DE112016001422B4

DE112016001422B4 - Optoelektronischer Halbleiterchip

Info

Publication number: DE112016001422B4
Application number: DE112016001422.8T
Authority: DE
Inventors: Asako Hirai; Tobias Meyer; Philipp Drechsel; Peter Strauss; Anna Nirschl; Alvaro Gomez-Iglesias; Tobias Niebling; Bastian Galler
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: US20180062031A1; DE112016001422A8; US20190109246A1; WO2016156312A1; DE102015104700A1; WO2016156312A9; US10522699B2; US10164134B2; DE112016001422A5

Abstract

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit einer aktiven Zone mit einer Multi-Quantentopfstruktur (3), basierend auf dem Materialsystem AlInGaN, wobei- die Multi-Quantentopfstruktur (3) mehrere Quantentopfschichten (31) und mehrere Barriereschichten (32) aufweist, die entlang einer Wachstumsrichtung (G) abwechselnd aufeinanderfolgen und die sich jeweils durchgehend über die gesamte Multi-Quantentopfstruktur (3) erstrecken,- in einem Querschnitt parallel zur Wachstumsrichtung (G) gesehen die Multi-Quantentopfstruktur (3) zumindest einen Emissionsbereich (41) und mehrere Transportbereiche (42) aufweist, die in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) abwechselnd aufeinanderfolgen,- die Quantentopfschichten (31) und/oder die Barriereschichten (32) in den Transportbereichen (42) dünner sind als in den Emissionsbereichen (41),- die Quantentopfschichten (31) sowohl in den Transportbereichen (42) als auch in den Emissionsbereichen (41) senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) orientiert sind, mit Ausnahme eines Übergangsbereichs zwischen benachbarten Transportbereichen (42) und Emissionsbereichen (41), und- ein mittlerer Indium-Gehalt der Quantentopfschichten (31) in den Transportbereichen (42) höchstens 60 % eines mittleren Indium-Gehalts der Quantentopfschichten (31) in den Emissionsbereichen (41) beträgt, sodass die Quantentopfschichten (31) in den Transportbereichen (42) eine erhöhte Bandlücke aufweisen, im Vergleich zu den Emissionsbereichen (41) .

Description

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.
Aus den Druckschriften DE 10 2012 217 640 A1 , US 2002 / 0 145 148 A1 und DE 693 19 317 T2 sind optoelektronische Halbleiterchips mit Multi-Quantentopfstrukturen bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, der eine hohe externe Quanteneffizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen optoelektronischen Halbleiterchip den folgenden Merkmalen gelöst. Der optoelektronische Halbleiterchip umfasst eine aktiven Zone mit einer Multi-Quantentopfstruktur, basierend auf dem Materialsystem AlInGaN, wobei

- die Multi-Quantentopfstruktur mehrere Quantentopfschichten und mehrere Barriereschichten aufweist, die entlang einer Wachstumsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgen und die sich jeweils durchgehend über die gesamte Multi-Quantentopfstruktur erstrecken,
- in einem Querschnitt parallel zur Wachstumsrichtung gesehen die Multi-Quantentopfstruktur zumindest einen Emissionsbereich und mehrere Transportbereiche aufweist, die in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgen,
- die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten in den Transportbereichen dünner sind als in den Emissionsbereichen,
- die Quantentopfschichten sowohl in den Transportbereichen als auch in den Emissionsbereichen senkrecht zur Wachstumsrichtung orientiert sind, mit Ausnahme eines Übergangsbereichs zwischen benachbarten Transportbereichen und Emissionsbereichen, und
- ein mittlerer Indium-Gehalt der Quantentopfschichten in den Transportbereichen höchstens 60 % eines mittleren Indium-Gehalts der Quantentopfschichten in den Emissionsbereichen beträgt, sodass die Quantentopfschichten in den Transportbereichen eine erhöhte Bandlücke aufweisen, im Vergleich zu den Emissionsbereichen.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterchip eine aktive Zone auf. Die aktive Zone beinhaltet eine Multi-Quantentopfstruktur. Insbesondere ist die aktive Zone zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von nahultravioletter Strahlung, sichtbarem Licht oder nahinfraroter Strahlung, vorgesehen. Bei dem optoelektronischen Halbleiterchip handelt es sich besonders bevorzugt um einen Leuchtdiodenchip oder um einen Laserdiodenchip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Multi-Quantentopfstruktur mehrere Quantentopfschichten und mehrere Barriereschichten. Entlang einer Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge, in der die Multi-Quantentopfstruktur realisiert ist, wechseln die Quantentopfschichten und die Barriereschichten einander ab. Mit anderen Worten liegt in der Multi-Quantentopfstruktur eine alternierende Abfolge aus den Quantentopfschichten und den Barriereschichten vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstrecken sich die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten durchgehend und bevorzugt ununterbrochen und lückenlos über die gesamte Multi-Quantentopfstruktur. Das bedeutet insbesondere, dass in Draufsicht gesehen jede der genannten Schichten eine Grundfläche der Multi-Quantentopfstruktur oder zumindest eine zur bestimmungsgemäßen Strahlungserzeugung vorgesehene Grundfläche der Multi-Quantentopfstruktur jeweils vollständig ausfüllt. Der Begriff ununterbrochen schließt dabei nicht aus, dass bedingt durch das Herstellungsverfahren in Draufsicht gesehen kleine Löcher vorhanden sein können. Solche Löcher weisen zum Beispiel einen Durchmesser von höchstens 50 nm oder 15 nm auf und ein Flächenanteil dieser Löcher, in Draufsicht gesehen, liegt bevorzugt bei unter 2 % oder 1 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Multi-Quantentopfstruktur in zumindest einen Emissionsbereich und zumindest einen Transportbereich unterteilt. Bevorzugt liegt eine Vielzahl von Transportbereichen vor und genau ein oder mehrere Emissionsbereiche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wechseln sich die Emissionsbereiche und die Transportbereiche entlang einer Richtung quer oder senkrecht zur Wachstumsrichtung ab, in einem Querschnitt parallel zur Wachstumsrichtung gesehen. Dass die Multi-Quantentopfstruktur im Querschnitt gesehen mehrere Emissionsbereiche aufzeigt, schließt nicht aus, dass in Draufsicht gesehen nur ein einziger, zusammenhängender Emissionsbereich vorhanden ist. Die Emissionsbereiche können sich, in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung, jeweils durch die gesamte Multi-Quantentopfstruktur erstrecken. Dies kann bedeuten, dass in den Emissionsbereichen alle Quantentopfschichten im bestimmungsgemäßen Betrieb Strahlung erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten in den Transportbereichen dünner gestaltet oder weisen eine andere Materialzusammensetzung auf als in den Emissionsbereichen. Hierdurch ist es ermöglicht, dass in den Transportbereichen ein gegenüber den Emissionsbereichen verbesserter Ladungsträgertransport, insbesondere verbesserter Transport von so genannten Löchern, gewährleistet ist. Mit anderen Worten ist bevorzugt eine Dicke der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten entlang einer Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung moduliert. Der Begriff Dicke bezieht sich dabei bevorzugt auf eine Ausdehnung der entsprechenden Schicht entlang einer lokalen Normalen zu der Schicht, also in Richtung senkrecht zu lokal vorliegenden Haupterstreckungsrichtungen der Schicht, insbesondere im Querschnitt senkrecht zur Schicht gesehen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip eine aktive Zone mit einer Multi-Quantentopfstruktur. Die Multi-Quantentopfstruktur beinhaltet mehrere Quantentopfschichten und mehrere Barriereschichten, die entlang einer Wachstumsrichtung der Multi-Quantentopfstruktur abwechselnd aufeinanderfolgen und die sich jeweils durchgehend über die gesamte Multi-Quantentopfstruktur oder zumindest über einen zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Bereich der Multi-Quantentopfstruktur erstrecken. In einem Querschnitt parallel zur Wachstumsrichtung gesehen weist die Multi-Quantentopfstruktur zumindest einen Emissionsbereich und mehrere Transportbereiche auf, die in einer Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgen. Die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten in den Transportbereichen sind dünner gestaltet und/oder weisen eine andere Materialzusammensetzung auf als in den Emissionsbereichen.
Herkömmlicherweise weist eine aktive Zone eine Multi-Quantentopfstruktur, auch als Multiple Quantum Well oder MQW bezeichnet, auf, bei der Quantentopfschichten eine homogene Dicke aufweisen, in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung. Bei einer solchen Multi-Quantentopfstruktur ist es vergleichsweise schwierig, Löcher in diejenigen Quantentopfschichten zu injizieren, die weiter von einer p-leitenden Seite einer Halbleiterschichtenfolge entfernt sind. Um eine Injektion von Löchern zu verbessern, ist es möglich, dünnere Barriereschichten zu wählen. Dünnere Barriereschichten erfordern allerdings einen höheren Indiumanteil in den Quantentopfschichten, um die gewünschte Emissions-Wellenlänge zu erzielen. Damit einhergehend kann sich eine Qualität der Quantentopfschichten verschlechtern und auch eine Degradation über die Zeit hinweg kann verstärkt auftreten.
Für die Herstellung von hocheffizienten LEDs ist es notwendig, die Ladungsträger möglichst homogen in den Quantentopfschichten zu verteilen um sowohl Verluste durch nichtstrahlende Auger-Rekombination als auch ein Ladungsträgerüberfließen zu vermeiden. Bei dem hier beschriebenen Halbleiterchip ist es möglich, in den Emissionsbereichen vergleichsweise dicke Barriereschichten zu verwenden und einen relativ niedrigen Indiumgehalt in den Quantentopfschichten beizubehalten und gleichzeitig eine effiziente Einprägung von Löchern in von einer p-leitenden Seite weiter entfernt liegende Quantentopfschichten zu gewährleisten, indem die Transportbereiche von den Emissionsbereichen getrennt werden. Zu Auger-Prozessen wird auch auf die Druckschriften Jacques Peretti et al., „Identification of Auger effect as the dominant mechanism for efficiency droop of LEDs" in Proc. SPIE 9003, Light-Emitting Diodes: Materials, Devices, and Applications for Solid State Lighting XVIII, 90030Z (February 27, 2014), sowie Laubsch et al., „On the origin of IQE-‚droop‘ in InGaN LEDs" in Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics, Volume 6, Issue SUPPL. 2, July 2009, Seiten S913-S916 hingewiesen.
Aufgrund unterschiedlicher Wachstumsraten auf unterschiedlichen Kristallebenen bei typischen MOVPE-Wachstumsbedingungen während des MQW-Wachstums können lateral nebeneinander Transportbereiche und Emissionsbereiche abgeschieden werden. Dabei werden im Emissionsbereich die für eine effiziente Lichterzeugung vorteilhaften dickeren Quantentopfschichten und Barriereschichten hergestellt. In den Transportbereichen werden dagegen dünnere Barriereschichten und dünnere Quantentopfschichten hergestellt, die einen erhöhten Transport von Löchern in weiter von der p-Seite entfernt befindliche Quantentopfschichten bewirken.
Weiterhin haben die Quantentopfschichten in den Transportbereichen besonders bevorzugt einen niedrigen Indium-Gehalt und damit eine erhöhte Bandlücke. Bevorzugt werden daher die in den Transportbereichen in den Quantentopfschichten eingefangenen Ladungsträger zunächst lateral in den durchgehend verbundenen Quantentopfschichten in den energetisch günstigeren Emissionsbereich mit der niedrigeren Bandlücke diffundieren und erst dort effizient rekombinieren und damit die Lichtausbeute des Halbleiterchips erhöhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt zumindest in den Transportbereichen oder nur in einem Übergangsbereich zwischen benachbarten Transportbereichen und Emissionsbereichen eine oder mehrere Dotierschichten vor, die mit einem p-Typ Dotierstoff mit einer Atom-Konzentration von mindestens 10¹⁷ 1/cm³ oder 10¹⁸ 1/cm³ oder, bevorzugt, 10¹⁹ 1/cm³ versehen ist. Bei dieser mindestens einen Dotierschicht kann es sich um eine oder mehrere der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten handeln. Alternativ kann es sich bei der Dotierschicht um eine zusätzliche Schicht handeln, die den Transportbereich teilweise oder, bevorzugt, vollständig auffüllt und die somit entlang der Wachstumsrichtung oberhalb der dünneren Quantentopfschichten und/oder Barriereschichten liegen kann. Es ist möglich, dass die Dotierschicht als Planarisierungsschicht ausgebildet ist, sodass die Transportbereiche und die Emissionsbereiche aufgrund der Dotierschicht bündig miteinander abschließen. Das heißt, die Dotierschicht kann als dünnere Schicht auch oberhalb der aktiven Zone der Emissionsbereiche vorhanden sein. Die Dotierschicht ist bevorzugt in den gesamten Transportbereichen vorhanden, insbesondere als eine Abdeckschicht der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten der Transportbereiche. Insbesondere bedeckt die Dotierschicht Facetten der Emissionsbereiche teilweise oder vollständig, speziell falls die Transportbereiche als V-Pits gestaltet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Flächenanteil der Emissionsbereiche bei mindestens 50 % oder 70 % oder 80 % oder 90 %. Alternativ oder zusätzlich liegt der Flächenanteil der Emissionsbereiche, in Draufsicht gesehen, bei höchstens 99 % oder 98 % oder 95 % oder 90 %. Dabei entspricht ein Flächenanteil von 100 % der Summe der Flächen der Emissionsbereiche und der Transportbereiche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erscheinen die Emissionsbereiche, in Draufsicht auf die Multi-Quantentopfstruktur gesehen, im Betrieb heller als die Transportbereiche. Mit anderen Worten findet dann eine Strahlungserzeugung vorwiegend in den Emissionsbereichen statt und weniger ausgeprägt in den Transportbereichen. Als Helligkeit ist dabei insbesondere die Lichtintensität pro Flächeneinheit zu verstehen, beispielsweise gemessen in mW pro µm². Insbesondere erscheinen die Emissionsbereiche um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 3 und/oder um höchstens einen Faktor 20 oder 10 oder 5 heller als die Transportbereiche, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Transportbereiche, in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung, eine größere Leitfähigkeit für Löcher auf als die Emissionsbereiche. Die Löcherleitfähigkeit in den Transportbereichen übersteigt die Löcherleitfähigkeit in den Emissionsbereichen beispielsweise um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 oder 3 und/oder um höchstens einen Faktor 10 oder 5. Mit anderen Worten ist es möglich, dass ein Transport von Löchern innerhalb der Multi-Quantentopfstruktur in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung überwiegend in den Transportbereichen erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheiden sich die Dicken der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten zwischen den Transportbereichen und den Emissionsbereichen um mindestens einen Faktor 1,25 oder 1,5 oder 2 oder 2,5. Alternativ oder zusätzlich liegt der Unterschied in den Dicken der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten bei höchstens einem Faktor 15 oder 10 oder 6.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Transportbereiche eine mittlere Breite in Richtung quer oder senkrecht zur Wachstumsrichtung auf, die mindestens 100 nm oder 250 nm oder 500 nm oder 0,7 µm beträgt. Alternativ oder zusätzlich liegt die mittlere Breite der Transportbereiche bei höchstens 10 µm oder 5 µm oder 2,5 µm oder 1 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine mittlere Breite der Emissionsbereiche, in Richtung quer oder senkrecht zur Wachstumsrichtung und im Querschnitt gesehen, mindestens ein Zweifaches oder Dreifaches oder Sechsfaches der mittleren Breite der Transportbereiche. Alternativ oder zusätzlich liegt die mittlere Breite der Emissionsbereiche bei höchstens einem Zwanzigfachen oder Zehnfachen oder Fünffachen der mittleren Breite der Transportbereiche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Mehrfach-Quantentopfstruktur in eine Halbleiterschichtenfolge eingebettet, insbesondere zwischen eine p-leitende Seite und eine n-leitende Seite der Halbleiterschichtenfolge.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Multi-Quantentopfstruktur auf dem Materialsystem AlInGaN. In diesem Fall bestehen die Barriereschichten bevorzugt aus GaN, aus InGaN und/oder aus AlGaN. Dabei können die Barriereschichten dotiert oder auch undotiert sein. Es ist möglich, dass die Barriereschichten jeweils mehrere Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien aufweisen, beispielsweise eine Teilschicht aus InGaN und eine oder mehrere weitere Teilschichten aus GaN. Die Quantentopfschichten bestehen bevorzugt aus dotiertem oder undotiertem InGaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Indium-Gehalt der Quantentopfschichten in den Transportbereichen bei höchstens 60 % oder 50 % oder 35 % eines mittleren Indium-Gehalts der Quantentopfschichten in den Emissionsbereichen. Entsprechendes kann für die Barriereschichten gelten, sofern diese InGaN aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Anzahl der Quantentopfschichten in der Multi-Quantentopfstruktur bei mindestens vier oder acht oder zwölf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Anzahl bei höchstens 50 oder 25 oder 16.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Transportbereiche oder Gruppen von Transportbereichen, in Draufsicht gesehen, regelmäßig angeordnet. Damit einhergehend können auch die Emissionsbereiche oder der in Draufsicht gesehen nur eine Emissionsbereich regelmäßig gestaltet sein. Beispielsweise handelt es sich, in Draufsicht gesehen, bei den Transportbereichen um inselförmige Gebiete, die in einem rechteckigen oder hexagonalen Raster angeordnet sind. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Transportbereiche, in Draufsicht gesehen, unregelmäßig angeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine mittlere Dicke der Quantentopfschichten in den Emissionsbereichen bei mindestens 1,2 nm oder 2,5 nm oder 3 nm und/oder bei höchstens 15 nm oder 12 nm oder 8 nm oder 6 nm. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine mittlere Dicke der Barriereschichten in den Emissionsbereichen bei mindestens 3 nm oder 5 nm oder 7 nm und/oder bei höchstens 30 nm oder 15 nm oder 9 nm liegt. Dabei sind die Quantentopfschichten und die Barriereschichten in den Emissionsbereichen jeweils bevorzugt dicker als in den Transportbereichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Transportbereiche und die Emissionsbereiche jeweils eine gleiche Anzahl von Quantentopfschichten und Barriereschichten auf. Das heißt, hinsichtlich der Anzahl der Quantentopfschichten und der Barriereschichten ist die Multi-Quantentopfstruktur ganzflächig gleich gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten sowohl in den Transportbereichen als auch in den Emissionsbereichen jeweils senkrecht zur Wachstumsrichtung orientiert. Hierbei sind alle Quantentopfschichten bevorzugt parallel zueinander orientiert. Dabei ist es möglich, dass die Quantentopfschichten in einem Übergangsbereich zwischen benachbarten Transportbereichen und Emissionsbereichen nicht senkrecht zur Wachstumsrichtung ausgerichtet sind. Eine mittlere Breite des Übergangsbereichs, im Querschnitt gesehen, liegt insbesondere bei höchstens 90 % oder 80 % oder 60 % oder, bevorzugt, bei höchstens 40 % oder 20 % oder, besonders bevorzugt, bei höchstens 10 % oder 5 % einer mittleren Gesamtbreite der Transportbereiche. Die Breitenangaben beziehen sich jeweils auf eine Richtung quer oder senkrecht zur Wachstumsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Transportbereiche zusammen mit den Emissionsbereichen eine Symmetrieachse senkrecht zur Wachstumsrichtung auf, im Querschnitt gesehen. Das heißt, beiderseits und symmetrisch zur Symmetrieachse ist dann die Mehrfach-Quantentopfstruktur im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich gestaltet, insbesondere hinsichtlich einer Anzahl, Position und Dicke der Quantentopfschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine erste der Quantentopfschichten, entlang der Wachstumsrichtung gesehen, sowohl in den Transportbereichen als auch in den Emissionsbereichen gleich aufgebaut und liegt in einer einzigen Ebene, im Querschnitt gesehen. Es ist möglich, dass sich die Transportbereiche und die Emissionsbereiche auch mehr als eine Quantentopfschicht in gleicher Materialzusammensetzung und Dicke teilen. Eine solche Quantentopfschicht kann auch in einer Mitte der Transportbereiche oder an einem Ende der Transportbereiche liegen, jeweils gesehen entlang der Wachstumsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten und/oder die Barriereschichten nur in den Transportbereichen dreieckig, bogenförmig, halbkreisförmig oder wie ein Trapez geformt, im Querschnitt gesehen. Etwa bei einer eckigen Form ist es allerdings möglich, dass bedingt durch Herstellungstoleranzen abgerundete Ecken vorliegen, jedoch die Grundform eckig ist. Die Quantentopfschichten und die Barriereschichten in den Emissionsbereichen sind bevorzugt je senkrecht zur Wachstumsrichtung ausgerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Transportbereiche eine Mittelachse auf, die parallel zur Wachstumsrichtung orientiert ist. Im Querschnitt gesehen bildet die Mittelachse bevorzugt eine Symmetrieachse der Transportbereiche. Mit anderen Worten sind die Transportbereiche, im Querschnitt gesehen, durch die Mittelachse in zwei Hälften geteilt, die über die Mittelachse ineinander spiegelbar sind und spiegelsymmetrisch sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt ein Abstand zwischen benachbarten Quantentopfschichten in den Transportbereichen hin zu der Mittelachse der Transportbereiche monoton oder streng monoton ab. Mit anderen Worten nähern sich benachbarte Quantentopfschichten hin zur Mittelachse einander an.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten in den Emissionsbereichen zueinander parallel orientiert. Die Quantentopfschichten können entlang der Wachstumsrichtung in den Emissionsbereichen zudem gleichmäßig verteilt sein, sodass ein Abstand benachbarter Quantentopfschichten in den Emissionsbereichen nicht variiert, sondern konstant ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten in zumindest manchen oder in allen der Transportbereiche, relativ zu den Emissionsbereichen, als Erhebungen geformt. Das heißt, entlang der Wachstumsrichtung überragen die Quantentopfschichten in den Transportbereichen dann die Quantentopfschichten in den Emissionsbereichen. Anders ausgedrückt, sind die Quantentopfschichten in den Transportbereichen gegenüber den Quantentopfschichten in den Emissionsbereichen herausgestülpt, bezogen auf die Wachstumsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentopfschichten in zumindest manchen oder in allen Transportbereichen, relativ zu den Emissionsbereichen, als Senken geformt. Die Teile der jeweiligen Quantentopfschicht, die sich in diesen Transportbereichen finden, sind also gegenüber den Teilen der entsprechenden Quantentopfschicht in den Emissionsbereichen zurückversetzt, gesehen entlang der Wachstumsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlaufen die Transportbereiche, entlang der Wachstumsrichtung, jeweils vollständig durch die aktive Zone hindurch. In diesem Fall weisen die Transportbereiche bevorzugt keine Quantentopfschicht auf, die sich in gleicher Dicke und Materialzusammensetzung und Position entlang der Wachstumsrichtung auch in den Emissionsbereichen wiederfindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlaufen die Transportbereiche, entlang der Wachstumsrichtung gesehen, nur zum Teil durch die Multi-Quantentopfstruktur. Die Transportbereiche nehmen in diesem Fall bevorzugt, entlang der Wachstumsrichtung gesehen, mindestens 75 % oder 50 % oder 25 % der Multi-Quantentopfstruktur und/oder der aktiven Zone ein. In diesem Fall können also eine oder mehrere der Quantentopfschichten in ungeänderter Dicke, Position und/oder Materialzusammensetzung durchgehend in den Emissionsbereichen und den Transportbereichen vorliegen, im Querschnitt gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Transportbereiche eine variierende Breite auf. Das heißt, an verschiedenen Stellen entlang der Wachstumsrichtung liegen in den Transportbereichen unterschiedliche Breiten vor. Die Breite bezieht sich auf eine Ausdehnung der Transportbereiche in Richtung quer oder senkrecht zur Wachstumsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steigt eine Breite der Transportbereiche in Richtung hin zu einer Mitte der aktiven Zone und/oder der Multi-Quantentopfstruktur an, gesehen entlang der Wachstumsrichtung. Mit anderen Worten weisen dann die Transportbereiche entlang der Wachstumsrichtung in der Mitte der aktiven Zone eine größere Breite auf als an einem Rand der aktiven Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der optoelektronische Halbleiterchip ein Substrat. Bei dem Substrat handelt es sich bevorzugt um die mechanisch tragende und stabilisierende Komponente des Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat um ein Wachstumssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge, die aktive Zone und die Multi-Quantentopfstruktur. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch unmittelbar auf das Substrat aufgewachsen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Substrat verschieden von einem Wachstumssubstrat. Mit anderen Worten wurde dann die Halbleiterschichtenfolge auf ein Wachstumssubstrat epitaktisch aufgewachsen und dieses Wachstumssubstrat wurde anschließend von der Halbleiterschichtenfolge und der aktiven Zone entfernt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Substrat eine strukturierte Substratoberfläche auf, auf der die Halbleiterschichtenfolge und die aktive Zone aufgewachsen sind. Insbesondere ist durch die Strukturierung der Substratoberfläche die Unterteilung der Multi-Quantentopfstruktur in die Transportbereiche und die Emissionsbereiche vorgegeben. Beispielsweise befinden sich die Emissionsbereiche in Draufsicht gesehen oberhalb von plateauförmigen, ebenen Bereichen der Substratoberfläche und die Transportbereiche befinden sich an schrägen Flanken und/oder Erhebungen und/oder Senken der Substratoberfläche. Die Emissionsbereiche können dabei an Vertiefungen oder auch an Erhebungen der Substratoberfläche ausgebildet sein. Dabei ist es möglich, dass eine Kontur der Quantentopfschichten, im Querschnitt gesehen, eine Kontur der Substratoberfläche nachformt oder zumindest näherungsweise nachformt. Eine exakte Nachformung ist nicht zwangsläufig erforderlich, solange eine Grundform der Kontur der Substratoberfläche einer Grundform der jeweiligen Quantentopfschicht entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Gradient in einer Materialzusammensetzung, einer Dicke und/oder einer Schichtdicke der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten vor. Dieser Gradient erstreckt sich bevorzugt über mehrere der Quantentopfschichten und/oder der Barriereschichten hinweg und liegt insbesondere in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung vor. Beispielsweise nimmt eine Dicke der Quantentopfschichten entlang der Wachstumsrichtung ab und/oder es steigt ein Indiumgehalt der Quantentopfschichten entlang der Wachstumsrichtung an. Entsprechendes kann für Dotierungen der Barriereschichten und/oder der Quantentopfschichten gelten. Durch einen derartigen Gradienten ist es insbesondere möglich, dass die Quantentopfschichten entlang der Wachstumsrichtung hinsichtlich ihrer Emissionswellenlänge verschieden sind. Beispielsweise emittieren Quantentopfschichten, die sich näher an der n-Seite der Halbleiterschichtenfolgen befinden, kurzwelligere Strahlung.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1, 12 und 13 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips,
2 bis 11 und 17 bis 19 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von Multi-Quantentopfstrukturen für hier beschriebene optoelektronische Halbleiterchips,
14 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Multi-Quantentopfstruktur für hier beschriebene optoelektronische Halbleiterchips,
15 einen schematischen Verlauf eines Stroms gegenüber einem Lichtstrom und einer externen Quanteneffizienz von Halbleiterchips, und
16 eine schematische Schnittdarstellung einer herkömmlichen Multi-Quantentopfstruktur.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 gezeigt. Der Halbleiterchip 1 weist ein Substrat 6 auf, auf dessen Substratoberfläche 60 eine Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen ist. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf AlInGaN.
Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine n-dotierte Seite 2 und eine p-dotierte Seite 5. Zwischen diesen dotierten Seiten 2, 5 befindet sich eine Multi-Quantentopfstruktur 3, die eine aktive Zone des Halbleiterchips 1 darstellt. Kontaktmetallisierungen 8 zu einer elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips 1 befinden sich jeweils an der n-dotierten Seite 2 und der p-dotierten Seite 5. Optional vorhandene Stromverteilungsstrukturen sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet. Eine Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge weist von dem Substrat 6 weg in Richtung hin zu der p-dotierten Seite 5.
Die Multi-Quantentopfstruktur 6 weist einander abwechselnde Quantentopfschichten 31 und Barriereschichten 32 auf. Die Quantentopfschichten 31 und die Barriereschichten 32 erstrecken sich durchgehend über die gesamte aktive Zone hinweg, ohne dass absichtlich Unterbrechungen oder Lücken gebildet sind. Jedoch sind die Quantentopfschichten 31 und/oder die Barriereschichten 32 hinsichtlich ihrer Dicke moduliert.
So liegen Bereiche mit einer größeren Dicke der Quantentopfschichten 31 und/oder der Barriereschichten 32 vor. Diese Bereiche bilden Emissionsbereiche 41, in denen vornehmlich eine Lichterzeugung erfolgt. Ferner liegen Transportbereiche 42 vor, in denen die Quantentopfschichten 31 und/oder die Barriereschichten 32 dünner geformt sind. In den Transportbereichen 42 erfolgt vornehmlich ein Transport insbesondere von Löchern in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung G und in Quantentopfschichten 31, die nahe an der n-dotierten Seite 2 liegen.
Aus den Transportbereichen 42 erfolgt weiter eine Ladungsträgerverteilung in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung G in die Emissionsbereiche 41. Mit anderen Worten sind die Energieniveaus der Quantentopfschichten 31 in den Emissionsbereichen 41 sowie den Transportbereichen 42 derart eingestellt, sodass eine Ladungsträger-Rekombination vornehmlich in den Emissionsbereichen 41 erfolgt. Hierdurch erscheinen die Emissionsbereiche 41, in Draufsicht gesehen, heller als die Transportbereiche 42.
Gemäß 1 ist die dem Substrat 6 nächstgelegene Quantentopfschicht 31 über die Emissionsbereiche 41 und die Transportbereiche 42 hinweg gleich gestaltet, also in ungeänderter Dicke und Materialzusammensetzung vorhanden. Durch die dünneren Barriereschichten 32 und/oder Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 weisen die einzelnen Schichten in den Transportbereichen 42 eine trapezartige, symmetrische Gestalt auf, im Querschnitt gesehen. Eine Strukturierung in die Transportbereiche 42 und die Emissionsbereiche 41 erfolgt zum Beispiel dadurch, dass unterschiedliche Wachstumsraten an unterschiedlichen Kristallebenen vorliegen und/oder dadurch, dass lokal eine Wachstumstemperatur, etwa durch Einstrahlung von Laserlicht, verändert wird. Ebenso können lithographische oder selbstorganisierende Maskierungstechniken verwendet werden.
Optional sind an einer Seite der Halbleiterschichtenfolge Lichtauskoppelstrukturen 7 geformt. Es ist möglich, dass die Lichtauskoppelstrukturen 7 mit den Transportbereichen 42 räumlich korreliert sind. Entsprechendes ist auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 2 zu sehen, sind die Quantentopfschichten 31 symmetrisch zu einer Symmetrieachse S gestaltet, wobei die Symmetrieachse S senkrecht zur Wachstumsrichtung G ausgerichtet ist. Der Transport von Ladungsträgern ist durch Pfeile symbolisiert, wobei h⁺ für Löcher und e^- für Elektronen steht.
Optional, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, ist es möglich, dass die Transportbereiche 42 jeweils eine Mittelachse M aufweisen. Die Mittelachse M ist parallel zur Wachstumsrichtung G orientiert. Im Querschnitt gesehen sind die Transportbereiche 42 bevorzugt symmetrisch zur Mittelachse M aufgebaut.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 sind in den Transportbereichen 42 die Barriereschichten 32 und die Quantentopfschichten 31 jeweils dreieckig geformt. Gemäß 4 weisen die Quantentopfschichten 31 und die Barriereschichten 32 im Querschnitt gesehen eine bogenförmige Gestalt auf.
In Richtung hin zu einer Mitte der Transportbereiche 42 nimmt gemäß der 3 und 4 ein Abstand benachbarter Quantentopfschichten 31 zueinander ab. Ein geringster Abstand zwischen benachbarten Quantentopfschichten 31 liegt im Bereich der Mittelachse M vor.
Gemäß 5 sind die Quantentopfschichten 31 und die Barriereschichten 32 in den Transportbereichen 42 ebenfalls im Querschnitt gesehen dreieckig geformt. Dabei sind die Quantentopfschichten 31 innerhalb des Bereichs 42 äquidistant zueinander angeordnet, ein Abstand zwischen benachbarten Quantentopfschichten 31 bleibt somit über die gesamte Breite der Transportbereiche 42 hinweg konstant oder näherungsweise konstant. Entsprechendes kann auch für bogenförmige oder trapezförmige Ausgestaltungen gelten, vergleiche insbesondere die 1 und 4.
Wie in 6 zu sehen, können die Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 als Erhebungen gestaltet sein, relativ zu den Quantentopfschichten 31 in den Emissionsbereichen 41 und mit Bezug auf die Wachstumsrichtung G. Ansonsten sind die Transportbereiche 42 der 6 genauso gestaltet wie die Transportbereiche 42 in 5.
Auch die Quantentopfschichten 31 gemäß der 1, 3 und 4 können, anders als in diesen Figuren dargestellt, als Erhebungen analog zu 6 ausgeführt sein.
In den 2 bis 6 erstrecken sich die veränderten Schichten 31, 32 in den Transportbereichen 42 entlang der Wachstumsrichtung G jeweils vollständig durch die Mehrfach-Quantentopfstruktur 3 hindurch. Beim Ausführungsbeispiel, wie in 7 illustriert, ist nur ein Teil der Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 dünner und damit trapezförmig gestaltet. Mehrere der Quantentopfschichten 31 erstrecken sich in ungeänderter und gleich bleibender Dicke sowohl über die Emissionsbereiche 41 als auch über die Abschnitte mit den gedünnten Quantentopfschichten 31 hinweg. Entlang der Wachstumsrichtung G erstreckt sich der eigentliche Transportbereich 42 zu ungefähr 40 % durch die Mehrfach-Quantentopfstruktur 3 hindurch. Entsprechendes kann für Quantentopfschichten 31 gelten, die analog zu den 3 bis 6 gestaltet sind.
Wie in 7 anhand der Bezugszeichen verdeutlicht, werden als Transportbereiche 42 solche Abschnitte der Mehrfach-Quantentopfstruktur 3 verstanden, die in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung G zumindest zum Teil veränderte Quantentopfschichten 31 und/oder Barriereschichten 32 aufweisen, da in diesen Abschnitten eine verbesserte Ladungsträgerleitfähigkeit in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung G erzielt ist.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 8 illustriert, weisen die Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 eine variable Dicke auf. Entgegen der Wachstumsrichtung G nimmt eine Breite der Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 ab. Dabei ist es, anders als dargestellt, auch möglich, dass die Transportbereiche 42 die Quantentopfstruktur 3 vollständig durchdringen, in Richtung entlang der Wachstumsrichtung G.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 9 illustriert, nimmt eine Breite der Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 in Richtung hin zu einer Mitte der Quantentopfstruktur 3 zu. Abweichend von der Darstellung in 9 ist es möglich, dass eine breiteste der Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 nicht in der Mitte der Quantentopfstruktur 3 liegt, entlang der Wachstumsrichtung G, sondern beispielsweise in einem unteren Viertel oder in einem unteren Drittel, entlang der Wachstumsrichtung G gesehen. Das heißt, dann durchdringen die Transportbereiche 42 die Quantentopfstruktur 3 beispielsweise zu 4/5 oder 3/4 oder 2/3 und die am weitesten innerhalb der Quantentopfstruktur 3 liegende Quantentopfschicht 31 der Transportbereiche 42 weist dann die größte Dicke auf, ausgehend von einer Seite der Multi-Quantentopfstruktur 3. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen beginnen die Transportbereiche 42 bevorzugt an einer der p-dotierten Seite der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite der Multi-Quantentopfstruktur 3, können aber auch an einer n-dotierten Seite beginnen.
In 10 ist gezeigt, dass die Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 im Querschnitt gesehen dreieckig geformt sind. Entlang der Wachstumsrichtung G nimmt dabei eine Breite der Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 zu, beispielsweise linear zu.
Die Anzahl der Quantentopfschichten 31 liegt zum Beispiel bei mindestens 5 oder 7 und/oder bei höchstens 9 oder 15. Die Dicken der Quantentopfschichten 31 liegen bevorzugt zwischen einschließlich 2 nm und 4 nm, insbesondere bei zirka 3 nm, in den Emissionsbereichen 41 und zwischen einschließlich 0,25 nm und 3 nm, insbesondere bei zirka 1 nm, in den Transportbereichen 42. Die Quantentopfschichten 31 bestehen bevorzugt aus InGaN mit einem Indium-Gehalt zwischen einschließlich 6 % und 25 %, insbesondere zirka 12%, in den Emissionsbereichen 41 und mit einem Indium-Gehalt zwischen einschließlich 2 % und 15 %, insbesondere zirka 3 %, in den Transportbereichen 42. Die Dicken der Barriereschichten 32 liegen bevorzugt zwischen einschließlich 3 nm und 15 nm, insbesondere zirka 9 nm, in den Emissionsbereichen 41 und zwischen einschließlich 0,5 nm und 8 nm, insbesondere zirka 3 nm, in den Transportbereichen 42. Die Transportbereiche 42 können einen mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 50 nm und 800 nm oder 80 nm bis 400 nm, insbesondere zirka 200 nm, aufweisen. Die Transportbereiche 42 nehmen bevorzugt eine Flächenanteil zwischen einschließlich 2 % und 20 %, insbesondere zirka 6 %, ein, in Draufsicht gesehen. Diese Werte gelten bevorzugt auch für alle anderen Ausführungsbeispiele.
In 11 ist illustriert, dass mehrere verschiedene Arten von Transportbereichen 42 innerhalb einer Quantentopfstruktur 3 miteinander kombiniert sein können. Dabei ist es auch möglich, dass ein kleinerer Teil der Transportbereiche 42 an einer n-dotierten Seite beginnt. Abweichend von der Darstellung gemäß 11 können auch unterschiedliche Strukturen miteinander kombiniert werden, beispielsweise im Querschnitt gesehen dreieckig geformte Quantentopfschichten 31 aus den 5, 6 oder 10 mit trapezförmigen Quantentopfschichten 31, etwa aus den 7 bis 9, mit bogenförmigen Quantentopfschichten 31, etwa aus der 4.
Bei dem Halbleiterchip 1, wie in 12 gezeigt, weist das Substrat 6 eine strukturierte Substratoberfläche 60 auf. Die Emissionsbereiche 41 und die Transportbereiche 42 sind durch die Strukturierung der Substratoberfläche 60 vorgegeben. Die Quantentopfschichten 31 weisen dieselbe Kontur auf wie die Substratoberfläche 60, im Querschnitt gesehen. Die Emissionsbereiche 41 sind dabei durch Bereiche der Substratoberfläche 60 definiert, die senkrecht zur Wachstumsrichtung G verlaufen und plateauartig geformt sind. Eine entsprechende Formgebung der Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen erfolgen.
In 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1 dargestellt. Eine elektrische Kontaktierung ist dabei gestaltet, wie in der Druckschrift US 2010 / 0 171 135 A1 angegeben. Somit erfolgt eine Kontaktierung auch über Kontaktbereiche, die von der p-Seite 5 her durch die Multi-Quantentopfstruktur 3 in die n-Seite 2 verlaufen. Diese Durchkontaktierungen durch die Mehrfach-Quantentopfstruktur 3 hindurch weisen bevorzugt eine deutlich größere Breite auf als die Transportbereiche 42, beispielsweise eine um mindestens einen Faktor 5 oder 10 oder 20 größere Breite.
Ferner sind in 13 schematisch Kristalldefekte 10 in Form von so genannten V-Pits dargestellt. Solche V-Pits sind beispielsweise in der Druckschrift Cho et al. im Journal of the Korean Physical Society, Vol. 42, Februar 2003, Seiten S547 bis S550, beschrieben. Durch diese V-Pits 10 ist es möglich, dass die Quantentopfschichten 31 in der Multi-Quantentopfstruktur 3 lokal verzerrt sind. Jedoch sind diese V-Pits 10 bevorzugt nicht räumlich korreliert zu den Transportbereichen 42 vorhanden, sondern zufällig verteilt. Weiterhin sind räumliche Abmessungen der V-Pits 10 in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung G bevorzugt um mindestens einen Faktor 2 oder 5 kleiner als die Abmessungen der Transportbereiche 42, aber entlang parallel der Wachstumsrichtung G größer. Auch können die V-Pits 10 sich in Richtung hin zur p-Seite 5 verbreitern, entgegengesetzt zu den Quantentopfschichten 31 in den Transportbereichen 42. Abweichend von der Darstellung in 13 ist es aber auch möglich, dass die V-Pits 10 und die Transportbereiche 42 sich beide in Richtung hin zur p-Seite verbreitern, im Querschnitt gesehen.
In der Draufsicht gemäß 14A ist dargestellt, dass die Transportbereiche 42 inselförmig sind und in einem hexagonalen Gitter angeordnet sein können. Gemäß 14B sind die Transportbereiche 42 in einem Rechteckgitter regelmäßig angeordnet.
Die Anordnung der Transportbereiche 42 in den 14C und 14D erfolgt ebenfalls in einem regelmäßigen Muster. Wie in 14C zu sehen, können die einzelnen Transportbereiche 42 aber, gegenüber einem reinen Rechteckgitter, leicht verrutscht sein, zum Beispiel im Mittel um höchstens 30 % oder 20 % einer Gitterkonstanten. In 14D ist dargestellt, dass die Transportbereiche 42 um Gitterpunkte eines regelmäßigen Gitters herum, das insbesondere ein Rechteckgitter ist, angeordnet sind. Dabei liegen zum Beispiel zwischen einschließlich 1 und 5 der Transportbereiche 42 eng um einen Gitterpunkt herum, zum Beispiel in einem Radius von höchsten 20 % oder 10 % der Gitterkonstanten.
Eine entsprechende Anordnung der Transportbereiche 42, in Draufsicht gesehen, kann ebenso bei allen anderen Ausführungsbeispielen vorliegen.
In 16 ist eine herkömmliche Multi-Quantentopfstruktur 3' gezeigt. Hierbei ist eine Dicke der Quantentopfschichten 31 und der Barriereschichten 32 nicht moduliert, sodass Ladungsträger h⁺ , e^- gleichmäßig und ganzflächig in die Multi-Quantentopfstruktur 3' eingeprägt werden.
Gegenüber einer solchen herkömmlichen Multi-Quantentopfstruktur 3' sind die Multi-Quantentopfstrukturen 3 der 1 bis 14 hinsichtlich eines Lichtstroms Φ und einer externen Quanteneffizienz Y verbessert, siehe 15. In 15 ist eine Abhängigkeit des Lichtstroms Φ von einem Betriebsstrom I gezeigt sowie eine Abhängigkeit der externen Quanteneffizienz Y, aufgetragen gegenüber dem Logarithmus des Betriebsstroms I.
Beim Ausführungsbeispiel der 17 sind benachbarte Emissionsbereiche 41, im Querschnitt gesehen, entlang der Wachstumsrichtung G versetzt zueinander angeordnet. Zwischen benachbarten Emissionsbereichen 41 befindet sich je ein Transportbereich 42, der schräg zur Wachstumsrichtung G verläuft.
In den 18 bis 20 sind Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen von Ausführungsbeispielen von Halbleiterchips 1 gezeigt. Die Quantentopfschichten 31 erscheinen dabei heller als die Barriereschichten 32.
Gemäß 18 sind die Quantentopfschichten 31 in dem Emissionsbereich 41 deutlich dicker ausgebildet als in dem Transportbereich 42. Die Quantentopfschichten 31 sind in einem Übergangsbereich zwischen dem Emissionsbereich 41 und dem Transportbereich 42 nicht unterbrochen.
In 19 ist dargestellt, dass in dem Transportbereich 42 im Querschnitt gesehen eine Doppelstruktur, zusammengesetzt aus zwei Dreiecken, vorliegen kann.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronischer Halbleiterchip
2: n-Seite
3: Multiquantentopfstruktur
3': herkömmliche Multiquantentopfstruktur
31: Quantentopfschicht
32: Barriereschicht
41: Emissionsbereich
42: Transportbereich
5: p-Seite
6: Substrat
60: Substratoberfläche
7: Lichtauskoppelstruktur
8: Kontaktmetallisierung
9: Isolierschicht
10: V-Pit
e-: Elektron
G: Wachstumsrichtung
h+: Loch
I: Strom in willkürlichen Einheiten (a.u.)
M: Mittelachse
Φ: Lichtstrom in Lumen
S: Symmetrieachse
Y: externe Quanteneffizienz in Prozent

Claims

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) mit einer aktiven Zone mit einer Multi-Quantentopfstruktur (3), basierend auf dem Materialsystem AlInGaN, wobei - die Multi-Quantentopfstruktur (3) mehrere Quantentopfschichten (31) und mehrere Barriereschichten (32) aufweist, die entlang einer Wachstumsrichtung (G) abwechselnd aufeinanderfolgen und die sich jeweils durchgehend über die gesamte Multi-Quantentopfstruktur (3) erstrecken, - in einem Querschnitt parallel zur Wachstumsrichtung (G) gesehen die Multi-Quantentopfstruktur (3) zumindest einen Emissionsbereich (41) und mehrere Transportbereiche (42) aufweist, die in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) abwechselnd aufeinanderfolgen, - die Quantentopfschichten (31) und/oder die Barriereschichten (32) in den Transportbereichen (42) dünner sind als in den Emissionsbereichen (41), - die Quantentopfschichten (31) sowohl in den Transportbereichen (42) als auch in den Emissionsbereichen (41) senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) orientiert sind, mit Ausnahme eines Übergangsbereichs zwischen benachbarten Transportbereichen (42) und Emissionsbereichen (41), und - ein mittlerer Indium-Gehalt der Quantentopfschichten (31) in den Transportbereichen (42) höchstens 60 % eines mittleren Indium-Gehalts der Quantentopfschichten (31) in den Emissionsbereichen (41) beträgt, sodass die Quantentopfschichten (31) in den Transportbereichen (42) eine erhöhte Bandlücke aufweisen, im Vergleich zu den Emissionsbereichen (41) .
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - in Draufsicht gesehen ein Flächenanteil der Emissionsbereiche (41) zwischen einschließlich 70 % und 98 % liegt, - die Emissionsbereiche (41), in Draufsicht gesehen, im Betrieb um mindestens einen Faktor 3 heller erscheinen als die Transportbereiche (42), - sich die Dicken der Quantentopfschichten (31) und/oder der Barriereschichten (32) zwischen den Transportbereichen (42) und den Emissionsbereichen (41) um mindestens einen Faktor 1,5 und um höchstens einen Faktor 10 voneinander unterscheiden, - eine mittlere Breite der Transportbereiche (42) zwischen 250 nm und 5 µm beträgt, quer zur Wachstumsrichtung (G), - die Barriereschichten (32) aus GaN, InGaN und/oder AlGaN hergestellt sind und die Quantentopfschichten (31) aus InGaN bestehen, - eine Anzahl der Quantentopfschichten (31) zwischen einschließlich 4 und 25 liegt, - in Draufsicht gesehen die Transportbereiche (42) und die Emissionsbereichen (41) regelmäßig angeordnet sind, - eine mittlere Dicke der Quantentopfschichten (31) in den Emissionsbereichen (41) zwischen einschließlich 1,2 nm und 15 nm liegt, - ein mittlerer Indium-Gehalt der Quantentopfschichten (31) in den Transportbereichen (42) höchstens 50 % eines mittleren Indium-Gehalts der Quantentopfschichten (31) in den Emissionsbereichen (41) beträgt, und - in den Transportbereichen (42) und in den Emissionsbereichen (41) eine gleiche Anzahl von Quantentopfschichten (31) und von Barriereschichten (32) vorliegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Übergangsbereich eine mittlere Breite von höchstens 20 % der mittleren Gesamtbreite der Transportbereiche (42) aufweist, in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung (G).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Transportbereiche (42) zusammen mit den Emissionsbereichen (41), im Querschnitt gesehen, eine Symmetrieachse (S) senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) aufzeigen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine in Wachstumsrichtung (G) gesehen erste Quantentopfschicht (31) sowohl in den Transportbereichen (42) als auch in den Emissionsbereichen (41) gleich aufgebaut ist und in einer einzigen Ebene liegt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in den Transportbereichen (42) ein Abstand zwischen benachbarten Quantentopfschichten (31) hin zu einer Mittelachse (M) der Transportbereiche (42) monoton oder streng monoton abnimmt, wobei die Mittelachse (M) eine Symmetrieachse der Transportbereiche (42) ist und parallel zur Wachstumsrichtung (G) orientiert ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Quantentopfschichten (31) in den Emissionsbereichen (41) und in den Transportbereichen (42) parallel zueinander orientiert sind.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Quantentopfschichten (31) in zumindest manchen der Transportbereiche (42), relativ zu den Emissionsbereichen (41), als Erhebungen geformt sind, sodass die Teile der Quantentopfschicht (31), die sich in diesen Transportbereichen (31) befinden, die Teile der entsprechenden Quantentopfschicht (31) in den Emissionsbereichen (41) überragen, entlang der Wachstumsrichtung (G).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Quantentopfschichten (31) in zumindest manchen der Transportbereiche (42), relativ zu den Emissionsbereichen (41), als Senken geformt sind, sodass die Teile der Quantentopfschicht (31), die sich in diesen Transportbereichen (31) befinden, gegenüber den Teilen der entsprechenden Quantentopfschicht (31) in den Emissionsbereichen (41) zurückversetzt sind, entlang der Wachstumsrichtung (G).
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Transportbereiche (42), entlang der Wachstumsrichtung (G), vollständig durch die aktive Zone verlaufen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Transportbereiche (42), entlang der Wachstumsrichtung (G), nur zum Teil, aber zu mindestens 50 %, durch die aktive Zone verlaufen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Transportbereiche (42), entlang der Wachstumsrichtung (G), eine variierende Breite aufweisen.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Breite der Transportbereiche (42) in Richtung hin zu einer Mitte der aktiven Zone, gesehen entlang der Wachstumsrichtung (G), ansteigt.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Substrat (6) umfasst, bei dem es sich um ein Wachstumssubstrat für die aktive Zone handelt, wobei das Substrat eine strukturierte Substratoberfläche (60) aufweist und durch die strukturierte Substratoberfläche (60) die Unterteilung in die Transportbereiche (42) und die Emissionsbereiche (41) vorgegeben ist.
Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem über mehrere der Quantentopfschichten (31) und/oder der Barriereschichten (32) hinweg eine Materialzusammensetzung und/oder eine Schichtdicke variiert ist.