WO2011104274A2

WO2011104274A2 - Optoelektronischer halbleiterchip

Info

Publication number: WO2011104274A2
Application number: PCT/EP2011/052681
Authority: WO
Inventors: Christoph Eichler; Teresa Lermer; Adrian Stefan Avramescu
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2011-09-01
Also published as: JP5795010B2; US8916849B2; CN102771023B; JP2013520823A; EP2539980A2; DE102010009457A1; KR20130036212A; EP2539980B1; CN102771023A; EP2539980B9; US20130039376A1; WO2011104274A3

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips (1) umfasst dieser einen Träger (2) und eine auf dem Träger (2) aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge (3). Die Halbleiterschichtenfolge (3) basiert auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial und beinhaltet wenigstens eine aktive Zone (4) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung sowie wenigstens eine Wellenleiterschicht (5), die mittelbar oder unmittelbar an die aktive Zone (4) grenzt, wobei ein Wellenleiter (45) gebildet ist. Außerdem umfasst die Halbleiterschichtenfolge (3) eine an die Wellenleiterschicht (4) grenzende p-Mantelschicht (6p) an einer p-dotierten Seite oder/und eine n-Mantelschicht (6n) an einer n-dotierten Seite der aktiven Zone (4). Die Wellenleiterschicht (5) grenzt mittelbar oder unmittelbar an die Mantelschicht (6n, 6p). Ein effektiver Brechungsindex (n_eff) einer im Wellenleiter geführten Mode (M) ist hierbei größer als ein Brechungsindex des Trägers (2).

Description

Beschreibung

Optoelektronischer Halbleiterchip Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen

optoelektronischen Halbleiterchip anzugeben, bei dem ein Träger einer Halbleiterschichtenfolge nicht als parasitärer Wellenleiter wirkt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst dieser einen Träger und eine auf dem Träger angebrachte Halbleiterschichtenfolge. Bei dem Träger kann es sich insbesondere um ein Aufwachssubstrat handeln, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch aufgewachsen ist .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Dies bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest eine aktive Zone und/oder ein Aufwachssubstrat wie der Träger ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise

Al_nGa_mI ni-_n__mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 -S n < 1, 0 -S m < 1 und n + m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile

aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, also AI, Ga, I n und N, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine aktive Zone, die zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist. Die aktive Zone umfasst bevorzugt mindestens einen pn- Übergang oder zwischen einschließlich ein und zehn

Quantenfilme, besonders bevorzugt zwischen einschließlich ein und fünf Quantenfilme oder zwischen einschließlich ein und drei Quantenfilme. Die Bezeichnung Quantenfilm umfasst insbesondere Quantentopfstrukturen unabhängig von der

Dimensionalität der Quantisierung. Bevorzugt beinhalten die Quantenfilme InGaN. Eine Wellenlänge der im Betrieb erzeugten Strahlung liegt insbesondere im ultravioletten oder im sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise zwischen

einschließlich 340 nm und 600 nm, insbesondere zwischen einschließlich 390 nm und 540 nm. Die in der aktiven Zone erzeugte elektromagnetische Strahlung ist bevorzugt eine kohärente Strahlung, also eine Laserstrahlung. Mit anderen

Worten kann der Halbleiterchip ein Laserdiodenchip sein. Die aktive Zone ist also ein Bereich, in dem eine optische

Verstärkung auftritt. Ein Imaginärteil des Brechungsindexes der aktiven Zone kann kleiner als null sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips liegt ein mittlerer Indiumgehalt der aktiven Zone zwischen einschließlich 0,5 % und 15 %. Hierbei werden insbesondere alle Indium-haltigen Schichten von bis zu 300 nm symmetrisch um einen zentral gelegenen, Licht erzeugenden Bereich der aktiven Zone berücksichtigt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips befinden sich zumindest zwischen zwei der benachbarten

Quantenfilme, insbesondere zwischen allen benachbarten

Quantenfilmen, Barriereschichten, bevorzugt basierend auf InGaN. Diese Barriereschichten weisen insbesondere einen Indiumgehalt zwischen einschließlich 0,01 % und 20 %, bevorzugt zwischen einschließlich 0,01 % und 10 % auf.

Schichtdicken der Barriereschichten zwischen den

Quantenfilmen der aktiven Zone 4 liegen insbesondere zwischen einschließlich 0,1 nm und 30 nm, bevorzugt zwischen

einschließlich 0,1 nm und 15 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 nm und 10 nm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst die Halbleiterschichtenfolge

wenigstens eine Wellenleiterschicht. Bevorzugt beinhaltet die Halbleiterschichtenfolge zwei Wellenleiterschichten, zwischen denen sich die aktive Zone befindet. Die

Wellenleiterschichten sind insbesondere solche Schichten, die mittelbar oder unmittelbar an die aktive Zone grenzen und die einen Brechungsindex aufweisen, der größer oder gleich dem Brechungsindex des Trägers ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips wird durch die mindestens eine Wellenleiterschicht und durch die aktive Zone ein Wellenleiter gebildet, in dem eine optische Mode geführt wird. Der Wellenleiter kann ein

zweidimensionaler oder ein eindimensionaler Wellenleiter sein. Im Falle eines zweidimensionalen Wellenleiters wird die in der aktiven Zone erzeugte Strahlung in einer Ebene

geführt, im Falle eines eindimensionalen Wellenleiters entlang einer Linie. Bei der geführten Mode handelt es sich bevorzugt um eine Grundmode, zum Beispiel um die so genannte EMoo- Bevorzugt ist der Wellenleiter derart gestaltet, dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiterchips in dem Wellenleiter ausschließlich die Grundmode geführt wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips grenzt an die Wellenleiterschicht oder grenzen an zwei der Wellenleiterschichten Mantelschichten. Die Mantelschichten befinden sich jeweils an einer der aktiven Zone abgewandten Seite der Wellenleiterschicht oder der Wellenleiterschichten. Die Mantelschicht kann p-dotiert oder n-dotiert sein.

Mantelschichten sind insbesondere solche Schichten, die mittelbar oder unmittelbar an die Wellenleiterschichten grenzen, wobei ein Brechungsindex der Mantelschichten kleiner ist als ein Brechungsindex des Trägers und somit auch kleiner als ein Brechungsindex der Wellenleiterschichten.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips beginnen die Mantelschichten in der Halbleiterschichtenfolge, gesehen in einer Richtung weg von einer geometrischen Mitte der aktiven Zone, dort, wo ein Aluminiumgehalt erstmals größer als Null oder größer als 0,01 % oder größer als 0,1 % oder größer als 1 % ist. Sind innerhalb des Wellenleiters Barriereschichten untergebracht, so zählen diese

Barriereschichten, die typisch eine Dicke von höchstens 50 nm aufweisen, bei der Bestimmung des Beginns der Mantelschichten bevorzugt nicht mit. Zum Beispiel ist ein Beginn der

Mantelschichten, in Richtung weg von der Mitte der aktiven Zone, ein Teilbereich der Halbleiterschichtenfolge mit einer Dicke von mindestens 100 nm und einem durchgehenden, nicht verschwindenden Aluminiumgehalt. Die Mantelschicht kann auch bei einem Übergitter, englisch Superlattice, beginnen, das beispielsweise durch abwechselnde Schichten mit AlGaN/GaN oder AlGaN/AlGaN oder AlInGaN/GaN gebildet ist, wobei Einzelschichten des Übergitters eine Dicke von bevorzugt höchstens 20 nm oder höchstens 10 nm oder höchstens 5 nm aufweisen und das Übergitter insbesondere eine Dicke von mindestens 100 nm oder mindestens 200 nm aufweist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips ist ein effektiver Brechungsindex der im Wellenleiter geführten Mode größer als ein Brechungsindex des Trägers. Insbesondere beträgt der effektive Brechungsindex höchstens ein 1,05- faches des Brechungsindexes des Trägers.

Der effektive Brechungsindex ist hierbei eine Zahl, die eine Phasenverzögerung pro Längeneinheit in dem Wellenleiter quantifiziert, relativ zu einer Phasenverzögerung im Vakuum. Im Englischen wird die Phasenverzögerung auch als phase delay bezeichnet. Der effektive Brechungsindex ist abhängig von der geführten Mode. So ist im Regelfall ein effektiver

Brechungsindex der Grundmode von einem effektiven

Brechungsindex einer höheren Mode verschieden, auch bei gleicher Wellenlänge. Weiterhin ist der effektive

Brechungsindex von einer Ausbreitungskonstante ß, englisch propagation constant, abhängig. Die Ausbreitungskonstante ist über den folgenden Zusammenhang gegeben: E (x, y, z, t) = E₀ (x, y) ei( ^{z ~ wt}) .

E ist hierbei die elektrische Feldstärke, z ist eine

Propagationsrichtung oder Führungsrichtung in dem

Wellenleiter, ω ist die Frequenz der Strahlung und t ist die Zeit. Die Ausbreitungskonstante ist ebenfalls abhängig von der geführten Mode und ist somit etwa für die Grundmode und für höhere Moden verschieden. Die Ausbreitungskonstante ist durch Programme zur Optiksimulation bestimmbar oder kann auch zum Beispiel interferometrisch experimentell ermittelt werden. Durch die Ausbreitungskonstante wird also eine

Phasenänderung für Licht, das sich in einem Medium und insbesondere in einem Wellenleiter ausbreitet, bezogen auf eine Längeneinheit angegeben.

Für den effektiven Brechungsindex n_eff des Wellenleiters gilt dann der Zusammenhang:

n_eff =

2π

Für den effektiven Brechungsindex n_eff einer geführten Mode in einem Wellenleiter gilt bevorzugt, dass der effektive

Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex oder der mittlere Brechungsindex des Wellenleiters und dass der effektive Brechungsindex größer oder gleich dem

Brechungsindex oder mittlerem Brechungsindex der

Mantelschicht ist. Mit anderen Worten liegt der effektive Brechungsindex für eine geführte Mode zwischen dem

Brechungsindex der Mantelschicht und dem Brechungsindex oder dem mittleren Brechungsindex des Wellenleiters. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird die Mode im Regelfall nicht geführt beziehungsweise es treten bei der Führung der Mode optische Verluste auf.

In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips umfasst dieser einen Träger und eine auf dem Träger angebrachte, insbesondere aufgewachsene

Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial und beinhaltet wenigstens eine aktive Zone zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung sowie wenigstens eine Wellenleiterschicht, die mittelbar oder unmittelbar an die aktive Zone grenzt, wobei ein Wellenleiter gebildet ist.

Außerdem umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine an die Wellenleiterschicht grenzende p-Mantelschicht an einer p- dotierten Seite oder/und eine n-Mantelschicht an einer n- dotierten Seite der aktiven Zone. Die Wellenleiterschicht grenzt mittelbar oder unmittelbar an die Mantelschicht. Ein effektiver Brechungsindex einer im Wellenleiter geführten Mode ist hierbei größer als ein Brechungsindex des Trägers.

Dem angegebenen Halbleiterchip liegt also insbesondere die Erkenntnis zugrunde, eine Kombination von Schichten mit niedrigem Brechungsindex und mit hohem Brechungsindex auf dem Träger, insbesondere einem Aufwachssubstrat , in genau der Art aufzubringen, dass ein Wellenleiter gebildet wird, in dem eine Mode geführt wird, wobei ein effektiver Brechungsindex für die geführte Mode größer ist als der Brechungsindex des Trägers. Bei dem beschriebenen Halbleiterchip ist es nicht notwendig, dass ein evaneszentes Feld, das bei einer

Totalreflexion an der Grenzfläche insbesondere zwischen

Wellenleiter und Mantelschicht auftritt und in die

Mantelschicht reicht, an einem Eindringen in den insbesondere transparenten Träger gehindert wird. Das evaneszente Feld kann also in den Träger eindringen. Zum Beispiel weist das evaneszente Feld in dem Träger stellenweise eine

vergleichsweise hohe Amplitude von mindestens 1/e-^ oder von mindestens 5 % oder von mindestens 2,5 % auf, bezogen auf eine Ausgangsamplitude des Feldes an einer Grenzfläche, an der die Totalreflexion stattfindet. Bei herkömmlichen

Laserchips wird dieses Eindringen des evaneszenten Feldes in den Träger im Regelfall unterbunden, insbesondere durch besonders dicke Mantelschichten. Da gemäß dem angegebenen Halbleiterchip der Brechungsindex des Trägers kleiner ist als der effektive Brechungsindex der geführten Mode kann sich in dem Träger jedoch keine parasitäre Mode ausbilden, obwohl das evaneszente Feld in den Träger eindringen kann. Eine parasitäre Mode in dem Träger äußert sich insbesondere als zusätzliche Bande in einem optischen Fernfeld, zum

Beispiel bei zirka 20 °. Solche Banden treten insbesondere an der dem Träger zugewandten Seite der aktiven Zone auf. Diese zusätzlichen Banden verschlechtern eine Strahlqualität des bevorzugt als Laser ausgeführten Halbleiterchips. Dies wirkt zum Beispiel bei Anwendungen in der Datenspeicherung als auch bei Anwendungen zur Projektion als störend. Dadurch, dass verhindert wird, dass sich eine Mode in dem Träger etabliert, ist diese Problematik vermeidbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips basiert die n-Mantelschicht auf AlGaN mit einem AI-Anteil zwischen einschließlich 0,1 % und 20 % oder auf AlInN oder AlInGaN . Insbesondere besteht oder basiert die n- Mantelschicht auf Al_xGa_1--xN mit 0, 0001 < x < 0,30, auf

Al_xIn_1--xN mit 0,74 < x < 0,90 oder auf (Al_1--yIn_y) _xGai__xN mit 0,74 < y < 0,90 und 0,01 < x < 0,3.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips ist eine Elektronenbarriereschicht zwischen der p-Mantelschicht und dem Wellenleiter angeordnet und/oder eine

Löcherbarriereschicht zwischen der n-Mantelschicht und dem Wellenleiter. Solche Barriereschichten können auch innerhalb des Wellenleiters angeordnet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips beinhaltet der Wellenleiter zu einer Verbesserung der

Wellenführung zwischen wenigstens zwei der benachbarten Quantenfilme eine auf InGaN basierende Barriereschicht mit einem In-Anteil zwischen einschließlich 0,1 % und 20 % und einer Dicke zwischen einschließlich 0,1 nm und 30 nm. Durch die Barriereschichten zwischen den Quantenfilmen ist es möglich, ein Übergitter zu formen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips weist die Wellenleiterschicht ein Übergitter mit Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex auf, wobei Dicken der Schichten jeweils zwischen einschließlich 0,1 nm und 70 nm oder zwischen einschließlich 1 nm und 50 nm

betragen. Die Schichten basieren zum Beispiel auf GaN oder auf InGaN mit einem In-Anteil von bis zu 25 %. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips weist die Mantelschicht ein Übergitter mit Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex auf, wobei Dicken der Schichten jeweils zwischen einschließlich 0,1 nm und 70 nm betragen. Im Falle einer p-Mantelschicht liegen die Dicken der Schichten bevorzugt zwischen einschließlich 1 nm und 70 nm. Die Schichten basieren zum Beispiel auf GaN oder auf AlGaN mit einem AI-Anteil von bis zu 25 %.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist die Wellenleiterschicht oder wenigstens eine der Wellenleiterschichten und/oder die Mantelschicht oder wenigstens eine der Mantelschichten mit einem gestuften Brechungsindexverlauf gebildet. Mit anderen Worten ist der Brechungsindex innerhalb der entsprechenden Schicht nicht konstant, sondern gezielt variiert. Insbesondere nimmt der

Brechungsindex der entsprechenden Schichten, in eine Richtung weg von der aktiven Zone, monoton ab. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist wenigstens eine der Mantelschichten, bevorzugt die dem Träger nächstgelegene Mantelschicht, in mindestens zwei Teilschichten aufgeteilt. Zwischen

benachbarten Teilschichten befindet sich insbesondere ein

Material, das einen Brechungsindex aufweist, der ungefähr dem Brechungsindex des Trägers entspricht. Bevorzugt ist die Mantelschicht in 2 bis 10 Teilschichten unterteilt, die in eine Richtung weg von der aktiven Zone eine monoton

ansteigende Dicke aufweisen können.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips weist wenigstens eine der Mantelschichten, also die n- Mantelschicht und/oder die p-Mantelschicht, entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge und/oder entlang einer Richtung senkrecht zum Träger, einen

stufenförmigen oder einen rampenförmigen Verlauf des

Aluminiumgehalts auf. Stufenförmig bedeutet, dass der

Aluminiumgehalt innerhalb einer Stufe konstant oder

näherungsweise konstant ist. Rampenförmig bedeutet, dass sich der Aluminiumgehalt linear oder näherungsweise linear entlang der Wachstumsrichtung und/oder in der Richtung senkrecht zum Träger ändert. Zum Beispiel weist die Mantelschicht 2, 3, 4, 5 oder 6 oder bis zu 15 Stufen und/oder Rampen auf. Ein

Unterschied im Aluminiumgehalt von benachbarten Stufen liegt insbesondere zwischen einschließlich 0,01 Prozentpunkte und 20 Prozentpunkte oder zwischen einschließlich 0,5

Prozentpunkte und 10 Prozentpunkte oder zwischen

einschließlich 1 Prozentpunkt und 5 Prozentpunkte.

Besonders bevorzugt gilt hierbei, dass der mittlere

Aluminiumgehalt einer ersten Hälfte der Mantelschicht größer ist als der mittlere Aluminiumgehalt in einer zweiten Hälfte der Mantelschicht. Die erste und die zweite Hälfte weisen die gleiche geometrische Dicke auf. Es können die beiden Hälften eine lediglich fiktive Unterteilung der Mantelschicht in zwei gleich Dicke Teilbereiche darstellen. Die erste Hälfte liegt hierbei näher an dem Wellenleiter mit der aktiven Zone als die zweite Hälfte.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips übersteigt der mittlere Aluminiumgehalt der ersten Hälfte den der zweiten Hälfte um mindestens 0,01 Prozentpunkte oder um mindestens 0,1 Prozentpunkte oder um mindestens 0,5

Prozentpunkte. Bevorzugt beträgt der Unterschied im mittleren Aluminiumgehalt höchstens 15 Prozentpunkte oder höchstens 10 Prozentpunkte oder höchstens 5 Prozentpunkte.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips beträgt der Aluminiumgehalt von einer oder von beiden

Mantelschichten in einem dem Wellenleiter am nächsten

gelegenen Bereich mindestens 0,5 %, bevorzugt mindestens 1 %.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips ist eine oder sind beide Mantelschichten dünn ausgebildet. Dünn kann bedeuten, dass die Dicke der Mantelschicht höchstens 500 nm beträgt. Bevorzugt beträgt die Dicke hierbei

mindestens 200 nm oder mindestens 300 nm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips beträgt der mittlere Aluminiumgehalt einer oder beider

Mantelschichten zwischen einschließlich 0,1 % und 30 % oder zwischen einschließlich 1 % und 12 % oder zwischen

einschließlich 3 % und 8 %. Es ist möglich, dass auch der lokale Aluminiumgehalt innerhalb der gesamten Mantelschicht die genannten Wertebereiche nicht verlässt. Die genannten Werte gelten insbesondere bei dünnen Mantelschichten.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips weist der optische Brechungsindex in mindestens einer oder in beiden Mantelschichten einen stufenförmigen oder

rampenförmigen Verlauf auf. Die zwei gleich dicken, fiktiven Hälften der Mantelschicht weisen verschiedene mittlere, optische Brechungsindices auf. Die dem Wellenleiter nähere erste Hälfte weist einen niedrigeren mittleren Brechungsindex auf als die zweite Hälfte. Der Brechungsindexunterschied zwischen den Hälften liegt bevorzugt zwischen einschließlich 0,0001 und 0,2 oder zwischen einschließlich 0,001 und 0,08 oder zwischen einschließlich 0,001 und 0,03.

Im Falle eines stufenförmigen Verlaufs liegen die

Brechungsindexunterschiede zwischen benachbarten Stufen bevorzugt zwischen einschließlich 0,0001 und 0,2 oder zwischen einschließlich 0,001 und 0,1 oder zwischen

einschließlich 0,002 und 0,03.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips besteht die p-Mantelschicht aus InGaAlN, wobei das InGaAlN dotiert sein kann. Eine Dicke der p-Mantelschicht liegt zwischen einschließlich 100 nm und 5000 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 200 nm und 2000 nm oder zwischen einschließlich 400 nm und 900 nm. Der mittlere

Aluminiumgehalt der p-Mantelschicht liegt zwischen

einschließlich 0,1 % und 20 % oder zwischen einschließlich 3 % und 10 % oder zwischen einschließlich 4 % und 8 %.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterchips liegt eine Gesamtdicke des Wellenleiters, also insbesondere ein Abstand zwischen der p-Mantelschicht und der n- Mantelschicht , zwischen einschließlich 50 nm und 2000 nm oder zwischen einschließlich 200 nm und 1200 nm oder zwischen einschließlich 400 nm und 800 nm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist dieser eine Laserchip mit einer oder mit mehreren separaten oder zusammenhängenden laseraktiven

Bereichen, ein Ridge-Laser, ein Oxidstreifenlaser, ein

Laserbarren oder eine Leuchtdiode.

Die genannten Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden, sofern sich hieraus keine Widersprüche ergeben. Insbesondere ist der optoelektronische

Halbleiterchip gemäß mehreren der genannten

Ausführungsbeispiele ausgebildet .

Nachfolgend wird ein hier beschriebener optoelektronischer Halbleiterchip unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Es zeigen:

Figuren 4 bis 7, 10 bis 14, 16 bis 18, 20, 23 und 24

schematische Darstellungen von

Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterchips, und Figuren 1 bis 3, 8, 9, 15, 19, 21 und 22

schematische Darstellungen von Laserdioden.

Mit Ausnahme von Figuren 17 und 22 ist in den A-Teilen der Figuren jeweils ein Brechungsindexverlauf entlang einer Tiefe t, die parallel zu einer Wachstumsrichtung der

Halbleiterschichtenfolge orientiert ist, in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Ebenfalls ist in den A-Figuren ein Verlauf e eines elektrischen Feldes E entlang der Tiefe t in willkürlichen Einheiten aufgetragen. In den B-Figuren ist eine Intensität I eines optischen Fernfeldes in willkürlichen Einheiten gegenüber einem Abstrahlwinkel , angegeben in Grad, aufgetragen. Die Figuren 17A, 17B und 17C entsprechen in der Darstellung jeweils den A-Teilen der anderen Figuren.

In Figur 1 ist der Aufbau einer herkömmlichen Laserdiode illustriert. Eine Halbleiterschichtenfolge 3 ist auf einem Träger 2 aufgewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge 3 umfasst eine aktive Zone 4 mit Quantenfilmen, in den Figuren

gekennzeichnet durch einen Bereich mit erhöhtem

Brechungsindex. Die aktive Zone 4 befindet sich zwischen zwei Wellenleiterschichten 5n, 5p, die unmittelbar an die aktive Zone 4 grenzen. Die Wellenleiterschicht 5n in Richtung hin zu dem Träger 2, von der aktiven Zone 4 aus gesehen, ist n- dotiert, die andere Mantelschicht 5p ist p-dotiert. Durch die aktive Zone 4 sowie durch die Mantelschichten 5n, 5p ist ein Wellenleiter 45 gebildet, in dem eine optische Mode M geführt ist. Die Mode M wird bei einem Abstrahlwinkel von zirka 0 emittiert, also senkrecht zu einer lateralen

Begrenzungsfläche der Halbleiterschichtenfolge 3.

Von der aktiven Zone 4 weg hin zum Träger 2 schließt sich an die n-Wellenleiterschicht 5n eine n-dotierte n-Mantelschicht 6n an. In eine Richtung weg von dem Träger 2, ausgehend von der aktiven Zone 4, schließt sich an die p-

Wellenleiterschicht 5p eine Elektronenbarriere 9 sowie eine p-dotierte p-Mantelschicht 6p an, gefolgt von einer

Kontaktschicht 8. Die Brechungsindices der Mantelschichten 6n, 6p sind kleiner als ein Brechungsindex des Trägers 2.

Eine Dicke Tn der n-Mantelschicht 6n beträgt zirka 1500 nm. Eine Dicke Tp der p-Mantelschicht 6p beträgt zirka 800 nm. Aufgrund der vergleichsweise geringen Dicke Tn der n-

Mantelschicht 6n ist ein evaneszentes Feld innerhalb der Mantelschicht 6n noch nicht abgeklungen und dringt in den transparenten Träger 2 ein. Da ein effektiver Brechungsindex für die geführte Mode M im Wellenleiter 45 kleiner ist als der Brechungsindex des Trägers 2, kann sich ein elektrisches Feld in dem Träger 2 aufbauen, vergleiche den Anstieg im Verlauf e des elektrischen Feldes E in Figur 1A bei zirka 5000 nm. Dieses elektrische Feld im Träger 2 äußert sich im optischen Fernfeld als eine zusätzliche Bande Sl bei einem Winkel von zirka 20 °. Ebenso kann bei einem Winkel von -20 eine weitere parasitäre Mode S2 auftreten. Durch diese eine oder diese zwei zusätzlichen, parasitären Moden Sl, S2 entstehen Schwierigkeiten bei einer Projektionsanwendung oder Datenspeicherungsanwendung des Laserchips gemäß Figur 1A.

Der effektive Brechungsindex der geführten Mode M ist gleich dem Produkt aus der Ausbreitungskonstanten ß und der

Wellenlänge λ der Strahlung, dividiert durch 2π. Die

Ausbreitungskonstante ß ist abhängig von der Ordnung der geführten Mode, insbesondere also von einer Verteilung des elektrischen Feldes in einer Ebene senkrecht zu einer

Ausbreitungsrichtung der Strahlung, entlang derer der

Wellenleiter das Feld führt. Die Feldverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist wiederum abhängig vom Brechungsindex und von der Dicke der Mantelschichten 6n, 6p sowie vom

Brechungsindex und der Struktur des Wellenleiters 45. Insbesondere ist also bei einem vorgegebenen Wellenleiter 45, speziell mit einer vorgegebenen aktiven Zone 4, das

elektrische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und somit die Ausbreitungskonstante ß der in dem Wellenleiter 45 geführten Mode durch einen Brechungsindex der Mantelschichten 6n, 6p und durch deren Dicke beeinflussbar. Die

Ausbreitungskonstante ß sowie das elektrische Feld senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung sind berechenbar

beziehungsweise simulierbar. Ebenso kann das elektrische Feld beziehungsweise das Quadrat des elektrischen Feldes, die Intensitätsverteilung, experimentell bestimmt werden.

Bei der Laserdiode gemäß Figur 2 ist die Dicke der n- Mantelschicht 6n auf zirka 2,5 ym vergrößert. Ein

Aluminiumgehalt der auf AlGaN basierenden n-Mantelschicht 6n liegt, wie auch gemäß Figur 1, bei zirka 5 % bis 10 %. Der effektive Brechungsindex der geführten Mode M ist dabei kleiner als der Brechungsindex des Trägers 2. Durch die vergrößerte Dicke der n-Mantelschicht 6n im Vergleich zu Figur 1 klingt das evaneszente Feld innerhalb der

Mantelschicht 6n soweit ab, dass sich keine zusätzliche Mode in dem Träger 2 ausbilden kann.

Allerdings wachsen Schichten wie diese Mantelschicht 6n, die einen vergleichsweise hohen Aluminiumgehalt aufweist, auf GaN nur verspannt auf. Solche Verspannungen beeinträchtigen einerseits die Wachstumsqualität, andererseits können sich Risse in Schichten der Halbleiterschichtenfolge ausbilden, die zu einer Beschädigung des Bauteils führen können. Aufgrund der vergleichsweise großen erforderlichen Dicke erhöhen sich weiterhin die Wachstumszeiten und damit die Herstellungskosten. Somit beeinträchtigen vergleichsweise dicke Mantelschichten mit einem relativ hohen Aluminiumanteil die Qualität des Bauteils und führen zu erhöhten

Herstellungskosten .

Bei der Laserdiode gemäß Figur 3 sind die Mantelschichten durch auf GaN basierende Schichten ohne signifikanten

Aluminiumanteil ersetzt, die Laserdiode weist also keine

Mantelschichten mit einem kleineren Brechungsindex als der des Trägers 2 auf. Der Wellenleiter 45 basiert auf InGaN. Aufgrund des höheren Brechungsindexes des InGaN-basierten Wellenleiters 45 kann sich keine parasitäre Mode in dem

Träger 2 ausbilden. Allerdings werden relativ hohe

Indiumgehalte in dem Wellenleiter 45 benötigt, was zu einer schlechteren Materialqualität führt. Bei epitaktisch gut realisierbaren Indiumgehalten ist andererseits ein

Füllfaktor, also ein Intensitätsüberlapp der geführten Mode M mit der aktiven Zone 4, relativ gering, was zu einer

vergleichsweise kleinen Verstärkung in der aktiven Zone 4 führt. Weiterhin wird eine vergleichsweise sehr dicke Schicht 8 nötig, um zu vermeiden, dass ein evaneszentes Feld zu einem in Figur 3 nicht gezeichneten p-Kontakt an einer dem Träger 2 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 3 gelangt. Mit anderen Worten ist die Laserdiode gemäß Figur 3 ebenfalls teuer in der Herstellung und weist eine vergleichsweise geringe Effizienz auf. In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines

optoelektronischen Halbleiterchips 1 dargestellt. An einer dem Träger 2 abgewandten Seite des Wellenleiters 45 ist eine p-Mantelschicht 6p erzeugt. Durch die p-Mantelschicht 6p erfolgt eine verbesserte Abschirmung des evaneszenten Feldes gegenüber einem nicht gezeichneten p-Kontakt, im Vergleich zur Laserdiode gemäß Figur 3. Weiterhin kann ein höherer Füllfaktor erzielt werden, der im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 zirka 2,4 % beträgt.

Als Materialien für die p-Mantelschicht 6p kann

beispielsweise AlGaN oder AlInN oder AlInGaN eingesetzt werden. Insbesondere AlInGaN-haltige Schichten können mit guter Gitteranpassung auf GaN aufgewachsen werden. Anders als in Figur 4 gezeigt ist es möglich, dass die Mantelschicht 6p eine Übergitterstruktur aufweist.

Basiert die Mantelschicht 6p auf AlGaN, so liegt ein

Aluminiumgehalt zum Beispiel zwischen einschließlich 0,01 % und 30 %, bevorzugt zwischen einschließlich 1 % und 12 %, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 3 % und 8 %. Wird AlInN als Basismaterial für die Mantelschicht 6p verwendet, so beträgt der Aluminiumgehalt bevorzugt zwischen

einschließlich 74 % und 90 %, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 79 % und 85 %, insbesondere zirka 82 %. Im Falle von AlInGaN wird bevorzugt Ga_x (A^ I nis ) i-_xN verwendet, wobei der Aluminiumgehalt um bis zu 8 Prozentpunkte vom genannten Wert von 82 % abweichen kann und x bevorzugt zwischen einschließlich 0,01 und 0,3 liegt. Eine Dicke der p- Mantelschicht 6p liegt bevorzugt zwischen einschließlich 10 nm und 1500 nm, besonders bevorzugt zwischen

einschließlich 100 nm und 1000 nm. Die genannten Materialien und Dicken können auch für die p-Mantelschichten 6p in allen anderen Ausführungsbeispielen herangezogen werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist als n- Mantelschicht 6n eine Löcherbarrierenschicht 10, basierend auf AlGaN, ausgebildet. Durch die Löcherbarrierenschicht 10 steigt der Füllfaktor auf zirka 2,6 % an. Weiterhin ist eine Injektion von Löchern in die aktive Zone 4 verbessert, so dass eine Effizienz des Halbleiterlaserchips 1 ansteigt.

Die Löcherbarriereschicht 10, die die n-Mantelschicht 6n bildet, kann auf denselben Materialien basieren wie die in Verbindung mit Figur 4 genannte p-Mantelschicht 6p. Jedoch ist die n-Mantelschicht 6n bevorzugt n-dotiert. Eine Dicke der n-Mantelschicht 6n beziehungsweise der

Löcherbarrierenschicht 10 liegt bevorzugt zwischen

einschließlich 1 nm und 50 nm. Im Falle von AlGaN als

Basismaterial liegt der Aluminiumgehalt bevorzugt zwischen einschließlich 1 % und 100 %, insbesondere zwischen

einschließlich 3 % und 40 %, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 3 % und 20 %. Die genannten Werte können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen Anwendung finden.

Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1 gemäß Figur 6 ist anstelle der Löcherbarrierenschicht 10 die Mantelschicht 6n durch eine AlGaN-Schicht mit demselben Aluminiumgehalt wie die p-Mantelschicht 6p gebildet, wobei die n-Mantelschicht 6n eine Dicke von zirka 200 nm aufweist. Der Füllfaktor beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 beträgt zirka 2,8 %. Je größer die Dicke der n-Mantelschicht 6n gemäß Figur 6 ist, desto kleiner wird der effektive Brechungsindex der geführten Mode M. Daher darf die n-Mantelschicht 6n nicht zu dick gewählt werden. Wird die Dicke der n-Mantelschicht 6n zu groß gewählt, wie bei der Laserdiode gemäß Figur 8, bei der die Dicke zirka 1000 nm beträgt, so treten parasitäre Moden Sl, S2 auf, siehe Figur 8B. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 weist der Halbleiterchip 1 Mantelschichten 6n, 6p mit voneinander verschiedenen Brechungsindex und Aluminiumgehalt auf. Gemäß Figur 7 beträgt der Aluminiumgehalt der n-Mantelschicht 6n zirka 5 %, der Aluminiumgehalt der Löcherbarriere 10 beträgt zirka 20 %. Der Füllfaktor beträgt 7 zirka 3,7 % und ist somit vergleichsweise hoch.

Bei der Laserdiode gemäß Figur 9 beträgt eine Dicke der n- Mantelschicht 6n zirka 1,5 ym und ein Aluminiumgehalt der auf AlGaN basierenden n-Mantelschicht 6n liegt bei zirka 5 %. Hierdurch wird das evaneszente Feld nicht hinreichend von dem Träger 2 abgeschirmt, wodurch sich parasitäre Moden Sl, S2 bilden .

Wird, vergleiche das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10, jedoch der Aluminiumgehalt der Mantelschicht auf zirka 1 % abgesenkt, so tritt keine parasitäre Mode mehr auf, da der effektive Brechungsindex für die geführte Mode M größer ist als der Brechungsindex des Trägers 2. Mit anderen Worten ist es in diesem Ausführungsbeispiel wichtig, dass das Produkt aus der Dicke der n-Mantelschicht 6n und einem

Brechungsindexunterschied zwischen der n-Mantelschicht 6n und dem angrenzenden Wellenleiter 45 nicht zu groß ist, wobei der Brechungsindexunterschied insbesondere durch den

Aluminiumgehalt der Schichten bestimmt ist. Eine größere Dicke bedingt hiernach also einen geringeren Aluminiumgehalt und umgekehrt. Je nach Aluminiumgehalt und Dicke der n-Mantelschicht 6n, die aufeinander abzustimmen sind, liegt deren Dicke insbesondere im Bereich zwischen 0,1 nm und 2000 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 1 nm und 1000 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 5 nm und 500 nm. Im Falle von AlGaN als

Basismaterial für die n-Mantelschicht 6n liegt der

Aluminiumgehalt insbesondere zwischen einschließlich 0,01 % und 100 %, bevorzugt zwischen einschließlich 0,01 % und 20 %, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,1 % und 10 %. Dies kann auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen gelten. Ebenso wie für die p-Mantelschicht gemäß Figur 4 können auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Basismaterialien AlGaN, AlInN oder AlInGaN sowie Übergitter und/oder Kombinationen hieraus Verwendung finden.

Gemäß Figur 11 basieren die Wellenleiterschichten 5n, 5p auf InGaN mit einem Indiumgehalt von zirka 2 %. Ein Füllfaktor des Halbleiterchips 1 bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt zirka 2,8 % .

Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1 gemäß Figur 12 sind die Wellenleiterschichten 5n, 5p jeweils bezüglich ihres Brechungsindexverlaufs gestuft ausgebildet. Eine der aktiven Zone 4 näher gelegene Stufe der gestuften Struktur ist beispielsweise durch InGaN-Barrieren mit hohem Indiumgehalt, beispielsweise um zirka 5 %, gebildet. In eine Richtung weg von der aktiven Zone 4 ist jeweils eine zweite Stufe geformt, mit einem Indiumgehalt von zirka 3 %. Ein Füllfaktor beträgt zirka 3,2 % .

Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, liegt der Indiumgehalt der Wellenleiterschichten 5n, 5p oder der Stufen der Wellenleiterschichten 5n, 5p jeweils bevorzugt zwischen 0 % und einschließlich 30 %, insbesondere zwischen einschließlich 0,1 % und 10 %, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 % und 6 %. Es ist möglich, dass einer der Wellenleiter 5n, 5p auf GaN basiert, und die andere Wellenleiterschicht 5n, 5p auf InGaN. Dicken der Wellenleiterschichten 5n, 5p liegen zum Beispiel im Bereich zwischen einschließlich 0,1 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 1 nm und 200 nm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 10 nm und 100 nm.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 13 sind sowohl die

Wellenleiterschichten 5n, 5p als auch die Mantelschichten 6n, 6p gestuft ausgebildet. In Richtung hin zum Träger nimmt, ausgehend von der aktiven Zone 4, der Brechungsindex der

Wellenleiterschicht 5n und der Mantelschicht 6n monoton ab. Eine Teilschicht der p-Mantelschicht 6p, die sich näher an der aktiven Zone 4 befindet, weist einen kleineren

Brechungsindex auf als eine weitere Teilschicht der p- Mantelschicht 6p, die sich weiter von der aktiven Zone 4 entfernt befindet. In Richtung weg von dem Träger 2,

ausgehend von der aktiven Zone 4, weist der Brechungsindex also keinen monotonen, sondern einen wellenartigen Verlauf auf .

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 14 ist die n- Mantelschicht 6n durch eine Übergitterstruktur gebildet. Die Übergitterstruktur umfasst insbesondere zwischen

einschließlich 2 und 300 Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex. Die Schichten mit niedrigem

Brechungsindex basieren zum Beispiel auf AlGaN. Eine Dicke der Schichten liegt beispielsweise zwischen einschließlich 1 nm und 70 nm. Bei der Laserdiode gemäß Figur 15 weist die n-Mantelschicht 6n eine Dicke von zirka 300 nm auf. Diese Dicke der n- Mantelschicht 6n ist derart gering, dass ein evaneszentes Feld in den Träger 2 reicht und dort zur Ausbildung parasitärer Moden Sl, S2 führt, die eine hohe Intensität aufweisen .

Demgegenüber ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 16 die Dicke der n-Mantelschicht 6n verringert, so dass der

effektive Brechungsindex der geführten Mode M größer ist als der Brechungsindex des Trägers 2, wodurch das Entstehen von parasitären Moden unterbunden ist. Die parasitären Moden entfallen also nicht durch eine Vergrößerung der Dicke der Mantelschicht, sondern durch eine Verringerung der Dicke.

Der Halbleiterchip 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 16 ist bevorzugt ein im Ultravioletten emittierender

Halbleiterlaserchip. Der Träger 2 ist insbesondere ein

Aufwachssubstrat , basierend auf A1N, AlGaN, AlInGaN oder AlInN. Je nach Aluminiumgehalt weisen die genannten

Materialien für den Träger 2 einen geringeren Brechungsindex auf als GaN. Der Wellenleiter 45 kann daher auf GaN basieren und/oder GaN-Barriereschichten umfassen. Für eine in der aktiven Zone 4 zu erzeugende Wellenlänge von kleiner oder gleich 365 nm können auch GaN-basierte Quantenfilme mit

AlGaN-basierten Wellenleiterschichten 5n, 5p verwendet werden. Basiert der Träger 2 auf InGaN, AlInN oder auf

AlInGaN, wobei diese Materialien einen höheren Brechungsindex aufweisen als GaN, so weist der Wellenleiter 45 besonders bevorzugt einen noch höheren Brechungsindex auf als der

Träger 2. beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 17A ist, um eine

Injektion von Ladungsträger in die Halbleiterschichtenfolge 3 zu erleichtern und um einen Spannungsabfall an der

Halbleiterschichtenfolge 3 zu verringern, die

Halbleiterschichtenfolge 3, beginnend mit der auf AlGaN- basierenden n-Mantelschicht 6n, direkt auf den Träger 2 aufgewachsen. Der Träger 2 ist dabei ein hoch dotiertes Substrat, bevorzugt ein GaN-Substrat . Hoch dotiert bedeutet, dass eine Dotierstoffkonzentration, beispielsweise von

Silizium oder Sauerstoff, zwischen einschließlich 1 x 10¹⁸ pro cm und 1 x 10 pro cm beträgt. Die Mantelschichten 6n, 6p sowie die Wellenleiterschichten 5n, 5p sind weiterhin beispielsweise ausgeformt, wie auch im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 11 oder Figur 12.

Gemäß Figur 17B ist auf dem bevorzugt auf GaN basierenden Träger 2 zusätzlich eine hoch dotierte Schicht 7, basierend bevorzugt auf GaN, aufgebracht. Eine Dotierstoffkonzentration der hoch dotierten Schicht 7 liegt im Bereich zwischen einschließlich 1 x 10 pro cm und 1 x 10 pro cm oder zwischen einschließlich 5 x 10 pro cm und 5 x 10 pro cm . Die Dotierung erfolgt zum Beispiel mit Silizium oder mit Sauerstoff. Eine Dicke der hoch dotierten Schicht 7 liegt zum Beispiel zwischen einschließlich 1 nm und 10 ym, bevorzugt zwischen einschließlich 100 nm und 4 ym, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 ym und 2 ym.

Um zusätzliche optische Absorptionsverluste zu vermeiden, ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 17C die hoch dotierte Schicht 7 nicht direkt an die n-Mantelschicht 6n angrenzend geformt. Zwischen der n-Mantelschicht 6n und der hoch

dotierten Schicht 7 befindet sich eine Zwischenschicht 67, die beispielsweise eine Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen einschließlich 5 x 10¹⁷ pro cm³ und 5 x 10¹⁸ pro cm³ aufweist. Eine Dicke der Zwischenschicht 67 liegt bevorzugt zwischen einschließlich 500 nm und 2 ym. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 18 umfasst die n- Wellenleiterschicht 5n ein Übergitter. Das Übergitter ist durch erste Schichten 51 und durch zweite Schichten 52 gebildet, die abwechselnd aufeinander folgen. Die ersten Schichten 51 basieren zum Beispiel auf InGaN mit einem

Indiumgehalt zwischen einschließlich 0 % und 10 %, bevorzugt zwischen einschließlich 0 % und 5 %. Eine Dicke der ersten Schichten 51 liegt zwischen einschließlich 0,1 nm und 50 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 1 nm und 5 nm. Die zweiten Schichten 52 basieren ebenfalls auf InGaN mit einem

Indiumgehalt zwischen einschließlich 1 % und 25 %, bevorzugt zwischen einschließlich 3 % und 10 %. Eine Dicke der zweiten Schichten 52 beträgt insbesondere zwischen einschließlich 0,1 nm und 50 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 1 nm und 20 nm. Eine Dicke der zweiten Schichten 52 ist hierbei jeweils größer als eine Dicke der ersten Schichten 51 und ein Indiumgehalt der ersten Schichten 51 ist kleiner als ein Indiumgehalt der zweiten Schichten 52, siehe auch die

schematische Schnittdarstellung in Figur 18C.

Bei der herkömmlichen Laserdiode gemäß Figur 19 bildet sich eine Trägermode Sl, S2 aus. Im Vergleich dazu ist die

Trägermode Sl, S2 im Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips 1 gemäß Figur 20 nicht vorhanden. Dies ist dadurch erreicht, dass die n-Mantelschicht 6n in mehrere Teilschichten

aufgeteilt ist. Die Teilschichten sind durch die

Zwischenschicht 67 voneinander separiert, die insbesondere auf GaN basiert und einen Brechungsindex aufweist, der näherungsweise dem des Trägers 2 entspricht.

Beispielsweise weist die Teilschicht, die weiter von der aktiven Zone 4 entfernt ist, eine größere Dicke auf als die Teilschicht, die sich näher an der aktiven Zone 4 befindet. Die Dicken der Teilschichten liegen insbesondere zwischen einschließlich 100 nm und 600 nm. Die Zwischenschicht 67 ist bevorzugt dicker ausgeführt als eine oder als alle

Teilschichten der n-Mantelschicht 6n. Eine Dicke der

Zwischenschicht 67 beträgt insbesondere zwischen

einschließlich 200 nm und 1000 nm. Eine derart in mindestens zwei Teilschichten aufgeteilte n-Mantelschicht 6n ist auch in den anderen Ausführungsbeispielen des Halbleiterchips 1 einsetzbar .

Die Laserdiode gemäß Figur 21 weist zwei im Vergleich zur im Wellenleiter 45 geführten Mode M kleine Substratmoden Sl, S2 auf, da der effektiver Brechungsindex für die geführte Mode M kleiner ist als der Brechungsindex des Trägers 2. Durch eine Veränderung zum Beispiel der n-Mantelschicht 6n, wie

insbesondere in einem der oben angeführten

Ausführungsbeispiele angegeben, und den damit verbundenen Anstieg des effektiven Brechungsindexes für die geführte Mode M sind die Substratmoden Sl, S2 unterdrückbar. Ein

Schichtaufbau des Laserdiode gemäß Figur 21 ist daher in analoger Weise für die angeführten Ausführungsbeispiele heranziehbar .

Der Schichtaufbau der Laserdiode gemäß Figur 21 ist wie folgt, ausgehend vom Träger 2 und in eine Richtung hin zu der Kontaktschicht 8 :

- Der Träger 2 besteht aus insbesondere dotiertem GaN, weist eine Dicke von zirka 100 ym und einen Brechungsindex von 2,489 auf. Die Angaben der Brechungsindices beziehen sich, wie auch bei den Ausführungsbeispielen, jeweils auf eine Wellenlänge maximaler Intensität, zu deren Emission die

Laserdiode beziehungsweise der Halbleiterchip 1 eingerichtet ist . - Die n-Mantelschicht 6n weist eine Dicke von zirka 2000 nm auf und hat einen Brechungsindex von 2,447. Ein Material der n-Mantelschicht 6n ist AlGaN mit einem AI-Anteil von 5 ~6.

- Die n-Wellenleiterschicht 5n ist aus GaN gebildet, hat einen Brechungsindex von 2,469 und eine Dicke von zirka

200 nm.

- Die aktive Zone 4 weist drei Quantenfilme auf, die jeweils eine Dicke von zirka 3 nm haben, mit InGaN mit einem InAnteil von zirka 17 % gebildet sind und einen Brechungsindex von 2,527 haben. Zwischen zwei benachbarten Quantenfilmen befindet sich jeweils eine Barriereschicht aus GaN mit Dicken von zirka 8 nm und zirka 10 nm und einem Brechungsindex von 2,469.

- Zwischen der aktiven Zone 4 und der

Elektronenbarriereschicht 9 befindet sich eine

Zwischenschicht mit GaN, die eine Dicke von zirka 10 nm und einen Brechungsindex von 2,469 aufweist. Die

Elektronenbarriereschicht 9 hat eine Dicke von zirka 10 nm, einen Brechungsindex von 2,385 und basiert auf AlGaN mit einem AI-Anteil von 20 %.

- Die p-Wellenleiterschicht 5p weist eine Dicke von zirka 200 nm, einen Brechungsindex von 2,469 auf und basiert auf GaN.

- Die p-Mantelschicht 6p, basierend auf AlGaN mit einem Al- Anteil θΠ 5 "6 hat eine Dicke von zirka 1000 nm und einen

Brechungsindex von 2,447.

- Die Kontaktschicht 8 basiert auf GaN, hat eine Dicke von zirka 50 nm und einen Brechungsindex von 2,469.

Ein effektiver Brechungsindex für die geführte Mode M beträgt bei diesem Schichtaufbau 2,457.

Gemäß Figur 21 ist der Wellenleiter 45 eindimensional gestaltet, bei der Laserdiode gemäß Figur 22 ist der Wellenleiter zweidimensional gestaltet. Der Schichtaufbau entspricht dem aus Figur 21. Die Kontaktschicht 8 sowie die p-Mantelschicht 6p sind stellenweise über ein Ätzen entfernt, so dass ein Streifen 13, englisch ridge, mit einer Breite von zirka 2 ym ausgebildet ist, wobei der Streifen 13 von einem dem Träger 2 abgewandten Metallkontakt 11 bedeckt ist. Die Ätzung erfolgt also bis in eine Tiefe der

Halbleiterschichtenfolge 3 von zirka 1050 nm. Die geätzten Bereiche sind in lateraler Richtung neben dem Streifen 13 mit einem Material 12 mit einem niedrigeren Brechungsindex als die p-Mantelschicht 6p, zum Beispiel mit Siliziumdioxid mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,5 und einer Dicke von zirka 1000 nm, aufgefüllt. Hierdurch sinkt der effektive Brechungsindex für die geführte Mode M auf 2,455 ab, im

Vergleich zu einem Wert von 2,457 gemäß Figur 21. Eine

Halbwertbreite der Mode M, vergleiche Figuren 21B und 22B, reduziert sich um etwa einen Faktor 2 auf ungefähr 8,8°.

Ein derartiger, zweidimensionaler Wellenleiter 45, wie in Figur 22A dargestellt, ist insbesondere auch für alle

Ausführungsbeispiele des Halbleiterchips 1 heranziehbar.

In Figur 23 sind Ausschnitte aus der Halbleiterschichtenfolge 3 von weiteren Ausführungsbeispielen des Halbleiterchips 1 anhand eines Verlaufs des Aluminiumgehalts K oder des

Brechungsindexes n entlang der Tiefe t illustriert. Die

Mantelschicht 6n ist jeweils in zwei gleich dicke, fiktive Hälften Hl, H2 geteilt, wobei die erste Hälfte Hl näher an dem Wellenleiter 45 liegt als die zweite Hälfte H2. Ein mittlerer Aluminiumgehalt der ersten Hälfte Hl übersteigt einen mittleren Aluminiumgehalt der zweiten Hälfte H2. Gemäß Figur 23A weist die n-Mantelschicht 6n genau zwei

Stufen L I , L2 im Aluminiumgehalt auf. Innerhalb der Stufen L I , L2 ist der Aluminiumgehalt näherungsweise konstant. In Figur 23B ist eine n-Mantelschicht 6n dargestellt, die insgesamt elf Stufen aufweist. Die n-Mantelschicht 6n weist Teilschichten auf, die beiderseits von anderen Teilschichten mit jeweils höherem Aluminiumgehalt benachbart sind. In Figur 23C ist der Verlauf des Brechungsindexes entlang der Tiefe t gezeigt. In der ersten Hälfte Hl ist der mittlere

Brechungsindex kleiner als in der zweiten Hälfte H2. Die n- Mantelschicht 6n umfasst drei Stufen L I , L2, L3.

Anders als in Figur 23 dargestellt, kann alternativ oder zusätzlich auch die p-Mantelschicht entsprechend ausgebildet sein.

In Figur 24 sind Varianten von Ausführungsbeispielen des Halbleiterchips 1 anhand einer Tabelle und hinsichtlich der Mantelschichten 6n, 6p beschrieben. Für alle Varianten gilt, dass der mittlere Aluminiumgehalt Ka(Hl) der erste Hälfte Hl größer ist als der mittlere Aluminiumgehalt Ka(H2) der zweiten Hälfte H2. Die Varianten 1 bis 8 weisen einen

gestuften Verlauf des Aluminiumgehalts K auf, wobei jeweils der mittlere Aluminiumgehalt K(L1, L2, L3, L4) der Stufen L I , L2, L3, L4 sowie deren Dicken d(Li, L2, L3, L4) angegeben sind. Gemäß der Varianten 9 und 10 verläuft der

Aluminiumgehalt K zuerst rampenförmig und dann in Form der Stufe L2. In Variante 9 nimmt der Aluminiumgehalt K in der Rampe, vom Wellenleiter 45 ausgehend, linear ab, gemäß

Variante 10 linear zu.

Die in der Tabelle aufgeführten Werte können in

Ausführungsbeispielen des Halbleiterchips 1 jeweils mit einer Toleranz von höchsten 25 % oder von höchstens 10 % realisiert sein, solange der mittlere Aluminiumgehalt Ka(Hl) der ersten Hälfte Hl größer ist als der der zweiten Hälfte H2.

Beispielsweise bedeutet eine Toleranz von höchsten 25 % bei einer in der Tabelle angegebenen Dicke von 400 nm, dass ein Dickenbereich von 400 nm ± 25 %, also von einschließlich 300 nm bis 500 nm, beschrieben ist.

Die hier beschriebene 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 .

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2010 009 457.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche

Optoelektronischer Halbleiterchip (1),

umfassend einen Träger (2) und eine auf dem Träger angebrachte, auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial basierende

Halbleiterschichtenfolge (3) mit

- wenigstens einer aktiven Zone (4), die zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist,

- wenigstens einer Wellenleiterschicht (5) , die an die aktive Zone (4) grenzt, wobei ein Wellenleiter (45) gebildet wird, und

- einer an die Wellenleiterschicht (5) grenzenden p- Mantelschicht (6p) an einer p-dotierten Seite oder/und einer n-Mantelschicht (6n) an einer n-dotierten Seite der aktiven Zone (4),

wobei ein effektiver Brechungsindex einer im

Wellenleiter (45) geführten Mode größer ist als ein Brechungsindex des Trägers (2) .

2. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem

vorhergehenden Anspruch,

bei dem mindestens eine der Mantelschichten (6n, 6p) in wenigstens zwei Teilschichten mit voneinander

verschiedenem mittleren Aluminiumgehalt aufgeteilt ist, wobei eine erste Hälfte (Hl) einen höheren mittleren

Aluminiumgehalt aufweist als eine zweite Hälfte (H2) der Mantelschicht (6n, 6p), wobei die Hälften (Hl, H2) gleich dick sind und die erste Hälfte (Hl) sich näher an dem Wellenleiter (45) befindet.

3. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der effektive Brechungsindex höchstens ein 1,05-faches des Brechungsindexes des Trägers (2) beträgt .

4. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem eine einen Verlauf eines elektrischen Feldes (E) beschreibende Funktion, ausgehend von der aktiven Zone (4) in einer Richtung senkrecht und hin zu dem Träger (2), monoton fallend ist.

5. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem ein evaneszentes Feld der an der p- Mantelschicht (6p) oder an der n-Mantelschicht (6n) totalreflektierten und in der aktiven Zone (4)

erzeugten Strahlung bis in den Träger (2) reicht, wobei eine Amplitude des evaneszenten Feldes in dem Träger (2), bezogen auf eine Ausgangsamplitude an einer totalreflektierenden Grenzfläche, stellenweise

mindestens 2,5 % beträgt.

6. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem die Dicke (Tn) der n-Mantelschicht (6n) zwischen einschließlich 0,1 nm und 2000 nm und/oder die Dicke (Tp) der p-Mantelschicht zwischen einschließlich 10 nm und 1500 nm beträgt.

7. Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem die p-Mantelschicht (6p) auf einem der folgenden Materialien basiert:

Al_xGa_1--xN mit 0, 0001 < x < 0,30,

Al_xIn_1--xN mit 0,74 < x < 0,90, oder

(Al_1--yIn_y) _xGa_1--xN mit 0,74 < y < 0,90 und 0,01 < x < 0,3.

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem die n-Mantelschicht (6n) auf einem der

folgenden Materialien basiert:

Al_xGa_1--xN mit 0, 0001 < x < 0,30,

Al_xIn_1--xN mit 0,74 < x < 0,90, oder

(Al_1--yIn_y) _xGa_1--xN mit 0,74 < y < 0,90 und 0,01 < x < 0,3 und/oder bei dem die n-Mantelschicht (6n) als Löcherbarriere eingerichtet ist.

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem die aktive Zone (3) zwischen einschließlich 1 und 10 Quantenfilme aufweist,

wobei zu einer Verbesserung der Wellenführung in dem Wellenleiter (45) zwischen wenigstens zwei benachbarten Quantenfilmen eine auf In_xGa_]___xN basierende

Barriereschicht mit 0,001 < x < 0,20 und mit einer Dicke zwischen einschließlich 0,1 nm und 30 nm geformt ist .

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem die n-Mantelschicht (6n) und/oder die

Wellenleiterschicht (5) ein Übergitter mit Schichten (51, 52) mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex und jeweils Dicken zwischen

einschließlich 0,1 nm und 70 nm aufweist.

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach dem

vorhergehenden Anspruch,

bei dem das Übergitter abwechselnd erste Schichten (51), basierend auf In_x]_Ga_]___x]_N mit 0 < xl < 0,10, und zweite Schichten (52), basierend auf In_x2Ga_]_-_x2N mit 0,01 < x2 < 0,25, aufweist,

wobei das Übergitter in der Wellenleiterschicht (5) ausgebildet ist.

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem die p-Mantelschicht (6p) ein Übergitter mit Schichten (51, 52) mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex und jeweils Dicken zwischen

einschließlich 1 nm und 70 nm aufweist.

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem sich zwischen dem Träger (2) und der dem Träge. (2) nächstgelegenen Mantelschicht (6n) eine hoch dotierte Schicht (7) befindet,

wobei eine Dotierstoffkonzentration der Schicht (7) zwischen einschließlich 1 x 10^iö pro cm^J und 1 x ₁₀20 pro cm-3 und eine Dicke der Schicht (7) zwischen

einschließlich 1 nm und 10 ym beträgt,

oder bei dem der Träger (2) eine solche

Dotierstoffkonzentration aufweist . Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem die Wellenleiterschicht (5) und/oder die

Mantelschicht (6n, 6p) einen gestuften

Brechungsindexverlauf aufzeigen.

Optoelektronischer Halbleiterchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei dem durch teilweises Entfernen der p-Mantelschicht (6p) ein Streifen (13) ausgebildet ist,

wobei der Streifen (13) in lateraler Richtung

mindestens teilweise von einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben ist.