WO2014177367A1 - Halbleiterschichtenfolge für optoelektronisches bauelement - Google Patents

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layer sequence
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Tobias Meyer
Jürgen OFF
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Definitions

  • a semiconductor layer is specified for an optoelectronic semiconductor chip.
  • a method for operating such a semiconductor chip is specified.
  • This task is among others by a
  • the semiconductor chip is preferably a light-emitting diode or also a light-emitting diode
  • the semiconductor layer sequence is set up to produce near-ultraviolet, visible or near-infrared radiation. So can in the
  • Spectral range between 340 nm and 1300 nm inclusive, especially between 400 nm and 520 nm inclusive.
  • Semiconductor layer sequence an n-type layer, a p-type layer and an intermediate active zone on.
  • n-conducting layer As well as a p-conducting layer.
  • these layers can also be constructed as a layer stack with several partial layers.
  • the entire semiconductor layer sequence is preferably based on the same material system.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m N or a phosphide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m P or an arsenide compound semiconductor material such as Al n In ] __ n _ m Ga m As, where each O ⁇ n ⁇ l, O ⁇ m ⁇ l and n + m ⁇ 1 is.
  • the semiconductor layer sequence may have dopants and additional constituents.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on Al n In 1 -n- m Ga m N.
  • the active zone has a plurality of successive quantum wells along a growth direction of the semiconductor layer sequence.
  • the active zone has two, three, four or more than four quantum wells.
  • Each of these quantum wells of the active zone is adapted for generating radiation. It thus comprises the active zone N quantum wells with N> 2 or N> 4 and N e N.
  • the quantum wells are parallel or antiparallel to a growth direction with ke [1; N] ⁇ consecutively numbered.
  • the quantum wells in the active zone are separated from each other by barrier layers. It is possible that each of the quantum wells directly adjoins two of the barrier layers and / or that an alternating, preferably immediate, sequence of the
  • Quantum wells and the barrier layers is formed.
  • the quantum wells in a first operating point especially at a first
  • quantum wells can each have the same emission wavelength or else have different emission wavelengths from one another.
  • Emission wavelength is understood to be that wavelength at which a maximum spectral energy density is emitted.
  • the emission wavelength is referred to as Peak Wavelength.
  • the first emission wavelengths become
  • Quantum well is assigned the first emission wavelength Ll ⁇ .
  • At least two of the first emission wavelengths of the quantum wells are different from one another in the first operating point. That is, for
  • Emission wavelengths of the quantum wells in the first operating point in pairs are different.
  • the quantum wells have second emission wavelengths at a second operating point, especially at a second current density.
  • the second emission wavelengths are also referred to as L2], where the kth quantum well, the second emission wavelength
  • the second emission wavelengths are all or at least partially different from the first emission wavelengths in the first operating point. That is, for at least one i or for all i and for at least one j with i, j e
  • Quantum wells or at least part of the quantum wells from the first operating point to the second operating point.
  • the first current density in the first operating point is smaller than the second current density in the second operating point.
  • the first and second current density differ by at least a factor of 2 or 5 or 7 or 10 from each other.
  • the emission wavelengths are first different from one another and a difference between the emission wavelengths of the quantum wells involved changes to the second operating point or disappears.
  • the semiconductor layer sequence has an n-type layer, a p-type layer and an active zone therebetween.
  • the active zone includes N consecutive along a growth direction
  • the quantum wells are each arranged for generating radiation, separated from each other by barrier layers, and consecutively numbered along a growth direction with k. In a first operating point at a first current density, the quantum wells each have a first one
  • Emission wavelengths are different from each other and the second emission wavelengths differ at least in part from the first emission wavelengths.
  • the first current density is smaller than the second current density and the current densities differ by at least one
  • Emission wavelengths of a particular first quantum well is greater than another of the first emission wavelengths of another, second quantum well.
  • the second emission wavelength of this first quantum well is less than or equal to the second
  • Emission wavelengths of the second quantum well is such that a difference between these first and second
  • Emission wavelengths of these first and second quantum wells in or towards the second operating point disappears or the sign changes.
  • at least one i and at least one j with i, je [1; N] ⁇ and i ⁇ j: Llj_ ⁇ Ll and L2-j_ ⁇ L2j wherein the first emission wavelengths Li and the second emission wavelengths L2 are numbered along the growth direction and i, j are count indices.
  • a charge carrier distribution, in particular of positively charged charge carriers such as holes, is generally inhomogeneous in particular on InGaN-based light-emitting diodes with a plurality of quantum wells due to the poor charge carrier mobility, especially over barriers between the quantum wells. This can be at high current densities too
  • Having energy levels also referred to as chirp, can better distribute the charge carriers between the individual quantum wells.
  • Energy level can be increased.
  • Working points differ from each other at least partially, is the charge carrier distribution in the operating points
  • the current-dependent and the temperature-dependent charge carrier distribution in the multiple quantum well structure can be additionally controlled by the emission energies and energy levels of the quantum wells being current-dependent and / or temperature-dependent adjustable.
  • the first one lies
  • the second current density is at least 5 A / cm2 or 10 A / cm2 or 20 A / cm2 or 35 A / cm2 or 50 A / cm2. Alternatively or additionally, the second current density is at most 1100 A / cm 2 or 800 A / cm 2 or 300 A / cm 2 .
  • Quantum wells indium, aluminum, gallium and nitrogen are possible that the quantum wells in addition to these constituents further constituents, but only in
  • Concentrations of dopants are present. For example, all other ingredients taken together to a concentration of at most 1 x 10 22 cm- ⁇ or 1 x 10 ⁇ cm ⁇ 2 or 1 x 10 ⁇ 2 cm-3.
  • Quantum wells or at least a portion of the quantum wells have a thickness of at least 1.0 nm or 1.5 nm or 2.0 nm or 2.5 nm. Alternatively or additionally, the thicknesses of all or at least part of the quantum wells are at most 12 nm or 8 nm or 6 nm or 5 nm or 4 nm or 3.5 nm.
  • Barrier layers or at least part of the Barrier layers each have a thickness of at least 1.5 nm or 2.5 nm or 3 nm or 4 nm and / or of at most 20 nm or 12 nm or 10 nm or 8 nm or 6 nm.
  • the barrier layers directly adjoin the adjacent ones
  • barrier layers on GaN, AlGaN, AlInGaN or InGaN can also contain additional material components in the form of dopants or other elements such as
  • Semiconductor layer sequence at most 20 or ten or eight or at most seven or at most six of the quantum wells intended for generating radiation. As in all other embodiments, additional, not for generating radiation quantum wells may be present.
  • Emission wavelengths in the first operating point at least 1.5 nm or 2 nm or 2.5 nm or 3.0 nm. Alternatively or additionally, this wavelength difference is at most 30 nm or 12 nm or 8 nm or 4.5 nm. Preferably, the wavelength difference between the second
  • Emission wavelengths of the associated quantum wells at the second operating point at least 0.5 nm or 1.0 nm and / or at most 6 nm or 5 nm or 4 nm. According to at least one embodiment, increase in the first
  • the emission wavelengths of the quantum wells from the n-type layer to the p-type layer monotonically or strictly monotonously.
  • the emission wavelengths have a linear or parabolic shape toward the p-type layer.
  • Emission wavelengths in the first operating point of the n-type layer towards the p-type layer first monotonically or strictly monotonously and then fall down monotonically or strictly monotonously towards the p-type layer.
  • the course of the emission wavelengths toward the p-type layer can thus be designed approximately V-shaped or U-shaped.
  • Emission wavelengths in the second operating point in the direction of the n-type layer towards the p-type layer, a different course than at the first operating point.
  • the emission wavelengths fall monotonically or strictly monotonically toward the p-type layer. It is also possible that the
  • Emission wavelengths in the second operating point are designed parabolic sloping towards the p-type layer.
  • average thicknesses of the quantum wells in the active zone vary by at least 0.1 nm or 0.3 nm or 0.5 nm or 0.6 nm and / or by at most 5 nm or 2.5 nm or 1.5 nm or 1.1 nm.
  • Each of the quantum wells is exactly one average thickness
  • the average thickness is calculated in particular over an entire lateral extent of the quantum wells time. Lateral means in the direction perpendicular to a growth direction of the semiconductor layer sequence.
  • Atomic percentage points or 0.5 atomic percentage points are Atomic percentage points or 0.5 atomic percentage points.
  • Indium content refers to the atomic percentage of indium averaged over the entire quantum well.
  • the atomic percentage points refer to the proportion of gallium atoms of the InGaN quantum wells, which is replaced by indium atoms.
  • the absolute indium content is preferably at least 10% or 15% or 17% and / or at most
  • the mean thickness of the quantum wells in the active zone varies by a first factor of at least 1.05 or 1.1 or 1.2 or 1.25 and / or of at most 3 or 2 or 1.5 or 1, 35th According to at least one embodiment, the vary
  • Indium contents of the quantum wells in the active zone by a second factor of at least 1.001 or 1.003 or 1.004 or 1.005 and / or of at most 2 or 1.4 or 1.2 or 1.015 or 1.008.
  • the quantum wells are doped to different degrees in the active zone.
  • Doping the quantum well then varies, for example at least 1 x 10 18 / cm 2 or 2 x 10 8 cm 3 and / or around
  • the doping can occur both in the dopant concentration and
  • the doping alternatively or additionally in the doping, so p-doped or n-doped, different.
  • the doping so p-doped or n-doped, different.
  • Quantum wells or part of the quantum wells is doped with silicon or magnesium, which can be used for the
  • Undoped may mean that an impurity concentration is 5 x 10 17 / cm J or 1 x 10 17 / cm J or 5 x
  • two or more than two of the barrier layers are in the active zone
  • Dopant concentration and the type of doping is the same for the barrier layers as for the quantum wells.
  • Emission wavelengths of the quantum wells in the first operating point and / or in the second operating point to be varied.
  • Manufacturing tolerances are each formed the same.
  • one part of the barrier layers is based on AlGaN and another part of the barrier layers
  • Barrier layers preferably at least 0.1% or 0.5% or 1% or 3% and / or at most 50% or 20% or 10% or 8%, each based on Ga. The same applies for the indium content in the case of InGaN barrier layers and for the content of each component in the case of
  • the barrier layers may each comprise a plurality of sub-layers, the one
  • Semiconductor chip has a semiconductor layer sequence, as in conjunction with one or more of the above
  • Semiconductor layer sequence operated at times in the first operating point and temporarily in the second operating point.
  • the first current density is present in the first operating point and the second current density in the second operating point.
  • a wavelength characteristic of an emission wavelength from a first one of the quantum wells having a wavelength characteristic of an emission wavelength intersects with a second of the quantum wells, depending on the current density and when the current density is increased from the first operating point to the second operating point.
  • This cutting of the emission wavelength profiles applies in pairs, preferably with regard to the emission wavelength of at least two or more than two or all of the quantum wells.
  • mobility across a barrier decreases from positive
  • Carriers such as holes in the active zone of the
  • the mobility across a barrier, in particular of the holes is set as a function of the current density. This is made possible in particular by the described construction of the semiconductor layer sequence. Below is a described here
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a
  • Figures 2 to 8 are schematic representations of parameters of active zones for here described
  • FIG. 9 shows a schematic representation of energy levels of a modification of a semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor chip 1 is, for example, a
  • a mirror 5 is optionally attached on a carrier 4, which supports the semiconductor layer sequence 2 and mechanically carries.
  • the mirror 5 may be a metal mirror
  • the mirror 5 may comprise multiple layers.
  • the mirror 5 may also be attached to a side of the semiconductor layer sequence 2 facing away from the carrier 4.
  • the semiconductor layer sequence 2 has a p-type layer 22 as well as an n-type layer 21 and an active zone 3 which lies between these layers 21, 22 and touches these layers 21, 22.
  • the layers 21, 22 are each shown as a single layer. Notwithstanding this, the layers 21, 22 may also be composed of several partial layers and / or be attached or grown on the carrier 4 in reverse order.
  • the active zone has four quantum wells 33, which generate radiation in the operation of the
  • Semiconductor chips 1 are arranged, in particular for
  • quantum wells 33 are each based, for example, on InGaN. It is the quantum wells 33 alternately with barrier layers 34th
  • Quantum wells 33 follow each other directly.
  • Barrier layer 34 is optional.
  • conversion materials may be provided in or on the semiconductor layer sequence 2, which convert at least a portion of the radiation generated in the active zone 3 into radiation of a different wavelength.
  • the quantum wells 33 and / or the barrier layers 34 may have mutually different material compositions and / or thicknesses.
  • the barrier layers 34 are preferably each made thicker than the quantum wells 33
  • Material composition and a thickness within the respective quantum wells 33 and barrier layers 34 varies in the direction perpendicular to a direction of growth G of
  • Semiconductor layer sequence 2 is not preferred or not
  • Quantum wells 33 and / or the barrier layers 34 may also be selectively varied. Also in the direction perpendicular to
  • Growth direction G may be a particularly moderate variation in the material composition and / or the doping
  • the quantum wells 33 and / or the barrier layers 34 are composed of several partial layers. Notwithstanding the illustration in Figure 1, the growth direction G of the p-type
  • Layer 22 extend to the n-type layer 21.
  • Figure 2 are schematically energy levels of the quantum wells
  • the quantum wells 33 each have the same thicknesses T.
  • the barrier layers 34 also have the same thicknesses B.
  • the energy levels in the quantum wells 33 are adjusted by a variation of an indium content.
  • the energy levels of the quantum wells 33 are linear, as in FIG. 2B.
  • an indium content of the quantum wells 33 is constant, but the quantum wells 33 have different thicknesses. The thinner the corresponding quantum well 33, the higher the associated energy level.
  • Quantum wells 33 may be differently doped, both
  • a doping of the barrier layers 34 before and / or after a quantum well 33 may be higher than before
  • Quantum wells 33 differ from each other. Thus, also by the barrier layers 34, alternatively or in addition to - In the embodiment of the quantum wells 33, an adjustment of the energy levels possible.
  • the energy levels are shown as horizontal lines, and a density of positive charge carriers, that is, of holes, is symbolized as a dot line.
  • Quantum wells 33 are numbered in ascending numbering with a count index i in the direction from the n-type layer 21 to the p-type layer 22. Plotted are the quantum wells 33 against the energy E energy levels.
  • FIG. 3A shows a small current range. Here a relatively high hole mobility over a barrier is present and the holes are well distributed. An accumulation of the holes on the n-type layer 21 is by rising
  • FIG. 3B illustrates the high current range at high current densities.
  • the accumulation of positive charge carriers on the p-type layer 22 is prevented by falling energy levels of the quantum wells 33.
  • the energy levels decrease in the direction from the p-type layer 22 toward the n-type layer 21.
  • Carrier density corresponds to ablated.
  • the energy levels of the Quantum wells 33 smaller than in a second operating point 2 with a greater current density C.
  • the emission energy profiles of the quantum wells 33 intersect in the direction from the first operating point 1 to the second operating point W2. In other words, a difference in the energies of the marked quantum wells 33i, 33 alters the sign.
  • FIG. 5 shows a highly detailed diagram of a band model of the energy levels at different current densities.
  • a low current density is present
  • FIG. 5B an average current density
  • FIG. 5C a high current density.
  • the quantum well 33a has a larger thickness and a smaller indium content than the quantum well 33b, which is closer to the n-type layer 21.
  • the thinner quantum well 33b has a thickness of 2.0 nm and a
  • the thicker quantum well 33a has a thickness of 4.0 nm and an indium content of 15.6%.
  • thicknesses and indium contents may be present, for example, with a tolerance of at most 20% or 10%.
  • an emission wavelength L is in the upper one
  • Quantum wells 33a have a greater thickness than the
  • Quantum wells 33b The thicknesses are different
  • the smaller thickness is in particular between 2.8 nm and 3.5 nm and an indium content of the quantum wells 33a, 33b is, for example between 16.4% and 17.0% inclusive.
  • these values are met with a maximum tolerance of 20% or 10%.
  • a difference in emission wavelengths is about 2.5 nm at low current densities C to about 4 A / cm 2. Above current densities of about 4 A / cm 2 up to a current density of about 35 A / cm 2, the emission wavelengths approach at. At even higher current densities C, the emission wavelengths intersect and the thicker quantum wells 33a have a shorter wavelength emission than the thinner quantum wells 33b.
  • the spectral half-width AL increases with increasing current density C.
  • the thicker quantum wells 33a have a larger spectral half width AL.
  • Half-widths AL of the quantum wells 33a, 33b superimposed increases in the small current range below about 10 A / cm ⁇ the spectral width at half maximum. At higher
  • the quantum wells 33 radiative recombination in the quantum wells 33, also known as the Purcel effect.
  • the quantum wells 33 are placed in a resonance maximum, see FIG. 8A.
  • the small current range is shown in FIG. 8C. in the
  • FIG. 9 illustrates the distribution of the holes in the case of a small current, see FIG. 9A, and in the case of high current, see FIG. 9B, for a modification of the semiconductor layer sequence.
  • all quantum wells 33 have approximately equal energy levels.

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Abstract

Die Halbleiterschichtenfolge (2) weist eine n-leitende Schicht (21), eine p-leitende Schicht (22) und eine dazwischen liegende aktive Zone (3) auf. Die aktive Zone (3) umfasst N Quantentöpfe mit N ≥ 2. In einem ersten Arbeitspunkt (W1) bei einer ersten Stromdichte weisen die Quantentöpfe (33) eine erste Emissionswellenlänge auf und in einem zweiten Arbeitspunkt (W2) bei einer zweiten Stromdichte eine zweite Emissionswellenlänge. Mindestens zwei der ersten Emissionswellenlängen sind voneinander verschieden und die zweiten Emissionswellenlängen unterscheiden sich mindestens zum Teil von den ersten Emissionswellenlängen. Die erste Stromdichte ist kleiner als die zweite Stromdichte und es unterscheiden sich die Stromdichten um mindestens einen Faktor 2 voneinander. Im ersten Arbeitspunkt ist mindestens eine der ersten Emissionswellenlängen eines bestimmten ersten Quantentopfs größer als eine andere der ersten Emissionswellenlängen eines anderen, zweiten Quantentopfs. Im zweiten Arbeitspunkt gilt, dass die zweite Emissionswellenlänge dieses ersten Quantentopfs kleiner als oder gleich der zweiten Emissionswellenlängen des zweiten Quantentopfs ist, sodass eine Differenz zwischen diesen ersten und zweiten Emissionswellenlängen dieser ersten und zweiten Quantentöpfe im oder hin zum zweiten Arbeitspunkt verschwindet oder das Vorzeichen wechselt.

Description

Beschreibung
HALBLEITERSCHICHTENFOLGE FÜR OPTOELEKTRONISCHES
BAUELEMENT
Es wird eine Halbleiterschicht für einen optoelektronischen Halbleiterchip angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Halbleiterchips angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine
Halbleiterschichtenfolge anzugeben, die eine hohe Effizienz über einen großen Betriebsstrombereich hinweg aufzeigt.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine
Halbleiterschichtenfolge und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterschichtenfolge für einen optoelektronischen
Halbleiterchip vorgesehen. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich bevorzugt um eine Leuchtdiode oder auch um eine
Laserdiode. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge zur Erzeugung von nah-ultravioletter, sichtbarer oder nahinfraroter Strahlung eingerichtet. So kann in der
Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel Strahlung im
Spektralbereich zwischen einschließlich 340 nm und 1300 nm, speziell zwischen einschließlich 400 nm und 520 nm, erzeugt werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge eine n-leitende Schicht, eine p- leitende Schicht und eine dazwischen liegende aktive Zone auf. Zur Vereinfachung wird vorliegend jeweils von einer n- leitenden sowie einer p-leitenden Schicht gesprochen. Diese Schichten können jedoch auch als Schichtenstapel mit mehreren Teilschichten aufgebaut sein. Bevorzugt basiert die gesamte Halbleiterschichtenfolge auf demselben Materialsystem.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamAs , wobei jeweils O ^ n ^ l, O ^ m ^ l und n + m ^ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlnIn1--n_mGamN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die aktive Zone entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge mehrere aufeinanderfolgende Quantentöpfe auf. Insbesondere weist die aktive Zone zwei, drei, vier oder mehr als vier Quantentöpfe auf. Jeder dieser Quantentöpfe der aktiven Zone ist zu einer Strahlungserzeugung eingerichtet. Es umfasst die aktive Zone also N Quantentöpfe mit N > 2 oder N > 4 und N e N. Die Quantentöpfe sind parallel oder antiparallel zu einer Wachstumsrichtung mit k e [1; N] ^ fortlaufend nummeriert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentöpfe in der aktiven Zone durch Barriereschichten voneinander getrennt. Es ist möglich, dass jeder der Quantentöpfe an zwei der Barriereschichten unmittelbar angrenzt und/oder dass eine abwechselnde, bevorzugt unmittelbare Abfolge aus den
Quantentöpfen und den Barriereschichten gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantentöpfe in einem ersten Arbeitspunkt, speziell bei einer ersten
Stromdichte, erste Emissionswellenlängen auf. Die
Quantentöpfe können bei der ersten Stromdichte jeweils die gleiche Emissionswellenlänge aufweisen oder auch voneinander verschiedene Emissionswellenlängen haben. Unter
Emissionswellenlänge wird diejenige Wellenlänge verstanden, bei der eine maximale spektrale Energiedichte emittiert wird. Die Emissionswellenlänge wird englisch als Peak Wavelength bezeichnet. Die ersten Emissionswellenlängen werden
nachfolgend auch als Ll^ bezeichnet, wobei dem k-ten
Quantentopf die erste Emissionswellenlänge Ll^ zugewiesen ist .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei der ersten Emissionswellenlängen der Quantentöpfe im ersten Arbeitspunkt voneinander verschieden. Das heißt, für
mindestens ein i und mindestens ein j mit i, j e [1; N] ^ und i j gilt: Llj_ Φ Llj . Es ist möglich, dass alle ersten
Emissionswellenlängen der Quantentöpfe im ersten Arbeitspunkt paarweise voneinander verschieden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Quantentöpfe in einem zweiten Arbeitspunkt, speziell bei einer zweiten Stromdichte, zweite Emissionswellenlängen auf. Es werden die zweiten Emissionswellenlängen auch als L2] bezeichnet, wobei dem k-ten Quantentopf die zweite Emissionswellenlänge
zugewiesen ist. Die zweiten Emissionswellenlängen sind alle oder zumindest zum Teil von den ersten Emissionswellenlängen im ersten Arbeitspunkt verschieden. Das heißt, für mindestens ein i oder für alle i und für mindestens ein j mit i, j e
[1; N] N und i j gilt: Ll-j_ L2-j_ und/oder L2-j_ L2j . Mit anderen Worten ändert sich die Emissionswellenlänge der
Quantentöpfe oder von zumindest einem Teil der Quantentöpfe vom ersten Arbeitspunkt hin zum zweiten Arbeitspunkt.
Hierbei ist im Speziellen die erste Stromdichte im ersten Arbeitspunkt kleiner als die zweite Stromdichte im zweiten Arbeitspunkt. Es unterscheiden sich die erste und die zweite Stromdichte um mindestens einen Faktor 2 oder 5 oder 7 oder 10 voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist im ersten
Arbeitspunkt zumindest eine der ersten Emissionswellenlängen größer als eine oder gleich einer der zweiten
Emissionswellenlängen. Also gilt für mindestens ein i und mindestens ein j mit i, j e [1; N] ^ und i j oder i = j: Ll-j_ > L2 j . Mit anderen Worten sind die Emissionswellenlängen zuerst voneinander verschieden und eine Differenz zwischen den Emissionswellenlängen der beteiligten Quantentöpfe wechselt hin zum zweiten Arbeitspunkt das Vorzeichen oder verschwindet .
In mindestens einer Ausführungsform ist die
Halbleiterschichtenfolge für einen optoelektronischen
Halbleiterchip vorgesehen. Die Halbleiterschichtenfolge weist eine n-leitende Schicht, eine p-leitende Schicht und eine dazwischen liegende aktive Zone auf. Die aktive Zone umfasst N entlang einer Wachstumsrichtung aufeinanderfolgende
Quantentöpfe mit N ^ 2, wobei N eine natürliche Zahl ist. Die Quantentöpfe sind jeweils zu einer Strahlungserzeugung eingerichtet, durch Barriereschichten voneinander getrennt und entlang einer Wachstumsrichtung fortlaufend mit k nummeriert. In einem ersten Arbeitspunkt bei einer ersten Stromdichte weisen die Quantentöpfe je eine erste
Emissionswellenlänge auf und in einem zweiten Arbeitspunkt bei einer zweiten Stromdichte je eine zweite
Emissionswellenlänge. Mindestens zwei der ersten
Emissionswellenlängen sind voneinander verschieden und die zweiten Emissionswellenlängen unterscheiden sich mindestens zum Teil von den ersten Emissionswellenlängen. Die erste Stromdichte ist kleiner als die zweite Stromdichte und es unterscheiden sich die Stromdichten um mindestens einen
Faktor 2 voneinander. Mindestens eine der ersten
Emissionswellenlängen eines bestimmten ersten Quantentopfs ist größer als eine andere der ersten Emissionswellenlängen eines anderen, zweiten Quantentopfs. Im zweiten Arbeitspunkt gilt, dass die zweite Emissionswellenlänge dieses ersten Quantentopfs kleiner als oder gleich der zweiten
Emissionswellenlängen des zweiten Quantentopfs ist, sodass eine Differenz zwischen diesen ersten und zweiten
Emissionswellenlängen dieser ersten und zweiten Quantentöpfe im oder hin zum zweiten Arbeitspunkt verschwindet oder das Vorzeichen wechselt. Mit anderen Worten gilt für mindestens ein i und mindestens ein j mit i, j e [1; N] ^ und i ^ j: Llj_ < Ll sowie L2-j_ ^ L2j, wobei die ersten Emissionswellenlängen Li und die zweiten Emissionswellenlängen L2 entlang der Wachstumsrichtung durchnummeriert sind und i, j Zählindices sind . Eine Ladungsträgerverteilung, insbesondere von als positiv bezeichneten Ladungsträgern wie Löchern, ist in insbesondere auf InGaN basierenden Leuchtdioden mit mehreren Quantentöpfen aufgrund der schlechten Ladungsträgerbeweglichkeit, speziell über Barrieren zwischen den Quantentöpfen hinweg, in der Regel inhomogen. Dies kann bei hohen Stromdichten zu
Effizienzverlusten, aber auch zu unerwünschten
Verbreiterungen der Emissionsspektren sowie starken
Wellenlängenänderungen bei Stromänderungen oder bei
Temperaturänderungen führen.
Dadurch, dass die Quantentöpfe unterschiedliche
Energieniveaus haben, auch als Chirp bezeichnet, können die Ladungsträger besser zwischen den einzelnen Quantentöpfen verteilt werden. Die Ladungsträgerdichte, speziell von
Löchern, kann so in Quantentöpfen mit niedrigerem
Energieniveau erhöht werden. Die Energieniveaus der
Quantentöpfe sind insbesondere durch die Dicke der
Quantentöpfe und/oder durch die Materialzusammensetzung der Quantentöpfe oder auch der Barriereschichten einstellbar.
Dadurch, dass sich die Energieniveaus der Quantentöpfe bei der hier beschriebenen Halbleiterschichtenfolge in den
Arbeitspunkten voneinander mindestens zum Teil unterscheiden, ist die Ladungsträgerverteilung in den Arbeitspunkten
einstellbar. Hierdurch ist eine höhere Effizienz über einen größeren Variationsbereich hinsichtlich der Stromdichte und/oder auch der Temperatur als Betriebsparameter möglich. Es kann also die stromabhängige und die temperaturabhängige Ladungsträgerverteilung in der Mehrfach-Quantentopfstruktur zusätzlich kontrolliert werden, indem die Emissionsenergien und Energieniveaus der Quantentöpfe stromabhängig und/oder temperaturabhängig zueinander einstellbar sind. Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die erste
Stromdichte bei höchstens 2,0 A/cm2 oder 5 A/cm2 oder
20 A/cm2. Alternativ oder zusätzlich liegt die erste
Stromdichte bei mindestens 0,1 A/cm2 oder 1,0 A/cm2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die zweite Stromdichte mindestens 5 A/cm2 oder 10 A/cm2 oder 20 A/cm2 oder 35 A/cm2 oder 50 A/cm2. Alternativ oder zusätzlich liegt die zweite Stromdichte bei höchstens 1100 A/cm2 oder 800 A/cm2 oder 300 A/cm2.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basieren alle
Quantentöpfe auf InGaN oder auf AlInGaN. Mit anderen Worten sind dann die wesentlichen Materialbestandteile der
Quantentöpfe Indium, Aluminium, Gallium und Stickstoff. Es ist möglich, dass die Quantentöpfe neben diesen Bestandteilen weitere Bestandteile aufweisen, die jedoch lediglich in
Konzentrationen von Dotierungen vorliegen. Beispielsweise weisen alle weiteren Bestandteile zusammen genommen eine Konzentration von höchstens 1 x 1022 cm-^ oder 1 x 102^ cm-^ oder 1 x 102^ cm~3 auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen alle
Quantentöpfe oder zumindest ein Teil der Quantentöpfe eine Dicke von mindestens 1,0 nm oder 1,5 nm oder 2,0 nm oder 2,5 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegen die Dicken aller oder mindestens eines Teils der Quantentöpfe bei höchstens 12 nm oder 8 nm oder 6 nm oder 5 nm oder 4 nm oder 3 , 5 nm .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Barriereschichten oder zumindest ein Teil der Barriereschichten je eine Dicke von mindestens 1,5 nm oder 2,5 nm oder 3 nm oder 4 nm und/oder von höchstens 20 nm oder 12 nm oder 10 nm oder 8 nm oder 6 nm auf. Bevorzugt grenzen die Barriereschichten unmittelbar an die benachbarten
Quantentöpfe .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basieren die
Barriereschichten oder je zumindest ein Teil der
Barriereschichten auf GaN, AlGaN, AlInGaN oder InGaN. Auch die Barriereschichten können zusätzliche Materialkomponenten in Form von Dotierungen oder sonstigen Elementen wie
Kohlenstoff, Sauerstoff oder Antimon aufweisen. Hierzu gilt das zu den Quantentöpfen Beschriebene entsprechend.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge höchstens 20 oder zehn oder acht oder höchstens sieben oder höchstens sechs der Quantentöpfe, die zur Strahlungserzeugung vorgesehen sind. Wie auch in allen anderen Ausführungsformen können auch zusätzliche, nicht zur Strahlungserzeugung vorgesehene Quantentöpfe vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein
Wellenlängenunterschied zwischen einer der ersten
Emissionswellenlängen und einer anderen der ersten
Emissionswellenlängen im ersten Arbeitspunkt bei mindestens 1,5 nm oder 2 nm oder 2,5 nm oder 3,0 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Wellenlängenunterschied bei höchstens 30 nm oder 12 nm oder 8 nm oder 4,5 nm. Bevorzugt liegt der Wellenlängenunterschied zwischen den zweiten
Emissionswellenlängen der zugehörigen Quantentöpfe im zweiten Arbeitspunkt bei mindestens 0,5 nm oder 1,0 nm und/oder bei höchstens 6 nm oder 5 nm oder 4 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform steigen im ersten
Arbeitspunkt die Emissionswellenlängen der Quantentöpfe von der n-leitenden Schicht hin zu der p-leitenden Schicht monoton oder streng monoton an. Beispielsweise weisen die Emissionswellenlängen einen linearen oder parabelförmigen Verlauf hin zu der p-leitenden Schicht auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steigen die
Emissionswellenlängen im ersten Arbeitspunkt von der n- leitenden Schicht hin zur p-leitenden Schicht zuerst monoton oder streng monoton an und fallen anschließend hin zu der p- leitenden Schicht monoton oder streng monoton ab. Der Verlauf der Emissionswellenlängen hin zu der p-leitenden Schicht kann also etwa V-förmig oder U-förmig gestaltet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Emissionswellenlängen im zweiten Arbeitspunkt, in Richtung von der n-leitenden Schicht hin zu der p-leitenden Schicht, einen anderen Verlauf auf als im ersten Arbeitspunkt.
Beispielsweise fallen die Emissionswellenlängen im zweiten Arbeitspunkt hin zu der p-leitenden Schicht monoton oder streng monoton ab. Ebenso ist es möglich, dass die
Emissionswellenlängen im zweiten Arbeitspunkt parabelförmig abfallend hin zur p-leitenden Schicht gestaltet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform variieren mittlere Dicken der Quantentöpfe in der aktiven Zone um mindestens 0,1 nm oder 0,3 nm oder 0,5 nm oder 0,6 nm und/oder um höchstens 5 nm oder 2,5 nm oder 1,5 nm oder 1,1 nm. Jedem der Quantentöpfe ist hierbei genau eine mittlere Dicke
zugewiesen. Die mittlere Dicke berechnet sich insbesondere über eine gesamte laterale Ausdehnung der Quantentöpfe hinweg. Lateral bedeutet in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform variiert der
Indiumgehalt der Quantentöpfe in der aktiven Zone um
mindestens 0,06 Atomprozentpunkte oder 0,1 Atomprozentpunkte oder 0,15 Atomprozentpunkte und/oder um höchstens 6
Atomprozentpunkte oder 2 Atomprozentpunkte oder 1
Atomprozentpunkte oder 0,5 Atomprozentpunkte. Der
Indiumgehalt bezieht sich hierbei auf den über den gesamten Quantentopf gemittelten Atomprozentgehalt an Indium. Die Atomprozentpunkte beziehen sich dabei auf den Anteil der Galliumatome der InGaN-Quantentöpfe, der durch Indium-Atome ersetzt ist. Der absolute Indiumgehalt liegt bevorzugt bei mindestens 10 % oder 15 % oder 17 % und/oder bei höchstens
50 % oder 30 % oder 20 % oder 18 %. Ein Indiumgehalt von zum Beispiel 17 % bedeutet in der Formel InxGa]__xN einen Wert x = 0,17. Gemäß zumindest einer Ausführungsform variiert die mittlere Dicke der Quantentöpfe in der aktiven Zone um einen ersten Faktor von mindestens 1,05 oder 1,1 oder 1,2 oder 1,25 und/oder von höchstens 3 oder 2 oder 1,5 oder 1,35. Gemäß zumindest einer Ausführungsform variieren die
Indiumgehalte der Quantentöpfe in der aktiven Zone um einen zweiten Faktor von mindestens 1,001 oder 1,003 oder 1,004 oder 1,005 und/oder von höchstens 2 oder 1,4 oder 1,2 oder 1,015 oder 1,008.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Quantentöpfe in der aktiven Zone unterschiedlich stark dotiert. Die
Dotierung der Quantentöpfe variiert dann beispielsweise um mindestens 1 x 1018/cm^ oder 2 x 10l8 cm3 und/oder um
höchstens 5 x 1019/cm^ oder 1 x lO ^/cm^. Die Dotierung kann sich sowohl in der Dotierstoffkonzentration als auch
alternativ oder zusätzlich in der Dotierart, also p-dotiert oder n-dotiert, unterscheiden. Beispielsweise sind die
Quantentöpfe oder ist ein Teil der Quantentöpfe mit Silizium oder mit Magnesium dotiert, entsprechendes kann für die
Barriereschichten und für Teilschichten der Barriereschichten gelten. Abweichend hiervon ist es auch möglich, dass alle oder zumindest ein Teil der Quantentöpfe undotiert sind.
Undotiert kann bedeuten, dass eine Fremdstoffkonzentration einen Wert von 5 x 1017/cmJ oder 1 x 1017/cmJ oder 5 x
10l6/cmJ nicht überschreitet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zwei oder mehr als zwei der Barriereschichten in der aktiven Zone
unterschiedlich stark dotiert. Für die
Dotierstoffkonzentration und die Art der Dotierung gilt für die Barriereschichten das gleiche wie für die Quantentöpfe. Durch die Dotierung der Barriereschichten können die
Emissionswellenlängen der Quantentöpfe im ersten Arbeitspunkt und/oder im zweiten Arbeitspunkt variiert sein. Bei der
Verwendung von unterschiedlich dotierten Barriereschichten ist es möglich, dass die Quantentöpfe im Rahmen der
Herstellungstoleranzen jeweils gleich ausgebildet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert ein Teil der Barriereschichten auf AlGaN und ein anderer Teil der
Barriereschichten basiert auf InGaN, A1N, AlInGaN oder auf GaN. Im Falle von AlGaN liegt der Aluminiumgehalt der
Barriereschichten bevorzugt bei mindestens 0,1 % oder 0,5 % oder 1 % oder 3 % und/oder bei höchstens 50 % oder 20 % oder 10 % oder 8 %, jeweils bezogen auf Ga . Entsprechendes gilt für den Indiumgehalt im Falle von InGaN-Barriereschichten und für den Gehalt jeder einzelnen Komponente im Falle von
AlInGaN-Barriereschichten . Die Barriereschichten können jeweils mehrere Teilschichten umfassen, die einen
unterschiedlichen Gehalt an den Komponenten AI, In und/oder Ga aufweisen und die sich in ihrer Dotierung unterscheiden können .
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines
optoelektronischen Halbleiterchips angegeben, wobei der
Halbleiterchip eine Halbleiterschichtenfolge aufweist, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten
Ausführungsformen beschrieben. Merkmale der
Halbleiterschichtenfolge sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Aus führungs form wird die
Halbleiterschichtenfolge zeitweise in dem ersten Arbeitspunkt und zeitweise in dem zweiten Arbeitspunkt betrieben. In dem ersten Arbeitspunkt liegt die erste Stromdichte und in dem zweiten Arbeitspunkt die zweite Stromdichte vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform schneidet sich ein Wellenlängenverlauf einer Emissionswellenlänge von einem ersten der Quantentöpfe mit einem Wellenlängenverlauf einer Emissionswellenlänge von einem zweiten der Quantentöpfe, in Abhängigkeit von der Stromdichte und wenn die Stromdichte vom ersten Arbeitspunkt hin zum zweiten Arbeitspunkt erhöht wird. Dieses Schneiden der Emissionswellenlängenverläufe gilt paarweise bevorzugt hinsichtlich der Emissionswellenlänge von zumindest zwei oder von mehr als zwei oder von allen der Quantentöpfe . Gemäß zumindest einer Ausführungsform sinkt beim Erhöhen der Stromdichte vom ersten hin zum zweiten Arbeitspunkt eine Beweglichkeit über eine Barriere hinweg von positiven
Ladungsträgern wie Löchern in der aktiven Zone der
Halbleiterschichtenfolge. Es wird also die Beweglichkeit über eine Barriere hinweg insbesondere der Löcher in Abhängigkeit von der Stromdichte eingestellt. Dies ist speziell durch den beschriebenen Aufbau der Halbleiterschichtenfolge ermöglicht. Nachfolgend werden eine hier beschriebene
Halbleiterschichtenfolge und ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen
Halbleiterschichtenfolge, Figuren 2 bis 8 schematische Darstellungen von Parametern von aktiven Zonen für hier beschriebene
Halbleiterschichtenfolgen, und
Figur 9 eine schematische Darstellung von Energieniveaus einer Abwandlung einer Halbleiterschichtenfolge.
In Figur 1 ist in einer Schnittdarstellung ein
Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterchips 1 mit einer Halbleiterschichtenfolge 2 dargestellt. Bei dem Halbleiterchip 1 handelt es sich beispielsweise um eine
Leuchtdiode . Auf einem Träger 4, der die Halbleiterschichtenfolge 2 stützt und mechanisch trägt, ist optional ein Spiegel 5 angebracht. Bei dem Spiegel 5 kann es sich um einen Metallspiegel
handeln, der gleichzeitig zu einer Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge 2 vorgesehen sein kann. Anders als dargestellt kann der Spiegel 5 mehrere Schichten umfassen. Der Spiegel 5 kann auch an einer dem Träger 4 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 2 angebracht sein.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine p-leitende Schicht 22 sowie eine n-leitende Schicht 21 und eine aktive Zone 3 auf, die zwischen diesen Schichten 21, 22 liegt und diese Schichten 21, 22 berührt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Schichten 21, 22 jeweils als eine einzige Schicht dargestellt. Abweichend hiervon können die Schichten 21, 22 auch aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein und/oder in umgekehrter Reihenfolge an dem Träger 4 angebracht oder aufgewachsen sein.
Die aktive Zone weist gemäß Figur 1 vier Quantentöpfe 33 auf, die zu einer Strahlungserzeugung im Betrieb des
Halbleiterchips 1 eingerichtet sind, insbesondere zur
Erzeugung von blauem Licht. Eine hiervon abweichende Anzahl von Quantentöpfen 33 kann ebenso vorliegen. Die Quantentöpfe 33 basieren jeweils beispielsweise auf InGaN. Es sind die Quantentöpfe 33 abwechselnd mit Barriereschichten 34
angeordnet. Es können die Barriereschichten 34 und die
Quantentöpfe 33 unmittelbar aufeinander folgen. Die der p- leitenden Schicht 22 nächstgelegene und/oder die von der p- leitenden Schicht 22 am weitesten entfernt gelegene
Barriereschicht 34 ist optional.
Ferner ist es möglich, dass in die n-leitende Schicht 21 an einer dem Träger 4 abgewandten Seite eine Aufrauung zur
Verbesserung einer Lichtauskopplung geformt ist. Ferner optional können in oder an der Halbleiterschichtenfolge 2 Konversionsmaterialien angebracht sein, die zumindest einen Teil der in der aktiven Zone 3 erzeugten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandeln.
Die Quantentöpfe 33 und/oder die Barriereschichten 34 können voneinander verschiedene Materialzusammensetzungen und/oder Dicken aufweisen. Es sind die Barriereschichten 34 bevorzugt jeweils dicker gestaltet als die Quantentöpfe 33. Eine
Materialzusammensetzung sowie eine Dicke innerhalb der jeweiligen Quantentöpfe 33 und Barriereschichten 34 variiert in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung G der
Halbleiterschichtenfolge 2 bevorzugt nicht oder nicht
signifikant .
Abweichend hiervon kann entlang der Wachstumsrichtung G eine Materialzusammensetzung und/oder eine Dotierung der
Quantentöpfe 33 und/oder der Barriereschichten 34 auch gezielt variiert sein. Auch in Richtung senkrecht zur
Wachstumsrichtung G kann eine insbesondere moderate Variation in der Materialzusammensetzung und/oder der Dotierung
vorliegen. Es ist jeweils möglich, dass die Quantentöpfe 33 und/oder die Barriereschichten 34 aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sind. Abweichend von der Darstellung in Figur 1 kann die Wachstumsrichtung G auch von der p-leitenden
Schicht 22 hin zur n-leitenden Schicht 21 verlaufen. In Figur 2 sind schematisch Energieniveaus der Quantentöpfe
33 in der aktiven Zone 3 illustriert. Je höher das
eingezeichnete Energieniveau liegt, desto kürzer ist die von dem zugehörigen Quantentopf 33 emittierte Wellenlänge.
Gemäß Figur 2A weisen die Quantentöpfe 33 jeweils gleiche Dicken T auf. Auch die Barriereschichten 34 weisen gleiche Dicken B auf. Die Energieniveaus in den Quantentöpfen 33 sind durch eine Variation eines Indiumgehalts eingestellt. Es zeigen die Energieniveaus der Quantentöpfe 33 einen linearen Verlauf auf, ebenso wie in Figur 2B.
Gemäß Figur 2B ist ein Indiumgehalt der Quantentöpfe 33 konstant, jedoch haben die Quantentöpfe 33 unterschiedliche Dicken. Je dünner der entsprechende Quantentopf 33 ist, desto höher ist das zugehörige Energieniveau. Die Barriereschichten
34 können ebenso unterschiedliche Dicken aufweisen oder, anders als in Figur 2B gezeichnet, gleich dick sein. Abweichend von der Darstellung gemäß Figur 2 ist es auch möglich, dass sowohl der Indiumgehalt als auch die Dicke der Quantentöpfe 33 innerhalb der aktiven Zone 3 variiert sind, um die Energieniveaus einzustellen. Ferner können die
Quantentöpfe 33 unterschiedlich dotiert sein, sowohl
hinsichtlich Dotierart als auch Dotierstoffkonzentration .
Des Weiteren kann eine Dotierung der Barriereschichten 34 vor und/oder nach einem Quantentopf 33 höher sein als vor
und/oder nach einem anderen der Quantentöpfe 33. Ebenso kann sich die Dotierart, also n-Dotierung oder p-Dotierung, der Barriereschichten 34 vor und/oder nach verschiedenen
Quantentöpfen 33 voneinander unterscheiden. Somit ist auch durch die Barriereschichten 34, alternativ oder zusätzlich zu - In der Ausgestaltung der Quantentöpfe 33, eine Einstellung der Energieniveaus möglich.
In Figur 3 sind die Energieniveaus als horizontale Striche dargestellt und eine Dichte von positiven Ladungsträgern, also von Löchern, ist als Punkt-Linie symbolisiert. Die
Quantentöpfe 33 sind in aufsteigender Nummerierung mit einem Zählindex i in Richtung von der n-leitenden Schicht 21 hin zur p-leitenden Schicht 22 nummeriert. Aufgetragen sind die Quantentöpfe 33 gegenüber der Energie E der Energieniveaus.
In Figur 3A ist ein Kleinstrombereich gezeigt. Hier liegt eine relativ hohe Lochmobilität über eine Barriere hinweg vor und die Löcher verteilen sich gut. Eine Ansammlung der Löcher an der n-leitenden Schicht 21 wird durch ansteigende
Energieniveaus der Quantentöpfe 33 verhindert. Die
Energieniveaus der Quantentöpfe steigen also von der p- leitenden Schicht 22 hin zu der n-leitenden Schicht 21 kontinuierlich an.
In Figur 3B ist der Hochstrombereich bei großen Stromdichten illustriert. Hier liegt eine relativ niedrige Lochmobilität über eine Barriere hinweg vor. Die Ansammlung von positiven Ladungsträgern an der p-leitenden Schicht 22 wird durch abfallende Energieniveaus der Quantentöpfe 33 verhindert. Die Energieniveaus sinken in Richtung von der p-leitenden Schicht 22 hin zu der n-leitenden Schicht 21.
In Figur 4 ist die Energie E der Quantentöpfe 33 in
Abhängigkeit von einer Stromdichte C, die einer
Ladungsträgerdichte entspricht, abgetragen. Je größer die Energie E, desto kürzer die zugehörige Emissionswellenlänge. In einem ersten Arbeitspunkt l sind die Energieniveaus der Quantentöpfe 33 kleiner als in einem zweiten Arbeitspunkt 2 mit einer größeren Stromdichte C. Hin zu dem zweiten
Arbeitspunkt W2 nähern sich die Emissionsenergien E an, siehe Figur 4A.
Gemäß Figur 4B schneiden sich die Emissionsenergieverläufe der Quantentöpfe 33 in Richtung vom ersten Arbeitspunkt l hin zum zweiten Arbeitspunkt W2. Mit anderen Worten ändert eine Differenz der Energien der eingezeichneten Quantentöpfe 33i, 33 das Vorzeichen.
In Figur 5 ist ein Bändermodell der Energieniveaus bei verschiedenen Stromdichten stark schematisiert dargestellt. Gemäß Figur 5A liegt eine geringe Stromdichte vor, gemäß Figur 5B eine mittlere Stromdichte und gemäß Figur 5C eine hohe Stromdichte.
Der Quantentopf 33a weist eine größere Dicke und einen kleineren Indiumgehalt auf als der Quantentopf 33b, der sich näher an der n-leitenden Schicht 21 befindet. Der dünnere Quantentopf 33b weist eine Dicke von 2,0 nm und einem
Indiumgehalt von 20,2 % auf, der dickere Quantentopf 33a hat eine Dicke von 4,0 nm und einen Indiumgehalt von 15,6 %.
Diese Dicken und Indiumgehalte können zum Beispiel mit einer Toleranz von höchstens 20 % oder 10 % vorliegen.
Bei einer Erhöhung der Stromdichte verändert sich die
Bandstruktur und hierdurch verändert sich auch die relative Lage der Energieniveaus der Quantentöpfe 33a, 33b zueinander.
In Figur 6 ist eine Emissionswellenlänge L im oberen
Figurenteil und eine spektrale Halbwertsbreite AL im unteren Figurenteil in Abhängigkeit von der Stromdichte C gezeigt. Die bei kleinen Stromdichten langwelliger emittierenden
Quantentöpfe 33a weisen eine größere Dicke auf als die
Quantentöpfe 33b. Die Dicken unterscheiden sich
beispielsweise um einen Faktor 1,3 voneinander, die kleinere Dicke liegt insbesondere zwischen 2,8 nm und 3,5 nm und ein Indiumgehalt der Quantentöpfe 33a, 33b liegt zum Beispiel zwischen einschließlich 16,4 % und 17,0 %. Diese Werte sind zum Beispiel mit einer Toleranz von höchstens 20 % oder 10 % erfüllt. Ein Unterschied in den Emissionswellenlängen liegt bei kleinen Stromdichten C bis etwa 4 A/cm^ bei ungefähr 2,5 nm. Oberhalb von Stromdichten von ungefähr 4 A/cm^ bis hin zu einer Stromdichte von ungefähr 35 A/cm^ nähern sich die Emissionswellenlängen an. Bei noch höheren Stromdichten C schneiden sich die Verläufe der Emissionswellenlängen und die dickeren Quantentöpfe 33a weisen eine kurzwelligere Emission auf als die dünneren Quantentöpfe 33b.
Im unteren Figurenteil in Figur 6 ist zu sehen, dass die spektrale Halbwertsbreite AL mit zunehmender Stromdichte C ansteigt. Die dickeren Quantentöpfe 33a weisen dabei eine größere spektrale Halbwertsbreite AL auf. Werden die
Halbwertsbreiten AL der Quantentöpfe 33a, 33b überlagert, erhöht sich im Kleinstrombereich unterhalb von ungefähr 10 A/cm^ die spektrale Halbwertsbreite. Bei höheren
Stromdichten erfolgt jedoch insgesamt eine kleinere
Halbwertsverbreitung bei einer Änderung der Stromdichte C, relativ zu geringen Stromdichten. Das emittierte Spektrum erscheint somit über einen größeren Strombereich hinweg gleichbleibend. Außerdem können sich die Effekte der
Verschiebung der Emissionswellenlänge und der Halbwertsbreite AL teilweise kompensieren, sodass eine gleichmäßigere
Abstrahlcharakteristik erzielbar ist. In Figur 7 ist eine externe Quanteneffizienz Q in willkürlichen Einheiten gegenüber der Stromdichte C
aufgetragen. Die Balken in der Figur markieren einen
Kleinstrombereich bis zu 10 A/cm^ , einen Normalbereich sowie einen Hochstrombereich ab 85 A/cm^ . Hin zu höheren
Stromdichten, ab ungefähr 3 A/cm^ , fällt die Quanteneffizienz Q ab. Durch die Verwendung von Quantentöpfen mit
verschiedenen Emissionswellenlängen ist dieser Abfall
reduzierbar, so dass sich die externe Quanteneffizienz Q insbesondere im Hochstrombereich verbessern kann.
Ferner können Resonanzeffekte durch eine solche
Halbleiterschichtenfolge 2 besser ausgenutzt werden, siehe Figur 8. In Abhängigkeit von einem Abstand zu einem Spiegel 5 bilden sich Intensitätsmaxima eines optischen Feldes aus. In bestimmten Abständen zu dem Spiegel 5 gibt es eine
verbesserte Lichtauskopplung und eine Verstärkung der
strahlenden Rekombination in den Quantentöpfen 33, auch als Purcel-Effect bekannt. Im Regelfall werden die Quantentöpfe 33 in einem Resonanzmaximum platziert, siehe Figur 8A. In
Figur 8B ist die Intensität I entlang der Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 2 nochmals schematisch
illustriert . Der Kleinstrombereich ist in Figur 8C dargestellt. Im
Kleinstrombereich liegt eine hohe Mobilität der Löcher vor und die Löcher verteilen sich gut. Durch die gezielte
Anpassung der Energieniveaus der Quantentöpfe 33 wird eine Ansammlung im Resonanzmaximum, siehe Figur 8B, verstärkt und eine verbesserte externe Effizienz im Kleinstrombereich wird erreicht. Eine Dichte der Löcher ist analog zu Figur 3 als Strich-Linie symbolisiert. Im Hochstrombereich, siehe Figur 8D, liegt eine niedrigere Mobilität der Löcher vor und eine Ansammlung von Löchern an oder nahe der p-leitenden Schicht 22 wird durch die in
Richtung hin zur n-leitenden Schicht 21 abfallenden
Energieniveaus der Quantentöpfe 33 verhindert. Durch die gleichmäßigere Ladungsträgerverteilung ergibt sich eine insgesamt geringere Ladungsträgerdichte der Quantentöpfe 33, insbesondere an der p-dotierten Seite 22. Hierdurch lässt sich auch bei größeren Stromdichten die Effizienz erhöhen.
In Figur 9 ist die Verteilung der Löcher im Kleinstromfall, siehe Figur 9A, und im Hochstromfall, siehe Figur 9B, für eine Abwandlung der Halbleiterschichtenfolge illustriert. Bei dieser Abwandlung weisen alle Quantentöpfe 33 ungefähr gleiche Energieniveaus auf. Somit liegt im Kleinstrombereich und im Hochstrombereich eine relativ ungleichmäßige
Verteilung der Löcher vor. Hierdurch ist eine Effizienz einer solchen Halbleiterschichtenfolge vergleichsweise gering. Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2013 104 351.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugs zeichenliste
1 optoelektronischer Halbleiterchip
2 Halbleiterschichtenfolge
21 n-leitende Schicht
22 p-leitende Schicht
3 aktive Zone
33 Quantentopf
34 Barriereschicht
4 Träger
5 Spiegel
B Dicke der Barriereschichten
C Stromdichte
E Emissionsenergie
G Wachstumsrichtung
i Zählindex
I Intensität
L Emissionswellenlänge
T Dicke der Quantentöpfe
Q externe Quanteneffizienz
W Arbeitspunkt

Claims

Patentansprüche
Halbleiterschichtenfolge (2) für einen
optoelektronischen Halbleiterchip (1), die eine n- leitende Schicht (21), eine p-leitende Schicht (22) und eine dazwischen liegende aktive Zone (3) aufweist, wobei
- die aktive Zone (3) N entlang einer Wachstumsrichtung (G) aufeinanderfolgender Quantentöpfe (33) mit N ^ 2 und N e N aufweist, die jeweils zu einer
Strahlungserzeugung eingerichtet sind und die entlang der Wachstumsrichtung (G) mit k e [1; N] ^ fortlaufend nummeriert sind,
- die Quantentöpfe (33) durch Barriereschichten (34) voneinander getrennt sind,
- die Quantentöpfe (33) in einem ersten Arbeitspunkt (Wl) bei einer ersten Stromdichte (Cl) zugehörige, fortlaufend nummerierte erste Emissionswellenlängen Ll^ aufzeigen,
- mindestens zwei der ersten Emissionswellenlängen Ll^ der Quantentöpfe (33) voneinander verschieden sind,
- die Quantentöpfe (33) in einem zweiten Arbeitspunkt (W2) bei einer zweiten Stromdichte (C2) zugehörige, fortlaufend nummerierte zweite Emissionswellenlängen L2} aufzeigen, die von den ersten Emissionswellenlängen Ll]^ wenigstens zum Teil verschieden sind,
- die erste Stromdichte (Cl) kleiner ist als die zweite Stromdichte (C2) und sich die Stromdichten (Cl, C2) um mindestens einen Faktor 2 voneinander unterscheiden, und
- für mindestens ein i und mindestens ein j mit i, j e [1; N] ^ und i j gilt: Llj_ < L1-; sowie L2j_ > L2 .
2. Halbleiterschichtenfolge (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei der
- die erste Stromdichte (Cl) höchstens 3,5 A/cm^ und die zweite Stromdichte (C2) mindestens 10 A/cm^
beträgt,
- die Quantentöpfe (33) auf InGaN basieren,
- Dicken (T) der Quantentöpfe (33) je zwischen 1,5 nm und 5 nm liegen,
- Dicken (B) der Barriereschichten (34) je zwischen 3 nm und 12 nm liegen und die Barriereschichten (34) auf GaN, AlGaN oder InGaN basieren,
- 10 > N > 4,
- im zweiten Arbeitspunkt ( 2) für mindestens ein i und mindestens ein j gilt: L2-j_ > L2j,
- für mindestens ein i und mindestens ein j ein
Wellenlängenunterschied zwischen Ll-j_ und Llj im ersten Arbeitspunkt (Wl) zwischen einschließlich 1,5 nm und 12 nm liegt, und
- für mindestens ein i und mindestens ein j ein
Wellenlängenunterschied zwischen L2j_ und L2j im zweiten Arbeitspunkt (W2) zwischen einschließlich 0,5 nm und
6 nm liegt.
3. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der im ersten Arbeitspunkt (Wl) die
Emissionswellenlängen Ll^ der Quantentöpfe (33) von der n-leitenden Schicht (21) hin zu der p-leitenden Schicht (22) monoton oder streng monoton ansteigen.
4. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der im ersten Arbeitspunkt ( l) die
Emissionswellenlängen Ll^ der Quantentöpfe (33) von der n-leitenden Schicht (21) hin zu der p-leitenden Schicht (22) zuerst monoton oder streng monoton ansteigen und anschließend hin zur p-leitenden Schicht monoton oder streng monoton abfallen.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der im zweiten Arbeitspunkt (W2) die
Emissionswellenlängen L2^ der Quantentöpfe (33) von der n-leitenden Schicht (21) hin zu der p-leitenden Schicht (22) monoton oder streng monoton abfallen.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der mittlere Dicken (T) der Quantentöpfe (33) in der aktiven Zone (3) um mindestens 0,1 nm und um höchstens 5,0 nm variieren.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der Indium-Gehalte der Quantentöpfe (33) in der aktiven Zone (3) um mindestens 0,05 Atomprozentpunkte und um höchstens 6 Atomprozentpunkte variieren.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der die mittleren Dicken der Quantentöpfe (33) in der aktiven Zone (3) um einen ersten Faktor von
mindestens 1,05 und von höchstens 3 variieren, und/oder bei der die Indium-Gehalte der Quantentöpfe (33) in der aktiven Zone (3) um einen zweiten Faktor von mindestens 1,001 und von höchstens 2 variieren. Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Quantentöpfe (33) unterschiedlich
dotiert sind.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der zumindest zwei der Barriereschichten (34) in der aktiven Zone (3) unterschiedlich stark dotiert sind und durch die Dotierung dieser Barriereschichten (34) die Emissionswellenlängen Ll^ der Quantentöpfe (33) im ersten Arbeitspunkt ( l) variiert sind.
Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
bei der ein Teil der Barriereschichten (34) auf AlGaN und ein anderer Teil der Barriereschichten (34) auf InGaN, AlInGaN oder GaN basiert.
Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen
Halbleiterchips (1) mit einer Halbleiterschichtenfolge (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
- die Halbleiterschichtenfolge (2) zeitweise in dem ersten Arbeitspunkt (Wl) bei der ersten Stromdichte (Cl) und zeitweise in dem zweiten Arbeitspunkt (W2) bei der zweiten Stromdichte (C2) betrieben wird,
- die erste Stromdichte (Cl) kleiner ist als die zweite Stromdichte (C2) und sich die Stromdichten (Cl, C2) um mindestens einen Faktor 2 voneinander unterscheiden, und
- für mindestens ein i und mindestens ein j mit i, j e [1; N] ^ und i j gilt:
Ll-j_ < Llj sowie L2-j_ > L2 j .
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem sich, in Abhängigkeit von der Stromstärke, ein Wellenlängenverlauf von Ll-j_ hin zu L2-j_ mit einem
Wellenlängenverlauf von Llj hin zu L2j schneidet, wenn die Stromdichte vom ersten hin zum zweiten Arbeitspunkt (Wl, W2) erhöht wird,
wobei beim Erhöhen der Stromdichte vom ersten hin zum zweiten Arbeitspunkt (Wl, W2 ) eine Beweglichkeit von positiven Ladungsträgern in der aktiven Zone (3) der Halbleiterschichtenfolge (2) sinkt.
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