WO2020144048A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement mit mehrfach-quantentopfstruktur und optoelektronische halbleitervorrichtung - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement mit mehrfach-quantentopfstruktur und optoelektronische halbleitervorrichtung Download PDF

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Stefan HECKELMANN
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/811—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10H20/811—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
    • H10H20/812—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures

Definitions

  • a light emitting diode is a light-emitting device that is based on semiconductor materials.
  • An LED usually comprises differently doped semiconductor layers and an active zone. When electrons and holes recombine with each other in the area of the active zone, for example when an appropriate voltage is applied, electromagnetic radiation is generated.
  • the active zone can have a single quantum well structure or a multiple quantum well structure. According to concepts, different quantum wells, each with different electron-hole transition energy, can be combined within an active zone.
  • the present invention has for its object to provide an improved optoelectronic semiconductor device and a method for producing an improved optoelectronic semiconductor device.
  • the object is achieved by the subject matter and the method of the independent claims.
  • An optoelectronic semiconductor component comprises an active zone which has a multiple quantum well structure for generating electromagnetic radiation by electron-hole recombination.
  • the multiple quantum well structure contains a large number of identical unit cells arranged one above the other.
  • Each unit cell has a first quantum well layer, which is arranged between two barrier layers, and a second quantum well layer, which is arranged between two barrier layers. At least one electron-hole transition energy of the first quantum well layer is different from electron-hole transition energies of the second quantum well layer.
  • At least one of the barrier layers, between which the first or the second quantum well layer is arranged, can itself be part of the unit cell.
  • this barrier layer can also be part of an adjacent unit cell.
  • each unit cell has a third quantum well layer, which is arranged between two barrier layers.
  • the third quantum well layer has at least one electron-hole transition energy which is different from the electron-hole transition energies of the first and second quantum well layers.
  • a number of first quantum well layers is different from a number of second quantum well layers in the unit cell.
  • a number of first quantum well layers is equal to a number of second quantum well layers in the unit cell.
  • a lower barrier layer that adjoins a first side of the first quantum well layer can be different from an upper barrier layer that adjoins a second side of the first quantum well layer.
  • a lower barrier layer, which adjoins a first side of the first quantum well layer can be identical to an upper barrier layer.
  • the upper barrier layer is adjacent to a second side of the first quantum well layer. In this case, both the upper and the lower barrier layer represent a first barrier layer.
  • a number of unit cells arranged one above the other can be greater than 10.
  • the plurality of unit cells arranged one above the other can form a superlattice structure.
  • the first quantum well layer can be suitable for emitting electromagnetic radiation of a first wavelength
  • the second quantum well layer can be suitable for emitting electromagnetic radiation of a second wavelength.
  • a difference between the first wavelength and the second wavelength can be less than 100 nm.
  • the range of wavelengths emitted by the first quantum well layer can overlap at room temperature (20 ° C.) with the range of wavelengths emitted by the second quantum well layer.
  • a material of the quantum well layers can contain GaAs or GaP.
  • An optoelectronic semiconductor device comprises a first optoelectronic semiconductor component as described above wrote and a second optoelectronic semiconductor device.
  • the first and second optoelectronic semiconductor components are stacked one above the other and electrically connected to one another via a tunnel contact.
  • the second semiconductor component has a quantum well layer, at least one electron-hole transition energy of the quantum well layer of the second semiconductor component being different from electron-hole transition energies of the first and second quantum well layers.
  • An optoelectronic semiconductor device comprises a multiplicity of optoelectronic semiconductor components as described above.
  • the optoelectronic semiconductor components are stacked one above the other and electrically connected to one another via tunnel contacts.
  • the optoelectronic semiconductor device can be a light source, for example a light emitting diode.
  • FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of an active zone of an optoelectronic semiconductor component according to embodiments.
  • FIG. 1B shows a schematic view of an active zone of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments.
  • FIG. IC shows a schematic cross-sectional view of an active zone of an optoelectronic semiconductor component according to further embodiments.
  • FIG. ID shows a schematic cross-sectional view of an active zone according to further embodiments.
  • FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component.
  • FIG. 2B shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor device in accordance with embodiments.
  • FIG. 2C shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor device according to further embodiments.
  • Wafer or “semiconductor substrate” used in the following description may include any semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafers and structures are to be understood to include doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers, optionally supported by a base, and other semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material can be grown on a growth substrate made of a second semiconductor material or of an insulating material, for example on a sapphire substrate. Other examples of materials for growth substrates include glass, silicon dioxide, quartz or a ceramic.
  • the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • suitable semiconductor materials include, in particular, nitride semiconductor compounds, by means of which, for example, ultra violet, blue or longer-wave light can be generated, such as, for example, GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, Al-GalnBN, phosphide semiconductor compounds , through the wise green or longer-wave light can be generated, such as GalnAsP, AlGalnP, GalnP, GaP, AlGaP, as well as other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga 2Ü3 , diamond, hexagonal BN and combinations of the above Materials.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary. Further examples of semiconductor materials can include silicon, silicon germanium and germanium. In the context of the present
  • substrate generally encompasses insulating, conductive or semiconductor substrates.
  • lateral and horizontal are intended to describe an orientation or alignment that is essentially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
  • the horizontal direction can lie, for example, in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • vertical is intended to describe an orientation which is essentially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can, for example, correspond to a growth direction when layers are grown.
  • electrically connected means a low-resistance electrical connection between the connected elements.
  • the electrically connected elements do not necessarily have to be connected directly to one another. Further elements can be arranged between electrically connected elements.
  • electrically connected also includes tunnel contacts between the connected elements.
  • an optoelectronic semiconductor component has an active zone 115 which has a multiple quantum well structure for generating electromagnetic radiation by electron-hole recombination.
  • the multiple quantum well structure has several different quantum well structures.
  • a quantum well structure can have, for example, partial layers with different electrical band gaps, the corresponding partial layers being stacked one above the other in the vertical direction.
  • a material with a smaller band gap can be arranged between and adjoin two barrier layers with a larger band gap. If the thickness of the part layer with the smaller band gap lies in the range of the de Broglie wavelength of the charge carriers, the energy states within the layer with the smaller band gap are quantized, and a quantum well structure is formed.
  • the quantization can be in one spatial direction.
  • the term "quantum well structure" has no significance with regard to the dimensionality of the quantization. It therefore includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • the energy states or energy levels can depend on the one hand on a composition or a composition ratio of the quantum well layer with a smaller band gap. Furthermore, the energy levels can depend on a layer thickness of the quantum well layer. In addition, the energy levels are also influenced by the composition of the barrier layers. In the case of a multiple quantum well structure, quantum well layers with partly different energy levels are now provided, so that electromagnetic radiation with a different wavelength in each case can be emitted from the different quantum wells. In general, a multiple quantum well structure can have quantum well layers with the same energy levels, provided that at least one quantum well layer of the multiple quantum well structure has different energy levels.
  • At least one electron-hole transition energy for example a first quantum well layer
  • electron-hole transition energies for example a second quantum well layer.
  • the electron-hole transition energy of a main emission or a predominantly emitted radiation of the first quantum well layer can differ from the electron-hole transition energy of the main emission of the second quantum well layer.
  • the active zone 115 comprises, for example, a multiplicity of identical unit cells 125 arranged one above the other.
  • Each unit cell comprises a first quantum well layer 127, which is arranged between two barrier layers 128, 130, 134, 135.
  • Each unit cell also has a second quantum well layer 129, which is arranged in each case between two barrier layers 130, 128.
  • At least one electron-hole transition energy of the first quantum well layer 127 differs from electron-hole transition energies of the second quantum well layer 129. Accordingly, the first and the second quantum well layers differ in at least one electron-hole transition energy.
  • the multiple quantum well structure can have at least five or ten, for example more than 20 or more than 30, unit cells 125 arranged one above the other.
  • the plurality of unit cells arranged one above the other can form a superlattice structure. That is, the unit cells 125 arranged one above the other form a periodic arrangement.
  • a lower barrier layer 134, 128 can adjoin a first side of the first quantum well layer 127.
  • an upper barrier layer 135, 130 adjoins a second side of the first quantum well layer 127.
  • the lower barrier layer 134 can each be a first barrier layer 128, and the upper barrier layer 135 can be a second barrier layer 130.
  • the first and second barrier layers can each be different from one another.
  • a second barrier layer 130 can adjoin a first side of the second quantum well layer 129 and a first barrier layer 128 adjoins a second side of the second quantum well layer 129.
  • the optoelectronic semiconductor component can be suitable for emitting electromagnetic radiation by spontaneous emission.
  • the optoelectronic semiconductor device can for example be a light emitting diode.
  • the individual quantum well and barrier layers can be based on the phosphide and / or arsenide material system.
  • the material of the quantum well layers can each contain (Al) GalnAs or (Al) GaAs.
  • the material of the respective barrier layers can contain (Al) GaAs or (Al) GaAsP.
  • the material of the quantum well layers can each contain (Al) GalnP or (Al) GalnAsP.
  • the material of the respective barrier layers can contain (Al) GalnP or AllnP.
  • quantum well and barrier layers can be selected such that a difference in the emitted wavelengths of the two quantum wells is not greater than approximately 100 nm or 60 nm or, for example, less than approximately 45 nm.
  • This difference relates to the electron-hole transition energy of the ground states in the conduction and valence band.
  • An excessively large difference in the emitted wavelengths means a correspondingly large difference between the ground states in the conduction band and the valence band in the quantum well layers. As a result, the likelihood of presence for charge carriers in the quantum well layer with the larger lowest energy level and thus the emission probability for the shorter wavelength is reduced.
  • the quantum well layers can have, for example, a layer thickness in the range from 2 to 10 nm.
  • a layer thickness of the barrier layers can be in a range from 3 to 50 nm.
  • further quantum well layers can be arranged between the first and the second quantum well layers 127, 129 within a unit cell.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of part of an active zone 115 of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments.
  • each unit cell can additionally have a third quantum well layer 131, which is in each case arranged between two barrier layers.
  • the third quantum well layer 131 can be arranged between a second barrier layer 130 and a third barrier layer 132.
  • the third quantum well layer 131 can also be arranged between two third barrier layers 132.
  • each unit cell 125 can have exactly a first quantum well layer 127, a second quantum well layer 129 and a third quantum well layer 131, the corresponding quantum well layers being arranged in each case between suitable barrier layers.
  • FIG. IC shows a schematic cross-sectional view of an active zone 115 of a semiconductor component in accordance with further embodiments.
  • each unit cell has a sequence of first quantum well layer 127, second quantum well layer 129, third quantum well layer 131 and a fourth quantum well layer.
  • a smallest electron-hole transition energy of the fourth quantum well layer can equal a smallest electron-hole transition energy of the second quantum well. be pot layer.
  • the fourth quantum well layer is designated by 129.
  • Each of the quantum well layers is arranged between two barrier layers. In this way, several quantum well layers that emit electromagnetic radiation of the same wavelength can be accommodated in a unit cell 125. Accordingly, the light mission is amplified with an energy that corresponds to the second quantum well layer 129.
  • a lower barrier layer 134, 128 of the first quantum well layer 127 can be different from the upper barrier layer 135, 130.
  • a lower barrier layer 130 (second barrier layer) of the second quantum well layer 129 is also different from the upper barrier layer 128 (first barrier layer).
  • the lower barrier layer 132 (third barrier layer) of the third quantum well layer 131 can also differ from the upper barrier layer 130 (second barrier layer).
  • each barrier layer can be reduced, for example halved.
  • a barrier layer of the same type can be arranged adjacent to each of the two sides of the quantum well layers.
  • a first barrier layer 128 can be arranged on both sides of the first quantum well layer 127, for example.
  • a second barrier layer 130 is arranged on both sides of the second quantum well layer 129.
  • a third barrier layer 132 can also be arranged on both sides of the third quantum well layer 130. Because the layer thicknesses of the respective barrier layers are opposite For example, if the arrangement shown in FIGS.
  • the overall layer thickness of the barrier layers is changed only insignificantly or not at all. Because the lower barrier layer 134 is identical to the upper barrier layer 135, the energy levels within the quantum well layers can be set more precisely. In particular, when using more complicated unit cells 125, the energy levels can be set more precisely.
  • the arrangement of the individual quantum well layers described in the active zone 115 makes it possible to provide an optoelectronic semiconductor component which can emit a multiplicity of different wavelengths. Because the different quantum wells and barrier layers are arranged periodically, a single superlattice arises within this periodic arrangement in the active zone 115. When examining the active zone with X-ray diffraction or X-ray diffractometry, signals can be determined that correspond to this superlattice. For example, the superlattice period and the total tension of the unit cell can be determined accordingly for the superlattice.
  • the number of the individual quantum well structures and / or their numerical ratios can provide a reliable statement about the stress in the layer stack. If, for example, the total tension of the layer stack for generating the active zone 115 deviates too much from that of the substrate, dislocations can occur when the layer stack grows. Three-dimensional growth can also occur, causing roughening. Because the total bracing can be determined more precisely by means of X-ray diffractometry, better process control and Litigation take place. As a result, the tension can be adjusted within the layer stack, which ultimately improves the efficiency of the optoelectronic semiconductor components.
  • FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component 10 in accordance with embodiments.
  • An optoelectronic semiconductor component 10 comprises, for example, a first semiconductor layer 110 of a first conductivity type, for example n-type, an active zone 115, and a second semiconductor layer 120 of a second conductivity type, for example p-type.
  • the first semiconductor layer 110, the active zone 115 and the second semiconductor layer 120 can form a layer stack.
  • the active zone 115 can be constructed as explained with reference to FIGS. 1A to ID.
  • the semiconductor layer stack which contains the first semiconductor layer 110, the active zone 115 and the second semiconductor layer 120, can be arranged over a suitable substrate 100.
  • Additional layers can be arranged between the substrate 100 and the semiconductor layers.
  • the substrate can be insulating or electrically conductive, for example.
  • a first contact element 112 can be electrically conductively connected to the first semiconductor layer 110.
  • a second contact element 122 can be electrically conductively connected to the second semiconductor layer 120.
  • the first semiconductor layer 110 can be connected to the first contact element 112 via the electrically conductive substrate 100.
  • electrical contact of the second semiconductor layer 120 with the second contact element 122 can also take place in a manner other than that shown in FIG. 2A.
  • the first and second semiconductor layers 110, 120 can contain AlGaAs.
  • GalnAs can be used as the quantum well material and GaAsP as the barrier material.
  • the first and second semiconductor layers 110, 120 may contain AlGalnP.
  • AlGalnP is used as the material system for the first and second semiconductor layers 110, 120, for example, the quantum well layer and also the barrier layer can be constructed from AlGalnP.
  • compressive or tensile stresses can be specifically set by setting the deposition parameters. This compensates for tensions that naturally occur when the respective layers are applied over a substrate.
  • FIG. 2B shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic device 21 according to embodiments.
  • the optoelectronic device 21 has a first optoelectronic semiconductor component as described above and a second optoelectronic semiconductor component 11.
  • the first and second optoelectronic semiconductor components 10, 11 are stacked one above the other and electrically connected to one another.
  • the second semiconductor component 11 has a quantum well layer 141.
  • at least one electron-hole transition energy of the quantum well layer 141 of the second semiconductor component 11 is different from electron-hole transition energies of the first and second quantum well layers 127, 129.
  • At least one electron-hole transition energy of the first quantum well layer 127 of electron-hole transition energies of the quantum well layer 141 of the second semiconductor component 11 may be different.
  • At least one electron-hole transition energy of the second quantum well layer 129 can be different from electron-hole transition energies of the quantum well layer 141 of the second semiconductor component 11.
  • the second semiconductor component 11 can have, for example, a multiplicity of quantum well layers 141.
  • the quantum well layer (s) 141 of the second semiconductor component 11 are arranged between barrier layers 142.
  • the first and second optoelectronic semiconductor components 10, 11 can be electrically connected to one another via a tunnel contact 103.
  • a tunnel contact 103 can have a p ++ -doped layer and an n ++ -doped layer, so that a tunnel diode is formed.
  • the optoelectronic device 21 or the second optoelectronic semiconductor component 11 can furthermore comprise a suitable substrate 100. Additional layers can be arranged between the substrate 100 and the semiconductor layers.
  • a first contact element 112 can be electrically conductively connected to the first semiconductor layer 110.
  • a second contact element 122 can be electrically conductively connected to the second semiconductor layer 120.
  • the first semiconductor layer 110 of the first optoelectronic semiconductor component 10 can in each case be identical to or different from the first semiconductor layer of the second optoelectronic semiconductor component 11.
  • the second semiconductor layer 120 of the first optoelectronic semiconductor component 10 can in each case be identical to or different from the second semiconductor layer of the second optoelectronic semiconductor component 11.
  • the first and the second semiconductor component 10, 11 can each be based on the same material system.
  • the quantum well layer 141 and the quantum well layers 127, 129 of the second semiconductor component 11 can differ in at least one electron-hole transition energy. For example, this difference can be greater than 50 or 100 nm. In this way, an optoelectronic device can be provided which can emit electromagnetic radiation in a wavelength range in which a difference between the minimum and maximum wavelength is greater than 50 or 100 nm, for example, without the problem of the intensity shift described above occurring.
  • FIG. 2C shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic device 20 according to further embodiments.
  • the optoelectronic semiconductor device 20 has a multiplicity of optoelectronic semiconductor components 10 as described above.
  • the optoelectronic semiconductor device 20 can comprise more than 2 optoelectronic semiconductor components 10.
  • the optoelectronic semiconductor devices 10 can each be different or identical.
  • the optoelectronic semiconductor components 10 can, for example, be stacked one above the other and be electrically connected to one another.
  • the optoelectronic semiconductor components 10 can be connected to one another via tunnel contacts 103 as described above.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 or the optoelectronic semiconductor device 20 can be used, for example, as an IR broadband emitter, as a broadband light source or as a light-emitting diode.
  • the light emitting diode can emit electromagnetic radiation in a spectral range from 650 to 1200 nm.

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Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) weist eine aktive Zone (115) auf, die eine Mehrfachquantentopfstruktur zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Elektron-Loch-Rekombination enthält. Die Mehrfachquantentopfstruktur umfasst eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Einheitszellen (125). Jede Einheitszelle (125) weist eine erste Quantentopfschicht (127), die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten (128, 130) angeordnet ist, und eine zweite Quantentopfschicht (129), die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten (128, 130) angeordnet ist, auf. Mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten Quantentopfschicht (127) ist von Elektron-Loch-Übergangsenergien der zweiten Quantentopfschicht (129) verschieden.

Description

OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT MIT MEHRFACH
QUANTENTOPFSTRUKTUR UND OPTOELEKTRONISCHE
HALBLEITERVORRICHTUNG
BESCHREIBUNG
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 100 625.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Eine Leuchtdiode (LED) ist eine lichtemittierende Vorrichtung, die auf Halbleitermaterialien basiert. Üblicherweise umfasst eine LED unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten sowie eine aktive Zone. Wenn Elektronen und Löcher miteinander im Bereich der aktiven Zone rekombinieren, beispielsweise, wenn eine entsprechende Spannung angelegt wird, wird elektromagne tische Strahlung erzeugt. Dabei kann die aktive Zone eine Ein- fach-QuantentopfStruktur oder eine Mehrfach- QuantentopfStruktur aufweisen. Gemäß Konzepten können inner halb einer aktiven Zone verschiedene Quantentöpfe mit jeweils unterschiedlicher Elektron-Loch-Übergangsenergie miteinander kombiniert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten optoelektroni schen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Zusammenfassung Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst eine akti ve Zone, die eine MehrfachquantentopfStruktur zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Elektron-Loch- Rekombination aufweist. Die MehrfachquantentopfStruktur ent hält eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Einheitszellen. Jede Einheitszelle weist eine erste Quanten topfschicht, die zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist, und eine zweite QuantentopfSchicht, die zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist, auf. Mindestens eine Elekt- ron-Loch-Übergangsenergie der ersten QuantentopfSchicht ist von Elektron-Loch-Übergangsenergien der zweiten Quantentopf schicht verschieden.
Beispielsweise kann mindestens eine der Barrierenschichten, zwischen denen die erste oder die zweite QuantentopfSchicht angeordnet ist, selbst Teil der Einheitszelle sein. Gemäß wei teren Ausführungsformen kann diese Barrierenschicht auch Teil einer benachbarten Einheitszelle sein.
Gemäß Ausführungsformen weist jede Einheitszelle eine dritte QuantentopfSchicht auf, die zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet ist. Die dritte QuantentopfSchicht hat mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie, die von den Elektron- Loch-Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopf schichten verschieden ist.
Gemäß Ausführungsformen ist in der Einheitszelle eine Anzahl an ersten Quantentopfschichten von einer Anzahl an zweiten Quantentopfschichten verschieden. Gemäß weiteren Ausführungs formen ist in der Einheits zelle eine Anzahl an ersten Quanten topfschichten gleich einer Anzahl an zweiten Quantentopf schichten . Beispielsweise kann eine untere Barrierenschicht, die an eine erste Seite der ersten QuantentopfSchicht angrenzt, von einer oberen Barrierenschicht, die an eine zweite Seite der ersten QuantentopfSchicht angrenzt, verschieden sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann eine untere Barrierenschicht, die an eine erste Seite der ersten QuantentopfSchicht angrenzt, iden tisch zu einer oberen Barrierenschicht sein. Die obere Barrie renschicht grenzt an eine zweite Seite der ersten Quantentopf schicht an. In diesem Fall stellen sowohl die obere als auch die untere Barrierenschicht eine erste Barrierenschicht dar.
Beispielsweise kann eine Anzahl von übereinander angeordneten Einheitszellen größer als 10 sein. Die Vielzahl übereinander angeordneter Einheitszellen kann eine Übergitterstruktur aus bilden .
Beispielsweise kann die erste QuantentopfSchicht geeignet sein, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu emittieren, und die zweite QuantentopfSchicht kann geeignet sein, elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge zu emittieren. Dabei kann eine Differenz zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge kleiner als 100 nm sein .
Beispielsweise kann der Bereich der Wellenlängen, die von der ersten QuantentopfSchicht emittiert werden, bei Raumtemperatur (20°C) mit dem Bereich der Wellenlängen, die von der zweiten QuantentopfSchicht emittiert werden, überlappen.
Ein Material der Quantentopfschichten kann GaAs oder GaP ent halten .
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst ein ers tes optoelektronisches Halbleiterbauelement wie vorstehend be- schrieben sowie ein zweites optoelektronisches Halbleiterbau element. Das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbau element sind übereinander gestapelt und über einen Tunnelkon takt miteinander elektrisch verbunden. Das zweite Halbleiter bauelement weist eine QuantentopfSchicht auf, wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der QuantentopfSchicht des zweiten Halbleiterbauelements von Elektron-Loch- Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopfschichten verschieden ist.
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen wie vorstehend beschrieben. Die optoelektronischen Halbleiterbau elemente sind übereinander gestapelt und über Tunnelkontakte miteinander elektrisch verbunden. Beispielsweise kann die optoelektronische Halbleitervorrichtung eine Lichtquelle, bei spielsweise eine Leuchtdiode sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus führungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschau lichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Be schreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittel bar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht not wendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechen de Elemente und Strukturen.
Figur 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ak tiven Zone eines optoelektronischen Halbleiterbauelements ge mäß Ausführungsformen . Figur 1B zeigt eine schematische Ansicht einer aktiven Zone eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen .
Figur IC zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ak tiven Zone eines optoelektronischen Halbleiterbauelements ge mäß weiteren Ausführungsformen .
Figur ID zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ak tiven Zone gemäß weiteren Ausführungsformen .
Figur 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements .
Figur 2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsfor men .
Figur 2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Aus führungsformen .
Detailbeschreibung
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorder seite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Fi guren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschrän kend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Be reich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halb leiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basis unterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Bei spielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermate rial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleiter material oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein. Weitere Beispiele für Materialien von Wachstumssubstraten umfassen Glas, Silizi umdioxid, Quarz oder eine Keramik.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direk ten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Bei spiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung beson ders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultra violettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, Al- GalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispiels- weise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GalnAsP, AlGalnP, GalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variie ren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Sili zium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halblei ter" auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Be schreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrich tung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder ei nes Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwen det wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentli chen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann bei spielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Soweit hier die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weite ren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die un bestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusam menhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbin dung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch ver bundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt mitei nander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden" umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
Wie im Folgenden erläutert werden wird, weist ein optoelektro nisches Halbleiterbauelement eine aktive Zone 115 auf, die ei ne Mehrfach-QuantentopfStruktur zur Erzeugung elektromagneti scher Strahlung durch Elektron-Loch-Rekombination aufweist. Die Mehrfach-QuantentopfStruktur weist dabei mehrere verschie dene QuantentopfStrukturen auf. Eine QuantentopfStruktur kann beispielsweise Teilschichten mit unterschiedlichen elektri schen Bandlücken aufweisen, wobei die entsprechenden Teil schichten in vertikaler Richtung übereinander gestapelt sind. Beispielweise kann ein Material einer kleineren Bandlücke zwi schen zwei Barrierenschichten mit größerer Bandlücke angeord net sein und an diese angrenzen. Liegt die Dicke der Teil schicht mit der kleineren Bandlücke im Bereich der de-Broglie- Wellenlänge der Ladungsträger, so sind die Energiezustände in nerhalb der Schicht mit der kleineren Bandlücke quantisiert, und es bildet sich eine QuantentopfStruktur aus. Beispielswei se kann die Quantisierung in einer Raumrichtung vorliegen. Ge- nerell entfaltet die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Dabei können die Energiezustände oder Energieniveaus einer seits von einer Zusammensetzung oder einem Zusammensetzungs verhältnis der QuantentopfSchicht mit kleinerer Bandlücke ab- hängen. Weiterhin können die Energieniveaus von einer Schicht dicke der QuantentopfSchicht abhängen. Zusätzlich werden die Energieniveaus auch von einer Zusammensetzung der Barrieren schichten beeinflusst. Bei einer Mehrfach-QuantentopfStruktur sind nun Quantentopfschichten mit teils unterschiedlichen Energieniveaus vorgesehen, so dass aus den unterschiedlichen Quantentöpfen elektromagnetische Strahlung mit jeweils ver schiedener Wellenlänge emittiert werden kann. Generell kann eine Mehrfach-QuantentopfStruktur Quantentopfschichten mit gleichen Energieniveaus aufweisen, sofern mindestens eine QuantentopfSchicht der Mehrfach-QuantentopfStruktur unter schiedliche Energieniveaus aufweist. Dies hat zur Folge, dass mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie beispielsweise einer ersten QuantentopfSchicht von Elektron-Loch- Übergangsenergien beispielsweise einer zweiten Quantentopf schicht verschieden ist. Dies kann dadurch realisiert sein, dass zumindest ein Energieniveau, beispielsweise das niedrigs te Energieniveau, der ersten QuantentopfSchicht von einem ent sprechenden Energieniveau, beispielsweise dem niedrigsten, der zweiten QuantentopfSchicht, verschieden ist. Insbesondere kann die Elektron-Loch-Übergangsenergie einer Hauptemission oder einer vorwiegend emittierten Strahlung der ersten Quantentopf schicht von der Elektron-Loch-Übergangsenergie der Hauptemis sion der zweiten QuantentopfSchicht verschieden sein. Wie in Figur 1A veranschaulicht ist, umfasst die aktive Zone 115 beispielsweise eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Einheitszellen 125. Jede Einheitszelle umfasst ei ne erste QuantentopfSchicht 127, die zwischen zwei Barrieren schichten 128, 130, 134, 135 angeordnet ist. Jede Einheitszel le weist ferner eine zweite QuantentopfSchicht 129 auf, die jeweils zwischen zwei Barrierenschichten 130, 128 angeordnet ist. Dabei ist mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten QuantentopfSchicht 127 von Elektron-Loch- Übergangsenergien der zweiten QuantentopfSchicht 129 verschie den. Entsprechend unterscheiden sich die erste und die zweite QuantentopfSchicht in mindestens einer Elektron-Loch- Übergangsenergie .
Beispielsweise kann die Mehrfach-QuantentopfStruktur mindes tens fünf oder zehn, beispielsweise mehr als 20 oder mehr als 30 übereinander angeordnete Einheitszellen 125 aufweisen. Bei spielsweise kann die Vielzahl übereinander angeordneter Ein heitszellen eine Übergitterstruktur ausbilden. Das heißt, durch die übereinander angeordneten Einheitszellen 125 wird eine periodische Anordnung ausgebildet.
Wie in Figur 1A dargestellt ist, kann beispielsweise eine un tere Barrierenschicht 134, 128 an eine erste Seite der ersten QuantentopfSchicht 127 angrenzen. Weiterhin grenzt eine obere Barrierenschicht 135, 130 an eine zweite Seite der ersten QuantentopfSchicht 127 an. Dabei kann beispielsweise die unte re Barrierenschicht 134 jeweils eine erste Barrierenschicht 128 sein, und die obere Barrierenschicht 135 kann eine zweite Barrierenschicht 130 sein. Die erste und die zweite Barrieren schicht können jeweils voneinander verschieden sein. In ent sprechender Weise kann an eine erste Seite der zweiten Quan tentopfschicht 129 eine zweite Barrierenschicht 130 angrenzen und an eine zweite Seite der zweiten QuantentopfSchicht 129 grenzt eine erste Barrierenschicht 128 an.
Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement geeignet sein, elektromagnetische Strahlung durch spontane Emission zu emittieren. Das optoelektronische Halbleiterbau element kann beispielsweise eine Leuchtdiode sein.
Generell können die einzelnen Quantentopf- und Barrieren schichten auf dem Phosphid- und/oder Arsenid-Materialsystem basieren. Beispielsweise kann das Material der Quantentopf schichten jeweils (Al)GalnAs oder (Al)GaAs enthalten. Das Ma terial der jeweiligen Barrierenschichten kann (Al)GaAs oder (Al)GaAsP enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Material der Quantentopfschichten jeweils (Al)GalnP oder (Al)GalnAsP enthalten. Das Material der jeweiligen Barrieren schichten kann (Al)GalnP oder AllnP enthalten. Beispielsweise können Quantentopf- und Barrierenschichten derart ausgewählt sein, dass eine Differenz der emittierten Wellenlängen der beiden Quantentöpfe nicht größer als etwa 100 nm oder 60 nm oder beispielsweise kleiner als etwa 45 nm ist. Dabei bezieht sich diese Differenz jeweils auf die Elektron-Loch- Übergangsenergie der Grundzustände in Leitungs- und Valenz band. Ein zu großer Unterschied der emittierten Wellenlängen bedeutet einen entsprechend großen Unterschied zwischen je weils den Grundzuständen im Leitungs- und Valenzband in den Quantentopfschichten . Als Folge wird die Aufenthaltswahr scheinlichkeit für Ladungsträger in der QuantentopfSchicht mit dem größeren niedrigsten Energieniveau und damit die Emissi onswahrscheinlichkeit für die kürzere Wellenlänge verringert. Entsprechend findet eine ungleiche Verteilung der Intensitäten der durch die jeweiligen Quantentopfschichten emittierten elektromagnetischen Strahlung statt, und die Emissionswellen länge des optoelektronischen Halbleiterbauelements wird zu sehr in Richtung der längeren Wellenlänge verschoben. Die Quantentopfschichten können beispielsweise eine Schichtdi cke im Bereich von 2 bis 10 nm aufweisen. Eine Schichtdicke der Barrierenschichten kann in einem Bereich von 3 bis 50 nm liegen .
Gemäß Ausführungsformen können innerhalb einer Einheitszelle weitere Quantentopfschichten zwischen der ersten und der zwei ten QuantentopfSchicht 127, 129 angeordnet sein.
Figur 1B zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer ak tiven Zone 115 eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen . Wie in Figur 1B dargestellt ist, kann jede Einheitszelle zusätzlich eine dritte Quanten topfschicht 131 aufweisen, die jeweils zwischen zwei Barrie renschichten angeordnet ist. Beispielsweise kann die dritte QuantentopfSchicht 131 zwischen einer zweiten Barrierenschicht 130 und einer dritten Barrierenschicht 132 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die dritte Quantentopf schicht 131 auch zwischen zwei dritten Barrierenschichten 132 angeordnet sein. Gemäß Ausführungsformen kann jede Einheits zelle 125 genau eine erste QuantentopfSchicht 127, eine zweite QuantentopfSchicht 129 und eine dritte QuantentopfSchicht 131 aufweisen, wobei die entsprechenden Quantentopfschichten je weils zwischen geeigneten Barrierenschichten angeordnet sind.
Figur IC zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ak tiven Zone 115 eines Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungsformen. Hier weist jede Einheitszelle eine Abfolge von erster QuantentopfSchicht 127, zweiter QuantentopfSchicht 129, dritter QuantentopfSchicht 131 sowie einer vierten Quanten topfschicht auf. Dabei kann eine kleinste Elektron-Loch- Übergangsenergie der vierten QuantentopfSchicht gleich einer kleinsten Elektron-Loch-Übergangsenergie der zweiten Quanten- topfschicht sein. Aus diesem Grund ist die vierte Quantentopf schicht mit 129 bezeichnet. Jede der Quantentopfschichten ist jeweils zwischen zwei Barrierenschichten angeordnet. Auf diese Weise lassen sich in einer Einheitszelle 125 mehrere Quanten topfschichten unterbringen, die elektromagnetische Strahlung gleicher Wellenlänge emittieren. Entsprechend wird die Lichte mission mit einer Energie, die der zweiten QuantentopfSchicht 129 entspricht, verstärkt.
Gemäß Ausführungsformen, die beispielsweise in den Figuren 1A bis IC veranschaulicht sind, kann eine untere Barrierenschicht 134, 128 der ersten QuantentopfSchicht 127 von der oberen Bar rierenschicht 135, 130 verschieden sein. In entsprechender Weise ist auch eine untere Barrierenschicht 130 (zweite Barri erenschicht) der zweiten QuantentopfSchicht 129 verschieden von der oberen Barrierenschicht 128 (erste Barrierenschicht) . In entsprechender Weise kann, wie in Figur 1B dargestellt ist, auch die untere Barrierenschicht 132 (dritte Barrierenschicht) der dritten QuantentopfSchicht 131 von der oberen Barrieren schicht 130 (zweite Barrierenschicht) verschieden sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann beispielsweise die Schichtdicke einer jeden Barrierenschicht verringert, bei spielsweise halbiert werden. Weiterhin kann angrenzend an jede der beiden Seiten der Quantentopfschichten jeweils eine Barri erenschicht des gleichen Typs angeordnet sein. Wie in Figur ID dargestellt ist, kann beispielweise eine erste Barrieren schicht 128 jeweils auf beiden Seiten der ersten Quantentopf schicht 127 angeordnet sein. Entsprechend ist eine zweite Bar rierenschicht 130 jeweils auf beiden Seiten der zweiten Quan tentopfschicht 129 angeordnet. Darüber hinaus kann auch je weils eine dritte Barrierenschicht 132 auf beiden Seiten der dritten QuantentopfSchicht 130 angeordnet sein. Dadurch, dass die Schichtdicken der jeweiligen Barrierenschichten gegenüber beispielweise den in den Figuren 1A bis IC gezeigten Anordnung verringert, beispielsweise halbiert sind, wird die Gesamt- schichtdicke der Barrierenschichten dadurch nur unwesentlich oder gar nicht verändert. Dadurch, dass die untere Barrieren schicht 134 jeweils identisch mit der oberen Barierenschicht 135 ist, können die Energieniveaus innerhalb der Quantentopf schichten genauer eingestellt werden. Insbesondere können bei Verwendung komplizierterer Einheitszellen 125 die Energieni veaus genauer eingestellt werden.
Durch die beschriebene Anordnung der einzelnen Quantentopf schichten in der aktiven Zone 115 ist es möglich, ein opto elektronisches Halbleiterbauelement bereitzustellen, das eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen emittieren kann. Dadurch, dass die unterschiedlichen Quantentöpfe und Barrie renschichten periodisch angeordnet sind, entsteht innerhalb dieser periodischen Anordnung in der aktiven Zone 115 ein ein ziges Übergitter. Bei Untersuchung der aktiven Zone mit Rönt genbeugung oder Röntgendiffraktometrie können Signale ermit telt werden, die diesem Übergitter entsprechen. Entsprechend kann für das Übergitter beispielsweise die Übergitterperiode sowie die Gesamtverspannung der Einheitszelle bestimmt werden. Je nach Anzahl an unterschiedlichen QuantentopfStrukturen, An zahl der jeweils einzelnen QuantentopfStrukturen und/oder de ren Zahlenverhältnisse kann durch eine solche periodische An ordnung mittels Röntgenbeugung eine zuverlässige Aussage über die Verspannung im Schichtstapel erhalten werden. Weicht bei spielsweise die Gesamtverspannung des Schichtstapels zur Er zeugung der aktiven Zone 115 zu stark von der des Substrats ab, so können beim Wachstum des Schichtstapels Versetzungen auftreten. Weiterhin kann ein dreidimensionales Wachstum auf- treten, wodurch Aufrauungen verursacht werden. Dadurch, dass die Gesamtverspannung durch Röntgendiffraktometrie exakter be stimmt werden kann, kann eine bessere Prozesskontrolle und Prozessführung stattfinden. In deren Folge kann die Verspan nung innerhalb des Schichtstapels eingestellt werden, wodurch letztendlich die Effizienz der optoelektronischen Halbleiter bauelemente verbessert wird.
Figur 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Ausführungs formen. Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 10 umfasst beispielsweise eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ers ten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, eine aktive Zone 115, sowie eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend. Bei spielsweise können die erste Halbleiterschicht 110, die aktive Zone 115 sowie die zweite Halbleiterschicht 120 einen Schicht stapel ausbilden. Die aktive Zone 115 kann wie unter Bezugnah me auf die Figuren 1A bis ID erläutert aufgebaut sein. Bei spielsweise kann der Halbleiterschichtstapel , der die erste Halbleiterschicht 110, die aktive Zone 115 sowie die zweite Halbleiterschicht 120 enthält, über einem geeigneten Substrat 100 angeordnet sein. Weitere Schichten können zwischen dem Substrat 100 und den Halbleiterschichten angeordnet sein. Das Substrat kann beispielsweise isolierend oder elektrisch lei tend sein. Ein erstes Kontaktelement 112 kann mit der ersten Halbleiterschicht 110 elektrisch leitend verbunden sein. Ein zweites Kontaktelement 122 kann mit der zweiten Halbleiter schicht 120 elektrisch leitend verbunden sein. Beispielsweise kann die erste Halbleiterschicht 110 über das elektrisch lei tende Substrat 100 mit dem ersten Kontaktelement 112 verbunden sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind eine Vielzahl an derer Anschlussmöglichkeiten zwischen erster Halbleiterschicht 110 und erstem Kontaktelement 112 möglich. In entsprechender Weise kann auch ein elektrischer Kontakt der zweiten Halb leiterschicht 120 mit dem zweiten Kontaktelement 122 in ande rer Weise als in Figur 2A dargestellt erfolgen. Beispielsweise können die erste und zweite Halbleiterschicht 110, 120 AlGaAs enthalten. Beispielsweise kann in diesem Fall als Quantentopfmaterial (Al)GalnAs und als Barrierenmaterial (Al)GaAsP verwendet werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die erste und die zweite Halbleiterschicht 110, 120 AlGalnP enthalten. Bei Verwendung von AlGalnP als Materialsys tem für die erste und zweite Halbleiterschicht 110, 120 können beispielsweise die QuantentopfSchicht und auch die Barrieren schicht aus AlGalnP aufgebaut sein.
Beispielsweise können in Abhängigkeit vom verwendeten Materi alsystem beim Aufwachsen von Barrieren- und Quantentopfschich ten jeweils durch Einstellung der Abscheideparameter kompres- sive oder tensile Verspannungen gezielt eingestellt werden. Dadurch werden Verspannungen, die naturgemäß beim Aufbringen der jeweiligen Schichten über einem Substrat auftreten, kom pensiert .
Figur 2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Vorrichtung 21 gemäß Ausführungsformen . Die optoelektronische Vorrichtung 21 weist ein erstes optoelektro nisches Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben sowie ein zweites optoelektronisches Halbleiterbauelement 11 auf. Das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbauelement 10, 11 sind übereinander gestapelt und miteinander elektrisch verbunden. Das zweite Halbleiterbauelement 11 weist eine Quan tentopfschicht 141 auf. Beispielsweise ist mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der QuantentopfSchicht 141 des zweiten Halbleiterbauelements 11 von Elektron-Loch- Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopfschichten 127, 129 verschieden. Weiterhin kann mindestens eine Elektron- Loch-Übergangsenergie der ersten QuantentopfSchicht 127 von Elektron-Loch-Übergangsenergien der QuantentopfSchicht 141 des zweiten Halbleiterbauelements 11 verschieden sein. Mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der zweiten Quantentopf schicht 129 kann von Elektron-Loch-Übergangsenergien der Quan tentopfschicht 141 des zweiten Halbleiterbauelements 11 ver schieden sein. Das zweite Halbleiterbauelement 11 kann bei spielsweise eine Vielzahl von Quantentopfschichten 141 aufwei sen. Die QuantentopfSchicht ( en) 141 des zweiten Halbleiterbau elements 11 sind zwischen Barrierenschichten 142 angeordnet.
Beispielsweise können das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbauelement 10, 11 über einen Tunnelkontakt 103 mit einander elektrisch verbunden sein. Dabei kann ein Tunnelkon takt 103 eine p++-dotierte Schicht sowie eine n++-dotierte Schicht aufweisen, so dass eine Tunneldiode ausgebildet wird. Die optoelektronische Vorrichtung 21 oder das zweite opto elektronische Halbleiterbauelement 11 kann weiterhin ein ge eignetes Substrat 100 umfassen. Weitere Schichten können zwi schen dem Substrat 100 und den Halbleiterschichten angeordnet sein. Ein erstes Kontaktelement 112 kann mit der ersten Halb leiterschicht 110 elektrisch leitend verbunden sein. Ein zwei tes Kontaktelement 122 kann mit der zweiten Halbleiterschicht 120 elektrisch leitend verbunden sein.
Die erste Halbleiterschicht 110 des ersten optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 kann jeweils identisch zu oder unter schiedlich von der ersten Halbleiterschicht des zweiten opto elektronischen Halbleiterbauelements 11 sein. Die zweite Halb leiterschicht 120 des ersten optoelektronischen Halbleiterbau elements 10 kann jeweils identisch zu oder unterschiedlich von der zweiten Halbleiterschicht des zweiten optoelektronischen Halbleiterbauelements 11 sein. Das erste und das zweite Halb leiterbauelement 10, 11 können jeweils auf demselben Material system basieren. Gemäß Ausführungsformen können sich die QuantentopfSchicht 141 und die Quantentopfschichten 127, 129 des zweiten Halbleiter bauelements 11 in mindestens einer Elektron-Loch- Übergangsenergien unterscheiden. Beispielsweise kann dieser Unterschied größer als 50 oder 100 nm sein. Auf diese Weise lässt sich eine optoelektronische Vorrichtung bereitstellen, die elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich emittieren kann, bei dem eine Differenz zwischen minimaler und maximaler Wellenlänge größer als beispielsweise 50 oder 100 nm ist, ohne dass das zuvor beschriebene Problem der Intensitäts verschiebung auftritt.
Figur 2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Vorrichtung 20 gemäß weiteren Ausführungs formen. Die optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 weist eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10 wie vorstehend beschrieben auf. Beispielsweise kann die opto elektronische Halbleitervorrichtung 20 mehr als 2 optoelektro nische Halbleiterbauelemente 10 umfassen. Die optoelektroni schen Halbleiterbauelemente 10 können jeweils verschieden oder auch identisch sein. Die optoelektronischen Halbleiterbauele mente 10 können beispielsweise übereinander gestapelt sein und miteinander elektrisch verbunden sein. Beispielsweise können die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 über Tunnel kontakte 103 wie vorstehend beschrieben miteinander verbunden sein .
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 oder die opto elektronische Halbleitervorrichtung 20 kann beispielsweise als IR-Breitbandemitter, als breitbandige Lichtquelle oder als Leuchtdiode verwendet werden. Beispielsweise kann die Leucht diode elektromagnetische Strahlung in einem Spektralbereich von 650 bis 1200 nm emittieren. Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpas sungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZE ICHENLISTE
10 optoelektronisches Halbleiterbauelement
11 zweites optoelektronisches Halbleiterbauelement
20, 21 optoelektronische Halbleitervorrichtung
100 Substrat
103 Tunnelkontakt
110 erste Halbleiterschicht
112 erstes Kontaktelement
115 aktive Zone
116 aktive Zone
120 zweite Halbleiterschicht
122 zweites Kontaktelement
125 Einheitszelle
127 erste QuantentopfSchicht
128 erste Barrierenschicht
129 zweite QuantentopfSchicht
130 zweite Barrierenschicht
131 dritte QuantentopfSchicht
132 dritte Barrierenschicht
134 untere Barrierenschicht
135 obere Barrierenschicht
141 QuantentopfSchicht des zweiten optoelektronischen Halb leiterbauelements
142 Barrierenschicht des zweiten optoelektronischen Halb- leiterbauelements

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit einer aktiven Zone (115), die eine MehrfachquantentopfStruktur zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Elektron-Loch- Rekombination aufweist, wobei die MehrfachquantentopfStruktur eine Vielzahl von übereinander angeordneten identischen Ein heitszellen (125) aufweist, und jede Einheitszelle (125)
eine erste QuantentopfSchicht (127), die jeweils zwi schen zwei Barrierenschichten (128, 130) angeordnet ist, und eine zweite QuantentopfSchicht (129), die jeweils zwi schen zwei Barrierenschichten angeordnet ist, aufweist,
wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der ersten QuantentopfSchicht (127) von Elektron-Loch- Übergangsenergien der zweiten QuantentopfSchicht (129) ver schieden ist.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 1, bei dem jede Einheitszelle (125)
eine dritte QuantentopfSchicht (131), die jeweils zwi schen zwei Barrierenschichten (130, 132) angeordnet ist, auf weist, wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der dritten QuantentopfSchicht (131) von den Elektron-Loch- Übergangsenergien der ersten und der zweiten Quantentopf schicht (127, 129) verschieden ist.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 1 oder 2, bei dem in der Einheitszelle (125) eine An zahl an ersten Quantentopfschichten (127) von einer Anzahl an zweiten Quantentopfschichten (129) verschieden ist.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine untere Barrieren schicht (134), die an eine erste Seite der ersten Quantentopf- Schicht (127) angrenzt, von einer oberen Barrierenschicht (135), die an eine zweite Seite der ersten QuantentopfSchicht (127) angrenzt, verschieden ist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jeweils eine untere Barrieren schicht (134, 128), die an eine erste Seite der ersten Quan tentopfschicht (127) angrenzt, identisch zu einer oberen Bar rierenschicht (135, 128) ist, die an eine zweite Seite der ersten QuantentopfSchicht (127) angrenzt, und eine erste Bar rierenschicht (128) darstellt.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Anzahl von überei nander angeordneten Einheitszellen (125) größer als 5 ist.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vielzahl übereinan der angeordneter Einheitszellen (125) eine Übergitterstruktur ausbildet .
8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Quantentopf schicht (127) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge zu emittieren und die zweite Quantentopf schicht (129) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge zu emittieren, wobei eine Differenz zwi schen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge klei ner als 100 nm ist.
9. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (21), die ein erstes optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie ein zweites optoelektronisches Halbleiterbauelement (11) aufweist, wobei das erste und zweite optoelektronische Halbleiterbauelement (10, 11) übereinander gestapelt und über einen Tunnelkontakt (103) miteinander elektrisch verbunden sind und das zweite Halbleiterbauelement (11) eine QuantentopfSchicht (141) aufweist, wobei mindestens eine Elektron-Loch-Übergangsenergie der QuantentopfSchicht (141) des zweiten Halbleiterbauelements (11) von Elektron- Loch-Übergangsenergien der ersten und zweiten Quantentopf schichten (127, 129) verschieden ist oder umgekehrt.
10. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) mit einer
Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die optoelektronischen Halbleiterbauelemente (10) übereinander gestapelt und über Tunnelkontakte (103) miteinander elektrisch verbunden sind.
PCT/EP2019/086460 2019-01-11 2019-12-19 Optoelektronisches halbleiterbauelement mit mehrfach-quantentopfstruktur und optoelektronische halbleitervorrichtung Ceased WO2020144048A1 (de)

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