EP1671377A2 - Halbleitervorrichtung zum emittieren von licht - Google Patents
Halbleitervorrichtung zum emittieren von lichtInfo
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- EP1671377A2 EP1671377A2 EP04787080A EP04787080A EP1671377A2 EP 1671377 A2 EP1671377 A2 EP 1671377A2 EP 04787080 A EP04787080 A EP 04787080A EP 04787080 A EP04787080 A EP 04787080A EP 1671377 A2 EP1671377 A2 EP 1671377A2
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Definitions
- the present invention relates to a semiconductor device for emitting light when a voltage is applied.
- semiconductor light emitting devices are key components, among others. in devices for transmitting information, in storage devices, in display devices and in lighting devices.
- LEDs The first light-emitting diodes
- the first light-emitting diodes were able to provide just enough intensity to be used as display elements in early calculators and digital clocks.
- LEDs in the visible spectral range in areas where high light intensity is required.
- traffic lights in which highly intensively shining red, green and yellow emitters are required.
- LEDs which provide a high light intensity in the visible spectral range, are useful not only in traffic and vehicle technology, but also in information transmission.
- LEDs that emit highly intensively can be used for short-range data transmission via plastic fibers Find.
- the maximum transmission ie the maximum transmission for electromagnetic radiation
- the maximum transmission for plastic fibers is in the green spectral range, so that LEDs emitting high-intensity green light, in particular, for data transmission via plastic fibers are of interest.
- Both the efficiency of the radiation generation process in the semiconductor material is important for the fields of application mentioned, since this is important for the intensity of the radiation emitted, and also the wavelength of the radiation emitted.
- the electrical behavior of a semiconductor material can be described with the so-called ribbon model.
- the charge carriers of the semiconductor material have various energy ranges, the so-called energy bands, within which they can essentially assume any energy values. Different bands are often separated by a band gap, i.e. separate an energy range with energy values that the charge carriers cannot accept.
- a band gap i.e. separate an energy range with energy values that the charge carriers cannot accept.
- the differential energy can be released in the form of light quanta (photons).
- so-called direct and indirect band gaps In the case of an indirect band gap, two processes must meet so that a transition between the energy bands can take place with the emission of light. Therefore, semiconductor materials with indirect bandgaps generally have a much lower efficiency in generating light than semiconductor materials with so-called direct bandgaps, in which only one process is required to emit light.
- Negatively charged electrons and positively charged holes which can essentially be imagined as "missing" electrons in an energy band, are available as charge carriers in a semiconductor material.
- a hole can be filled by the transition of an electron from another energy band into the energy band in which the hole is present. The process of filling up is called recombination.
- dopants By introducing foreign substances, so-called dopants, into the semiconductor material, an excess of electrons or holes can be generated as charge carriers. If the electrons are overweight, the semiconductor material is referred to as n-type or n-doped; if the holes are overweight, they are called p-type or p-type charge carriers.
- the introduction of dopants can also be used to influence the energy levels in the semiconductor material available to the charge carriers.
- GaP gallium phosphide
- the deep impurities can be created by appropriately introducing foreign atoms such as nitrogen atoms into the GaP.
- N nitrogen
- LEDs based on GaP which is doped with zinc oxide (ZnO), on the other hand, emit red light.
- ZnO zinc oxide
- GaP doped with ZnO has a slightly higher efficiency in generating light than GaP doped with N, the emission takes place in a spectral frequency range in which the human eye is relatively insensitive, so that the emitted light appears to be less bright .
- the efficiency of the light generation process in the GaP doped with ZnO decreases with increasing control current of the LED.
- the object of the present invention is to provide a light-emitting semiconductor device which has a high efficiency in emitting light, in particular in the visible spectral range.
- the first and the second semiconductor region can in particular each comprise Al x Ga- ⁇ -x P (aluminum gallium phosphide) with 0 x x 1 1. While the conductivity of the first semiconductor region is based on charge carriers of a first conductivity type, the conductivity of the second semiconductor region is based on charge carriers of a second conductivity type which have a charge opposite the charge carriers of the first conductivity type.
- the active semiconductor region which in particular Al x Ga ⁇ . x P with 0 x x 1 1, with quantum structures embedded in the active semiconductor region, which are made of a semiconductor material that has a direct band gap.
- the Al x Ga ⁇ -x P of all semiconductor regions can also contain a small amount of arsenic (As) (up to about 50%), which is not mentioned here, but is also included in the designation Al x Ga 1-x P should be.
- Quantum structures are understood to mean structures that have a dimension in at least one direction of expansion that is so small that the properties of the structure are significantly determined by quantum mechanical processes.
- Examples of quantum structures are quantum dots in which all directions of expansion have small dimensions, and quantum wires in which two directions of expansion are small Have dimensions, or quantum layers (quantum wells) in which an expansion direction has small dimensions in question.
- the semiconductor material from which the quantum structures are made can be, in particular, an III-V semiconductor material, ie a combination of elements of the 3rd and 5th group of the periodic table, which has a direct band gap and a lattice constant that is larger, than that of GaP.
- the lattice constant of Al x Ga ⁇ -x P does not depend on x and has essentially the same value as GaP.
- InP indium phosphide
- Ill-V semiconductor material is suitable as the Ill-V semiconductor material, but also other compounds of elements of the third group, such as indium (In), gallium (Ga) or aluminum (AI) with elements of the fifth group such as phosphorus (P), arsenic (As) or antimony (Sb) are generally suitable.
- elements of the third group such as indium (In), gallium (Ga) or aluminum (AI) with elements of the fifth group such as phosphorus (P), arsenic (As) or antimony (Sb) are generally suitable.
- the semiconductor device according to the invention makes it possible to use a direct transition between two energy bands for emitting light in the visible spectral range.
- the direct transition takes place in the embedded quantum structures, e.g. in InP, which has a direct band gap.
- the efficiency of emitting light is higher in the case of a direct transition than in the case of an indirect transition, so that the efficiency of the semiconductor device according to the invention for emitting light when a voltage is applied is higher than that of prior art light-emitting semiconductor devices.
- the technology of GaP-based LEDs can be used to some extent when manufacturing the semiconductor device according to the invention.
- the semiconductor regions are implemented in the form of semiconductor layers of a layer stack.
- epitaxy methods known from semiconductor technology can be used to manufacture the semiconductor device.
- Epitaxy processes are to be understood here to mean all processes with which a layer can be applied in an orderly manner to a crystalline substrate. Examples include molecular beam epitaxy (MBE, molecular beam epitaxy) and deposition from the gas phase (CVD, chemical vapor deposition).
- MBE molecular beam epitaxy
- CVD chemical vapor deposition
- semiconductor devices according to the invention which are designed as LEDs, is therefore simplified compared to LEDs according to the prior art.
- the epitaxy process can be easily integrated into existing processes for the manufacture of semiconductor devices.
- the use of epitaxy methods can reduce the occurrence of defects in the semiconductor regions. Such defects would negatively affect the emission properties of the semiconductor device.
- the presence of a direct transition is ensured in the semiconductor device according to the invention in particular if the quantum structures have a lateral expansion, i.e. have an extension perpendicular to the stacking direction, which is less than about 50 nm on average.
- the average lateral extent of the quantum structures is in the range between 10 and 30 nm.
- the InP coverage is at least 0.5 monolayers (ML), the emission takes place in the visible spectral range.
- a monolayer corresponds to a covering that is uniform Distributing the InP over the layer located under the quantum structures would result in an InP layer which is monatomic in the stacking direction.
- the InP coverage can be between 0.5 ml and approx. 10 ml, preferably between 0.5 and 8 ml, and in particular between 0.5 ml and approx. 4 ml.
- the color of the emitted light can be determined by a suitable choice of the covering within the specified limits.
- the active semiconductor region comprises a plurality of subregions which have different InP coverings.
- a suitable choice of the respective covering of the sub-areas can be used to produce a semiconductor device which emits quasi white light.
- the subregions can in particular be designed as different semiconductor layers. Alternatively, they can also differ in their lateral arrangement instead, so that they form different subregions of a common semiconductor layer.
- the semiconductor device according to the invention can be configured in particular as a light-emitting diode, superluminescent diode or laser diode.
- the semiconductor device according to the invention forms the active region of the superluminescent diode or the laser diode and the immediately adjacent regions.
- Superluminescent diodes and in particular laser diodes cannot be realized with the aid of the deep impurities known from the prior art.
- 1 schematically shows a layer stack realizing the invention.
- 2 shows a detail from the active semiconductor region of the semiconductor device according to the invention.
- the layer stack comprises an n-doped first semiconductor layer 3, which forms a first semiconductor region, and a p-doped second semiconductor layer 5, which forms a second semiconductor region.
- the electrons of the n-doped first semiconductor layer 3 represent the charge carriers of the first conductivity type
- the holes of the p-doped second semiconductor layer 5 represent the charge carriers of the second conductivity type.
- the quantum structure layers 7A-7C are arranged, which form the active semiconductor region of the LED.
- the quantum structure layers 7A-7C are undoped in the present exemplary embodiment, in alternative embodiments of the exemplary embodiment they can also have an n-doping or a p-doping.
- the doping of the substrate 1, the first and second semiconductor layers 3, 5 and the contact layer 9 can also be reversed.
- the semiconductor structure according to the invention would then have a p-doped substrate, a p-doped first semiconductor layer 3, an n-doped second semiconductor layer 5 and an n-doped contact layer 9.
- the layer thicknesses are not shown to scale in FIG. 1. While the semiconductor layer 3 has a thickness of 200 nm and the semiconductor layer 5 has a thickness of 700 nm, the three quantum structure layers 7A-7C together have a thickness of only about 9 nm and the contact layer 9 has a layer thickness of 10 nm.
- the substrate 1, the first semiconductor layer 3, the second semiconductor layer 5 and the contact layer 9 are designed as doped GaP layers.
- the substrate 1 and the first semiconductor layer 3 each contain silicon (Si) as the dopant, the Si concentration in the first semiconductor layer 3 corresponding to 5 ⁇ 10 17 cm "3.
- Be beryllium
- the quantum structure layer 7 comprises a GaP layer 11, in which InP islands 13 are embedded as quantum dots.
- the GaP layer 11 is sometimes referred to as a GaP matrix.
- the InP islands are based on a so-called InP wetting layer 15, which covers the entire surface of the layer located under the quantum structure layer 7 and has a thickness between 0.1 and 0.3 nm.
- the thickness of the GaP layer 11 is selected such that the InP islands 13 are still covered with GaP, but at most with approximately 1 nm GaP. Overall, the thickness of the quantum structure layer 7 shown in FIG. 2 is approximately 3 nm.
- the lateral dimensions of the InP islands 13 averaged a maximum of approximately 50 nm.
- the average of the lateral dimensions is preferably in the range between 10 and 30 nm, and the coverage of the layer located under the quantum structure layer 7 by the InP is approximately 3. 5 ML, ie the InP would suffice to cover the layer underneath with about 3.5 monatomic InP layers.
- Approx. 1 ML of the InP is applied to the wetting layer. In the present exemplary embodiment, this covering leads to the emission of light with a wavelength of approximately 600 nm.
- light-emitting diodes can be realized which emit light in the spectral range between orange and green.
- three quantum structure layers 7A-7C are arranged between the first and the second semiconductor layers 3, 5. However, it is sufficient if such a quantum structure layer 7 is present. On the other hand, more than just three quantum structure layers can also be present. There are preferably three to five quantum structure layers.
- the first and second semiconductor layers 3, 5 form a light-emitting diode.
- electrons from the first semiconductor layer 3 and holes from the second semiconductor layer 5 enter the quantum structure layers 7A-7C at a voltage suitably applied between the contact layer 9 and the substrate 1 and generally referred to as forward voltage.
- a recombination of electrons and holes takes place in the quantum structure layers 7A - 7C, ie electrons fill the holes.
- this recombination represents a transition from an energetically higher energy band to an energetically lower energy band.
- the transition is a direct transition that essentially takes place in the quantum dots, ie in the InP.
- the band gap in the InP is much larger than in a large-volume InP material, so that the wavelength of the light emitted during the direct transition lies in the visible spectral range. Since the band gap in the InP quantum dots, ie the minimum energy distance between the two bands, and thus the wavelength of the emitted light, depends on the InP coverage, the color of the emitted light in the Range can be varied from orange to green.
- the substrate 1, the first semiconductor layer 3, the second semiconductor layer 5 and the contact layer 9 are described as GaP layers in the exemplary embodiment described, these layers can generally be formed as Al ⁇ Ga- 1 - ⁇ P layers with 0 x x 1 1, where the values for x can vary from layer to layer.
- the quantum structures need not be made from InP. Instead, they can be formed as In y Ga ⁇ -y P layers with 0 ⁇ y ⁇ 0.5, preferably with 0 ⁇ y ⁇ 0.1. Since Al x Ga- ⁇ -x P is transparent in the visible spectral range, the layer structure described can in particular also be used to produce LEDs which emit vertically, ie in the stacking direction.
- superluminescent diodes or coherent light emitting light can be emitted with the semiconductor device according to the invention Laser diodes are manufactured.
- the basic structure of superluminescent diodes and laser diodes is, for example, the books “Spontaneous Emission and Laser Oscillation in Microcavities", Edit.
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Abstract
Eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht bei Anlegen einer Spannung umfasst einen ersten (3), einen zweiten (5) und einen dritten, aktiven Hableiterbereich (7A-7C). Während die Leitfähigkeit des ersten Halbleiterbereiches (3) auf Ladungsträgern eines ersten Leitfähigkeitstyps beruht, beruht die Leitfähigkeit der zweiten Halbleiterbereiches (5) auf Ladungsträgern eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche eine den Ladungsträgern des ersten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzte Ladung aufweisen. Der aktive Halbleiterbereich (5 13) ist zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich (3, 5) angeordnet. In den aktiven Halbleiterbereich (5) sind Quantenstrukturen (13) eingebettet, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt sind, das eine direkte Bandlücke aufweist. Unter Quantenstrukturen sind dabei Strukturen zu verstehen, die in mindestens einer Ausdehnungsrichtung eine Abmessung aufweisen, die derart gering ist, dass die Eigenschaften der Struktur von quantenmechanischen Vorgängen wesentlich mitbestimmt werden.
Description
Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht bei Anlegen einer Spannung.
Licht emittierende Halbleitervorrichtungen stellen heutzutage Schlüsselkomponenten u.a. in Vorrichtungen zum Übertragen Information, in Speichervorrichtungen, in Anzeigevorrichtungen und in Beleuchtungsvorrichtungen dar.
Im sichtbaren Spektralbereich leuchtende Halbleitervorrichtungen stellen hingegen keine derart hohen Leuchtintensitäten zur Verfügung. So konnten die ersten Leuchtdioden (LEDs) gerade genug Intensität zur Verfügung stellen, um als Anzeigelemente in frühen Taschenrechnern und digitalen Uhren zum Einsatz zu kommen. Gegenwärtig besteht jedoch ein Trend, im sichtbaren Spektralbereich leuchtende LEDs auch in Bereichen einzusetzen, in denen eine hohe Lichtintensität gefordert wird. Beispielsweise versuchen Automobilhersteller, immer mehr herkömmliche Leuchtkörper im Auto durch LEDs zu ersetzen. Als ein weiteres Einsatzgebiet für LEDs mit hoher Lichtintensität bieten sich bspw. Ampeln an, in denen hoch intensiv leuchtende rote, grüne und gelbe Emitter gefragt sind. Aber nicht nur in der Verkehrs- und Fahrzeugtechnik, sondern auch in der Informationsübertragung sind LEDs, die im sichtbaren Spektralbereich eine hohe Lichtintensität zur Verfügung stellen, nutzbringend einzusetzen. Beispielsweise können im sichtbaren Spektralbereich hoch intensiv emittierende LEDs zur kurzreichweitigen Datenübertragung über Kunststofffasern Verwendung
finden. Im Gegensatz zu Glasfasern, bei denen die maximale Transmission, d.h. die maximale Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung, im infraroten Spektralbereich liegt, liegt die maximale Transmission bei Kunststofffasern im grünen Spektralbereich, so dass für die Datenüber- tragung über Kunststofffasern insbesondere hoch intensiv grünes Licht emittierende LEDs von Interesse sind. Wichtig für die genannten Anwendungsgebiete sind dabei sowohl die Effizienz des Strahlungserzeugungs- prozesses im Halbleitermaterial, da diese für die Intensität der abgegebenen Strahlung von Bedeutung ist, als auch die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung.
Das elektrische Verhalten eines Halbleitermaterials lässt sich mit dem sog. Bändermodell beschreiben. Dieses besagt, dass den Ladungsträgern des Halbleitermaterials verschiede Energiebereiche, die sog. Energiebänder, zur Verfügung stehen, innerhalb derer sie im Wesentlichen beliebige Energiewerte annehmen können. Verschiedene Bänder sind häufig durch eine Bandlücke, d.h. einen Energiebereich mit Energiewerten, welche die Ladungsträger nicht annehmen können, voneinander getrennt. Wenn ein Ladungsträger von einem energetisch höher gelegenen Energieband in ein Energetisch niedriger gelegenes Energieband übergeht, wird eine Energie freigesetzt, die der Differenz aus den Energiewerten vor und nach dem Übergang entspricht. Die Differenzenergie kann dabei in Form von Lichtquanten (Photonen) freigesetzt werden. Man unterscheidet zwischen sog. direkten und indirekten Bandlücken. Bei einer indirekten Bandlücke müssen zwei Prozesse zusammentreffen, damit ein Übergang zwischen den Energiebändern unter Emission von Licht stattfinden kann. Daher weisen Halbleitermaterialien mit indirekten Bandlücken in der Regel eine viel geringere Effizienz beim Erzeugen von Licht auf, als Halbleitermaterialien mit sog. direkten Bandlücken, in denen zum Aussenden von Licht nur ein Prozess nötig ist.
Als Ladungsträger stehen in einem Halbleitermaterial negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher, die man sich im Wesentlichen als „fehlende" Elektronen in einem Energieband vorstellen kann, zur Verfügung.
Ein Loch kann durch den Übergang eines Elektrons aus einem anderen Energieband in das Energieband, in dem das Loch vorliegt, aufgefüllt werden. Den Vorgang des Auffüllens nennt man Rekombination. Durch Einbringen von Fremdstoffen, sog. Dotierstoffen, in das Halbleitermaterial lässt sich ein Übergewicht an Elektronen oder Löchern als Ladungsträger erzeugen. Bei einem Übergewicht an Elektronen bezeichnet man das Halbleitermaterial als n-leitend bzw. n-dotiert, bei einem Übergewicht an Löchern als Ladungsträgern als p-leitend bzw. p-dotiert. Das Einbringen von Dotierstoffen kann darüber hinaus benutzt werden, die den Ladungsträgern zur Verfügung stehenden Energieniveaus im Halbleitermaterial zu beeinflussen.
Heutzutage basieren viele kommerziell erhältliche LEDs auf Gallium- Phosphid (GaP), das ein Halbleitermaterial mit einer indirekten Bandlücke ist. Einbringen von sog. tiefen Störstellen, die man sich vereinfacht als den Ladungsträgern zugängliche Energieniveaus außerhalb der Energiebänder des GaP vorstellen kann, ermöglicht die Herstellung von LEDs auf GaP- Basis. Aufgrund der indirekten Bandlücke ist die Effizienz derartiger LEDs beim Erzeugen von Licht gering. Die tiefen Störstellen lassen sich erzeugen, indem Fremdatome wie etwa Stickstoffatome in geeigneter Weise in das GaP eingebracht werden.
LEDs, die auf GaP basieren, das mit Stickstoff (N) dotiert ist, d.h. in das Stickstoff als Dotierstoff eingebracht ist, emittieren in Abhängigkeit von der Menge an N, mit der es dotiert ist, im Spektralbereich von grün bis gelb.
LEDs, die auf GaP, welches mit Zinkoxid (ZnO) dotiert ist, basieren emittieren dagegen rotes Licht. Zwar weist mit ZnO dotiertes GaP im Vergleich zum mit N dotiertem GaP eine etwas höhere Effizienz beim Erzeugen von Licht auf, jedoch findet die Emission in einem spektralen Frequenzbereich statt, in dem das menschliche Auge relativ unempfindlich ist, so dass das emittierte Licht wenig hell erscheint. Zudem verringert sich die Effizienz des Lichterzeugungsprozesses im mit ZnO dotierten GaP mit zunehmendem Steuerstrom der LED.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere im sichtbaren Spektralbereich eine hohe Effizienz beim Emittieren von Licht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht bei Anlegen einer Spannung umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten, aktiven Hableiterbereich. Der erste und der zweite Halbleiterbereich können insbesondere jeweils AlxGa-ι-xP (Aluminium-Gallium-Phosphid) mit 0 ≤ x ≤ 1 umfassen. Während die Leitfähigkeit des ersten Halbleiterbereiches auf Ladungsträgern eines ersten Leitfähigkeitstyps beruht, beruht die Leitfähigkeit der zweiten Halbleiterbereiches auf Ladungsträgern eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche eine den Ladungsträgern des ersten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzte Ladung aufweisen. Zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich ist der aktive Halbleiterbereich angeordnet, welcher insbesondere AlxGaι.xP mit 0 ≤ x ≤ 1 umfassen kann, wobei in den aktiven Halbleiterbereich Quantenstrukturen eingebettet sind, die aus einem Halbleitermaterial hergestellt sind, das eine direkte Bandlücke aufweist. Dabei kann das AlxGaι-xP aller Halbleiterbereiche auch einen kleinen Anteil an Arsen (As) enthalten (bis zu ca. 50%), der hier nicht weiter erwähnt, ist aber von der Bezeichnung AlxGa1-xP mit umfasst sein soll.
Unter Quantenstrukturen sind dabei Strukturen zu verstehen, die in mindestens einer Ausdehnungsrichtung eine Abmessung aufweisen, die derart gering ist, dass die Eigenschaften der Struktur von quantenmechanischen Vorgängen wesentlich mitbestimmt werden. Als Quantenstrukturen kommen bspw. Quantenpunkte (Quantum Dots), in denen alle Ausdehnungsrichtungen geringe Abmessungen aufweisen, Quantendrähte (Quantum Wires), in denen zwei Ausdehnungsrichtungen geringe
Abmessungen aufweisen, oder Quantenschichten (Quantum Wells), in denen eine Ausdehnungsrichtung geringe Abmessungen aufweist, in Frage.
Das Halbleitermaterial, aus dem die Quantenstrukturen hergestellt sind, kann insbesondere ein Ill-V-Halbleitermaterial, d.h. eine Verbindung aus Elementen der 3. und der 5. Gruppe des Periodensystems, sein, welches eine direkte Bandlücke und eine Gitterkonstante besitzt, die größer ist, als die von GaP. Dabei ist anzumerken, dass die Gitterkonstante von AlxGaι-xP nicht von x abhängt und im Wesentlichen denselben Wert wie GaP besitzt. Als Ill-V-Halbleitermaterial eignet sich bspw. InP (Indium-Phosphid), aber auch andere Verbindungen von Elementen der 3. Gruppe, wie etwa Indium (In), Gallium (Ga) oder Aluminium (AI) mit Elementen der 5. Gruppe, wie etwa Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb), sind grundsätzlich geeignet.
Mit der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur zum Emittieren von Licht bei Anlegen einer Spannung lässt sich im sichtbaren Spektralbereich eine höhere Effizienz beim Emittieren von Licht erzielen, als mit Licht emittierenden Halbleiterstrukturen nach Stand der Technik. Der Grund hierfür ist folgender:
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung ermöglicht es im Gegensatz zu den auf GaP basierenden Licht emittierenden Halbleitervorrichtungen nach Stand der Technik, einen direkten Übergang zwischen zwei Energiebänden zum Emittieren von Licht im sichtbaren Spektralbereich zu nutzen. Der direkte Übergang erfolgt dabei in den eingebetteten Quantenstrukturen, also etwa im InP, welches eine direkte Bandlücke aufweist. Wie oben erwähnt, ist die Effizienz beim Emittieren von Licht bei einem direkten Übergang höher als bei einem indirekten Übergang, so dass die Effizienz der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht bei Anlegen einer Spannung über der von Licht emittierenden Halbleitervorrichtungen nach Stand der Technik liegt.
Zudem kann beim Herstellen der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung teilweise auf die Technologie von auf GaP basierenden LEDs zurückgegriffen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung sind die Halbleiterbreiche in Form von Halbleiterschichten eines Schichtstapels realisiert. In diesem Fall lassen sich zum Herstellen der Halbeitervorrichtung aus der Halbleitertechnik bekannte Epitaxie-Verfahren nutzen. Unter Epitaxie-Verfahren sollen hierbei alle Verfahren zu verstehen sein, mit denen eine Schicht geordnet auf eine kristalline Unterlage aufgebracht werden kann. Als Beispiele seinen die Molekularstrahlepitaxie (MBE, molecular beam epitaxy) und das Abscheiden aus der Gasphase (CVD, chemical vapour deposition) genannt. Mit dem Epitaxie-Verfahren ist das beim Herstellen von auf AlGalnP oder GaP basierenden LEDs zur Anwendung kommende Bonden von Wafern, also ein Verkleben von Wafern, nicht nötig. Daher ist die Herstellung insbesondere von als LEDs ausgestalteten erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtungen gegenüber LEDs nach Stand der Technik vereinfacht. Zudem lässt sich das Epitaxie-Verfahren gut in bestehende Prozessabläufe zum Herstellen von Halbleitervor- richtungen integrieren. Außerdem kann durch die Anwendung der Epitaxie- Verfahren das Entstehen von Fehlstellen in den Halbleiterbereichen reduziert werden. Derartige Fehlstellen würden die Emissionseigenschaften der Halbleitervorrichtung negativ beeinflussen.
Das Vorliegen eines direkten Übergangs ist in der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung insbesondere dann sichergestellt, wenn die Quantstrukturen eine laterale Ausdehnung, d.h. eine Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung, besitzen, die im Durchschnitt weniger als ca. 50 nm beträgt. Insbesondere liegt die durchschnittliche laterale Ausdehnung der Quantenstrukturen im Bereich zwischen 10 und 30 nm.
Insbesondere, wenn die InP-Bedeckung mindestens 0,5 Monolagen (ML) beträgt, findet die Emission im sichtbaren Spektralbereich statt. Eine Monolage entspricht dabei einer Bedeckung, die bei gleichmäßigem
Verteilen des InP über die unter den Quantenstrukturen befindliche Schicht eine in Stapelrichtung einatomige InP-Schicht ergäbe. Insbesondere kann die InP-Bedeckung zwischen 0,5 ML und ca. 10 ML, vorzugsweise zwischen 0,5 und 8 ML, und insbesondere zwischen 0,5 ML und ca. 4 ML liegen. Durch die geeignete Wahl der Bedeckung innerhalb der angegebenen Grenzen kann die Farbe des emittierten Lichtes festgelegt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung umfasst der aktive Halbleiterbereich mehrere Unterbereiche, die verschiedene InP-Bedeckungen aufweisen. Durch geeignete Wahl der jeweiligen Bedeckung der Unterbereiche kann eine Halbleitervorrichtung erzeugt werden, die quasi weißes Licht abgibt. Die Unterbereiche können dabei insbesondere als verschiedene Halbleiterschichten ausgebildet sein. Alternativ können sie sich stattdessen auch in ihrer lateralen Anordnung unterscheiden, so dass sie verschiedene Teilbereiche einer gemeinsamen Halbleiterschicht bilden.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung kann insbesondere als Leuchtdiode, superlumineszente Diode oder Laserdiode ausgestaltet sein. Im Falle der superlumineszenten Diode bzw. der Laserdiode bildet die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung den aktiven Bereich der superlumineszenten Diode bzw. der Laserdiode sowie die unmittelbar angrenzenden Bereiche. Superlumineszente Dioden und insbesondre Laserdioden lassen sich mit Hilfe der aus dem Stand der Technik bekannten tiefen Störstellen nicht realisieren.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen die Erfindung realisierenden Schichtstapel.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem aktiven Halbleiterbereich der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung im Detail.
Fig. 1 stellt als ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Halb- leitervorrichtung den Schichtstapel einer Leuchtdiode dar, welcher auf ein n- dotiertes Substrat 1 aufgebracht ist. Der Schichtstapel umfasst eine n- dotierte erste Halbleiterschicht 3, die einen ersten Halbleiterbereich bildet, und eine p-dotierte zweite Halbleiterschicht 5, die einen zweiten Halbleiterbereich bildet. Die Elektronen der n-dotierten ersten Halbleiterschicht 3 stellen dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps dar, wohingegen die Löcher der p-dotierten zweiten Halbleiterschicht 5 die Ladungsträger des zweiten Leitfähigkeitstyps darstellen. Zwischen der n-dotierten ersten Halbleiterschicht 3 und der p-dotierten zweiten Halbleiterschicht 5 sind drei undotierte Quantenstrukturschichten 7A - 7C angeordnet, die den aktiven Halbleiterbereich der LED bilden. Zwar sind die Quantenstrukturschichten 7A - 7C im vorliegenden Ausführungsbeispiel undotiert, jedoch können sie in alternativen Ausgestaltungen des Ausführungsbeispiels auch eine n-Dotierung oder eine p-Dotierung aufweisen. Schließlich befindet sich über der zweiten Halbleiterschicht 5 eine stark p-dotierte Kontaktschicht 9 zum elektrischen Kontaktieren der zweiten Halbleiterschicht 5.
Es sei angemerkt, dass die Dotierungen des Substrates 1 , der ersten und zweiten Halbleiterschicht 3, 5 sowie der Kontaktschicht 9 auch umgekehrt sein können. Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur würde dann ein p- dotiertes Substrat, eine p-dotierte erste Halbleiterschicht 3, eine n-dotierte zweite Halbleiterschicht 5 sowie eine n-dotierte Kontaktschicht 9 aufweisen.
Die Schichtdicken sind in Fig.1 nicht maßstäblich dargestellt. Während die Halbleiterschicht 3 eine Dicke von 200 nm und die Halbleiterschicht 5 eine Dicke von 700 nm aufweisen, weisen die drei Quantenstrukturschichten 7A - 7C zusammen nur eine Dicke von etwa 9 nm und die Kontaktschicht 9 eine Schichtdicke von 10 nm auf.
Das Substrat 1 , die erste Halbleiterschicht 3, die zweite Halbleiterschicht 5 sowie die Kontaktschicht 9 sind als dotierte GaP-Schichten ausgebildet. Als Dotierstoff enthalten das Substrat 1 und die erste Halbleiterschicht 3 jeweils Silizium (Si), wobei die Si-Konzentration in der ersten Halbleiterschicht 3 5x1017 cm"3 entspricht. Die zweite Halbleiterschicht 5 und die Kontaktschicht 9 enthalten hingegen Beryllium (Be) als Dotierstoff, und zwar in einer Konzentration von 5x1017 cm'3 (zweite Halbleiterschicht 5) bzw. 1x1019 cm"3 (Kontaktschicht 9).
Eine der Quantenstrukturschichten 7A - 7C ist in Fig. 2 im Detail dargestellt. Die Quantenstrukturschicht 7 umfasst eine GaP-Schicht 11 , in die InP-lnseln 13 als Quantenpunkte (Quantum Dots) eingebettet sind. Die GaP-Schicht 11 wird gelegentlich auch als GaP-Matrix bezeichnet. Die InP-lnseln setzen auf einer sog. InP-Benetzungsschicht 15 (Wetting Layer) auf, welche die gesamte Oberfläche der unter der Quantenstrukturschicht 7 befindlichen Schicht bedeckt und eine Dicke zwischen 0,1 und 0,3 nm aufweist. Die Dicke der GaP-Schicht 11 ist derart gewählt, dass die InP-lnseln 13 noch mit GaP bedeckt sind, jedoch maximal mit ca. 1 nm GaP. Insgesamt beträgt die Dicke der in Fig. 2 dargestellten Quantenstrukturschicht 7 ca. 3 nm.
Die lateralen Abmessungen der InP-lnseln 13 betragen im Durchschnitt maximal ca. 50 nm. Vorzugsweise liegt der Durchschnitt der lateralen Abmessungen im Bereich zwischen 10 und 30 nm, und die Bedeckung der unter der Quantenstrukturschicht 7 befindlichen Schicht durch das InP beträgt ca. 3,5 ML, d.h. das InP würde ausreichen, die darunter befindliche Schicht mit etwa 3,5 einatomigen InP-Lagen zu überziehen. Auf die Benetzungsschicht entfallen dabei ca. 1 ML des InP. Diese Bedeckung führt im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Emission von Licht mit einer Wellenlänge von ca. 600 nm. Durch Variieren der InP-Bedeckung lassen sich Leuchtdioden realisieren, die Licht im Spektralbereich zwischen orange und grün abgeben.
Bei einer Bedeckung von ca. 1 ,8 ML oder weniger liegen keine InP-lnseln mehr vor. Stattdessen bildet das InP eine gleichmäßige Schicht, so dass
man statt Quantenpunkten eine Quantenschicht erhält. Wenn im vorliegenden Ausführungsbeispiel von Quantenpunkten die Rede ist, sollen darunter auch Bedeckungen unter 1 ,8 ML zu verstehen sein, ohne dass ausdrücklich auf Quantenschichten statt auf Quantenpunkte Bezug genommen wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Quantenstrukturschichten 7A - 7C zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 3, 5 angeordnet. Es genügt jedoch, wenn eine derartige Quantenstrukturschicht 7 vorhanden ist. Andererseits können aber auch mehr als nur drei Quantenstrukturschichten vorhanden sein. Vorzugsweise sind drei bis fünf Quantenstrukturschichten vorhanden.
Zusammen mit den Quantenstrukturschichten 7A - 7C bilden die erste und die zweite Halbleiterschicht 3, 5 eine Leuchtdiode. In dieser treten bei einer zwischen der Kontaktschicht 9 und dem Substrat 1 geeignet angelegten und im Allgemeinen als Durchlassspannung bezeichneten Spannung Elektronen aus der ersten Halbleiterschicht 3 und Löcher aus der zweiten Halbleiterschicht 5 in die Quantenstrukturschichten 7A - 7C ein. In den Quanten- strukturschichten 7A - 7C findet eine Rekombination von Elektronen und Löchern statt, d.h. Elektronen füllen die Löcher auf. Diese Rekombination stellt für die Elektronen ein Übergang von einem energetisch höher gelegenen Energieband in ein energetisch tiefer liegendes Energieband dar. Der Übergang ist dabei ein direkter Übergang, der im Wesentlichen in den Quantenpunkten, d.h. im InP, stattfindet. Aufgrund der geringen Abmessungen der InP-Quantenpunkte ist die Bandlücke im InP viel größer als in einem großvolumigen InP-Material, so dass die Wellenlänge des beim direkten Übergang emittierten Lichtes im sichtbaren Spektralbereich liegt. Da die Bandlücke in den InP-Quantenpunkten, d.h. der energetische Mindest- abstand zwischen den beiden Bändern, und damit die Wellenlänge des emittierten Lichtes, von der InP-Bedeckung abhängt, kann durch die geeignete Wahl der InP-Bedeckung die Farbe des emittierten Lichtes im Bereich von orange bis grün variiert werden.
Zwar sind im beschrieben Ausführungsbeispiel das Substrat 1 , die erste Halbleiterschicht 3, die zweite Halbleiterschicht 5 sowie die Kontaktschicht 9 als GaP-Schichten beschrieben, jedoch können diese Schichten allgemein als AlχGa-1-χP-Schichten mit 0 ≤ x ≤ 1 ausgebildet sein, wobei die Werte für x von Schicht zu Schicht unterschiedlich sein können. Entsprechend brauchen die Quantenstrukturen nicht aus InP hergestellt zu sein. Stattdessen können sie als lnyGaι-yP-Schichten mit 0 < y ≤ 0,5, vorzugsweise mit 0 ≤ y ≤ 0,1 , ausgebildet sein. Da AlxGa-ι-xP im sichtbaren Spektralbereich transparent ist, kann die beschriebene Schichtstruktur insbesondere auch dazu verwendet werden, vertikal, d.h. in Stapelrichtung, emittierende LEDs zu herzustellen.
Mit Hilfe geeigneter Maßnahmen zum Einschließen des emittierten Lichtes im aktiven Bereich der Halbleitervorrichtung, bspw. durch geeignete Wahl der Brechungsindices der einzelnen Schichten, bzw. durch das Vorsehen von Facetten an der Halbleiterstruktur können mit der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung inkohärentes Licht aussendende superlumineszente Dioden oder kohärentes Licht aussendende Laserdioden hergestellt werden. Die grundsätzliche Struktur von superlumineszenten Dioden und Laserdioden ist bspw. den Büchern „Spontaneous Emission and Laser Oscillation in Microcavities", Edit. by Hiroyuki Yokoyama, and Kikuo Ujihara, CRC Press (1995)" und "Optoelectronics: An Introduction to Material and Devices", Jasprit Singh, The McGraw-Hill Companies, Inc., (1996)" zu entnehmen, auf die bezüglich der weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen superlumineszenten Diode und der erfindungsgemäßen Laserdiode verwiesen wird.
Claims
1. Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht bei Anlegen einer Spannung mit - einem ersten Hableiterbereich (3), dessen Leitfähigkeit auf Ladungsträgern eines ersten Leitfähigkeitstyps beruht, - einem zweiten Halbleiterbereich (5), dessen Leitfähigkeit auf den Ladungsträgern eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche eine den Ladungsträgern des ersten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzte Ladung besitzen, beruht, und - einem zwischen dem ersten Halbleiterbereich (3) und dem zweiten Halbleiterbreich (5) angeordneten aktiven Halbleiterbereich (7A - 7C), in den Quantenstrukturen (13) eines Halbleitermaterials mit direkter Bandlücke eingebettet sind.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 , bei der erste Hableiterbereich (3), der zweite Halbleiterbereich (5) und der aktive Halbleiterbereich (7A - 7C) jeweils AlxGaι-xP mit 0 < x ≤ 1 umfassen und die Quantenstrukturen (13) aus einem Ill-V-Halbleitermaterial hergestellt sind, das eine Gitterkonstante besitzt, die größer ist, als die von GaP.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Ill-V-Halbleitermaterial InP umfasst.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, bei der die Halbleiter- breiche in Form von Halbleiterschichten (3, 5, 7A - 7C) eines Schichtstapels realisiert sind.
5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Quantenstrukturen (13) eine laterale Ausdehnung besitzen, die im Durchschnitt weniger als ca. 50 nm beträgt.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die durchschnittliche laterale Ausdehnung der Quantenstrukturen (13) im Bereich zwischen 10 und 30 nm liegt.
7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die InP-Bedeckung mindestens 0,5 ML beträgt.
8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Halbleiterbereich (7a - 7c) mehrere Unterbereiche umfasst, die verschiedene InP-Bedeckungen aufweisen.
9. Leuchtdiode mit einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Superlumineszente Diode mit einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
11. Laserdiode mit einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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