DE10203393B4 - Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper auf der Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleiters - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper auf der Basis eines Nitrid-Verbindungshalbleiters Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauelement mit
– einem elektrisch leitfähigen Substrat (2),
– einem auf dem elektrisch leitfähigen Substrat (2) angeordneten Halbleiterkörper (4), der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, und
– einer zwischen dem Substrat (2) und dem Halbleiterkörper (4) angeordneten Pufferschicht (3) mit einer Mehrfachquantentopf-Struktur aus Halbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke, die zur Anpassung der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers (4) und des Substrats (2) dient,
– wobei die Mehrfachquantentopf-Struktur zumindest zwei durch Barriereschichten (5) getrennte Quantentöpfe (6) mit diskreten Energieniveaus (7) aufweist,
– wobei alle Quantentöpfe (6) und alle Barriereschichten (5) jeweils aus demselben Halbleitermaterial bestehen und
– wobei die Breite der Quantentöpfe (6) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin abnimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem elektrisch leitfähigen Substrat, einem auf dem elektrisch leitfähigen Substrat angeordneten Halbleiterkörper, der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, und einer zwischen dem Substrat und dem Halbleiterkörper angeordneten Pufferschicht zur Anpassung der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers und des Substrats.
  • Unter den Begriff „Nitrid-Verbindungshalbleiter” sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle von GaN abgeleiteten oder mit GaN verwandten Materialien sowie darauf aufbauende, beispielsweise ternäre oder quaternäre Mischkristalle fallen. Insbesondere umfaßt der Begriff Nitridverbindungen von Elementen der dritten und/oder fünften Hauptgruppe des Periodensystems der chemischen Elemente wie AlN, InN, A1GaN(Al1-xGaxN, 0 ≤ x ≤ 1), InGaN(In1-xGaxN, 0 ≤ x ≤ 1), InAlN(In1-xAlxN, 0 ≤ x ≤ 1) und AlInGaN(Al1-x-yInxGayN, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1).
  • Um Halbleiterbauelemente hoher Qualität herstellen zu können, ist eine einkristalline Abscheidung der entsprechenden Halbleiterschichten mit einer geringen Zahl an Gitterfehlern und Versetzungen wünschenswert. Dabei wächst eine Halbleiterschicht in der Regel am besten auf einem einkristallinen Substrat auf, dessen Gitterkonstante etwa gleich derjenigen der aufzuwachsenden Halbleiterschicht ist.
  • Für Halbleiterschichten, die mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthalten, (im Folgenden zumeist kurz als Nitrid-Halbleiter bezeichnet) weist die Herstellung eines derartigen Substratmaterials, insbesondere mit wirtschaftlich vertretbarem technischen Aufwand, zahlreiche Probleme auf. Daher werden solche Halbleiterschichten auf Substraten wie Saphir, Spinell oder Siliziumkarbid (SiC) aufgewachsen, welche in der Regel eine zu den Nitrid-Halbleitern verschiedene Gitterkonstante besitzen.
  • Wird beispielsweise SiC als Substrat verwendet, ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten in der Nitrid-Epitaxieschicht Versetzungen mit einer Dichte von etwa 108 cm–2 bis 1010 cm–2. An diesen Versetzungen können Ladungsträger nicht-strahlend rekombinieren und stehen beispielsweise für die Lichterzeugung in Leuchtdioden dann nicht mehr zur Verfügung.
  • Um diesem Problem zu begegnen, wurde im Stand der Technik auf dem Substrat vor dem Aufwachsen der Epitaxieschicht zunächst eine Pufferschicht zur Angleichung der Gitterkonstanten aufgebracht.
  • So ist in EP 1 187 229 A1 eine strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung mit einem leitfähigen Siliziumsubstrat beschrieben, auf das eine Pufferschicht und nachfolgend ein Halbleiterbereich aufgebracht ist, wobei der Halbleiterbereich eine zwischen zwei GaN-Schichten angeordnete InGaN-Schicht umfasst. Die Pufferschicht ist aus mehreren alternierenden, extrem dünnen AlGaN-Schichten gebildet.
  • Weiterhin ist aus EP 1 018 770 A1 eine Halbleiterlaserdiode mit einer InGaN-Einfach- oder InGaN-Mehrfachquantentopfstruktur bekannt, die ein Saphirsubstrat und eine Pufferschicht zur Vermeidung von Rissen in den nachfolgenden Epitaxieschichten aufweist. Die Pufferschicht umfaßt eine Überstruktur aus dünnen, alternierenden AlGaN-Schichten verschiedener Zusammensetzung.
  • Das direkte Aufbringen von relativ dicken Pufferschichten aus AlN oder GaN, oder aus ternären Verbindungen dieser binären Komponenten auf ein SiC Substrat führt jedoch aufgrund des Band-Offsets, also dem Unterschied der Bandlücken der aneinander grenzenden Materialien, zu Bandkantensprüngen im Valenz- und Leitungsband. Dabei werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Pufferschichten mit einer Dicke von mehr als 10 nm als dick betrachtet.
  • Die Bandkantensprünge stellen beim Stromtransport Barrieren für die Ladungsträger dar. Beispielsweise wird ein LED-Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit einer aktiven GaN-Schicht, die auf ein SiC-Substrat aufgebracht ist, vorderseitig an der lichtauskoppelnden GaN-Schicht und rückseitig an dem SiC-Substrat kontaktiert. Der eingeprägte Strom fließt also durch die Pufferschicht. Für die Elektronen stellt die Barriere im Leitungsband einen signifikanten Widerstand dar, der zu einer unerwünschten Erwärmung des Bauelements führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Stromtransport durch eine Pufferschicht die Verlustleistung in einem gattungsgemäßen Halbleiterbauelement zu verringern. Insbesondere soll so eine Aufheizung des Bauelements vermieden und die Effizienz des Bauelements erhöht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, durch das alternierende Abscheiden von Halbleitermaterialien mit größerer und kleinerer Bandlücke auf das Substrat zum einen die Funktion der Gitterangleichung durch die Pufferschicht aufrechtzuerhalten und zum anderen in den sich ausbildenden Quantentöpfen diskrete Energieniveaus bereitzustellen, die beim Stromtransport von den Ladungsträgern resonant besetzt werden können. Dies ermöglicht den Ladungsträgern ein Durchqueren der Pufferschicht mit deutlich reduziertem Energieverlust.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Halbleiterbauelement ein Substrat, einen Halbleiterkörper, der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, sowie eine dazwischen angeordnete Pufferschicht, wobei die Pufferschicht eine Mehrfachquantentopf-Struktur aus Halbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke, bevorzugt mit mindestens zwei durch Barriereschichten getrennten Quantentöpfen mit diskreten Energieniveaus, aufweist.
  • Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Quantentöpfe und die Barriereschichten jeweils aus demselben Halbleitermaterial.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Breite der Barriereschichten vom Substrat zum Halbleiterkörper hin zunimmt.
  • Die Erfindung kann insbesondere dann mit Vorteil eingesetzt werden, wenn zwischen dem Substrat und dem Halbleiterköper ein Band-Offset besteht, der im Kontakt im Valenzband oder im Leitungsband zu einem signifikanten Bandkantensprung führt. Der Bandkantensprung kann insbesondere 0,2 eV oder mehr oder sogar 0,5 eV oder mehr betragen.
  • Bei einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist vorgesehen, daß die Mehrfachquantentopf-Struktur so ausgebildet und eingerichtet ist, daß sie Ladungsträgern erlaubt, sie durch resonantes Tunneln zu durchqueren. Das resonante Tunneln ermöglicht dabei einen besonders verlustarmen Ladungsträgertransport durch die Pufferschicht hindurch.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß die Mehrfachquantentopf-Struktur vier bis zwanzig, bevorzugt, daß die Mehrfachquantentopf-Struktur acht bis vierzehn durch Barriereschichten getrennte Quantentöpfe mit diskreten Energieniveaus aufweist.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Halbleitermaterialien der Quantentöpfe und der Barriereschichten, die Breiten der Quantentöpfe und die Breiten der Barriereschichten so gewählt sind, daß die diskreten Energieniveaus in benachbarten Quantentöpfen im wesentlichen auf gleicher Energie liegen.
  • Dabei ist allerdings nicht erforderlich, daß die Energieniveaus benachbarter Quantentöpfe auf genau gleicher Energie liegen, da die Energieniveaus selbst beispielsweise durch Fluktuationen der Topfbreite in der Ebene der Quantentopf-Schichten eine endliche Breite aufweisen. Es ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausreichend, wenn die Energieniveaus benachbarter Quantentöpfe innerhalb der Breiten der Energieniveaus gleich sind. Wichtig ist lediglich, daß die Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen benachbarten Energieniveaus ausreichend hoch ist.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß der zweiten oder dritten Ausführungsform ist vorgesehen, daß alle Quantentöpfe und alle Barriereschichten jeweils aus demselben Halbleitermaterial bestehen und daß die Breite der Quantentöpfe vom Substrat zum Halbleiterkörper hin abnimmt. Durch die Verwendung desselben Halbleitermaterials für alle Topf- bzw. alle Barriere-Schichten werden konstante Materialeigenschaften über die gesamte Dicke der Mehrfachquantentopf-Struktur erreicht.
  • Die Lage der Energieniveaus kann über die Topfbreite eingestellt werden. Dabei trägt die Breitenabnahme vom Substrat zum Halbleiterkörper hin der Beobachtung Rechnung, daß bei den gewöhnlich verwendeten Substratmaterialien das Leitungsband des Substrats im Kontakt energetisch höher liegt, als das der Nitrid-Halbleiterschichten. Allerdings liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, daß bei einer umgekehrten Lage der Leitungsbänder die Breite der Quantentöpfe vom Substrat zum Halbleiterkörper hin zunimmt.
  • Wenn auch die Einstellung der Lage der Energieniveaus über die Breite der Quantentöpfe bevorzugt ist, so liegt es doch auch innerhalb der Erfindung, die Lage der Energieniveaus über verschiedene Barrierenhöhen einzustellen. Wird beispielsweise AlGaN für die Barrierenschichten verwendet, kann die Höhe der Barrieren durch geeignete Variation des Al-Gehaltes, also durch eine Variation des Zusammensetzungsverhältnisses x in Al1-xGaxN, in weitem Bereich verändert werden.
  • Mit Vorteil kann in dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement gemäß der ersten oder dritten Ausführungsform alternativ oder zusätzlich zu der vorgenannten Maßnahme die Breite der Barriereschichten im wesentlichen vom Substrat zum Halbleiterkörper hin zunehmen. Dies trägt der Beobachtung Rechnung, daß die Kopplung benachbarter Quantentöpfe insbesondere durch die Breite der Barrierenschichten beeinflußt wird.
  • Durch eine Zunahme der Barrierenbreite bei gleichzeitiger Abnahme der Topfbreite kann vorteilhaft eine konstante Periodenlänge für jedes Paar aus Quantentopf und Barriere erreicht werden. Die erste und/oder letzte Barriere mit Kontakt zum Substrat oder dem Halbleiterkörper kann unabhängig von dem grundsätzlichen Verhalten der Barrierenbreiten schmäler ausgeführt sein.
  • Analog zur oben erörterten Situation können bei einer entsprechender Lage der Leitungsbänder, bei der die Breite der Quantentöpfe vom Substrat zum Halbleiterkörper hin zunimmt, auch die Breite der Barrieren vom Substrat zum Halbleiterkörper hin abnehmen, so daß auch hier eine konstante Periodenlänge erreicht werden kann.
  • In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements besteht das Substrat aus Siliziumkarbid (SiC).
  • Die Mehrfachquantentopf-Struktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann mit Vorteil Quantentöpfe aus InGaN und Barriereschichten aus AlGaN aufweisen. Dabei steht InGaN für In1-xGaN, mit 0 ≤ x ≤ 1, und AlGaN für Al1-xGaN, mit 0 ≤ x ≤ 1.
  • In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist der Halbleiterkörper auf Basis von AlGaN gebildet, wobei AlGaN wieder für Al1-xGaxN, mit 0 ≤ x ≤ 1 steht. Insbesondere kann es sich bei dem Halbleiterbauelement um eine lichtemittierende Einrichtung, beispielsweise eine Lumineszenzdiode handeln. Weitergehend kann der Halbleiterkörper InGaN, AlInGaN, AlInN, InN, AlN oder GaN enthalten.
  • Die Erfindung bringt besonders große Vorteile bei der Verwendung dickerer Pufferschichten, insbesondere wenn die Dicke der Pufferschicht größer als 10 nm, oder sogar größer als 15 nm ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauelements nach der Erfindung und
  • 2 eine schematische Darstellung des Leitungsbandverlaufs in einem Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements nach der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines allgemein mit 1 bezeichneten Halbleiterbauelements nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Halbleiterbauelement 1 enthält ein leitfähiges, einkristallines SiC-Substrat 2, auf dem ein AlGaN enthaltender Halbleiterkörper 4 angeordnet ist. Zwischen Substrat 2 und Halbleiterkörper 4 ist eine Pufferschicht 3 mit einer Dicke von 15 nm eingefügt, um die Unterschiede der Gitterkonstante zwischen dem SiC-Substrat 2 und dem AlGaN-Halbleiterkörper 4 auszugleichen.
  • Bei dem Bauelement 1 kann es sich beispielsweise um ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement handeln, bei dem der Halbleiterkörper 4 einen Stapel aus Halbleiterschichten aus GaN oder einer darauf basierenden ternären oder quaternären Verbindung aufweist. Im Betrieb bildet sich innerhalb dieses Schichtstapels eine aktive Zone, in der Strahlung erzeugt werden kann. Die Stromzuführung in die aktive Zone kann dann einerseits über das elektrisch leitfähige SiC-Substrat über einen nicht gezeigten Rückseitenkontakt und andererseits über einen nicht gezeigten Mittenkontakt und gegebenenfalls eine Stromaufweitungsschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 4 erfolgen.
  • Der Verlauf des Leitungsbandes für das Bauelement von 1 ist in der 2 schematisch illustriert. Dabei sind die Größen des Substrats 2 und des Halbleiterkörpers 4 nicht maßstabsgetreu dargestellt. Die Pufferschicht 3 weist im Ausführungsbeispiel zehn Quantentöpfe 6 aus InGaN und elf Barriereschichten 5 aus AlGaN auf. Die Breiten der Quantentöpfe 6 nehmen dabei vom Substrat 2 zum Halbleiterkörper 4 hin ab, und die Breiten der Barriereschichten 5 nehmen vom Substrat 2 zum Halbleiterkörper 4 hin zu, so daß die Periodenlänge, also die Gesamtbreite eines Quantentopfes 6 und der angrenzenden Barriereschicht 5 konstant bleibt. Von der Substratseite her gesehen sind zehn vollständige Paare an Barriereschichten und Quantentöpfen aufgebracht. Dem schließt sich eine letzte, dünnere Barriereschicht an, die in den Halbleiterkörper 4 übergeht.
  • Durch diese Gestaltung wird erreicht, daß die diskreten Energieniveaus 7 in den Quantentöpfen an der Substratseite der Pufferschicht 3 tiefer und an der Halbleiterköperseite der Pufferschicht 3 energetisch höher liegen, immer bezogen auf den Boden der Quantentöpfe. Im Kontakt mit dem Halbleiterkörper 4 und dem Substrat 2 ergibt sich dann aufgrund der jeweiligen Band-Offsets eine Verbiegung der Mehrfachquantentopf-Struktur, die, wie in der Darstellung der 2 illustriert, gerade dazu führt, daß die diskreten Energieniveaus 7 der einzelnen Quantentöpfe im wesentlichen alle auf gleicher Energie liegen.
  • Beim Stromtransport können die Elektronen daher vom Substrat 2 resonant in das diskrete Energieniveau 7 des ersten Quantentopfes tunneln. Von dort können sie aufgrund der aufeinander ausgerichteten Energieniveaus ebenfalls resonant in die diskreten Energieniveaus 7 des zweiten und der weiteren Quantentöpfe tunneln. Insgesamt ergibt sich dadurch ein Ladungsträgertransport vom Substrat 2 durch die Pufferschicht 3 in den Halbleiterkörper, der nur von einem sehr geringen Energieverlust begleitet ist. Eine Erwärmung des Bauelements an der Pufferschicht 3 wird daher weitgehend vermieden.
  • Die genaue Wahl der Topf- und Barrierebreiten kann der Fachmann dabei bei gegebenen Materialien durch Simulationsrechnungen oder experimentell durch Wachsen von Probestrukturen und Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien bestimmen.
  • Es versteht sich, daß die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung sowohl einzeln als auch in jeder möglichen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein können.

Claims (20)

  1. Halbleiterbauelement mit – einem elektrisch leitfähigen Substrat (2), – einem auf dem elektrisch leitfähigen Substrat (2) angeordneten Halbleiterkörper (4), der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, und – einer zwischen dem Substrat (2) und dem Halbleiterkörper (4) angeordneten Pufferschicht (3) mit einer Mehrfachquantentopf-Struktur aus Halbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke, die zur Anpassung der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers (4) und des Substrats (2) dient, – wobei die Mehrfachquantentopf-Struktur zumindest zwei durch Barriereschichten (5) getrennte Quantentöpfe (6) mit diskreten Energieniveaus (7) aufweist, – wobei alle Quantentöpfe (6) und alle Barriereschichten (5) jeweils aus demselben Halbleitermaterial bestehen und – wobei die Breite der Quantentöpfe (6) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin abnimmt.
  2. Halbleiterbauelement mit – einem elektrisch leitfähigen Substrat (2), – einem auf dem elektrisch leitfähigen Substrat (2) angeordneten Halbleiterkörper (4), der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, und – einer zwischen dem Substrat (2) und dem Halbleiterkörper (4) angeordneten Pufferschicht (3) mit einer Mehrfachquantentopf-Struktur aus Halbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke, die zur Anpassung der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers (4) und des Substrats (2) dient, – wobei die Mehrfachquantentopf-Struktur zumindest zwei durch Barriereschichten (5) getrennte Quantentöpfe (6) mit diskreten Energieniveaus (7) aufweist, – wobei die Breite der Barriereschichten (5) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin zunimmt.
  3. Halbleiterbauelement mit – einem elektrisch leitfähigen Substrat (2), – einem auf dem elektrisch leitfähigen Substrat (2) angeordneten Halbleiterkörper (4), der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, und – einer zwischen dem Substrat (2) und dem Halbleiterkörper (4) angeordneten Pufferschicht (3) mit einer Mehrfachquantentopf-Struktur aus Halbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke, die zur Anpassung der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers (4) und des Substrats (2) dient, – wobei die Mehrfachquantentopf-Struktur zumindest zwei durch Barriereschichten (5) getrennte Quantentöpfe (6) mit diskreten Energieniveaus (7) aufweist, – wobei alle Quantentöpfe (6) und alle Barriereschichten (5) jeweils aus demselben Halbleitermaterial bestehen und – wobei die Breite der Quantentöpfe (6) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin zunimmt.
  4. Halbleiterbauelement mit – einem elektrisch leitfähigen Substrat (2), – einem auf dem elektrisch leitfähigen Substrat (2) angeordneten Halbleiterkörper (4), der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, und – einer zwischen dem Substrat (2) und dem Halbleiterkörper (4) angeordneten Pufferschicht (3) mit einer Mehrfachquantentopf-Struktur aus Halbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke, die zur Anpassung der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers (4) und des Substrats (2) dient, – wobei die Mehrfachquantentopf-Struktur zumindest zwei durch Barriereschichten (5) getrennte Quantentöpfe (6) mit diskreten Energieniveaus (7) aufweist, – wobei die Breite der Barriereschichten (5) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin abnimmt.
  5. Halbleiterbauelement mit – einem elektrisch leitfähigen Substrat (2), – einem auf dem elektrisch leitfähigen Substrat (2) angeordneten Halbleiterkörper (4), der mindestens einen Nitrid-Verbindungshalbleiter enthält, und – einer zwischen dem Substrat (2) und dem Halbleiterkörper (4) angeordneten Pufferschicht (3) mit einer Mehrfachquantentopf-Struktur aus Halbleitermaterialien mit verschiedener Bandlücke, die zur Anpassung der Gitterkonstanten des Halbleiterkörpers (4) und des Substrats (2) dient, – wobei die Mehrfachquantentopf-Struktur zumindest zwei durch Barriereschichten (5) getrennte Quantentöpfe (6) mit diskreten Energieniveaus (7) aufweist, – wobei die Halbleitermaterialien der Quantentöpfe (6) und der Barriereschichten (5), die Breiten der Quantentöpfe (6) und die Breiten der Barriereschichten (5) so gewählt sind, daß beim Stromtransport die diskreten Energieniveaus (7) in benachbarten Quantentöpfen (6) innerhalb der Breiten der Energieniveaus auf gleicher Energie liegen.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Quantentöpfe (6) und alle Barriereschichten (5) jeweils aus demselben Halbleitermaterial bestehen und daß die Breite der Quantentöpfe (6) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin abnimmt.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Barriereschichten (5) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin zunimmt.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Quantentöpfe (6) und alle Barriereschichten (5) jeweils aus demselben Halbleitermaterial bestehen und daß die Breite der Quantentöpfe (6) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin zunimmt.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Barriereschichten (5) vom Substrat (2) zum Halbleiterkörper (4) hin abnimmt.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare aus Quantentopf (6) und angrenzender Barriereschicht (6) eine konstante Periodenlänge aufweisen.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachquantentopf-Struktur so ausgebildet und eingerichtet ist, daß Ladungsträger die Mehrfachquantentopf-Struktur durch resonantes Tunneln durchqueren können.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat (2) und dem Halbleiterköper (4) ein Band-Offset besteht, der beim Übergang von dem Halbleiterkörper (4) zu dem Substrat (2) im Valenzband oder im Leitungsband zu einem Bandkantensprung von 0,2 eV oder mehr, insbesondere von 0,5 eV oder mehr führt.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachquantentopf-Struktur vier bis zwanzig, bevorzugt, daß die Mehrfachquantentopf-Struktur acht bis vierzehn durch Barriereschichten (5) getrennte Quantentöpfe (6) mit diskreten Energieniveaus (7) aufweist.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) SiC enthält oder aus SiC besteht.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachquantentopf-Struktur (3) Quantentöpfe (6), die InGaN enthalten, und Barriereschichten (5), die AlGaN enthalten, aufweist.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nitrid-Verbindungshalbleiter eine Nitridverbindung von Elementen der dritten und/oder fünften Hauptgruppe, insbesondere GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN, InAlN oder InAlGaN ist.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Pufferschicht (3) größer als 10 nm, insbesondere größer als 15 nm ist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) und/oder der Halbleiterkörper zumindest in Teilbereichen einkristallin sind.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein optoelektronisches, insbesondere strahlungsemittierendes Bauelement ist.
  20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement eine Lumineszenzdiode, insbesondere eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112048710B (zh) * 2020-09-07 2023-09-19 湘能华磊光电股份有限公司 一种减少led发光波长蓝移量的led外延生长方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1018770A1 (de) * 1997-08-20 2000-07-12 Sanyo Electric Co., Ltd. Halbleitervorrichtung auf basis einer galliumnitrid halbleiterverbindung
WO2001061766A1 (fr) * 2000-02-21 2001-08-23 Sanken Electric Co., Ltd. Dispositif semi-conducteur electroluminescent et procede de fabrication correspondant

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1018770A1 (de) * 1997-08-20 2000-07-12 Sanyo Electric Co., Ltd. Halbleitervorrichtung auf basis einer galliumnitrid halbleiterverbindung
WO2001061766A1 (fr) * 2000-02-21 2001-08-23 Sanken Electric Co., Ltd. Dispositif semi-conducteur electroluminescent et procede de fabrication correspondant
EP1187229A1 (de) * 2000-02-21 2002-03-13 Sanken Electric Co., Ltd. Lichtemittierender halbleiter und seine herstellung

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