WO2016202931A1 - Optoelektronisches halbleiterbauteil - Google Patents

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WO2016202931A1
WO2016202931A1 PCT/EP2016/063913 EP2016063913W WO2016202931A1 WO 2016202931 A1 WO2016202931 A1 WO 2016202931A1 EP 2016063913 W EP2016063913 W EP 2016063913W WO 2016202931 A1 WO2016202931 A1 WO 2016202931A1
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WO
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optoelectronic semiconductor
semiconductor component
layer
dopant
barrier layer
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PCT/EP2016/063913
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Rudolph
Hubert Halbritter
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier

Definitions

  • An object to be solved is to specify an optoelectronic semiconductor device with shortened switching times.
  • the optoelectronic semiconductor component can do this
  • the optoelectronic semiconductor component is a light-emitting diode and / or a photodetector.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation may be in the red and / or infrared range of the electromagnetic spectrum.
  • Radiation may be at least 600 nm and at most 1000 nm.
  • a "peak wavelength" is here and in the
  • this comprises a first
  • an active zone is epitaxially grown.
  • epitaxial growth is by molecular beam epitaxy
  • the active zone may be in operation electromagnetic radiation
  • the optoelectronic semiconductor component has a main extension plane in which it is in lateral
  • Optoelectronic semiconductor device is small compared to the maximum extent of the optoelectronic
  • the active zone comprises at least two quantum well layers and at least one between the at least two
  • Quantum well layers arranged barrier layer.
  • the active zone may be a plurality of
  • barrier layers and a plurality of quantum well layers that follow one another in the stacking direction, for example.
  • a barrier layer may each be surrounded by two quantum well layers and / or one
  • Each quantum well layer can be surrounded by two barrier layers.
  • the active zone may be, for example, a
  • Quantum well structure include.
  • a quantum well layer can be characterized in particular by the fact that charge carriers, in particular electrons, can undergo quantization of their energy eigenstates by confinement.
  • the inclusion can be done in particular by means of the at least one barrier layer.
  • a plurality of barrier layers may be present, wherein two of the barrier layers may adjoin one of the quantum well layers on both sides.
  • a first and / or a second intermediate layer can be present, each of which can adjoin one of the quantum well layers, by means of which an inclusion of the charge carriers can likewise take place.
  • the freedom of movement of the charge carriers can be restricted in at least one spatial dimension.
  • the first semiconductor layer, the barrier layer and the at least one quantum well layer can each be formed with or consist of a (connecting) semiconductor material.
  • Quantum well layer a crystal structure.
  • the material of the quantum well layer may have a smaller energy band gap than the material of the barrier layer. It is also possible that the material of the first semiconductor layer has a smaller energy band gap than the material of the
  • the first and the second intermediate layer can be formed from or consist of a (connecting) semiconductor material.
  • the optoelectronic semiconductor component may further comprise a second semiconductor layer following the active zone in the stacking direction and on one of the first
  • the second semiconductor layer may also comprise or consist of a (compound) semiconductor material. For example, it is the first
  • the first intermediate layer can be arranged between the first semiconductor layer and the active zone. Furthermore, the second intermediate layer can be arranged between the second semiconductor layer and the active zone. Especially may be the first intermediate layer and / or the second
  • the active zone can be directly on the first one
  • one quantum well layer is made of either two
  • Barrier layers is surrounded or by a barrier layer and the first or second intermediate layer.
  • the barrier layer is doped.
  • the barrier layer may be a p-type doping or an n-type doping.
  • the material of the barrier layer does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above stoichiometric formula. Rather, that can
  • Material further dopants and additional ingredients that do not change the physical properties of the material substantially.
  • doping is given in particular when the at least one material is introduced into the material
  • Barrier layer foreign atoms hereinafter doping atoms, are introduced, with which the material properties of the material of the at least one barrier layer, such as
  • the electrical properties and / or the Crystal structure can be adjusted and / or changed.
  • the material properties are selectively changed at a doping.
  • the amount of doping atoms introduced can be small in comparison to the amount of material of the barrier layer.
  • the number of doping atoms is at least 1 ppm (ppm: parts per million) and at most 1000 ppm in comparison with the number of atoms of the material of the barrier layer.
  • this comprises one on a first
  • the at least one barrier layer is X: Al y Ga y As z pi z, where 0 ⁇ y ⁇ 1 and 0 ⁇ z ⁇ 1 formed, where X is a dopant.
  • the switching times of the optoelectronic semiconductor component may be, in particular, the
  • Recombination centers are generated in the barrier layer. Since non-radiative recombination centers to a loss of efficiency, in particular at light yield, in a
  • R r * n e * n h .
  • R is the recombination rate
  • r is a constant
  • n e is the electron density
  • n h is the hole density.
  • the barrier layer is p-doped.
  • the dopant X introduced into the barrier layer can thus be an electron acceptor.
  • a p-type doping may be due to the above relationship between the Recombination rate and the hole density to an increase in the recombination rate and thus to a reduction in the
  • a dopant concentration of the dopant X in the barrier layer is at least 5 ⁇ 10 17 / cm 3 , preferably at least 1 ⁇ 10 18 / cm 3 and particularly preferably at least 2 ⁇ 10 19 / cm 3 , and at most 1 * 10 20 / cm 3 , preferably at most 5 * 10 19 / cm 3, and most preferably at most
  • Dopant concentration is in particular the number of doping atoms per cubic centimeter, wherein 10 23 is assumed for the total number of atoms of the barrier layer per cubic centimeter.
  • the number of doping atoms is at least 5 ppm, preferably at least 10 ppm, and more preferably at least 200 ppm, and at most 1000 ppm, preferably at most 500 ppm and more preferably at most 400 ppm, the number of atoms of the material of the barrier layer.
  • the dopant X comprises carbon or is carbon.
  • the barrier layer can therefore with
  • Carbon may be doped exclusively with carbon. Carbon may be a p-dopant for Al y Ga y As z z Pi- particular. "In the context of manufacturing tolerances" means in this
  • the dopant X comprises magnesium or is magnesium.
  • the barrier layer can therefore be doped with magnesium.
  • the barrier layer can be doped exclusively with magnesium within the manufacturing tolerances.
  • Magnesium may be a p-type dopant for Al y Gai-y z z pi particular. It is particularly possible that the barrier layer is doped with carbon and magnesium.
  • the barrier layer may be doped exclusively with carbon and magnesium within the manufacturing tolerances.
  • the quantum well layers are free of the dopant X within the manufacturing tolerances.
  • the quantum well layers are not doped with the dopant X.
  • the quantum well layers may in particular contain only production-related impurities by the dopant atoms. For example, the dopant concentration of the dopant in the
  • Quantum well layer at most 5 * 10 17 / cm 3 , preferably at most 1 * 10 17 / cm 3 and particularly preferably at most 1 * 10 16 / cm 3 .
  • this emits a in operation
  • the optoelectronic semiconductor device emits a
  • Optoelectronic semiconductor component broadband radiation emit In other words, a half-width of the intensity distribution of the electromagnetic radiation as a function of the wavelength may be at least 30 nm, preferably at least 60 nm.
  • an intensity signal during a switching pulse has a rise time of at most 10 ns, preferably at most 7 ns, and / or a decay time of at most 12 ns, preferably at most 5 ns.
  • a switching pulse it may be a predefinable period of time between a
  • the intensity signal is the intensity of the during the switching pulse during operation of the optoelectronic
  • the rise time may be the amount of time required to turn on the optoelectronic semiconductor device to increase the intensity signal from 10% of a maximum intensity to 90% of the maximum intensity.
  • the fall time may be the time duration that is required when the optoelectronic semiconductor component is switched off
  • this is free of a resonator.
  • the optoelectronic semiconductor component is therefore in particular not a laser diode.
  • a resonator is in particular an arrangement of at least two mirrors, between which at least one mode of the electromagnetic field, in particular in the visible region of the
  • Electromagnetic spectrum especially as a standing wave can be stored.
  • the active zone is by means of
  • MOCVD organometallic gas phase deposition
  • MOVPE organometallic gas phase epitaxy
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of one here
  • FIG. 2 shows an exemplary energy band diagram and an exemplary profile of the dopant concentration of an exemplary embodiment of one described here
  • FIG. 3 shows an intensity signal of a switching pulse of an exemplary embodiment of one described here
  • FIG. 4 shows rise times
  • the optoelectronic semiconductor component comprises a first
  • Order in a stacking direction z are arranged one above the other.
  • the active zone 2 borders directly on the first one
  • the active zone 2 comprises a plurality of
  • Quantum well layers 20 are arranged.
  • the barrier layers 21 are respectively connected to X: formed Al y Ga y As z pi z, where X is a dopant.
  • X is a dopant.
  • the dopant X is carbon and / or magnesium.
  • Quantum well layers 20 can each with
  • a substrate 10 is arranged, on which the first semiconductor layer 11 is epitaxially grown.
  • the epitaxial growth can be carried out in particular by means of MOVPE.
  • the substrate is formed with germanium, silicon and / or gallium arsenide.
  • the substrate 10 has been detached in a production method and the optoelectronic semiconductor component has not
  • Substrate 10 has.
  • FIG. 2 shows an exemplary energy band diagram and an exemplary profile of the dopant concentration of an exemplary embodiment of one described here
  • Optoelectronic semiconductor device as a function of
  • the energy band gap E B in eV is plotted on the right axis of ordinate, while on the left axis of ordinate the
  • Dopant concentration C is plotted in cm -3 .
  • Embodiment of Figure 2 has an active zone. 2 which, purely by way of example, comprises eleven barrier layers 21 and twelve quantum well layers 20.
  • the active zone 2 is bounded by the first intermediate layer 13 and the second intermediate layer 14.
  • the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12 are not shown in FIG.
  • the first intermediate layer 13 and the second intermediate layer 14 each have a high energy band gap E B in the range of about 1.7 to 1.75 eV.
  • the energy band gap E B of the quantum well layers 20 is in the range of about 1.25 to 1.35 eV and thus significantly below the respective
  • the barrier layers 21 have a dopant concentration 21 c, which in the one shown in FIG.
  • Embodiment is at l * 10 19 / cm 3 .
  • FIG. 3 shows a sketched intensity signal of a switching pulse of an optoelectronic semiconductor component described here.
  • the intensity signal shows the
  • Intensity I of the electromagnetic radiation emitted by the optoelectronic semiconductor component during operation of a switching pulse normalized to the maximum intensity signal I m as a function of time t.
  • the rise time t r is the time required for an increase of the intensity signal of I from 10% of the maximum intensity signal I m to 90% of the maximum intensity signal I m .
  • the fall time t f is the time duration which is for a fall of the intensity signal I of 90% of the maximum Intensity signal I m to 10% of the maximum
  • Intensity signal I m is needed.
  • FIG. 4 shows switching times for different ones
  • Embodiments of an optoelectronic semiconductor device described here are shown.
  • the optoelectronic semiconductor component of the first measurement M1 comprises twelve quantum well layers 20.
  • the respective optoelectronic semiconductor component of the second measurement M2 and of the third measurement M3 comprises 11 barrier layers 21 each.
  • the first measurement Ml shows the rise time t r and the
  • the dopant may be, for example, carbon.
  • the dopant concentration of the second measurement M2 is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 .
  • Dopant concentration of the third measurement M3 is l * 10 19 / cm 3 .
  • the optoelectronic semiconductor component of the first measurement M1 has a rise time t r of 12.4 ns and a fall time t f of 17.1 ns.
  • the optoelectronic semiconductor component of the second measurement M2 has a rise time t r of 9.8 ns and a fall time t f of 11.7 ns.
  • the optoelectronic semiconductor device of the third measurement M3 has a

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben, umfassend: eine auf einer ersten Halbleiterschicht (11) epitaktisch aufgewachsene aktive Zone (2) mit zumindest zwei Quantentopfschichten (20) und zumindest einer zwischen den zumindest zwei Quantentopfschichten (20) angeordneten Barriereschicht (21), wobei - die Barriereschicht (21) mit X: AlyGa1-yAszP1-z, wobei 0 ≤ γ ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1, gebildet ist, wobei X ein Dotierstoff ist.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Halbleiterbauteil Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit verkürzten Schaltzeiten anzugeben.
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Das optoelektronisches Halbleiterbauteil kann dafür
vorgesehen sein, im Betrieb eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren und/oder zu detektieren. Beispielsweise handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterbauteil um eine Leuchtdiode und/oder um einen Fotodetektor. Insbesondere kann die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im roten und/oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen. Die Peak-Wellenlänge der elektromagnetischen
Strahlung kann wenigstens 600 nm und höchstens 1000 nm betragen. Eine „Peak-Wellenlänge" ist hierbei und im
Folgenden die Wellenlänge, bei der ein Spektrum der im
Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung ein
Maximum, insbesondere ein globales Maximum, aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils umfasst dieses eine erste
Halbleiterschicht. Auf der ersten Halbleiterschicht ist eine aktive Zone epitaktisch aufgewachsen. Beispielsweise erfolgt das epitaktische Aufwachsen mit Molekularstrahlepitaxie
(MBE) , metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) und/oder metallorganischer Gasphasendeposition (MOCVD) . Die aktive Zone kann im Betrieb die elektromagnetische Strahlung
emittieren und/oder detektieren. Das optoelektronische Halbleiterbauteil weist eine Haupterstreckungsebene auf, in der es sich in lateralen
Richtungen erstreckt. Senkrecht zur lateralen Richtung, in einer Stapelrichtung, weist das optoelektronische
Halbleiterbauteil eine Dicke auf. Die Dicke des
optoelektronischen Halbleiterbauteils ist klein gegen die maximale Erstreckung des optoelektronischen
Halbleiterbauteils entlang der lateralen Richtungen.
Die aktive Zone umfasst zumindest zwei Quantentopfschichten und zumindest eine zwischen den zumindest zwei
Quantentopfschichten angeordnete Barriereschicht.
Insbesondere kann die aktive Zone eine Vielzahl von
Barriereschichten und eine Vielzahl von Quantentopfschichten umfassen, die zum Beispiel in der Stapelrichtung aufeinander folgen. Dabei kann eine Barriereschicht jeweils von zwei Quantentopfschichten umgeben sein und/oder eine
QuantentopfSchicht kann jeweils von zwei Barriereschichten umgeben sein. Die aktive Zone kann beispielsweise eine
Quantentopfstruktur umfassen.
Eine QuantentopfSchicht kann sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass Ladungsträger, insbesondere Elektronen, durch Einschluss (englisch: confinement) eine Quantisierung ihrer Energieeigenzustände erfahren können. Der Einschluss kann insbesondere mittels der zumindest einen Barriereschicht erfolgen. Insbesondere können mehrere Barriereschichten vorhanden sein, wobei zwei der Barriereschichten beidseitig an eine der Quantentopfschichten angrenzen können. Zusätzlich können eine erste und/oder eine zweite Zwischenschicht vorhanden sein, die jeweils an eine der Quantentopfschichten angrenzen können, mittels derer ebenfalls ein Einschluss der Ladungsträger erfolgen kann. Innerhalb der QuantentopfSchicht kann die Bewegungsfreiheit der Ladungsträger in zumindest einer Raumdimension eingeschränkt sein.
Die erste Halbleiterschicht, die Barriereschicht und die zumindest eine QuantentopfSchicht können jeweils mit einem (Verbindungs- ) Halbleitermaterial gebildet sein oder daraus bestehen. Insbesondere weist das jeweilige Material der ersten Halbleiterschicht, der Barriereschicht und der
QuantentopfSchicht eine Kristallstruktur auf. Das Material der QuantentopfSchicht kann eine geringere Energiebandlücke als das Material der Barriereschicht aufweisen. Es ist ferner möglich, dass das Material der ersten Halbleiterschicht eine geringere Energiebandlücke als das Material der
Barriereschicht und/oder der QuantentopfSchicht aufweist. Ferner können die erste und die zweite Zwischenschicht aus einem (Verbindungs- ) Halbleitermaterial gebildet sein oder daraus bestehen.
Das optoelektronische Halbleiterbauteil kann ferner eine zweite Halbleiterschicht aufweisen, die der aktiven Zone in Stapelrichtung nachfolgt und auf einer der ersten
Halbleiterschicht abgewandten Seite der aktiven Zone
angeordnet ist. Die zweite Halbleiterschicht kann ebenfalls ein (Verbindungs- ) Halbleitermaterial umfassen oder daraus bestehen. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten
Halbleiterschicht um eine p-leitende Halbleiterschicht und bei der zweiten Halbleiterschicht um eine n-leitende
Halbleiterschicht . Zwischen der ersten Halbleiterschicht und der aktiven Zone kann die erste Zwischenschicht angeordnet sein. Ferner kann zwischen der zweiten Halbleiterschicht und der aktiven Zone die zweite Zwischenschicht angeordnet sein. Insbesondere können die erste Zwischenschicht und/oder die zweite
Zwischenschicht jeweils direkt an eine QuantentopfSchicht grenzen. Die aktive Zone kann direkt auf die erste
Zwischenschicht aufgewachsen sein. Es ist insbesondere möglich, dass eine QuantentopfSchicht entweder von zwei
Barriereschichten umgeben ist oder von einer Barriereschicht und der ersten oder zweiten Zwischenschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist die Barriereschicht mit X : AlyGai-yAszPi- z, wobei 0 < γ < 1 , bevorzugt y + 0, und 0 -S z < 1, bevorzugt z + 0, gebildet. X ist ein Dotierstoff. Mit anderen Worten, die Barriereschicht ist dotiert. Bei der Dotierung der
Barriereschicht kann es sich um eine p-Dotierung oder um eine n-Dotierung handeln.
Das Material der Barriereschicht muss nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach der oben angegebenen stöchiometrischen Formel aufweisen. Vielmehr kann das
Material weitere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber
beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen
Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, As, P) , auch wenn diese jeweils teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Eine Dotierung ist hierbei und im Folgenden insbesondere dann gegeben, wenn in das Material der zumindest einen
Barriereschicht Fremdatome, im Folgenden Dotieratome, eingebracht sind, mit denen die Materialeigenschaften des Materials der zumindest einen Barriereschicht, wie
beispielsweise die elektrischen Eigenschaften und/oder die Kristallstruktur, gezielt eingestellt und/oder verändert werden können. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu einem zufälligen Einbringen von Fremdatomen in das Material der Barriereschicht, beispielsweise durch Verunreinigungen beim Herstellungsprozess , werden die Materialeigenschaften bei einer Dotierung gezielt verändert. Die eingebrachte Menge der Dotieratome kann dabei klein sein im Vergleich zur Menge des Materials der Barriereschicht. Beispielsweise ist es möglich, dass die Anzahl an Dotieratomen wenigstens lppm (ppm: parts per million, zu Deutsch „Teile von einer Million") und höchstens 1000 ppm im Vergleich zu der Anzahl der Atome des Materials der Barriereschicht beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils umfasst dieses eine auf einer ersten
Halbleiterschicht epitaktisch aufgewachsene aktive Zone mit zumindest zwei Quantentopfschichten und zumindest einer zwischen den zumindest zwei Quantentopfschichten angeordneten Barriereschicht. Die zumindest eine Barriereschicht ist mit X: AlyGai-yAszPi-z, wobei 0 < y < 1 und 0 < z < 1, gebildet, wobei X ein Dotierstoff ist.
Bei dem optoelektronischen Halbleiterbauteil wird
insbesondere die Idee verfolgt, die Schaltzeiten durch eine Dotierung der Barriereschichten zu verkürzen. Hierbei hat sich überraschend gezeigt, dass eine Dotierung der
Barriereschichten die erwünschte Reduktion der Schaltzeiten zur Folge hat. Bei den Schaltzeiten des optoelektronischen Halbleiterbauteils kann es sich insbesondere um die
Anstiegszeit und die Abfallzeit eines Schaltpulses des optoelektronischen Halbleiterbauteils handeln. Durch die Dotierung der Barriereschichten können beispielsweise zusätzliche nichtstrahlende
Rekombinationszentren in der Barriereschicht erzeugt werden. Da nichtstrahlende Rekombinationszentren zu einem Verlust an Effizienz, insbesondere an Lichtausbeute, bei einem
optoelektronischen Halbleiterbauteil führen können, sollten diese jedoch vermieden werden. Hierbei hat sich jedoch überraschen gezeigt, dass nichtstrahlende
Rekombinationszentren zu einer Reduktion der Schaltzeiten aufgrund beispielsweise einer Beschleunigung des
Ladungsträgerabbaus innerhalb der aktiven Zone führen können. Zudem hat sich überraschend gezeigt, dass bei entsprechender Wahl des Dotierstoffes und/oder der Dotierstoffkonzentration nur ein geringer Effizienzeinbruch stattfinden kann. Somit kann ein effizientes optoelektronisches Halbleiterbauteil mit kurzen Schaltzeiten bereitgestellt werden.
Insbesondere diffundieren die durch die Dotierung der
Barriereschicht in der Barriereschicht erzeugten freien
Ladungsträger aufgrund des Konzentrations- und/oder aufgrund des Potentialgradienten zwischen der zumindest einen
Barriereschicht und den Quantentopfschichten in die
Quantentopfschichten . Dies ermöglicht die Erhöhung der
Ladungsträgerkonzentration in den Quantentopfschichten und damit die Erhöhung der Rekombinationsrate, da gilt
R = r*ne*nh. Hierbei ist R die Rekombinationsrate, r eine Konstante, ne die Elektronendichte und nh die Löcherdichte.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist die Barriereschicht p-dotiert. Der in die Barriereschicht eingebrachte Dotierstoff X kann somit ein Elektronen-Akzeptor sein. Eine p-Dotierung kann aufgrund des oben aufgeführten Zusammenhangs zwischen der Rekombinationsrate und der Löcherdichte zu einer Erhöhung der Rekombinationsrate und damit zu einer Reduktion der
Schaltzeiten führen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beträgt eine Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffs X in der Barriereschicht wenigstens 5*1017/cm3, bevorzugt wenigstens l*1018/cm3 und besonders bevorzugt wenigstens 2*1019/cm3, und höchstens l* 1020/cm3, bevorzugt höchstens 5*1019/cm3 und besonders bevorzugt höchstens
4*1019/cm3. Beispielsweise beträgt die
Dotierstoffkonzentration 3*1019/cm3. Bei der
Dotierstoffkonzentration handelt es sich insbesondere um die Anzahl der Dotieratome pro Kubikzentimeter, wobei für die Gesamtzahl der Atome der Barriereschicht pro Kubikzentimeter 1023 angenommen wird. Mit anderen Worten, die Anzahl der Dotieratome beträgt wenigstens 5 ppm, bevorzugt wenigstens 10 ppm und besonders bevorzugt wenigstens 200 ppm, und höchstens 1000 ppm, bevorzugt höchstens 500 ppm und besonders bevorzugt höchstens 400 ppm, der Anzahl der Atome des Materials der Barriereschicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils umfasst der Dotierstoff X Kohlenstoff oder ist Kohlenstoff. Die Barriereschicht kann also mit
Kohlenstoff dotiert sein. Insbesondere kann die
Barriereschicht im Rahmen der Herstellungstoleranzen
ausschließlich mit Kohlenstoff dotiert sein. Kohlenstoff kann insbesondere ein p-Dotierstoff für AlyGai-yAszPi-z sein. „Im Rahmen der Herstellungstoleranzen" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass herstellungsbedingte Verunreinigungen eines weiteren, als Dotierstoff wirkenden Materials in der Barriereschicht vorhanden sein können. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils umfasst der Dotierstoff X Magnesium oder ist Magnesium. Die Barriereschicht kann also mit Magnesium dotiert sein. Insbesondere kann die Barriereschicht im Rahmen der Herstellungstoleranzen ausschließlich mit Magnesium dotiert sein. Magnesium kann insbesondere ein p-Dotierstoff für AlyGai-yAszPi-z sein. Es ist insbesondere möglich, dass die Barriereschicht mit Kohlenstoff und Magnesium dotiert ist. Beispielsweise kann die Barriereschicht im Rahmen der Herstellungstoleranzen ausschließlich mit Kohlenstoff und Magnesium dotiert sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils sind die Quantentopfschichten im Rahmen der Herstellungstoleranzen frei von dem Dotierstoff X. Mit anderen Worten, die Quantentopfschichten sind nicht mit dem Dotierstoff X dotiert. Die Quantentopfschichten können insbesondere lediglich herstellungsbedingte Verunreinigungen durch die Dotierstoffatome enthalten. Beispielsweise beträgt die Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffs in der
QuantentopfSchicht höchstens 5*1017/cm3, bevorzugt höchstens l*1017/cm3 und besonders bevorzugt höchstens l*1016/cm3.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils emittiert dieses im Betrieb eine
elektromagnetische Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge von wenigstens 750 nm, bevorzugt wenigstens 850 nm, und höchstens 1000 nm, bevorzugt höchstens 940 nm. Mit anderen Worten, das optoelektronische Halbleiterbauteil emittiert eine
elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Insbesondere kann das
optoelektronische Halbleiterbauteil breitbandige Strahlung emittieren. Mit anderen Worten, eine Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung als Funktion der Wellenlänge kann wenigstens 30 nm, bevorzugt wenigstens 60 nm, betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils weist ein Intensitätssignal während eines Schaltpulses eine Anstiegszeit von höchstens 10 ns, bevorzugt höchstens 7 ns, und/oder eine Abfallzeit von höchstens 12 ns, bevorzugt höchstens 5 ns, auf. Bei einem Schaltpuls kann es sich um eine vorgebbare Zeitdauer zwischen einem
Anschaltvorgang und einem Abschaltvorgang des
optoelektronischen Halbleiterbauteils handeln. Insbesondere handelt sich bei dem Intensitätssignal um die Intensität der während des Schaltpulses im Betrieb des optoelektronischen
Halbleiterbauteils emittierten elektromagnetischen Strahlung als Funktion der Zeit. Bei der Anstiegszeit kann es sich insbesondere um die Zeitdauer handeln, die beim Anschalten des optoelektronischen Halbleiterbauteils erforderlich ist, um das Intensitätssignal von 10 % einer maximalen Intensität zu 90 % der maximalen Intensität zu erhöhen. Ferner kann es sich bei der Abfallzeit um die Zeitdauer handeln, die beim Ausschalten des optoelektronischen Halbleiterbauteils
erforderlich ist, um das Intensitätssignal von 90 % der maximalen Intensität zu 10 % der maximalen Intensität zu reduzieren. Bei der Anstiegszeit beziehungsweise der
Abfallzeit kann es sich insbesondere um die Breite
beziehungsweise Steilheit der steigenden beziehungsweise fallenden Flanke des Intensitätssignals eines Schaltpulses handeln. Ein Schaltpuls des optoelektronischen
Halbleiterbauteils weist somit kurze Schaltzeiten,
insbesondere eine kurze Anstiegszeit und eine kurze
Abfallzeit, auf. Derart kurze Schaltzeiten von optoelektronischen Halbleiterbauteilen können bei Anwendungen im Bereich von Flugzeit-Messungen, beispielsweise für Spielekonsolen,
Kameras, Mobiltelefone, Abstandsmessungen und/oder Autofokus- Messungen, vorteilhaft sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist dieses frei von einem Resonator. Bei dem optoelektronischen Halbleiterbauteil handelt es sich somit insbesondere nicht um eine Laserdiode. Ein Resonator ist insbesondere eine Anordnung von wenigstens zwei Spiegeln, zwischen denen zumindest eine Mode des elektromagnetischen Feldes, insbesondere im sichtbaren Bereich des
elektromagnetischen Spektrums, insbesondere als stehende Welle gespeichert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist die aktive Zone mittels
metallorganischer Gasphasendeposition (MOCVD) oder
metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf die erste Halbleiterschicht aufgewachsen. Mittels MOCVD bzw. MOVPE aufgewachsene Schichten zeichnen sich beispielsweise durch ihre hohe Homogenität über große Flächen hinweg aus. Zudem sind beim Wachstum mittels MOCVD bzw. MOVPE keine
Ultrahochvakuum-Bedingungen notwendig .
Im Folgenden wird das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauteil anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines hier
beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils. Die Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Energiebanddiagramm und einen beispielhaften Verlauf der Dotierstoffkonzentration eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen
optoelektronische Halbleiterbauteils.
Die Figur 3 zeigt ein Intensitätssignal eines Schaltpulses eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen
optoelektronischen Halbleiterbauteils .
Die Figur 4 zeigt Anstiegszeiten beziehungsweise
Abfallzeiten .
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu
betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Anhand der schematischen Schnittdarstellung der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen
optoelektronischen Halbleiterbauteils näher erläutert. Das optoelektronische Halbleiterbauteil umfasst eine erste
Halbleiterschicht 11, eine erste Zwischenschicht 13, eine aktive Zone 2, eine zweite Zwischenschicht 14 und eine zweite Halbleiterschicht 12, die in der soeben angegebenen
Reihenfolge in einer Stapelrichtung z übereinander angeordnet sind. Die aktive Zone 2 grenzt direkt an die erste
Zwischenschicht 13 und an die zweite Zwischenschicht 14 an. Die aktive Zone 2 umfasst eine Vielzahl von
Quantentopfschichten 20 und eine Vielzahl von
Barriereschichten 21, die jeweils zwischen zwei
Quantentopfschichten 20 angeordnet sind.
Die Barriereschichten 21 sind jeweils mit X : AlyGai-yAszPi-z gebildet, wobei X ein Dotierstoff ist. Beispielsweise ist der Dotierstoff X Kohlenstoff und/oder Magnesium. Die
Quantentopfschichten 20 können jeweils mit
InaGai_aAs gebildet sein, wobei 0 -S a -S 1.
An einer der aktiven Zone 2 abgewandten Seite der ersten Halbleiterschicht 11 ist ein Substrat 10 angeordnet, auf dem die erste Halbleiterschicht 11 epitaktisch aufgewachsen ist. Das epitaktische Aufwachsen kann insbesondere mittels MOVPE erfolgen. Beispielsweise ist das Substrat mit Germanium, Silizium und/oder Galliumarsenid gebildet. Alternativ zu dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Substrat 10 in einem Herstellungsverfahren abgelöst wurde und das optoelektronische Halbleiterbauteil kein
Substrat 10 aufweist.
Die Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Energiebanddiagramm und einen beispielhaften Verlauf der Dotierstoffkonzentration eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen
optoelektronische Halbleiterbauteils als Funktion der
Position entlang der Stapelrichtung z in nm. Hierbei ist auf der rechten Ordinatenachse die Energiebandlücke EB in eV aufgetragen, während auf der linken Ordinatenachse die
Dotierstoffkonzentration C in cm-3 aufgetragen ist.
Das optoelektronische Halbleiterbauteil des
Ausführungsbeispiels der Figur 2 weist eine aktive Zone 2 auf, die rein exemplarisch elf Barriereschichten 21 und zwölf Quantentopfschichten 20 umfasst. Die aktive Zone 2 ist von der ersten Zwischenschicht 13 und der zweiten Zwischenschicht 14 begrenzt. Die erste Halbleiterschicht 11 und die zweite Halbleiterschicht 12 sind in der Figur 2 nicht dargestellt.
Die erste Zwischenschicht 13 und die zweite Zwischenschicht 14 weisen jeweils eine hohe Energiebandlücke EB im Bereich von etwa 1,7 bis 1,75 eV auf. Die Energiebandlücke EB der Quantentopfschichten 20 liegt im Bereich von etwa 1,25 bis 1,35 eV und damit deutlich unter der jeweiligen
Energiebandlücke EB der Barriereschichten 21.
Die Barriereschichten 21 weisen eine Dotierstoffkonzentration 21c auf, die in dem in der Figur 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel bei l*1019/cm3 liegt.
Die Figur 3 zeigt ein skizziertes Intensitätssignal eines Schaltpulses eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils. Das Intensitätssignal zeigt die
Intensität I der von dem optoelektronischen Halbleiterbauteil im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung eines Schaltpulses normiert auf das maximale Intensitätssignal Im als Funktion der Zeit t. Zum Zeitpunkt t = 0 wird das
optoelektronische Halbleiterbauteil eingeschaltet. Nach dem Einschalten steigt das Intensitätssignal I als Funktion der Zeit an, verharrt anschließend auf dem Maximalwert Im und fällt anschließend wieder ab. Die Anstiegszeit tr ist hierbei die Zeitdauer, die für ein Ansteigen des Intensitätssignals von I von 10 % des maximalen Intensitätssignals Im zu 90 % des maximalen Intensitätssignals Im benötigt wird. Ferner ist die Abfallzeit tf die Zeitdauer, die für ein Abfallen des Intensitätssignals I von 90 % des maximalen Intensitätssignals Im zu 10 % des maximalen
Intensitätssignals Im benötigt wird.
Die Figur 4 zeigt Schaltzeiten für unterschiedliche
Ausführungsformen eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils. Hierbei sind die Anstiegszeit tr und die Abfallzeit tf für unterschiedliche Messungen Ml, M2, M3 dargestellt. Das optoelektronische Halbleiterbauteil der ersten Messung Ml umfasst zwölf Quantentopfschichten 20. Das jeweilige optoelektronische Halbleiterbauteil der zweiten Messung M2 und der dritten Messung M3 umfasst jeweils 11 Barriereschichten 21.
Die erste Messung Ml zeigt die Anstiegszeit tr und die
Abfallzeit tf eines optoelektronischen Halbleiterbauteils, bei dem die Barriereschichten 21 nicht dotiert sind. Bei der zweiten Messung M2 und bei der dritten Messung M3 sind die Barriereschichten 21 des optoelektronischen
Halbleiterbauteils jeweils p-dotiert. Der Dotierstoff kann beispielsweise Kohlenstoff sein. Die Dotierstoffkonzentration der zweiten Messung M2 beträgt l*1018/cm3. Die
Dotierstoffkonzentration der dritten Messung M3 beträgt l*1019/cm3. Das optoelektronische Halbleiterbauteil der ersten Messung Ml weist eine Anstiegszeit tr von 12,4 ns und eine Abfallzeit tf von 17,1 ns auf. Das optoelektronische Halbleiterbauteil der zweiten Messung M2 weist eine Anstiegszeit tr von 9, 8 ns und eine Abfallzeit tf von 11,7 ns auf. Das optoelektronische Halbleiterbauteil der dritten Messung M3 weist eine
Anstiegszeit tr von 6,9 ns und eine Abfallzeit tf von 4,4 ns auf . Aufgrund der Dotierung der Barriereschichten 21 weist das jeweilige optoelektronische Halbleiterbauteil der zweiten und dritten Messungen M2, M3 reduzierte Schaltzeiten,
insbesondere eine reduzierte Anstiegszeit tr und eine
reduzierte Abfallzeit tf, auf. Die Erhöhung der
Dotierstoffkonzentration bei der dritten Messung M3 im
Vergleich zu der zweiten Messung M2 führt zu einer weiteren Reduktion der Schaltzeiten tr, tf. Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 102015109793.1, deren Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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.
Bezugs zeichenliste :
10 Substrat
11 erste Halbleiterschicht
12 zweite Halbleiterschicht
13 erste Zwischenschicht
14 zweite Zwischenschicht
2 aktive Zone
20 QuantentopfSchicht
21 BarriereSchicht
21c Dotierstoffkonzentration in der Barriereschicht tr Anstiegszeit
tf Abfallzeit
Im maximales Intensitätssignal
I Intensitätssignal
EB Energiebandlücke
c Dotierstoffkonzentration
Ml erste Messung
M2 zweite Messung
M3 dritte Messung
z Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche :
1. Optoelektronisches Halbleiterbauteil, umfassend
- eine auf einer ersten Halbleiterschicht (11)
epitaktisch aufgewachsene aktive Zone (2) mit
- zumindest zwei Quantentopfschichten (20) und
- zumindest einer zwischen den zumindest zwei
Quantentopfschichten (20) angeordneten Barriereschicht (21) , wobei
- die Barriereschicht (21) mit X: AlyGai-yAszPi-z, wobei
0 < γ < 1 und 0 -S z < 1, gebildet ist, wobei X ein
Dotierstoff ist.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach dem vorherigen Anspruch,
bei dem die Barriereschicht (21) p-dotiert ist.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der
vorherigen Ansprüche,
bei dem eine Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffs X in der Barriereschicht (21) wenigstens 5*1017/cm3, bevorzugt l*1018/cm3, und höchstens l* 1020/cm3, bevorzugt 5*1019/cm3, beträgt.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei der Dotierstoff X Kohlenstoff umfasst oder ist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei der Dotierstoff X Magnesium umfasst oder ist.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Quantentopfschichten (20) im Rahmen der
Herstellungstoleranzen frei von dem Dotierstoff X sind.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der
vorherigen Ansprüche,
das im Betrieb eine elektromagnetische Strahlung mit einer Peak-Wellenlänge von wenigstens 750 nm, bevorzugt wenigstens 850 nm, und höchstens 1000 nm, bevorzugt höchstens 940 nm, beträgt.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der
vorherigen Ansprüche,
bei dem ein Intensitätssignal während eines Schaltpulses eine Anstiegszeit (tr) von höchstens 10 ns und/oder eine Abfallzeit (tf) von höchstens 12 ns aufweist.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der
vorherigen Ansprüche,
das frei von einem Resonator ist.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauteil nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die aktive Zone (2) mittels metallorganischer
Gasphasendeposition (MOCVD) oder metallorganischer
Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf die erste Halbleiterschicht (11) aufgewachsen ist.
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