WO2007140738A1 - Mehrfachquantentopfstruktur, strahlungsemittierender halbleiterkörper und strahlungsemittierendes bauelement - Google Patents

Mehrfachquantentopfstruktur, strahlungsemittierender halbleiterkörper und strahlungsemittierendes bauelement Download PDF

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WO2007140738A1
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well structure
radiation
wavelength
multiple quantum
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Peter Stauss
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the invention relates to a multiple quantum well structure and a radiation emitting semiconductor body comprising the multiple quantum well structure. Furthermore, the invention relates to a radiation-emitting component which has the radiation-emitting semiconductor body.
  • An LED described in US 2004/0090779 A1 can produce mixed-colored radiation by means of a first radiation-generating layer designed as a quantum well structure and a second radiation-generating layer in the form of a quantum well structure. Between the two layers a tunnel barrier is arranged. Assuming that the wavelengths of the two radiation-generating layers are fixed, the chromaticity of the mixed-color radiation can be varied by changing a thickness of the tunnel barrier.
  • An undesirable change in the chromaticity may occur if an increase of the radiation intensity intended by numerous applications is to take place by means of increasing current supply. Because with increasing current intensity, a shift of the wavelength towards shorter wavelengths is noticeable. This is particularly the case for a LED based on a nitride semiconductor material such as InGaN.
  • a further object of the present invention is to specify a radiation-emitting semiconductor body which is suitable for wavelength-stable operation.
  • a multiple quantum well structure comprises at least one first quantum well structure for generating radiation of a first wavelength and at least one second quantum well structure for generating radiation of a second wavelength that is greater than the first wavelength, and is for emitting radiation of a main wavelength, wherein the second Wavelength differs from the first wavelength such that the main wavelength changes only by a predetermined maximum upon a shift of the first wavelength and the second wavelength.
  • the maximum is about 3%. Most preferably, the maximum value is less than 3%.
  • the main wavelength is to be understood as follows: According to the color theory, a hue perceived by an observer in polychromatic radiation is assigned a main wavelength or dominant wavelength corresponding to a wavelength of the monochromatic radiation at which the observer would perceive the same hue.
  • the radiation emitted by the multiple quantum well structure is preferably composed at least of the radiation generated in the first quantum well structure and the radiation generated in the second quantum well structure. If more than two quantum well structures are provided, the total emitted radiation is composed of the radiation generated in the individual quantum well structures. Typically, the radiation of the quantum well structure has a higher intensity, in the area of which the main recombination center is located.
  • the main recombination center indicates the zone in which a plurality of electrons and holes radiantly recombine.
  • the first quantum well structure is arranged on the n-side and the second quantum well structure is arranged on the p-side. Since the main recombination center typically shifts in a direction pointing toward the p-side of the multiple quantum well structure as the multiple quantum well structure is energized, and the second quantum well structure is p-side, then the second quantum well structure can contribute more to the generation of radiation, ie, at higher energization as the first quantum well structure.
  • the displacement of the first and the second wavelength takes place in the direction of shorter wavelengths.
  • Such a shift occurs in particular with increasing energization of the MehrfachquantentopfStruktur.
  • the extent of the shift is wavelength-dependent, whereby the larger the wavelength, the greater the shift.
  • the invention is based on the principle that the second wavelength is detuned with respect to the first wavelength such that the displacement of the first and second wavelength, which would in turn lead to a shift of the main wavelength with increasing energization, by means of the second quantum well structure which contributes more to the generation of radiation can be compensated.
  • the two mentioned “displacement effects" are coupled in accordance with the invention such that even with increasing current flow, wavelength-stable operation of a radiation-emitting component having a multiple quantum well structure as described herein is possible.
  • the first wavelength may initially correspond approximately to the main wavelength, with the main recombination center being in the region of the first quantum well structure.
  • the main recombination center shifts in the direction of the second quantum well structure
  • the second wavelength shifts in the direction of shorter wavelengths.
  • the second wavelength with respect to the first wavelength or the main wavelength is detuned such that by means of the wavelength shift, the second wavelength approximates the initial value of the first wavelength or the main wavelength when the main recombination center in the region of the second Quantum well structure is located.
  • the shifted second wavelength can then correspond approximately to the main wavelength.
  • the second wavelength may differ from the first wavelength by an amount in the single-digit nanometer range, preferably by about 5 nm. This is especially true for a main wavelength of 520nm to 540nm. For a larger main wavelength, the difference between the first and second wavelengths is preferably larger.
  • the multiple quantum structure may have four quantum well structures, wherein the first three quantum well structures have a bandgap corresponding to the first wavelength and the fourth quantum well structure has a bandgap corresponding to the second wavelength different from the first wavelength by about 5nm.
  • the first three quantum well structures are arranged on the n side, the main recombination center shifts from the first quantum well structure in the direction of the fourth quantum well structure with increasing current supply. The main wavelength can remain essentially unchanged.
  • the radiation emitted by the multiple quantum well structure is not fixed to a particular main wavelength.
  • the main wavelength is preferably in the short-wave spectral range, for example in the green spectral range, the main wavelength can assume values in the range between 510nm and 560nm.
  • Such a multiple quantum well structure suitable for the emission of short-wave radiation is suitable, in particular may contain a nitride-based semiconductor material.
  • the multiple quantum well structure in each case has a layer sequence belonging to the first and the second quantum well structure, wherein a barrier layer is arranged between the layer sequences.
  • the charge carriers can pass through the barrier layer from the first quantum well structure to the second quantum well structure and vice versa.
  • electrons may be introduced from the side of the multiple quantum well structure on which the first quantum well structure is disposed
  • Main recombination center are impressed, while getting holes from the side of the second quantum well structure there.
  • the charge carriers can diffuse or tunnel through the barrier layer.
  • the thickness of the barrier layer is preferably matched to the displacement of the main recombination center. This is all the easier to move, the thinner the barrier layer.
  • the thickness of the barrier layer assumes values in the single-digit to double-digit nanometer range. In particular, the thickness is between 4nm and 25nm.
  • the barrier layer is preferably n-doped. This advantageously allows a comparatively good charge carrier transport or leads to a reduction in the forward voltage in the finished component.
  • the barrier layer may also be undoped. This is the case in particular if the barrier layer allows a sufficiently good charge carrier transport already in the undoped state.
  • the doping can assume values between 0 and 10 18 / cm 3 .
  • the barrier layer is particularly preferably Si-doped.
  • the Si doping is between 10 17 / cm 3 and 10 18 / cm 3 .
  • an Si doping is less than about 3-4 * 10 17 / cm 3 .
  • an expansion of the main recombination center can be increased by means of a lower doping, as a result of which several quantum well structures contribute to radiative recombination.
  • the barrier layer may contain a nitride-based semiconductor material.
  • nitride-based semiconductor material in the present context means a nitride III / V compound semiconductor material, which preferably consists of Al n Ga m In 1 nm N, where 0 ⁇ n ⁇ 1, O ⁇ m ⁇ l and n + m
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may have one or more dopants as well as additional ingredients that the of Al n Ga m ini- n characteristic physical properties - ra N material does not substantially change.
  • the above formula contains only the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), even though these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the barrier layer preferably contains GaN, InGaN or AlInGaN.
  • the layer sequences belonging to the first and second quantum well structures preferably contain In x Ga ( i- X ) N, where 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • Such a multiple quantum well structure is suitable for generating short-wave radiation in the green to ultraviolet spectral range. Since it is possible to convert the short-wave radiation into long-wave radiation, for example by means of a converter material, the multiple quantum well structure can advantageously also serve as an active layer for generating long-wave radiation.
  • the first and the second layer sequence each have a pot layer whose thickness is preferably between Iran and 5 nm.
  • the thickness of the pot layer By means of the thickness of the pot layer, the depth of the quantum well is adjustable. The relationship that the radiation is the longer the thicker the pot layer is. It is conceivable that the different pot layers have different thicknesses.
  • the multiple quantum well structure according to the invention is particularly suitable for a current in the single-digit to double-digit milliampere range, preferably between more than OmA and 15mA.
  • the current density is preferably between more than OmA / mm 2 and about 160 mA / mm 2 .
  • the radiation intensity increases in proportion to the current without a shift of the main wavelength occurs.
  • the multiple quantum well structure is made epitaxially.
  • Process parameters such as temperature and gas concentration, which determine the epitaxy, may be crucial for the properties of the multiple quantum well structure.
  • Process temperature can be lowered, which makes In better, resulting in a smaller band gap.
  • the In concentration in the process gas can be increased, which in turn leads to a better incorporation of In and a smaller band gap.
  • the depth of the quantum well can be adjusted by means of the In part, wherein the radiation is the longer wavelength, the higher the In content.
  • quantum well structure in the context of the application encompasses any structure in which charge carriers can undergo quantization of their energy states by confinement.
  • quantum well structure does not include information about the dimensionality of the quantization. It thus includes u.a. Quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • a radiation-emitting semiconductor body comprises one as described above Multiple quantum well structure. This preferably serves as the active layer of the radiation-emitting semiconductor body.
  • the layers or layer sequences which form the multiple quantum well structure can be arranged on a substrate.
  • the first layer sequence has an n-conducting layer on a side facing the substrate, while the second layer sequence has a p-conductive layer on a side facing away from the substrate.
  • the semiconductor body may comprise further layers, for example cladding layers.
  • a reflection layer is conceivable which is suitable for reflecting the radiation emitted by the multiple quantum well structure in the direction of a coupling-out side.
  • the semiconductor body is designed as a thin-film light-emitting diode chip.
  • a thin-film light-emitting diode chip is characterized in particular by at least one of the following characteristic features: on a first main surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence facing a carrier element, a reflective layer is applied or formed which forms at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence this reflects back; the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 10 ⁇ m; and the epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, ie it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • a thin-film light-emitting diode chip is to a good approximation a Lambert surface radiator.
  • the growth substrate is peeled off. This has the advantage, for example, that the growth substrate, in contrast to conventional light-emitting diodes which are electrically connected by means of the growth substrate or which couple the generated radiation through the growth substrate, need not have any particular electrical conductivity or radiation permeability.
  • a radiation-emitting component according to the invention has a radiation-emitting semiconductor body as described above. Such a device is suitable for wavelength stable operation, in particular when increasing the current intensity and an associated increase in the radiation intensity.
  • the radiation-emitting semiconductor body is arranged within a housing body. Furthermore, the semiconductor body may be embedded in a cladding.
  • cladding material can reduce radiation losses that can occur due to total reflections at refractive index boundaries.
  • an optical element is arranged downstream of the radiation-emitting semiconductor body on an outcoupling side.
  • the optical element is suitable for radiation shaping and can be designed, for example, as a lens.
  • the radiation-emitting component is dimmable. This means that the radiation intensity of the radiation-emitting component can advantageously be regulated by means of the current intensity.
  • FIG. 1 is a graph showing the main wavelength of a conventional blue light emitting diode as a function of the current intensity
  • FIG. 2 is a graph showing the main wavelength of a conventional green LED as a function of the amperage
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a model of a multiple quantum well structure
  • Figure 4 is a schematic representation of a
  • FIG. 5 is a graph showing the spectral distribution of a multiple quantum well structure
  • FIG. 6 shows a diagram representing the main wavelength of various radiation-emitting semiconductor bodies as a function of the current intensity
  • FIG. 7 shows a graph representing the radiation intensity of various radiation-emitting semiconductor bodies as a function of the current intensity
  • FIG. 8 shows a schematic cross section of an exemplary embodiment of a radiation-emitting semiconductor body according to the invention
  • FIG. 9 shows a schematic cross section of an exemplary embodiment of a radiation-emitting component according to the invention.
  • a displacement of the wavelength in the direction of shorter wavelengths may occur with increasing energization.
  • the main wavelength of a conventional light-emitting diode which shines in the blue spectral range shifts from approximately 473.5 nm to approximately 468.25 nm if the current intensity is increased from> 0 mA to 10 ⁇ mA.
  • the curve shown in FIG. 2 like the curve shown in FIG. 1, shows that the main wavelength changes when the current intensity is increased from> 0 mA to 100 mA.
  • the measurement was carried out on a conventional light-emitting diode which shines in the green range. Increasing from> 0 to 100 mA shifts the wavelength from about 545nm to about 512.5nm.
  • the multiple quantum well structure 1 shown as a model in FIG. 3 comprises a first quantum well structure 2 a and a second quantum well structure 2 b.
  • both the quantum well structure 2a and the quantum well structure 2b are based on InGaN / GaN.
  • a radiation-emitting semiconductor body which has the multiple quantum well structure 1 as the active layer emits mixed-colored radiation 14, which is composed of the radiation 6 emitted by the first quantum well structure 2 a and the radiation 7 emitted by the second quantum well structure 2 b.
  • the radiation 14 may be assigned a main wavelength.
  • FIG. 4 shows a possible construction of a multiple quantum well structure 1 according to the invention.
  • a substrate 8 which preferably contains one of the materials sapphire, SiC, GaN or GaAs, an n-conductive layer 9 is arranged.
  • an n-conductive layer 9 is arranged on a substrate 8, which preferably contains one of the materials sapphire, SiC, GaN or GaAs.
  • the first layer 10 is followed by a pot layer 11 which belongs to the first quantum well structure 2a and to the first layer sequence 200a and which preferably has a thickness between lnm and 5 nm.
  • the first quantum well structure 2 a is formed by means of the layer 10, the well layer 11 and the barrier layer 3.
  • the barrier layer 3 is disposed on the side facing away from the substrate 8, a pot layer 12 and a layer 13, which form a second layer sequence 200b, downstream.
  • the layer sequence 200b and the barrier layer 3 together form the second quantum well structure 2b.
  • the layer sequence 200b is followed by a p-type layer 16, which is for is intended to impress holes in the Mehrfachquantentopf Camill 1.
  • the layers 10 and 13 are intended as spacer layers, which preferably have a thickness between 2nm and 20nm.
  • the layers 10, 11, 3, 12 and 13 preferably contain a nitride-based semiconductor material, particularly In x Ga 11 - X) N, where 0 ⁇ x ⁇ l.
  • further well layers 11 'and H “and further barrier layers 3' and 3" may be arranged between the barrier layer 3 and the well layer 12.
  • which material contains the layers 11 'and H "or the barrier layers 3' and 3" depends on which wavelength the radiation generated in the quantum well structures should have.
  • the layers 9, 10, 11, 12, 3, 13 and 16 are in particular produced by epitaxy, wherein the substrate 8 forms the growth substrate.
  • FIG. 5 shows the spectral distribution of a multiple quantum well structure comprising five quantum well structures, starting from an n-conducting side of the multiple quantum well structure with four quantum well structures having a bandgap corresponding to a wavelength in the green spectral range, for example of about 500 nm.
  • a fifth quantum well structure arranged on the p-side has a bandgap which corresponds to a wavelength in the blue spectral range, for example of approximately 450 nm.
  • From Curve I to Curve VIII the current strength increases steadily (Curve I: 0.1mA; Curve II: 0.2mA; Curve III: 1.OmA; Curve IV: 2.OmA; Curve V: 3.OmA; Curve VI: 5).
  • the wavelength ⁇ [nm] of the radiation emitted by the fourth and fifth quantum well structures is plotted on the abscissa, the ordinate indicates the intensity I v (without unit) of the emitted radiation.
  • An intensity maximum exists for the fifth quantum well structure at about 450 nm and for the fourth quantum well structure at about 500 nm.
  • the decisive information that can be obtained from FIG. 5 is that the intensity I v of the radiation generated by the fifth quantum well structure rises more rapidly with increasing current flow than the intensity of the radiation generated by the fourth quantum well structure. This can be justified by the fact that the main recombination center shifts in the direction of the fifth quantum well structure with increasing current supply.
  • FIG. 6 shows measurement curves which were performed on four different multiple quantum well structures, each comprising four quantum well structures.
  • the multiple quantum well structure that provides trace IV has Si-doped barrier layers.
  • the layer sequences of the individual quantum well structures do not differ significantly with regard to the band gap.
  • the trace thus serves as a reference curve for the curves I, II and III, by means of Multiple quantum well structures were detected, whose fourth quantum well structure has a different band gap from the first three quantum well structures.
  • the reference curve IV shows with increasing energization, a shift of the main wavelength ⁇ do ⁇ i in the direction of shorter wavelengths. Curves I and III also show this behavior. Only curve II shows a wavelength-stable behavior of the multiple quantum well structure at least up to a current strength of about 10 mA.
  • the bandgap of the fourth quantum well structure differs from the bandgap of the other quantum well structures such that the difference corresponds to an approximately 10 nm shorter wavelength.
  • This can be achieved, for example, by growing the layer sequence of the fourth quantum well structure at a higher process temperature than the layer sequences of the further quantum well structures.
  • the process temperature is 7K higher.
  • all barrier layers are Si doped.
  • the bandgap of the fourth quantum well structure differs from the bandgap of the other quantum well structures such that the difference corresponds to an approximately 10 nm longer wavelength. This can be achieved, for example, by growing the layer sequence of the fourth quantum well structure at a lower process temperature than the other layer sequences. In particular, the process temperature is lowered by 7K. Preferably, all barrier layers are Si doped.
  • the bandgap of the fourth quantum well structure differs from the bandgap of the other quantum well structures such that the difference corresponds to a wavelength about 5 nm longer. This can be achieved, for example, by growing the layer sequence of the fourth quantum well structure at a lower process temperature than the other layer sequences. In particular, the process temperature is lowered by 3K. Furthermore, the barrier layer arranged in the growth direction in front of the layer sequence of the fourth quantum well structure is not doped.
  • wavelength-stable operation is possible by means of a slight wavelength detuning of the fourth quantum well structure compared to the first three quantum well structures.
  • FIG. 7 shows the intensity I v (without unit) of the radiation as a function of the current intensity I [mA]. The measurements were carried out on the multiple quantum well structures already described in connection with FIG.
  • the radiation-emitting semiconductor body 18 illustrated in FIG. 8 has the multiple quantum well structure 1 as the active layer.
  • Multiple quantum well structure 1 includes at least the first quantum well structure 2a and the second quantum well structure 2b.
  • the semiconductor body 18 comprises a Mehrfachquantentopftechnik 1, which enables a wavelength stable operation while increasing the radiation intensity with increasing energization.
  • this can be achieved by designing the multiple quantum well structure 1 in accordance with the multiple quantum well structure that supplies the measurement curves II in FIGS. 6 and 7.
  • the multiple quantum well structure 1 comprises four quantum well structures, wherein the bandgap of the fourth quantum well structure differs from the bandgap of the other quantum well structures such that the difference corresponds to an approximately 5 nm longer wavelength.
  • the first quantum well structure is arranged on the n-side, while the fourth quantum well structure is arranged on the p-side.
  • the multiple quantum well structure 1 is disposed between an n-type layer 9 and a p-type layer 16.
  • the layers 9, 10, 11, 3, 12, 13, 16 of the semiconductor body 18 are epitaxially grown on a substrate 8.
  • the substrate 8 is electrically conductive.
  • an n-electrode 15 can be arranged on a side of the substrate 8 facing away from the layer sequence.
  • a p-electrode 17 is arranged on one of these opposite side of the semiconductor body 18.
  • the semiconductor body 18 is electrically connected.
  • the growth substrate may be detached, wherein the semiconductor body is then formed as a thin-film semiconductor body.
  • FIG. 9 shows a radiation-emitting component 19 that has the radiation-emitting semiconductor body 18.
  • the radiation-emitting semiconductor body 18 may be formed, for example, as shown in FIG.
  • the semiconductor body 18 is arranged on a heat sink 20, which is provided for cooling the semiconductor body 18.
  • An operating time of the device 19 can be advantageously increased.
  • the semiconductor body 18 is embedded in a cladding 25, which may contain, for example, a reaction resin such as epoxy resin or acrylic resin.
  • the envelope 25 preferably fills the reflector 23.
  • the cladding 25 may have a curved surface, preferably on a radiation exit side. Thereby, the effect of a lens can be achieved.
  • the radiation-emitting Component 19 may be arranged downstream of the radiation exit side of an optical element.
  • the radiation-emitting semiconductor body 18 is electrically connected to the electrically conductive heat sink 20, in particular, the semiconductor body 18 is soldered or glued on the back side.
  • the heat sink 20 is further electrically connected to a first terminal strip 26a.
  • the semiconductor body 18 can be electrically connected by means of the two connection strips 26a and 26b.

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Abstract

Beschrieben ist eine Mehrfachquantentopfstruktur (1), die mindestens eine erste Quantentopfstruktur (2a) zur Erzeugung von Strahlung einer ersten Wellenlänge (6) und mindestens eine zweite Quantentopfstruktur (2b) zur Erzeugung von Strahlung einer zweiten Wellenlänge (7) umfasst, die größer ist als die erste Wellenlänge (6), und die zur Emission von Strahlung einer Hauptwellenlänge (14) vorgesehen ist, wobei sich die zweite Wellenlänge (7) derart von der ersten Wellenlänge (6) unterscheidet, dass sich die Hauptwellenlänge (14) bei einer Verschiebung der ersten Wellenlänge (6) und der zweiten Wellenlänge (7) nur um einen vorgegebenen Höchstwert ändert. Ferner sind ein strahlungsemittierender Halbleiterkörper und ein strahlungsemittierendes Bauelement beschrieben.

Description

Beschreibung
Mehrfachquantentopfstruktur, strahlungsemittierender Halbleiterkörper und Strahlungsemittierendes Bauelement
Die Erfindung betrifft eine MehrfachquantentopfStruktur und einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper, der die Mehrfachquantentopfstruktur umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Strahlungsemittierendes Bauelement, das den Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper aufweist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2006 025 964.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Eine in der Offenlegungsschrift US 2004/0090779 Al beschriebene LED kann mittels einer ersten als Quantentopfstruktur ausgebildeten Strahlungserzeugenden Schicht und einer zweiten als Quantentopfstruktur ausgebildeten strahlungserzeugenden Schicht mischfarbige Strahlung erzeugen. Zwischen den beiden Schichten ist eine Tunnelbarriere angeordnet. Unter der Voraussetzung, dass die Wellenlängen der beiden strahlungserzeugenden Schichten festgelegt sind, kann die Chromatizität der mischfarbigen Strahlung dadurch variiert werden, dass eine Dicke der Tunnelbarriere verändert wird.
Aus dem Artikel Liang et al . (Dual wavelength InGaN/GaN multi-quantum well LEDs grown by metalorganic vapor phase epitaxy, Journal of Crystal Growth 272 (2004) 333-339) hervor, dass bei einer LED, die blaues und grünes Licht erzeugende Quantentopfstrukturen aufweist, die spektrale Verteilung der von der LED emittierten Strahlung von der Anzahl und der Anordnung der Quantentopfstrukturen und von der Bestromung der LED abhängt. Beispielsweise führt die zunehmende Bestromung einer LED, die in Wachstumsrichtung drei blaues Licht erzeugende Quantentopfstrukturen und eine grünes Licht erzeugende Quantentopfstruktur aufweist, zu einer Verschiebung des Intensitätsmaximums vom blauen in den grünen Spektralbereich.
Eine unerwünschte Veränderung der Chromatizität kann auftreten, wenn eine wie in zahlreichen Anwendungen beabsichtigte Erhöhung der Strahlungsintensität mittels zunehmender Bestromung erfolgen soll. Denn mit zunehmender Stromstärke ist eine Verschiebung der Wellenlänge hin zu kürzeren Wellenlängen zu bemerken. Dies ist insbesondere bei einer auf einem Nitrid-Halbleitermaterial wie InGaN basierenden LED der Fall.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mehrfachquantentopfstruktur anzugeben, die für einen wellenlängenstabilen Betrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Mehrfachquantentopfstruktur gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper anzugeben, der für einen wellenlängenstabilen Betrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper gemäß Patentanspruch 18 gelöst. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strahlungsemittierendes Bauelement anzugeben, das für einen wellenlängenstabilen Betrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Strahlungsemittierendes Bauelement gemäß Patentanspruch 21 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Mehrfachquantentopfstruktur umfasst mindestens eine erste Quantentopfstruktur zur Erzeugung von Strahlung einer ersten Wellenlänge und mindestens eine zweite Quantentopfstruktur zur Erzeugung von Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die größer ist als die erste Wellenlänge, und ist zur Emission von Strahlung einer Hauptwellenlänge vorgesehen, wobei sich die zweite Wellenlänge derart von der ersten Wellenlänge unterscheidet, dass sich die Hauptwellenlänge bei einer Verschiebung der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge nur um einen vorgegebenen Höchstwert ändert .
Bevorzugt beträgt der Höchstwert etwa 3%. Besonders bevorzugt ist der Höchstwert kleiner als 3%.
Vorliegend ist die Hauptwellenlänge wie folgt zu verstehen: Gemäß der Farblehre wird einem Farbton, den ein Betrachter bei polychromatischer Strahlung wahrnimmt, eine Hauptwellenlänge oder auch dominante Wellenlänge zugeordnet, die einer Wellenlänge der monochromatischen Strahlung entspricht, bei welcher der Betrachter denselben Farbton wahrnehmen würde. Die von der Mehrfachquantentopfstruktur emittierte Strahlung setzt sich vorzugsweise mindestens aus der in der ersten Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung und der in der zweiten QuantentopfStruktur erzeugten Strahlung zusammen. Sind mehr als zwei QuantentopfStrukturen vorgesehen, setzt sich die gesamte emittierte Strahlung aus der in den einzelnen QuantentopfStrukturen erzeugten Strahlung zusammen. Typischerweise weist die Strahlung der Quantentopfstruktur eine höhere Intensität auf, in deren Bereich sich das Hauptrekombinationszentrum befindet .
Das Hauptrekombinationszentrum gibt vorliegend die Zone an, in welcher eine Mehrzahl von Elektronen und Löchern strahlend rekombinieren.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist die erste QuantentopfStruktur n-seitig und die zweite QuantentopfStruktur p-seitig angeordnet. Da sich das Hauptrekombinationszentrum bei zunehmender Bestromung der Mehrfachquantentopfstruktur typischerweise in eine Richtung verschiebt, die zur p-Seite der Mehrfachquantentopfstruktur hinweist, und die zweite QuantentopfStruktur p-seitig angeordnet ist, kann die zweite Quantentopfstruktur dann, das heißt bei stärkerer Bestromung, stärker zur Strahlungserzeugung beitragen als die erste QuantentopfStruktur .
Gemäß einer weiter bevorzugten Variante erfolgt die Verschiebung der ersten und der zweiten Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen. Eine derartige Verschiebung tritt insbesondere bei zunehmender Bestromung der MehrfachquantentopfStruktur auf . Das Ausmaß der Verschiebung ist dabei wellenlängenabhängig, wobei die Verschiebung umso größer ausfällt, je größer die Wellenlänge ist.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, dass die zweite Wellenlänge gegenüber der ersten Wellenlänge derart verstimmt ist, dass die bei zunehmender Bestromung auftretende Verschiebung der ersten und zweiten Wellenlänge, die wiederum zu einer Verschiebung der Hauptwellenlänge führen würde, mittels der stärker zur Strahlungserzeugung beitragenden zweiten Quantentopfstruktur ausgeglichen werden kann. Vorteilhafterweise werden die beiden genannten „Verschiebungs-Effekte" (Wellenlängenverschiebung der QuantentopfStrukturen und Verschiebung des Hauptrekombinationszentrums) erfindungsgemäß derart gekoppelt, dass auch bei zunehmender Bestromung ein wellenlängenstabiler Betrieb eines Strahlungsemittierenden Bauelements, das eine MehrfachquantentopfStruktur wie vorliegend beschrieben aufweist, möglich ist.
Insbesondere kann die erste Wellenlänge anfänglich etwa der Hauptwellenlänge entsprechen, wobei sich das Hauptrekombinationszentrum im Bereich der ersten QuantentopfStruktur befindet. Bei zunehmender Bestromung verschiebt sich zum Einen das HauptrekombinationsZentrum in Richtung der zweiten QuantentopfStruktur, zum Anderen verschiebt sich die zweite Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen. Besonders bevorzugt ist die zweite Wellenlänge gegenüber der ersten Wellenlänge beziehungsweise der Hauptwellenlänge derart verstimmt, dass sich mittels der Wellenlängenverschiebung die zweite Wellenlänge dem anfänglichen Wert der ersten Wellenlänge beziehungsweise der Hauptwellenlänge annähert, wenn sich das Hauptrekombinationszentrum im Bereich der zweiten Quantentopfstruktur befindet. Die verschobene zweite Wellenlänge kann dann etwa der Hauptwellenlänge entsprechen.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann sich die zweite Wellenlänge um einen Betrag im einstelligen Nanometerbereich, vorzugsweise um etwa 5nm, von der ersten Wellenlänge unterscheiden. Dies gilt insbesondere für eine Hauptwellenlänge von 520nm bis 540nm. Bei einer größeren Hauptwellenlänge ist der Unterschied zwischen der ersten und zweiten Wellenlänge vorzugsweise größer.
Beispielsweise kann die Mehrfachquantenstruktur vier Quantentopfstrukturen aufweisen, wobei die ersten drei QuantentopfStrukturen eine Bandlücke entsprechend der ersten Wellenlänge aufweisen und die vierte Quantentopfstruktur eine Bandlücke entsprechend der zweiten Wellenlänge, die sich um etwa 5nm von der ersten Wellenlänge unterscheidet, aufweist. Im Betrieb müssen nicht alle vier Quantentopfstrukturen zur Strahlungserzeugung beitragen. Sind die ersten drei Quantentopfstrukturen n-seitig angeordnet, so verschiebt sich das Hauptrekombinationszentrum bei zunehmender Bestromung von der ersten Quantentopfstruktur in Richtung der vierten Quantentopfstruktur . Die Hauptwellenlänge kann dabei im Wesentlichen unverändert bleiben.
Die von der Mehrfachquantentopfstruktur emittierte Strahlung ist nicht auf eine bestimmte Hauptwellenlänge festgelegt. Allerdings liegt die Hauptwellenlänge vorzugsweise im kurzwelligen Spektralbereich, beispielsweise im grünen Spektralbereich, wobei die Hauptwellenlänge Werte im Bereich zwischen 510nm und 560nm annehmen kann. Eine derartige Mehrfachquantentopfstruktur, die zur Emission von kurzwelliger Strahlung geeignet ist, kann insbesondere ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Mehrfachquantentopfstruktur jeweils eine zur ersten und zur zweiten Quantentopfstruktur gehörende Schichtenfolge auf, wobei zwischen den Schichtenfolgen eine Barriereschicht angeordnet ist. Die Ladungsträger können durch die Barriereschicht von der ersten Quantentopfstruktur zur zweiten Quantentopfstruktur gelangen und umgekehrt. Beispielsweise können Elektronen von der Seite der Mehrfachquantentopfstruktur, auf der die erste Quantentopfstruktur angeordnet ist, in das
Hauptrekombinationszentrum eingeprägt werden, während Löcher von der Seite der zweiten Quantentopfstruktur dorthin gelangen.
Die Ladungsträger können durch die Barriereschicht diffundieren oder tunneln.
Die Dicke der Barriereschicht ist vorzugsweise an die Verschiebung des Hauptrekombinationszentrums angepasst. Dieses ist umso leichter verschiebbar, je dünner die Barriereschicht ist.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführung nimmt die Dicke der Barriereschicht Werte im einstelligen bis zweistelligen Nanometerbereich an. Insbesondere beträgt die Dicke zwischen 4nm und 25nm. Mittels Beimischung eines geeigneten Materials kann eine effektive Absenkung der Bandkante und somit ein besserer Ladungsträgertransport über die Barriereschicht hinweg erreicht werden, wodurch die Barriereschicht um wenige Nanometer dicker ausgebildet sein kann. Ein für die Absenkung der Bandkante geeignetes Material ist beispielsweise In.
Die Barriereschicht ist in bevorzugter Weise n-dotiert. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen vergleichsweise guten Ladungsträgertransport beziehungsweise führt zu einer Verringerung der VorwärtsSpannung im fertigen Bauelement. Alternativ kann die Barriereschicht jedoch auch undotiert sein. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Barriereschicht bereits im undotierten Zustand einen hinreichend guten Ladungsträgertransport ermöglicht. Die Dotierung kann Werte zwischen 0 und 1018/cm3 annehmen.
Besonders bevorzugt ist die Barriereschicht Si-dotiert. Typischerweise liegt die Si-Dotierung zwischen 1017/cm3 und 1018/cm3. Gemäß der Erfindung wird eine Si-Dotierung bevorzugt, die kleiner ist als etwa 3-4*1017/cm3. Vorteilhafterweise kann mittels einer geringeren Dotierung eine Ausdehnung des HauptrekombinationsZentrum vergrößert werden, wodurch mehrere QuantentopfStrukturen zur strahlenden Rekombination beitragen.
Weiterhin kann die Barriereschicht ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthalten.
Unter einem „auf Nitrid basierenden Halbleitermaterial" ist im vorliegenden Zusammenhang ein Nitrid- III/V- Verbindungshalbleitermaterial zu verstehen, das vorzugsweise aus AlnGamIn1-n-mN besteht, wobei 0 < n < 1, O ≤ m ≤ l und n+m
< 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni- n-raN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentliehen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Vorzugsweise enthält die Barriereschicht GaN, InGaN oder AlInGaN.
Die zur ersten und zweiten Quantentopfstruktur zählenden Schichtenfolgen enthalten vorzugsweise InxGa(i-X)N, wobei 0≤x<l ist. Eine derartige Mehrfachquantentopfstruktur ist zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung im grünen bis ultravioletten Spektralbereich geeignet. Da es möglich ist, die kurzwellige Strahlung beispielsweise mittels eines Konvertermaterials in langwellige Strahlung umzuwandeln, kann die Mehrfachquantentopfstruktur vorteilhafterweise auch als aktive Schicht zur Erzeugung langwelliger Strahlung dienen.
Die erste und die zweite Schichtenfolge weisen jeweils eine TopfSchicht auf, deren Dicke vorzugsweise zwischen Iran und 5nm beträgt. Mittels der Dicke der Topfschicht ist die Tiefe des Quantentopfs einstellbar. Es gilt der Zusammenhang, dass die Strahlung umso langwelliger ist, je dicker die Topfschicht ist. Es ist denkbar, dass die verschiedenen Topfschichten unterschiedliche Dicken aufweisen.
Die Mehrfachquantentopfstruktur gemäß der Erfindung ist für eine Bestromung im einstelligen bis zweistelligen Milliampere-Bereich, vorzugsweise zwischen mehr als OmA und 15mA besonders geeignet. Die Stromdichte beträgt vorzugsweise zwischen mehr als OmA/mm2 und etwa 160 mA/mm2. Vorteilhafterweise steigt in diesem Bereich die Strahlungsintensität proportional zur Stromstärke an, ohne dass eine Verschiebung der Hauptwellenlänge auftritt.
Vorzugsweise ist die Mehrfachquantentopfstruktur epitaktisch hergestellt. Prozessparameter wie Temperatur und Gaskonzentration, welche die Epitaxie bestimmen, können ausschlaggebend sein für die Eigenschaften der Mehrfachquantentopfstruktur. Beispielsweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, um in der zweiten Quantentopfstruktur eine kleinere Bandlücke zu erzielen. Einerseits kann die Prozesstemperatur abgesenkt werden, wodurch In besser eingebaut wird, was zu einer kleineren Bandlücke führt. Andererseits kann die In-Konzentration im Prozessgas erhöht werden, was wiederum zu einem besseren Einbau von In und einer kleineren Bandlücke führt. Auch eine Kombination der beiden Prozessparametervariationen ist möglich. Die Tiefe des Quantentopfs kann mittels des InAnteils eingestellt werden, wobei die Strahlung umso langwelliger ist, je höher der In-Anteil ist.
Die Bezeichnung QuantentopfStruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ( "confinement" ) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Ein erfindungsgemäßer strahlungsemittierender Halbleiterkörper umfasst eine wie oben beschriebene Mehrfachquantentopfstruktur. Diese dient vorzugsweise als aktive Schicht des Strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers. Die Schichten beziehungsweise Schichtenfolgen, welche die Mehrfachquantentopfstruktur bilden, können auf einem Substrat angeordnet sein. Insbesondere weist die erste Schichtenfolge auf einer dem Substrat zugewandten Seite eine n-leitende Schicht auf, während die zweite Schichtenfolge auf einer dem Substrat abgewandten Seite eine p-leitende Schicht aufweist. Es versteht sich, dass der Halbleiterkörper weitere Schichten, beispielsweise Mantelschichten, umfassen kann. Ferner ist eine Reflexionsschicht denkbar, die zur Reflexion der von der Mehrfachquantentopfstruktur emittierten Strahlung in Richtung einer Auskoppelseite geeignet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper als Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ausgebildet.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus : an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert; die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf. Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert 'scher Oberflächenstrahler .
Typischerweise ist bei einem Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip das Aufwachssubstrat abgelöst. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtdioden, die mittels des Aufwachssubstrats elektrisch angeschlossen werden oder die erzeugte Strahlung durch das Aufwachssubstrat hindurch auskoppeln, weder eine besondere elektrische Leitfähigkeit noch eine besondere Strahlungsdurchlässigkeit aufweisen muss.
Ein erfindungsgemäßes Strahlungsemittierendes Bauelement weist einen wie oben beschriebenen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf. Ein derartiges Bauelement ist für einen wellenlängenstabilen Betrieb, insbesondere bei Erhöhung der Stromstärke und einer damit verbundenen Erhöhung der Strahlungsintensität, geeignet.
Gemäß einer Variante ist der Strahlungsemittierende Halbleiterkörper innerhalb eines Gehäusekörpers angeordnet. Ferner kann der Halbleiterkörper in eine Umhüllung eingebettet sein. Mittels eines geeigneten
Umhüllungsmaterials können beispielsweise Strahlungsverluste reduziert werden, die aufgrund von Totalreflexionen an Brechungsindexgrenzen auftreten können. Gemäß einer weiteren Variante ist dem Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf einer Auskoppelseite ein optisches Element nachgeordnet. Insbesondere ist das optische Element zur Strahlungsformung geeignet und kann beispielsweise als Linse ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Strahlungsemittierende Bauelement dimmbar. Dies bedeutet, dass vorteilhafterweise mittels der Stromstärke die Strahlungsintensität des Strahlungsemittierenden Bauelements geregelt werden kann.
Weitere bevorzugte Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Vorteile einer MehrfachquantentopfStruktur sowie eines
Strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers oder Bauelements gemäß der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 9 näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen
Figur 1 ein Schaubild darstellend die Hauptwellenlänge einer herkömmlichen blauen Leuchtdiode in Abhängigkeit von der Stromstärke,
Figur 2 ein Schaubild darstellend die Hauptwellenlänge einer herkömmlichen grünen Leuchtdiode in Abhängigkeit von der Stromstärke,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Modells einer Mehrfachquantentopfstruktur, Figur 4 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer Mehrfachquantentopfstruktur gemäß der Erfindung,
Figur 5 ein Schaubild darstellend die spektrale Verteilung einer Mehrfachquantentopfstruktur,
Figur 6 ein Schaubild darstellend die Hauptwellenlänge verschiedener strahlungsemittierender Halbleiterkörper in Abhängigkeit von der Stromstärke,
Figur 7 ein Schaubild darstellend die Strahlungsintensität verschiedener strahlungsemittierender Halbleiterkörper in Abhängigkeit von der Stromstärke,
Figur 8 ein schematischer Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers gemäß der Erfindung,
Figur 9 ein schematischer Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Strahlungsemittierenden Bauelements gemäß der Erfindung.
Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt kann insbesondere bei einer Leuchtdiode, die ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthält, bei zunehmender Bestromung eine Verschiebung der Wellenlänge in Richtung kürzerer Wellenlängen auftreten.
Aus Figur 1 geht hervor, dass sich die Hauptwellenlänge einer herkömmlichen Leuchtdiode, die im blauen Spektralbereich leuchtet, von etwa 473.5nm nach etwa 468.25nm verschiebt, wenn die Stromstärke von >0mA auf 10OmA erhöht wird. Die in Figur 2 dargestellte Kurve zeigt ebenso wie die in Figur 1 dargestellte Kurve, dass sich die Hauptwellenlänge ändert, wenn die Stromstärke von >0mA auf 100 mA erhöht wird. Die Messung wurde an einer herkömmlichen Leuchtdiode, die im grünen Bereich leuchtet, durchgeführt. Bei einer Erhöhung von >0 auf 100 mA verschiebt sich die Wellenlänge von etwa 545nm nach etwa 512.5nm.
Die in Figur 3 modellhaft dargestellte MehrfachquantentopfStruktur 1 umfasst eine erste Quantentopfstruktur 2a und eine zweite Quantentopfstruktur 2b. Vorzugsweise basieren sowohl die Quantentopfstruktur 2a als auch die Quantentopfstruktur 2b auf InGaN/GaN.
In die erste QuantentopfStruktur 2a werden Elektronen 4 eingeprägt, die eine Barriereschicht 3 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durchqueren können. Geschieht dies, so besteht die Möglichkeit einer strahlenden Rekombination mit in die zweite Quantentopfstruktur 2b eingeprägten Löchern 5. Ein Abstand der Energieniveaus bestimmt die zweite Wellenlänge der emittierten Strahlung 7.
Wie die Elektronen 4 können auch die Löcher 5 die Barriereschicht 3 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durchqueren. Die Löcher 5, die somit in die erste Quantentopfstruktur 2a gelangen, können mit den dort vorhandenen Elektronen 4 strahlend rekombinieren. Die so erzeugte Strahlung 6 weist eine erste Wellenlänge entsprechend dem Abstand der relevanten Energieniveaus auf . Da der Energieabstand in der ersten Quantentopfstruktur 2a größer ist als in der zweiten Quantentopfstruktur 2b, ist die erste Wellenlänge kürzer als die zweite Wellenlänge.
Ein strahlungsemittierender Halbleiterkörper, der als aktive Schicht die Mehrfachquantentopfstruktur 1 aufweist, emittiert mischfarbige Strahlung 14, die sich aus der von der ersten Quantentopfstruktur 2a emittierten Strahlung 6 und der von der zweiten Quantentopfstruktur 2b emittierten Strahlung 7 zusammensetzt. Typischerweise kann der Strahlung 14 eine Hauptwellenlänge zugewiesen werden.
In Figur 4 ist ein möglicher Aufbau einer MehrfachquantentopfStruktur 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Auf einem Substrat 8, das vorzugsweise eines der Materialien Saphir, SiC, GaN oder GaAs enthält, ist eine n- leitende Schicht 9 angeordnet. Mittels der n-leitenden Schicht 9 können Elektronen in die
MehrfachquantentopfStruktur 1 eingeprägt werden. Eine erste Schicht 10, die Teil einer ersten Schichtenfolge 200a ist, ist auf einer dem Substrat 8 abgewandten Seite der n- leitenden Schicht 9 angeordnet. Der ersten Schicht 10 ist eine zur ersten Quantentopfstruktur 2a und zur ersten Schichtenfolge 200a zählende TopfSchicht 11 nachgeordnet, die vorzugsweise eine Dicke zwischen lnm und 5nm aufweist. Die erste Quantentopfstruktur 2a ist mittels der Schicht 10, der Topfschicht 11 und der Barriereschicht 3 gebildet. Der Barriereschicht 3 sind auf der dem Substrat 8 abgewandten Seite eine Topfschicht 12 und eine Schicht 13, die eine zweite Schichtenfolge 200b bilden, nachgeordnet. Die Schichtenfolge 200b und die Barriereschicht 3 bilden zusammen die zweite Quantentopfstruktur 2b. Der Schichtenfolge 200b ist eine p- leitende Schicht 16 nachgeordnet, die dafür vorgesehen ist, Löcher in die Mehrfachquantentopfstruktur 1 einzuprägen. Die Schichten 10 und 13 sind als Abstands (Spacer) -Schichten gedacht, die vorzugsweise eine Dicke zwischen 2nm und 20nm aufweisen.
Die Schichten 10, 11, 3, 12 und 13 enthalten vorzugsweise ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial, insbesondere InxGa11-X)N, wobei 0≤x<l ist .
Um eine Mehrfachquantentopfstruktur 1 zu erhalten, die mehr als zwei Quantentopfstrukturen umfasst, können zwischen der Barriereschicht 3 und der Topfschicht 12 weitere Topfschichten 11' und H'' sowie weitere Barriereschichten 3' und 3'' angeordnet sein. Welches Material die Schichten 11' und H'' oder die Barriereschichten 3' und 3'' enthalten, hängt beispielsweise davon ab, welche Wellenlänge die in den QuantentopfStrukturen erzeugte Strahlung aufweisen soll.
Die Schichten 9, 10, 11, 12, 3, 13 und 16 sind insbesondere mittels Epitaxie hergestellt, wobei das Substrat 8 das Aufwachssubstrat bildet.
In Figur 5 ist die spektrale Verteilung einer Mehrfachquantentopfstruktur dargestellt, die fünf QuantentopfStrukturen umfasst, wobei ausgehend von einer n- leitenden Seite der Mehrfachquantentopfstruktur vier QuantentopfStrukturen aufeinander folgen, die eine Bandlücke aufweisen, welche einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich, beispielsweise von etwa 500nm, entspricht. Eine p-seitig angeordnete fünfte QuantentopfStruktur weist eine Bandlücke auf, die einer Wellenlänge im blauen Spektralbereich, beispielsweise von etwa 450nm, entspricht. Von Kurve I bis Kurve VIII nimmt die Stromstärke beständig zu (Kurve I: 0.1mA; Kurve II: 0.2mA; Kurve III: 1.OmA; Kurve IV: 2.OmA; Kurve V: 3.OmA; Kurve VI: 5.OmA; Kurve VII: 10. OmA; Kurve VIII: 20.OmA). Die Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt .
Während auf der Abszisse die Wellenlänge λ [nm] der von der vierten und fünften Quantentopfstruktur emittierten Strahlung aufgetragen ist, gibt die Ordinate die Intensität Iv (ohne Einheit) der emittierten Strahlung an. Ein Intentsitätsmaximum existiert für die fünfte Quantentopfstruktur bei etwa 450nm und für die die vierte Quantentopfstruktur bei etwa 500nm.
Die entscheidende Information, die aus Figur 5 gewonnen werden kann, ist, dass die Intensität Iv der von der 5. Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung bei zunehmender Bestromung stärker ansteigt als die Intensität der von der 4. Quantentopfstruktur erzeugten Strahlung. Dies kann dadurch begründet werden, dass sich das Hauptrekombinationszentrum bei zunehmender Bestromung in Richtung der 5. Quantentopfstruktur verschiebt.
In Figur 6 sind Messkurven dargestellt, die an vier verschiedenen MehrfachquantentopfStrukturen durchgeführt wurden, die jeweils vier QuantentopfStrukturen umfassen.
Die Mehrfachquantentopfstruktur, die die Messkurve IV liefert, weist Si-dotierte Barriereschichten auf. Die Schichtenfolgen der einzelnen Quantentopfstrukturen unterscheiden sich hinsichtlich der Bandlücke nicht wesentlich voneinander. Die Messkurve dient somit als Referenzkurve für die Kurven I, II und III, die mittels Mehrfachquantentopfstrukturen ermittelt wurden, deren vierte Quantentopfstruktur eine von den ersten drei QuantentopfStrukturen verschiedene Bandlücke aufweist.
Die Referenzkurve IV zeigt bei zunehmender Bestromung eine Verschiebung der Hauptwellenlänge λdoπi in Richtung kürzerer Wellenlängen. Auch die Kurven I und III zeigen dieses Verhalten. Lediglich die Kurve II zeigt zumindest bis zu einer Stromstärke von etwa 1OmA ein wellenlängenstabiles Verhalten der Mehrfachquantentopfstruktur .
Bei Kurve I unterscheidet sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen QuantentopfStrukturen, dass die Differenz einer etwa lOnm kürzeren Wellenlänge entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schichtenfolge der vierten QuantentopfStruktur bei einer höheren Prozesstemperatur gewachsen wird als die Schichtenfolgen der weiteren QuantentopfStrukturen. Insbesondere ist die Prozesstemperatur 7K höher. Vorzugsweise sind alle Barriereschichten Si- dotiert .
Bei Kurve III unterscheidet sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen QuantentopfStrukturen, dass die Differenz einer etwa lOnm längeren Wellenlänge entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schichtenfolge der vierten Quantentopfstruktur bei einer geringeren Prozesstemperatur gewachsen wird als die übrigen Schichtenfolgen. Insbesondere wird die Prozesstemperatur um 7K abgesenkt. Vorzugsweise sind alle Barriereschichten Si-dotiert. Bei Kurve II unterscheidet sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen QuantentopfStrukturen, dass die Differenz einer' etwa 5nm längeren Wellenlänge entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Schichtenfolge der vierten Quantentopfstruktur bei einer geringeren Prozesstemperatur gewachsen wird als die übrigen Schichtenfolgen. Insbesondere wird die Prozesstemperatur um 3K abgesenkt. Ferner wird die in Wachstumsrichtung vor der Schichtenfolge der vierten QuantentopfStruktur angeordnete Barriereschicht nicht dotiert.
Als Ergebnis kann somit festgehalten werden, dass mittels einer geringfügigen Wellenlängenverstimmung der vierten Quantentopfstruktur gegenüber den ersten drei QuantentopfStrukturen ein wellenlängenstabiler Betrieb möglich ist.
In Figur 7 ist die Intensität Iv (ohne Einheit) der Strahlung in Abhängigkeit von der Stromstärke I [mA] dargestellt. Die Messungen wurden an den bereits im Zusammenhang mit Figur 6 beschriebenen Mehrfachquantentopfsturkturen durchgeführt.
Wie aus Figur 7 hervorgeht, nähert sich der Verlauf der Kurve II stärker einem linearen Verlauf an als die übrigen Kurven.
Vorteilhafterweise kann also mittels der
Mehrfachquantentopfstruktur, deren vierte Quantentopfstruktur gegenüber den ersten drei QuantentopfStrukturen eine geringfügige Wellenlängenverstimmung aufweist, sowohl ein wellenlängenstabiler Betrieb als auch eine annähernd lineare Zunahme der Strahlungsintensität bei gleichmäßiger Erhöhung der Stromstärke erzielt werden. Der in Figur 8 dargestellte Strahlungsemittierende Halbleiterkörper 18 weist als aktive Schicht die Mehrfachquantentopfstruktur 1 auf. Die
Mehrfachquantentopfstruktur 1 umfasst mindestens die erste Quantentopfstruktur 2a und die zweite Quantentopfstruktur 2b. Vorzugsweise umfasst der Halbleiterkörper 18 eine Mehrfachquantentopfstruktur 1, die bei zunehmender Bestromung einen wellenlängenstabilen Betrieb bei gleichzeitiger Steigerung der Strahlungsintensität ermöglicht. Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, dass die Mehrfachquantentopfstruktur 1 entsprechend der Mehrfachquantentopfstruktur, die in den Figuren 6 und 7 die Messkurven II liefert, ausgebildet ist. Beispielsweise umfasst die Mehrfachquantentopfstruktur 1 vier QuantentopfStrukturen, wobei sich die Bandlücke der vierten Quantentopfstruktur derart von der Bandlücke der anderen QuantentopfStrukturen unterscheidet, dass die Differenz einer etwa 5nm längeren Wellenlänge entspricht. Die erste Quantentopfstruktur ist dabei n-seitig angeordnet, während die vierte Quantentopfstruktur p-seitig angeordnet ist.
Die Mehrfachquantentopfstruktur 1 ist zwischen einer n- leitenden Schicht 9 und einer p-leitenden Schicht 16 angeordnet. Vorzugsweise sind die Schichten 9, 10, 11, 3, 12, 13, 16 des Halbleiterkörpers 18 epitaktisch auf einem Substrat 8 aufgewachsen. Insbesondere ist das Substrat 8 elektrisch leitend. Somit kann auf einer der Schichtenfolge abgewandten Seite des Substrats 8 eine n-Elektrode 15 angeordnet sein. Auf einer dieser gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers 18 ist eine p-Elektrode 17 angeordnet. Mittels der beiden Elektroden 15 und 17 ist der Halbleiterkörper 18 elektrisch anschließbar. Alternativ kann das Aufwachssubstrat abgelöst sein, wobei der Halbleiterkörper dann als Dünnfilm-Halbleiterkörper ausgebildet ist.
Figur 9 zeigt ein Strahlungsemittierendes Bauelement 19, das den Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper 18 aufweist. Der Strahlungsemittierende Halbleiterkörper 18 kann beispielsweise wie in Figur 8 dargestellt ausgebildet sein.
Der Halbleiterkörper 18 ist auf einer Wärmesenke 20 angeordnet, welche zur Kühlung des Halbleiterkörpers 18 vorgesehen ist. Eine Betriebsdauer des Bauelements 19 kann dadurch vorteilhaft erhöht werden.
Die Wärmesenke 20 kann auf der Seite, auf welcher der Halbleiterkörper 18 angeordnet ist, mittig eingesenkt sein, so dass der Halbleiterkörper 18 in einer Reflektorwanne 21 montiert ist. Seitenwände der Reflektorwanne 21 erhalten mittels eines Gehäusekörpers 22, in welchen die Wärmesenke 20 eingebettet ist, eine Verlängerung. Mittels eines auf diese Weise gebildeten Reflektors 23 kann die Strahlungsintensität in einer Hauptabstrahlrichtung 24 vorteilhaft erhöht werden.
Zum Schutz ist der Halbleiterkörper 18 in eine Umhüllung 25 eingebettet, die beispielsweise ein Reaktionsharz wie Epoxidharz oder Acrylharz enthalten kann. Die Umhüllung 25 füllt vorzugsweise den Reflektor 23 aus. Zur Bündelung der vom Halbleiterkörper 18 erzeugten Strahlung kann die Umhüllung 25, vorzugsweise auf einer Strahlungsaustrittsseite, eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Dadurch kann die Wirkung einer Linse erzielt werden. Alternativ kann dem Strahlungsemittierenden Bauelement 19 auf der Strahlungsaustrittsseite ein optisches Element nachgeordnet sein.
Der strahlungsemittierende Halbleiterkörper 18 ist mit der elektrisch leitenden Wärmesenke 20 elektrisch verbunden, insbesondere ist der Halbleiterkörper 18 rückseitig aufgelötet oder aufgeklebt. Die Wärmesenke 20 ist ferner mit einem ersten Anschlussstreifen 26a elektrisch verbunden. Weiterhin ist der Halbleiterkörper 18, beispielsweise mittels einer Drahtverbindung (nicht dargestellt) , vorderseitig mit einem zweiten Anschlussstreifen 26b elektrisch verbunden. Mittels der beiden Anschlussstreifen 26a und 26b ist der Halbleiterkörper 18 elektrisch anschließbar.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrfachquantentopfstruktur (1), die mindestens'-
- eine erste Quantentopfstruktur (2a) zur Erzeugung von Strahlung einer ersten Wellenlänge (6) und eine zweite QuantentopfStruktur (2b) zur Erzeugung von Strahlung einer zweiten Wellenlänge (7) umfasst, die größer ist als die erste Wellenlänge (6) , und
- zur Emission von Strahlung einer Hauptwellenlänge (14) vorgesehen ist, wobei sich die zweite Wellenlänge (7) derart von der ersten Wellenlänge (6) unterscheidet, dass sich die Hauptwellenlänge (14) bei einer Verschiebung der ersten Wellenlänge (6) und der zweiten Wellenlänge (7) nur um einen vorgegebenen Höchstwert ändert .
2. Mehrfachquantentopfstruktur (1), wobei die erste Quantentopfstruktur (2a) n-seitig und die zweite QuantentopfStruktur p-seitig (2b) angeordnet ist.
3. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verschiebung in Richtung kürzerer Wellenlängen erfolgt.
4. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die zweite Wellenlänge (7) um einen Betrag im einstelligen Nanometerbereich von der ersten Wellenlänge (6) unterscheidet .
5. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptwellenlänge (14) im kurzwelligen Spektralbereich, beispielsweise im grünen Spektralbereich, liegt.
6. MehrfachquantentopfStruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die jeweils eine zur ersten (2a) und zur zweiten (2b) Quantentopfstruktur gehörende Schichtenfolge (200a, 200b) aufweist, wobei zwischen den Schichtenfolgen (200a, 200b) eine Barriereschicht (3) angeordnet ist.
7. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6, wobei eine Dicke der Barriereschicht (3) zwischen 4nm und 25nm beträgt .
8. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Barriereschicht (3) n-dotiert ist.
9. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 8, wobei die Barriereschicht (3) Si-dotiert ist.
10. MehrfachquantentopfStruktur (1) nach Anspruch 9, wobei die Si-Dotierung zwischen 1017/cm3 und 1018/cm3 beträgt.
11. MehrfachquantentopfStruktur (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Barriereschicht (3) ein auf Nitrid basierendes Halbleitermaterial enthält.
12. MehrfachquantentopfStruktur (1) nach Anspruch 11, wobei die Barriereschicht (3) GaN, InGaN oder AlInGaN enthält.
13. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6 oder einem der auf Anspruch 6 rückbezogenen Ansprüche, wobei die Schichtenfolgen (200a, 200b) InxGa(i-x)N enthalten, und 0≤x<l ist.
14. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach Anspruch 6 oder einem der auf Anspruch 6 rückbezogenen Ansprüche, wobei die Schichtenfolgen (200a, 200b) jeweils eine TopfSchicht (11, 12) umfassen, deren Dicke zwischen lnm und 5nm beträgt.
15. Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die im einstelligen bis zweistelligen Milliampere-Bereich, vorzugsweise zwischen etwa ImA und 15mA, bestrombar ist.
16. MehrfachquantentopfStruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit einer Stromdichte zwischen mehr als OmA/mm2 und etwa 160 mA/mm2 bestrombar ist.
17. MehrfachquantentopfStruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die epitaktisch hergestellt ist.
18. Strahlungsemittierender Halbleiterkörper (18), der eine Mehrfachquantentopfstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist.
19. Strahlungsemittierender Halbleiterkörper (18) nach Anspruch 18, wobei die Mehrfachquantentopfstruktur (1) als aktive Schicht dient.
20. Strahlungsemittierender Halbleiterkörper (18) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, der als Dünnfilm-Leuchtioden-Chip ausgebildet ist. .
21. Strahlungsemittierendes Bauelement (19), das einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (18) nach einem der Ansprüche 17 bis 20 aufweist.
22. Strahlungsemittierendes Bauelement (19) nach Anspruch 21, wobei der Strahlungsemittierende Halbleiterkörper (18) innerhalb eines Gehäusekörpers (22) angeordnet ist.
23. Strahlungsemittierendes Bauelement (19) nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei dem Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (18) auf einer Auskoppelseite ein optisches Element nachgeordnet ist.
24. Strahlungsemittierendes Bauelement (19) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, das dimmbar ist.
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