EP1671377A2 - Semiconductor device for emitting light - Google Patents

Semiconductor device for emitting light

Info

Publication number
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
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semiconductor
semiconductor device
layer
inp
quantum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04787080A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
William Ted Masselink
Fariba Hatami
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Humboldt Universitaet zu Berlin
Original Assignee
Humboldt Universitaet zu Berlin
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Humboldt Universitaet zu Berlin filed Critical Humboldt Universitaet zu Berlin
Publication of EP1671377A2 publication Critical patent/EP1671377A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34306Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers

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.

Abstract

The inventive semiconductor device for emitting light when a voltage is applied comprises a first (3), second (5) and third active semiconductor area (7A-7C). The conductivity of the first semiconductor area (3) is based on charge carriers of a first type of conductivity. The conductivity of the second semiconductor area (5) is based on charge carriers of a second type of conductivity whereby the charge thereof is opposite to that of the charge carriers of the first type of conductivity. The active semiconductor area (5 13) is arranged between the first and second semiconductor area (3, 5). Quantum structures (13) are embedded in the active semiconductor area (5) and are made of a semiconductor material which has a direct band gap. The quantum structures are structures whose dimension in at least one direction of expansion is small enough such that the properties of the structure can be substantially influenced by quantum mechanical processes.

Description

Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht Semiconductor device for emitting light
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung zum Emittieren von Licht bei Anlegen einer Spannung.The present invention relates to a semiconductor device for emitting light when a voltage is applied.
Licht emittierende Halbleitervorrichtungen stellen heutzutage Schlüsselkomponenten u.a. in Vorrichtungen zum Übertragen Information, in Speichervorrichtungen, in Anzeigevorrichtungen und in Beleuchtungsvorrichtungen dar.Today, semiconductor light emitting devices are key components, among others. in devices for transmitting information, in storage devices, in display devices and in lighting devices.
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.In contrast, semiconductor devices which light up in the visible spectral range do not provide such high light intensities. The first light-emitting diodes (LEDs) were able to provide just enough intensity to be used as display elements in early calculators and digital clocks. However, there is currently a trend towards using LEDs in the visible spectral range in areas where high light intensity is required. For example, automobile manufacturers are trying to replace more and more conventional lighting elements in cars with LEDs. Another area of application for LEDs with high light intensity is, for example, traffic lights in which highly intensively shining red, green and yellow emitters are required. But 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. For example, in the visible spectral range, LEDs that emit highly intensively can be used for short-range data transmission via plastic fibers Find. In contrast to glass fibers, in which the maximum transmission, ie the maximum transmission for electromagnetic radiation, is in the infrared spectral range, 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.
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.The electrical behavior of a semiconductor material can be described with the so-called ribbon model. This means that 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. When a charge carrier changes from an energetically higher energy band to an energetically lower energy band, an energy is released that corresponds to the difference between the energy values before and after the transition. The differential energy can be released in the form of light quanta (photons). A distinction is made between 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.
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.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. 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.
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.Today, many commercially available LEDs are based on gallium phosphide (GaP), which is a semiconductor material with an indirect band gap. The introduction of so-called deep impurities, which can be simplified as energy levels accessible to the charge carriers outside the energy bands of the GaP, enables the production of LEDs based on GaP. Due to the indirect band gap, the efficiency of such LEDs when generating light is low. The deep impurities can be created by appropriately introducing foreign atoms such as nitrogen atoms into the GaP.
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 based on GaP doped with nitrogen (N), i.e. into which nitrogen is introduced as a dopant, depending on the amount of N with which it is doped, emit in the spectral range from green to yellow.
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.LEDs based on GaP, which is doped with zinc oxide (ZnO), on the other hand, emit red light. Although 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 , In addition, 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.
Diese Aufgabe wird durch eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a light-emitting semiconductor device according to claim 1. The dependent claims contain advantageous refinements of the invention.
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.A semiconductor device according to the invention for emitting light when a voltage is applied comprises a first, a second and a third, active semiconductor region. The first and the second semiconductor region can in particular each comprise Al x Ga-ι -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 Gaι. 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 Gaι -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.
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.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.
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.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. It should be noted that the lattice constant of Al x Gaι -x P does not depend on x and has essentially the same value as GaP. For example, InP (indium phosphide) 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.
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:With the semiconductor structure according to the invention for emitting light when a voltage is applied, a higher efficiency in emitting light can be achieved in the visible spectral range than with light-emitting semiconductor structures according to the prior art. The reason for this is as follows:
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 contrast to the GaP-based light-emitting semiconductor devices according to the prior art, 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. As mentioned above, 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. In addition, the technology of GaP-based LEDs can be used to some extent when manufacturing the semiconductor device according to the invention.
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.In an advantageous embodiment of the semiconductor device according to the invention, the semiconductor regions are implemented in the form of semiconductor layers of a layer stack. In this case, 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). With the epitaxy process, the bonding of wafers used in the production of LEDs based on AlGalnP or GaP, that is, a bonding of wafers, is not necessary. The manufacture of semiconductor devices according to the invention, which are designed as LEDs, is therefore simplified compared to LEDs according to the prior art. In addition, the epitaxy process can be easily integrated into existing processes for the manufacture of semiconductor devices. In addition, 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.
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.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. In particular, the average lateral extent of the quantum structures is in the range between 10 and 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 particular, if 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. In particular, 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.
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.In an advantageous development of the semiconductor device according to the invention, 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.
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.The semiconductor device according to the invention can be configured in particular as a light-emitting diode, superluminescent diode or laser diode. In the case of the superluminescent diode or the 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.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.Further features, properties and advantages of the semiconductor device according to the invention result from the following description of an exemplary embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt schematisch einen die Erfindung realisierenden Schichtstapel. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem aktiven Halbleiterbereich der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung im Detail.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.
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 5.1 shows, as an exemplary embodiment of the semiconductor device according to the invention, the layer stack of a light-emitting diode, which is applied to an n-doped substrate 1. 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. In the present exemplary embodiment, the electrons of the n-doped first semiconductor layer 3 represent the charge carriers of the first conductivity type, whereas the holes of the p-doped second semiconductor layer 5 represent the charge carriers of the second conductivity type. Between the n-doped first semiconductor layer 3 and the p-doped second semiconductor layer 5, three undoped quantum structure layers 7A-7C are arranged, which form the active semiconductor region of the LED. Although 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. Finally, there is a heavily p-doped contact layer 9 for electrically contacting the second semiconductor layer 5 above the second semiconductor layer 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.It should be noted that 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.
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).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. The second semiconductor layer 5 and the contact layer 9, on the other hand, contain beryllium (Be) as the dopant , namely in a concentration of 5x10 17 cm '3 (second semiconductor layer 5) or 1x10 19 cm "3 (contact layer 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.One of the quantum structure layers 7A-7C is shown in detail in FIG. 2. 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.
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.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. By varying the InP covering, light-emitting diodes can be realized which emit light in the spectral range between orange and green.
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.With a coverage of approximately 1.8 ML or less, there are no longer InP islands. Instead, the InP forms an even layer, so that you get a quantum layer instead of quantum dots. If quantum dots are mentioned in the present exemplary embodiment, coverings under 1.8 ML should also be understood, without expressly referring to quantum layers instead of quantum dots.
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.In the present exemplary embodiment, 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.
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.Together with the quantum structure layers 7A-7C, the first and second semiconductor layers 3, 5 form a light-emitting diode. In this, 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. For the electrons, 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. Due to the small dimensions of the InP quantum dots, 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. Although 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 AlχGa- 1 -χP layers with 0 x x 1 1, where the values for x can vary from layer to layer. Accordingly, the quantum structures need not be made from InP. Instead, they can be formed as In y Gaι -y P layers with 0 <y ≤ 0.5, preferably with 0 ≤ y ≤ 0.1. Since Al x Ga-ι -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.
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. With the aid of suitable measures for enclosing the emitted light in the active region of the semiconductor device, for example by suitable selection of the refractive indices of the individual layers or by the provision of facets on the semiconductor structure, 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. By Hiroyuki Yokoyama, and Kikuo Ujihara, CRC Press (1995) "and" Optoelectronics: An Introduction to Material and Devices " , Jasprit Singh, The McGraw-Hill Companies, Inc., (1996) ", to which reference is made with regard to the further configuration of the superluminescent diode according to the invention and the laser diode according to the invention.

Claims

Patentansprüche 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.1. A semiconductor device for emitting light when a voltage is applied with - a first semiconductor region (3), the conductivity of which is based on charge carriers of a first conductivity type, - a second semiconductor region (5), whose conductivity is on the charge carriers of a second conductivity type, which is one of the charge carriers of the first conductivity type have opposite charge, and - an active semiconductor region (7A - 7C) arranged between the first semiconductor region (3) and the second semiconductor region (5), in which quantum structures (13) of a semiconductor material with a direct band gap are embedded.
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.2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor region (3), the second semiconductor region (5) and the active semiconductor region (7A-7C) each comprise Al x Gaι -x P with 0 <x ≤ 1 and the quantum structures (13) are made of an Ill-V semiconductor material that has a lattice constant that is larger than that of GaP.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Ill-V-Halbleitermaterial InP umfasst.3. The semiconductor device of claim 2, wherein the III-V semiconductor material comprises InP.
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.4. The semiconductor device according to claim 1, 2 or 3, in which the semiconductor regions are implemented in the form of semiconductor layers (3, 5, 7A - 7C) of a layer stack.
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. 5. Semiconductor device according to one of claims 1 to 4, wherein the quantum structures (13) have a lateral extent which is less than about 50 nm on average.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die durchschnittliche laterale Ausdehnung der Quantenstrukturen (13) im Bereich zwischen 10 und 30 nm liegt.6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the average lateral dimension of the quantum structures (13) is in the range between 10 and 30 nm.
7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die InP-Bedeckung mindestens 0,5 ML beträgt.7. The semiconductor device according to claim 3 and one of claims 4 to 6, wherein the InP coverage is at least 0.5 ML.
8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Halbleiterbereich (7a - 7c) mehrere Unterbereiche umfasst, die verschiedene InP-Bedeckungen aufweisen.8. The semiconductor device according to claim 7, characterized in that the active semiconductor region (7a-7c) comprises a plurality of subregions which have different InP coverages.
9. Leuchtdiode mit einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.9. LED with a semiconductor device according to one of claims 1 to 8.
10. Superlumineszente Diode mit einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.10. Superluminescent diode with a semiconductor device according to one of claims 1 to 8.
11. Laserdiode mit einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 11. Laser diode with a semiconductor device according to one of claims 1 to 8.
EP04787080A 2003-10-02 2004-09-30 Semiconductor device for emitting light Withdrawn EP1671377A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10347292A DE10347292A1 (en) 2003-10-02 2003-10-02 Semiconductor device for emitting light
PCT/EP2004/011360 WO2005034252A2 (en) 2003-10-02 2004-09-30 Semiconductor device for emitting light

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1671377A2 true EP1671377A2 (en) 2006-06-21

Family

ID=34399451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04787080A Withdrawn EP1671377A2 (en) 2003-10-02 2004-09-30 Semiconductor device for emitting light

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20070210315A1 (en)
EP (1) EP1671377A2 (en)
DE (1) DE10347292A1 (en)
WO (1) WO2005034252A2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011008477A1 (en) 2011-01-13 2012-07-19 Julius-Maximilians-Universität Würzburg Semiconductor, light emitting diode and laser diode
WO2020243147A1 (en) 2019-05-30 2020-12-03 Glo Ab Light emitting diode device containing a positive photoresist insulating spacer and a conductive sidewall contact and method of making the same
DE102019134216A1 (en) * 2019-12-12 2021-06-17 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optoelectronic device with multiple epitaxial layers and manufacturing process

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0898345A3 (en) * 1997-08-13 2004-01-02 Mitsubishi Chemical Corporation Compound semiconductor light emitting device and method of fabricating the same
US6153894A (en) * 1998-11-12 2000-11-28 Showa Denko Kabushiki Kaisha Group-III nitride semiconductor light-emitting device
KR100377498B1 (en) * 2000-09-09 2003-03-26 한국과학기술연구원 Method for fabricating semiconductor device of quantum dots structure and an semiconductor device fabricated thereby
US6816525B2 (en) * 2000-09-22 2004-11-09 Andreas Stintz Quantum dot lasers
US20020136932A1 (en) * 2001-03-21 2002-09-26 Seikoh Yoshida GaN-based light emitting device
JP3819730B2 (en) * 2001-05-11 2006-09-13 三洋電機株式会社 Nitride-based semiconductor device and method for forming nitride semiconductor
US6773949B2 (en) * 2001-07-31 2004-08-10 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Semiconductor devices and methods
US6645885B2 (en) * 2001-09-27 2003-11-11 The National University Of Singapore Forming indium nitride (InN) and indium gallium nitride (InGaN) quantum dots grown by metal-organic-vapor-phase-epitaxy (MOCVD)
JP3525257B1 (en) * 2002-11-01 2004-05-10 アンリツ株式会社 Semiconductor light emitting device
US6936863B2 (en) * 2002-11-18 2005-08-30 Showa Denko K.K. Boron phosphide-based semiconductor light-emitting device, production method thereof and light-emitting diode
EP1471582A1 (en) * 2003-03-31 2004-10-27 Ngk Insulators, Ltd. Substrate for semiconductor light-emitting element, semiconductor light-emitting element and its fabrication
DE102004001823B3 (en) * 2004-01-08 2005-09-01 Humboldt-Universität Zu Berlin Emission-emitting semiconductor light-emitting devices

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2005034252A3 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10347292A1 (en) 2005-05-12
US20070210315A1 (en) 2007-09-13
WO2005034252A3 (en) 2005-09-09
WO2005034252A2 (en) 2005-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19531762C2 (en) Light-emitting semiconductor diode with a current-distributing cover layer
DE19756856B4 (en) Semiconductor light emitting device with high light emission efficiency
EP1630915A2 (en) Lightemitting optoelectronic element with quantum well structure and method of fabrication
DE19829666B4 (en) Light emitting diode with asymmetric energy band structure
DE19817368A1 (en) LED with high brightness
DE19911701B4 (en) Light-emitting AlGaInP devices with thin active layers
DE19957312A1 (en) Double heterostructure light emitting diode useful for displays and light sources in optical communications, has a barrier layer between a light emitting layer and one or both cladding layers
DE2915888C2 (en)
DE10252574A1 (en) Optoelectronic device using a blocked tunnel junction to limit current
WO2018219681A1 (en) Optoelectronic component and method for producing an optoelectronic component
EP1671377A2 (en) Semiconductor device for emitting light
WO2010048918A1 (en) Optoelectronic semiconductor chip and method for producing an optoelectronic semiconductor chip
DE102004001823B3 (en) Emission-emitting semiconductor light-emitting devices
WO2021083840A1 (en) Optoelectronic semiconductor component, arrangement of optoelectronic semiconductor components, optoelectronic apparatus and method for producing an optoelectronic semiconductor component
WO2020239749A1 (en) Optoelectronic semiconductor component comprising connection regions, and method for producing the optoelectronic semiconductor component
WO2019048370A1 (en) Light-emitting semiconductor component
EP1284038A1 (en) Light emitting semi-conductor component
EP1642347B1 (en) Radiation-emitting semi-conductor component
DE102012204987B4 (en) Light-emitting semiconductor structure and opto-electronic component thereof
DE10043938A1 (en) Quantum well device used in light-emitting diodes or laser diodes comprises alternating stacked quantum well layers and blocking layers
DE102007031132B4 (en) Defect-based silicon laser structure
WO2017121529A1 (en) Electronic component and method for producing an electronic component
DE102022105106A1 (en) Light emitting zener diode
DE102022105107A1 (en) Light emitting zener diode
DE102020112414A1 (en) Radiation-emitting semiconductor component and method for producing a radiation-emitting semiconductor component

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20060425

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: HATAMI, FARIBA

Inventor name: MASSELINK, WILLIAM, TED

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20100331