DE10242360A1

DE10242360A1 - Optoelektronischer Halbleiterchip mit Übergitter

Info

Publication number: DE10242360A1
Application number: DE2002142360
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Brüderl; Johannes Dr. Baur; Norbert Dr. Stath; Michael Dr. Fehrer; Berthold Dr. Hahn
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: DE10242360B4

Abstract

Optoelektrischer Halbleiterchip mit einer Schicht mit einer periodischen Abfolge dünner Schichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen im Materialsystem von ZnSe oder GaN, die mindestens drei verschiedene Mischkristallzusammensetzungen zur Ausbildung eines Übergitters und zur Einstellung des Brechungsindexes umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optoelektronische Halbleiterchips auf der Basis von ZnSe oder Nitrid-Halbleitermaterial mit einem Übergitter.
Unter Halbleiterchips auf der Basis von ZnSe oder Nitrid-Halbleitermaterial sind sämtliche Halbleiterchips zu verstehen, deren funktionelle Halbleiterschichtenfolge mindestens eine Schicht aufweist, die ZnSe bzw. Nitrid-Halbleitermaterial wie GaN, AlGaN, InGaN oder AlGaInN aufweist und diese wesentliche Eigenschaften des Halbleiterchips bestimmt.
Optoelektronische Halbleiterchips im Materialsystem von ZnSe oder GaN besitzen in der Regel eine aktive Schicht, die z. B. für Strahlungserzeugung oder Strahlungsdetektion vorgesehen ist. Diese aktive Schicht ist zwischen Begrenzungsschichten (cladding layers) angeordnet, die zum elektrischen Einschluss der Ladungsträger in der Nähe der aktiven Zone (elektrisches Confinement) und/oder zum Führen der elektromagnetischen Welle um die aktive Zone (optisches Confinement) vorgesehen sind. Diese Schichten sind auf Grund ihrer hohen Energiebandlücken häufig nur unzureichend elektrisch leitend dotierbar, was z. B. insbesondere für AlGaN:Mg oder MgZnSSe:N gilt.
Die aktive Schicht kann im vorliegenden Zusammenhang eine einzelne Schicht, beispielsweise einer Doppelheterostruktur, oder eine Mehrschichtfolge, beispielsweise einer Einfach- oder Mehrfachqantentopfstruktur (Single Quantum Well- oder Multi Quantum Well-Struktur), sein.

Es ist bekannt, durch eine alternierende Schichtfolge dünner Halbleiterschichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen ein so genanntes Übergitter auszubilden. Auf diese Weise lässt sich unter anderem eine höhere Dotierstoffkonzen tration und damit eine bessere elektrische Leitfähigkeit der Gesamtschicht erreichen. Solche Schichten können insbesondere als Begrenzungsschichten eingesetzt werden. Die Begrenzungsschichten müssen jedoch den für die Funktionsweise des Halbleiterchips erforderlichen effektiven Brechungsindex aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optoelektronischen Halbleiterchip im Materialsystem von ZnSe oder Nitrid-Halbleitermaterial mit ausreichend hoch dotierbaren Begrenzungsschichten geeigneten Brechungsindexes anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterchip mit den Merkmalent mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip ist die aktive Schicht zwischen Begrenzungsschichten für optisches und/oder elektrisches Confinement im Materialsystem von ZnSe oder GaN angeordnet. In mindestens einer der Schichten ist ein Übergitter aus einer periodischen Abfolge dünner Schichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen ausgebildet, wobei mindestens drei verschiedene Mischkristallzusammensetzungen verwendet sind. Die modulationsdotierten Übergitter sind erfindungsgemäß daher um weitere Schichten zur Einstellung des Brechungsindexes erweitert.

Vorzugsweise ist mindestens eine binäre Mischkristallzusammensetzung vorhanden, die eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweist als die übrigen Schichten des Übergitters. Durch die geeignete Wahl der Mischkristallzusammensetzungen dieser Schichten ist der effektive Brechungsindex der Gesamtschicht geeignet eingestellt, was insbesondere bei einer Begrenzungsschicht für ein optisches Confinement vorgesehen sein kann.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht eine periodische Abfolge dünner Schichten im Materialsystem von GaN/AlGaN vor, wobei insbesondere eine GaN-Schicht mit zwei Al_xGa_1–xN-Schichten unterschiedlicher x-Werte zwischen 0 und 1 kombiniert sein kann.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen dieser Halbleiterchips an Hand der 1 bis 4.
Die 1 zeigt eine typische Schichtanordnung eines optoelektronischen Halbleiterchips im Querschnitt.
Die 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Energie über der Schichtdicke aufgetragen ist.
Die 3 zeigt ein Diagramm, in dem die effektive Löcherkonzentration über der Schichtdicke aufgetragen ist.
Die 4 zeigt ein Diagramm, in dem der Brechungsindex über der Schichtdicke aufgetragen ist.
In der 1 ist im Querschnitt eine typische Schichtstruktur eines optoelektronischen Halbleiterchips dargestellt. Auf einem Substrat 1 sind eine oder mehrere untere Begrenzungsschichten 2, 3 epitaktisch aufgewachsen. Darauf folgt die aktive Schicht 4, die z. B. für Strahlungserzeugung vorgesehen ist. Obere Begrenzungsschichten 5, 6 werden von einer Deckschicht oder Mantelschicht 7 nach oben abgedeckt. Auf der Oberseite des Halbleiterchips befindet sich ein Kontakt 8 für Strominjektion. Ein weiterer Kontakt, der nicht eingezeichnet ist, befindet sich entweder auf der Rückseite des in diesem Fall elektrisch leitfähig dotierten Substrates 1 oder seitlich des Kontaktes 8 auf der Oberseite und durch geeignet dotierte Bereiche in dem Halbleitermaterial mit den unteren Begrenzungsschichten 2, 3 elektrisch leitend verbunden.
Die Anzahl der Begrenzungsschichten ist im Prinzip beliebig. Es kann beidseits der aktiven Schicht 4 nur jeweils eine Begrenzungsschicht vorgesehen sein, die sowohl ein optisches als auch ein elektrisches Confinement bewirkt. Außerdem können zusätzliche Mantelschichten oder Pufferschichten, insbesondere zur Verbesserung des epitaktischen Wachstums auf dem Substrat 1, in an sich bekannter Weise vorgesehen sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterchip ist zumindest eine der Schichten 2, 3, 4, 5, 6 des aktiven Schichtaufbaus, vorzugsweise eine der Begrenzungsschichten 2, 3, 5, 6, als periodische Abfolge dünner Schichten ausgebildet, in denen ein Übergitter ausgebildet ist. Ein solches Übergitter wird nicht durch das Kristallgitter einer homogenen Materialzusammensetzung gebildet, sondern entsteht durch die Anordnung einer Vielzahl, zumeist alternierender dünner Schichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen. Erfindungsgemäß wird dieses Übergitter in einer Abfolge aus mindestens drei verschiedenen Mischkristallzusammensetzungen ausgebildet.
Bei Halbleitermaterialien mit großer Energiebandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband besitzen binäre Mischkristallzusammensetzungen meistens eine kleinere Energiebandlücke als ternäre oder quaternäre Mischkristallzusammensetzungen und lassen sich deutlich höher dotieren. Es wird daher in der Abfolge dünner Schichten vorzugsweise eine Schicht mit binärer Mischkristallzusammensetzung angeordnet, die mit einer hohen Dotierstoffkonzentration versehen wird. Damit erreicht man eine hohe Dotierung der gesamten Schichtfolge. Im Materialsystem von GaN/AlGaN ist GaN das binäre Halbleitermaterial. In der periodischen Abfolge der Schichten des Übergitters werden zu der hoch dotierten GaN-Schicht mindestens zwei weitere Schichten aus ternärem Al_xGa_1–xN unterschiedlichen Aluminiumanteils x vorgesehen.
Es können zusätzlich die Dicken der Schichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen voneinander verschieden gewählt werden. Die Energiebandlücken und Abmessungen der Schichten lassen sich daher so einstellen, dass insgesamt ein vorgesehener effektiver Brechungsindex in der aktiven Schichtstruktur erreicht wird. Eine solche Schichtfolge mit einem Übergitter aus mindestens drei Schichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen lässt sich daher besonders gut als Begrenzungsschicht für optisches Confinement in dem Halbleiterchip vorsehen. Auf die beschriebene Weise lassen sich sowohl die Dotierstoffkonzentration als auch der Brechungsindex des betreffenden Halbleiterchips optimieren.
Die 2 zeigt ein Diagramm, in dem die untere Grenze des Leitungsbandes (Energieniveau E_C), die obere Grenze des Valenzbandes (Energieniveau E_C) und die Fermienergie E_F für p-Leitung (Löcher als Ladungsträger) über der vertikalen Abmessung th der gesamten Schichtfolge für den Fall einer periodischen Abfolge dreier dünner Schichten aufgetragen sind. Eine Periode dieser Schichtfolge macht hier jeweils 0,01 μm der gesamten Schichtdicke aus.
In der 3 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die effektive Ladungsträgerkonzentration d, in diesem Fall der Löcher, in cm^–3 über der Schichtdicke th aufgetragen ist. Die Ladungsträgerkonzentration ist in diesem Beispiel dementsprechend über die gesamte Schicht konstant.
In der 4 ist ein Diagramm gezeigt, in dem für das Beispiel aus den 2 und 3 der Brechungsindex n sowie der effektive Brechungsindex n_eff (waagrechte Linie) über der Schichtdicke th aufgetragen sind. Es handelt sich hierbei um eine simulierte Abfolge von Al_xGa_1–xN/Al_yGa_1–yN/GaN-Perioden. Dabei sind die Werte von x und y verschieden, so dass die ternären Mischkristallzusammensetzungen der beiden betreffenden Schichten voreinander verschieden sind. In diesem Diagramm ist erkennbar, wie der effektive Brechungsindex der Schichtfolge durch geeignete Wahl der einzelnen Schichten eingestellt werden kann.

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer aktiven Schicht (4) zwischen Begrenzungsschichten (2, 3, 5, 6) für optisches und/oder elektrisches Confinement im Materialsystem von ZnSe oder von Nitrid-Halbleitermaterial, insbesondere von GaN, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer dieser Schichten ein Übergitter aus einer periodischen Abfolge dünner Schichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen ausgebildet ist und diese Abfolge dünner Schichten mindestens drei verschiedene Mischkristallzusammensetzungen umfasst.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 1, bei dem die periodische Abfolge dünner Schichten eine Schicht einer binären Mischkristallzusammensetzung umfasst und diese Schicht binärer Mischkristallzusammensetzung eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweist als die übrigen Schichten der periodischen Abfolge.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die periodische Abfolge dünner Schichten in einer Begrenzungsschicht ausgebildet ist, die für optisches Confinement vorgesehen ist, und der effektive Brechungsindex dieser Begrenzungsschicht durch die Mischkristallzusammensetzungen der Schichten höher als der Brechungsindex der aktiven Schicht (4) eingestellt ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die periodische Abfolge dünner Schichten eine GaN-Schicht und zwei Al_xGa_1–xN-Schichten unterschiedlicher x-Werte umfasst.