann der Halbleiterschichtstapel, der die erste Halbleiterschicht 110, die aktive Zone 115 sowie die zweite Halbleiterschicht 120 enthält, über einem geeigneten Substrat 100 angeordnet sein. Weitere Schichten können zwischen dem Substrat 100 und den Halbleiterschichten angeordnet sein. Das Substrat kann beispielsweise isolierend oder elektrisch leitend sein. Ein erstes Kontaktelement 112 kann mit der ersten Halbleiterschicht 110 elektrisch leitend verbunden sein. Ein zweites Kontaktelement 122 kann mit der zweiten Halbleiterschicht 120 elektrisch leitend verbunden sein. Beispielsweise kann die erste Halbleiterschicht 110 über das elektrisch leitende Substrat 100 mit dem ersten Kontaktelement 112 verbunden sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind eine Vielzahl anderer Anschlussmöglichkeiten zwischen erster Halbleiterschicht 110 und erstem Kontaktelement 112 möglich. In entsprechender Weise kann auch ein elektrischer Kontakt der zweiten Halbleiterschicht 120 mit dem zweiten Kontaktelement 122 in anderer Weise als in 2A dargestellt erfolgen.
Beispielsweise können die erste und zweite Halbleiterschicht 110, 120 AlGaAs enthalten. Beispielsweise kann in diesem Fall als Quantentopfmaterial (Al)GaInAs und als Barrierenmaterial (Al)GaAsP verwendet werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die erste und die zweite Halbleiterschicht 110, 120 AlGaInP enthalten. Bei Verwendung von AlGaInP als Materialsystem für die erste und zweite Halbleiterschicht 110, 120 können beispielsweise die Quantentopfschicht und auch die Barrierenschicht aus AlGaInP aufgebaut sein.
Beispielsweise können in Abhängigkeit vom verwendeten Materialsystem beim Aufwachsen von Barrieren- und Quantentopfschichten jeweils durch Einstellung der Abscheideparameter kompressive oder tensile Verspannungen gezielt eingestellt werden. Dadurch werden Verspannungen, die naturgemäß beim Aufbringen der jeweiligen Schichten über einem Substrat auftreten, kompensiert.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Vorrichtung 21 gemäß Ausführungsformen. Die optoelektronische Vorrichtung 21 weist ein erstes optoelektronisches Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben sowie ein zweites optoelektronisches Halbleiterbauelement 11 auf. Das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbauelement 10, 11 sind übereinander gestapelt und miteinander elektrisch verbunden. Das zweite Halbleiterbauelement 11 weist eine Quantentopfschicht 141 auf. Beispielsweise ist mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der Quantentopfschicht 141 des zweiten Halbleiterbauelements 11 von Elektron-Loch-Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopfschichten 127, 129 verschieden. Weiterhin kann mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten Quantentopfschicht 127 von Elektron-Loch-Übergangsenergien der Quantentopfschicht 141 des zweiten Halbleiterbauelements 11 verschieden sein. Mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der zweiten Quantentopfschicht 129 kann von Elektron-Loch-Übergangsenergien der Quantentopfschicht 141 des zweiten Halbleiterbauelements 11 verschieden sein. Das zweite Halbleiterbauelement 11 kann beispielsweise eine Vielzahl von Quantentopfschichten 141 aufweisen. Die Quantentopfschicht(en) 141 des zweiten Halbleiterbauelements 11 sind zwischen Barrierenschichten 142 angeordnet.
Beispielsweise können das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbauelement 10, 11 über einen Tunnelkontakt 103 miteinander elektrisch verbunden sein. Dabei kann ein Tunnelkontakt 103 eine p⁺⁺-dotierte Schicht sowie eine n⁺⁺-dotierte Schicht aufweisen, so dass eine Tunneldiode ausgebildet wird. Die optoelektronische Vorrichtung 21 oder das zweite optoelektronische Halbleiterbauelement 11 kann weiterhin ein geeignetes Substrat 100 umfassen. Weitere Schichten können zwischen dem Substrat 100 und den Halbleiterschichten angeordnet sein. Ein erstes Kontaktelement 112 kann mit der ersten Halbleiterschicht 110 elektrisch leitend verbunden sein. Ein zweites Kontaktelement 122 kann mit der zweiten Halbleiterschicht 120 elektrisch leitend verbunden sein.
Die erste Halbleiterschicht 110 des ersten optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 kann jeweils identisch zu oder unterschiedlich von der ersten Halbleiterschicht des zweiten optoelektronischen Halbleiterbauelements 11 sein. Die zweite Halbleiterschicht 120 des ersten optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 kann jeweils identisch zu oder unterschiedlich von der zweiten Halbleiterschicht des zweiten optoelektronischen Halbleiterbauelements 11 sein. Das erste und das zweite Halbleiterbauelement 10, 11 können jeweils auf demselben Materialsystem basieren.
Gemäß Ausführungsformen können sich die Quantentopfschicht 141 und die Quantentopfschichten 127, 129 des zweiten Halbleiterbauelements 11 in mindestens einer Elektron-Loch-Übergangsenergien unterscheiden. Beispielsweise kann dieser Unterschied größer als 50 oder 100 nm sein. Auf diese Weise lässt sich eine optoelektronische Vorrichtung bereitstellen, die elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich emittieren kann, bei dem eine Differenz zwischen minimaler und maximaler Wellenlänge größer als beispielsweise 50 oder 100 nm ist, ohne dass das zuvor beschriebene Problem der Intensitätsverschiebung auftritt.
2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Vorrichtung 20 gemäß weiteren Ausführungsformen. Die optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 weist eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 wie vorstehend beschrieben auf. Beispielsweise kann die optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 mehr als 2 optoelektronische Halbleiterbauelemente 10 umfassen. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 können jeweils verschieden oder auch identisch sein. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 können beispielsweise übereinander gestapelt sein und miteinander elektrisch verbunden sein. Beispielsweise können die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 über Tunnelkontakte 103 wie vorstehend beschrieben miteinander verbunden sein.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 oder die optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 kann beispielsweise als IR-Breitbandemitter, als breitbandige Lichtquelle oder als Leuchtdiode verwendet werden. Beispielsweise kann die Leuchtdiode elektromagnetische Strahlung in einem Spektralbereich von 650 bis 1200 nm emittieren.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: optoelektronisches Halbleiterbauelement
11: zweites optoelektronisches Halbleiterbauelement
20, 21: optoelektronische Halbleitervorrichtung
100: Substrat
103: Tunnelkontakt
110: erste Halbleiterschicht
112: erstes Kontaktelement
115: aktive Zone
116: aktive Zone
120: zweite Halbleiterschicht
122: zweites Kontaktelement
125: Einheitszelle
127: erste Quantentopfschicht
128: erste Barrierenschicht
129: zweite Quantentopfschicht
130: zweite Barrierenschicht
131: dritte Quantentopfschicht
132: dritte Barrierenschicht
134: untere Barrierenschicht
135: obere Barrierenschicht
141: Quantentopfschicht des zweiten optoelektronischen Halbleiterbauelements
142: Barrierenschicht des zweiten optoelektronischen Halbleiterbauelements

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit einer aktiven Zone (115), die eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Elektron-Loch-Rekombination aufweist, wobei die Mehrfachquantentopfstruktur eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Einheitszellen (125) aufweist, und jede Einheitszelle (125) eine erste Quantentopfschicht (127), die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten (128, 130) angeordnet ist, und eine zweite Quantentopfschicht (129), die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist, aufweist, wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten Quantentopfschicht (127) von Elektron-Loch-Übergangsenergien der zweiten Quantentopfschicht (129) verschieden ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1, bei dem jede Einheitszelle (125) eine dritte Quantentopfschicht (131), die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten (130, 132) angeordnet ist, aufweist, wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der dritten Quantentopfschicht (131) von den Elektron-Loch-Übergangsenergien der ersten und der zweiten Quantentopfschicht (127, 129) verschieden ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in der Einheitszelle (125) eine Anzahl an ersten Quantentopfschichten (127) von einer Anzahl an zweiten Quantentopfschichten (129) verschieden ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine untere Barrierenschicht (134), die an eine erste Seite der ersten Quantentopfschicht (127) angrenzt, von einer oberen Barrierenschicht (135), die an eine zweite Seite der ersten Quantentopfschicht (127) angrenzt, verschieden ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jeweils eine untere Barrierenschicht (134, 128), die an eine erste Seite der ersten Quantentopfschicht (127) angrenzt, identisch zu einer oberen Barrierenschicht (135, 128) ist, die an eine zweite Seite der ersten Quantentopfschicht (127) angrenzt, und eine erste Barrierenschicht (128) darstellt.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Anzahl von übereinander angeordneten Einheitszellen (125) größer als 5 ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vielzahl übereinander angeordneter Einheitszellen (125) eine Übergitterstruktur ausbildet.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Quantentopfschicht (127) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu emittieren und die zweite Quantentopfschicht (129) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge zu emittieren, wobei eine Differenz zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge kleiner als 100 nm ist.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (21), die ein erstes optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie ein zweites optoelektronisches Halbleiterbauelement (11) aufweist, wobei das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbauelement (10, 11) übereinander gestapelt und über einen Tunnelkontakt (103) miteinander elektrisch verbunden sind und das zweite Halbleiterbauelement (11) eine Quantentopfschicht (141) aufweist, wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der Quantentopfschicht (141) des zweiten Halbleiterbauelements (11) von Elektron-Loch-Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopfschichten (127, 129) verschieden ist oder umgekehrt.
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) mit einer Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die optoelektronischen Halbleiterbauelemente (10) übereinander gestapelt und über Tunnelkontakte (103) miteinander elektrisch verbunden sind.