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WO2009036730A2 - Optoelektronischer halbleiterchip mit quantentopfstruktur - Google Patents

Optoelektronischer halbleiterchip mit quantentopfstruktur Download PDF

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WO2009036730A2
WO2009036730A2 PCT/DE2008/001445 DE2008001445W WO2009036730A2 WO 2009036730 A2 WO2009036730 A2 WO 2009036730A2 DE 2008001445 W DE2008001445 W DE 2008001445W WO 2009036730 A2 WO2009036730 A2 WO 2009036730A2
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quantum well
layer
well layer
layers
component
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WO2009036730A3 (de
Inventor
Marc Schillgalies
Christian Rumbolz
Christoph Eichler
Alfred Lell
Adrian Stefan Avramescu
Georg BRÜDERL
Uwe Strauss
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors Gmbh filed Critical Osram Opto Semiconductors Gmbh
Publication of WO2009036730A2 publication Critical patent/WO2009036730A2/de
Publication of WO2009036730A3 publication Critical patent/WO2009036730A3/de

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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H10H20/812—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present application relates to an optoelectronic semiconductor chip with quantum well structure.
  • Optoelectronic semiconductor chips with quantum well structure are known for example from the publication DE 199 55 747 Al.
  • An optoelectronic semiconductor chip which has a radiation-emitting semiconductor layer sequence.
  • the radiation-emitting semiconductor layer sequence contains an active zone with a first quantum well layer, a second quantum well layer and two termination barrier layers.
  • the first and second quantum well layers are _ _
  • the active zone is arranged between the two termination barrier layers.
  • the active zone is arranged between an n-doped layer or layer sequence and a p-doped layer or layer sequence. In the direction of the n-doped layer / layer sequence to the p-doped
  • Layer / layer sequence precedes one of the termination barrier layers of the first and second quantum well layers, and the other termination barrier layer follows the first and second quantum well layers in the direction from the n-doped semiconductor layer to the p-doped semiconductor layer.
  • the first and second quantum well layers have a lower bandgap compared to the termination barrier layers.
  • the active zone thus has a quantum well structure, in particular a multiple quantum well structure, which contains at least the first and second quantum well layers and the two termination barrier layers. In this case, no statement is made as to the dimensionality of the quantization of the energy states by the quantum well layers and the termination barrier layers.
  • the quantum well structure u. a. at least one quantum well, quantum wire and / or quantum dot, and any combination of these structures.
  • the quantum well structure of the active zone is provided for generating electromagnetic radiation in the operation of the semiconductor chip.
  • the optoelectronic semiconductor chip is preferably provided for the emission of laser radiation, that is, the optoelectronic semiconductor chip is preferably a laser diode chip, for example edge emitting.
  • the radiation-emitting semiconductor layer sequence is, in particular, a semiconductor layer sequence produced by means of epitaxial layer growth. In the layer growth, n-type layer / layer sequence, the active region, and the p-type layer / layer sequence are usually produced in this order in succession.
  • the direction from the n-doped layer / layer sequence to the p-doped layer / layer sequence is abbreviated by the term "growth direction.”
  • “Growth direction” direction can also run opposite to the actual direction of the layer growth.
  • Quantum well layer are in particular substantially perpendicular to the growth direction.
  • the first and the second quantum well layer and the two terminating layers as well as the entire active zone expediently have substantially parallel main extension planes.
  • the active zone comprises a semiconductor material containing at least a first and a second component.
  • the active region comprises a III / V compound semiconductor material, for example, a nitride compound semiconductor material such as InAlGaN or a phosphite compound semiconductor material.
  • a III / V compound semiconductor material for example, a nitride compound semiconductor material such as InAlGaN or a phosphite compound semiconductor material.
  • it may also comprise an II / VI compound semiconductor material.
  • a III / V compound semiconductor material comprises at least one element of the third main group such as B, Al, Ga, In, and a fifth main group element such as N, P, As.
  • the term "III / V compound semiconductor material” includes the group of binary, ternary or quaternary compounds containing at least one element from the third main group and at least one element from the fifth main group, for example nitride and phosphide compound semiconductors , Such a binary, ternary or quaternary compound may additionally have, for example, one or more dopants and additional constituents.
  • an II / VI compound semiconductor material has at least one element of the second main group such as Be, Mg, Ca, Sr, and a sixth main group element such as O, S, Se.
  • an IL / VI compound semiconductor material comprises a binary, ternary or quaternary compound comprising at least one element from the second main group and at least one element from the sixth main group.
  • Such a binary, ternary or quaternary compound may additionally have, for example, one or more dopants and additional constituents.
  • the II / VI compound semiconductor materials include: ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
  • That the active zone contains a nitride compound semiconductor material in the present context means that the active zone or at least a part thereof comprises a nitride compound semiconductor material, preferably In n Al m Ga nn m -
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may, for example, have one or more dopants and additional constituents.
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), even if these can be partially replaced and / or supplemented by small amounts of further substances.
  • the proportion of the first component in the semiconductor material of the two termination barrier layers is less than the proportion of this component in the first and the second quantum well layer.
  • the first component of the semiconductor material contributes in particular to adjusting the band gap of the semiconductor material.
  • the second quantum well layer has a smaller layer thickness compared to the first quantum well layer. In this embodiment, it preferably has a larger proportion of the first component of the semiconductor material than the first quantum well layer.
  • the second quantum well layer has the same layer thickness as the first quantum well layer or a greater layer thickness compared to the first quantum well layer.
  • the second quantum well layer has a smaller proportion of the first component of the semiconductor material than the first quantum well layer.
  • both the first and second quantum well layers are provided for emission of electromagnetic radiation.
  • the first quantum well layer precedes the second quantum well layer in the growth direction and has a smaller layer thickness than the second quantum well layer. It expediently contains a larger proportion of the first component of the semiconductor material than the second quantum well layer.
  • the energy levels of the quantum well defined by the first quantum well layer and the quantum well defined by the second quantum well layer are matched by means of the layer thickness and the proportion of the first component of the semiconductor material such that the contribution of the first quantum well layer and the second quantum well layer to the total emission of the optoelectronic semiconductor chip in the same order of magnitude and in particular is practically the same size.
  • the electromagnetic radiation emitted in the region of the first quantum well layer and the electromagnetic radiation emitted in the region of the second quantum well layer has essentially the same spectral distribution; in particular, an intensity maximum of the spectral distribution has approximately the same wavelength.
  • the semiconductor layer sequence advantageously has a high crystal quality if the first quantum well layer, which precedes the second quantum well layer in the direction of growth, has a smaller layer thickness than the second quantum well layer.
  • the injection of charge carriers into the first and / or second quantum well layer improved compared to two quantum well layers with the same layer thickness and the same proportion of the first component of the semiconductor material.
  • the second quantum well layer is provided for emission of electromagnetic radiation and the first quantum well layer is not intended for emission of electrical radiation.
  • a quantum well layer which is not intended for the emission of electromagnetic radiation does not emit electromagnetic radiation during operation of the optoelectronic semiconductor chip or the proportion of the electromagnetic radiation emitted in the region of the quantum well layer not intended for emission is smaller than that in the region of Emission quantum well layer emitted electromagnetic radiation low.
  • the proportion of the electromagnetic radiation emitted in the region of the non-emission quantum well layer is at most half, preferably at most one fifth, in particular at most one tenth of the fraction of the electromagnetic radiation emitted in the region of a quantum well layer intended for emission.
  • the second quantum well layer has a smaller layer thickness than the first quantum well layer and is arranged within the first quantum well layer.
  • a first section of the first quantum well layer, the second quantum well layer and a second section of the first quantum well layer directly follow one another.
  • the first and second parts of the first quantum pot layer are directly adjacent to the second quantum well layer.
  • a particularly efficient charge carrier capture is advantageously achieved.
  • laser diode chips with a relatively long-wave intensity maximum of the laser radiation emitted during operation for example, an intensity maximum with a wavelength of greater than or equal to 460 nm, z. B. in the blue or green spectral laser diode chips, achievable.
  • the second quantum well layer in which the second quantum well layer is arranged within the first quantum well layer, the second quantum well layer has a smaller proportion of the first component of the semiconductor material than the first quantum well layer, instead of a larger proportion of the first component of the semiconductor material.
  • the first quantum well layer is provided for the emission of electromagnetic radiation
  • the second quantum well layer is not intended for the emission of electromagnetic radiation.
  • the semiconductor layer sequence in this variant has an improved crystal quality, so that the optical and electrical properties of the semiconductor layer sequence are improved.
  • the first quantum well layer is in operation of the semiconductor chip for emission of electromagnetic
  • Radiation provided and the second quantum well layer is not intended for the emission of electromagnetic radiation.
  • the second quantum well layer is included, for example This embodiment precedes the first quantum well layer in the growth direction or follows the first quantum well layer in the growth direction.
  • the incorporation of the first component of the semiconductor material in the first quantum well layer particularly homogeneous.
  • the number of defects in the first quantum well layer e.g., the number of Ga defects is advantageously very low, so that a particularly small number of charge carrier pairs do not radiantly recombine.
  • the diffusion of one or more dopants into the first quantum well layer is particularly low, so that the semiconductor chip has a particularly long service life.
  • the optoelectronic semiconductor chip has two first quantum well layers and at least one second quantum well layer.
  • the second quantum well layer or the second quantum well layers is / are arranged between the two first quantum well layers.
  • the at least one second quantum well layer increases the tunneling probability for charge carriers between the two first quantum well layers.
  • a particularly uniform charge carrier distribution is achieved on the two quantum well layers provided for radiation emission.
  • the distance between the at least one second quantum well layer and the first quantum well layer following in the direction of growth is smaller than the distance to the first quantum well layer preceding in the direction of growth.
  • the distance to the first quantum well layer following in the growth direction is one-half or less, for example, one fourth or less of the distance to the first quantum well layer preceding in the growth direction.
  • the second quantum well layer arranged relatively close to the first quantum well layer following in the direction of growth advantageously reduces these energetic barriers for the charge carriers.
  • the optoelectronic semiconductor chip has at least one first quantum well layer and two second quantum well layers, wherein the at least one first quantum well layer is arranged between the two second quantum well layers.
  • the at least one first quantum well layer is arranged between a first plurality and a second plurality of second quantum well layers.
  • the first plurality of second quantum well layers precede the at least one first quantum well layer in the growth direction
  • the second plurality of second quantum well layers tracks the at least one first quantum well layer in the growth direction.
  • the first plurality of second quantum well layers and the second plurality of second quantum well layers contain the same number of second quantum well layers.
  • the at least one first quantum well layer preferably precedes just as many second quantum well layers as follow in the growth direction.
  • a particularly good beam guidance of the electromagnetic radiation emitted by the at least one first quantum well layer is achieved in the active zone.
  • the refractive index of the active zone is increased by means of the second quantum well layers.
  • the spatial overlap between the at least one first quantum well layer and the electromagnetic radiation emitted by the active zone is particularly large, so that, for example, a particularly efficient emission of laser radiation takes place during operation.
  • the second quantum well layers advantageously define quantum well structures whose energy levels differ from the energy levels of the quantum well structure (s) defined by the at least one first quantum well layer. In this way, the risk of absorption of the electromagnetic radiation emitted by the at least one first quantum well layer in the region of the second quantum well layers is only slight.
  • the proportion of the first component of the semiconductor material and / or the layer thickness of the second quantum well layer increases.
  • that second quantum well layer has the larger portion of the first component of the semiconductor material and / or the greater layer thickness whose distance from the at least one first quantum well layer Quantum well layer is lower.
  • the active zone has a plane of symmetry which runs essentially parallel to a main extension plane of the active zone, that is to say in particular substantially perpendicular to the growth direction.
  • the active zone contains a plurality of first and / or a plurality of second quantum well layers.
  • the first quantum well layer (s) and the second quantum well layer (s) are arranged mirror-symmetrically to the plane of symmetry. Such a mirror-symmetrical arrangement is advantageous, for example, for the beam guidance of the laser radiation in the active zone of a laser diode chip.
  • the proportion of the first component of the semiconductor material of the second quantum well layer is 1.2 times to 2 times as high as the proportion of the first component of the semiconductor material first
  • Quantum well layer In an alternative embodiment with a second quantum well layer with the same or greater layer thickness, the proportion of the first component of the half conductor material of the first quantum well layer 1.2 times to 2 times as large as the proportion of the first component of the semiconductor material of the second quantum well layer.
  • the layer thickness of a second quantum well layer which has a smaller layer thickness than the first quantum well layer, in one embodiment is at most half, preferably at most one third, particularly preferably at most one quarter of the value of the layer thickness of the first quantum well layer.
  • the first quantum well layer has a layer thickness between 2 and 10 nm, in particular between 2 and 5 nm, the boundaries being included in each case.
  • the second quantum well layer has, for example, a layer thickness between 0.5 and 5 nm, preferably between 0.5 and 2 nm, for example, the layer thickness of the second quantum well layer is about 1 nm.
  • the semiconductor material of the first and / or the second quantum well layer (s) contains at least two different elements of the same main group in the periodic table, such as the third main group, one element in the first and the other in the second component of the semiconductor material.
  • the proportion of the element of this main group contained in the first component is between 0.5% and 50% of the elements of this main group in the semiconductor material.
  • the first component is indium.
  • the second component is, for example, GaN, AlN or AlGaN containing Ga and / or Al, the How In belongs to the third main group of the periodic table.
  • the indium has in a further development of a proportion of 0.05 ⁇ n ⁇ 0.5 in the semiconductor material in N Al m Ga 1 - U - Jn N.
  • the semiconductor chip is provided for the emission of electromagnetic radiation having an intensity maximum in the blue spectral range and the semiconductor material of the first quantum well layer has an indium content of 0.15 ⁇ n ⁇ 0.2.
  • the semiconductor chip is provided for the emission of electromagnetic radiation having an intensity maximum in the ultraviolet spectral range and the semiconductor material of the first quantum well layer has an indium content of 0.07 ⁇ n ⁇ 0.1.
  • the distances between the first and the second quantum well layer, between two first quantum well layers and / or between two second quantum well layers have, for example, a value between 1 and 50 nm, preferably between 3 and 15 nm, the limits being included in each case.
  • the proportion of the first component of the semiconductor material is not constant in one embodiment within the first and / or the second quantum well layer. Instead, it varies over the layer thickness of the first and / or the second quantum well layer.
  • the concentration of the first component in the growth direction over a partial area of the first or second quantum well layer can increase continuously from the edge or decrease continuously towards the edge.
  • the concentration profile of the first component has one or two oblique edges. Below the proportion of the first component of the semiconductor Rials in this case is understood as the maximum of the proportion within the quantum well layer.
  • the optoelectronic semiconductor chip is provided to emit electromagnetic radiation having an intensity maximum in the ultraviolet and / or blue spectral range during operation.
  • the intensity maximum lies in the blue spectral range and the active zone contains two first quantum well layers intended for generating radiation.
  • the intensity maximum lies in the ultraviolet spectral range and the active zone contains four first quantum well layers provided for generating radiation.
  • the semiconductor chip is a laser diode chip in a further embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a radiation-emitting semiconductor layer sequence of an optoelectronic semiconductor chip according to a first exemplary embodiment
  • FIGS. 2A and 2B show schematic diagrams of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone of the semiconductor layer sequence according to the first exemplary embodiment and according to a variant of the first exemplary embodiment
  • FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a second exemplary embodiment and according to a variant of the second embodiment
  • FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a third exemplary embodiment and according to a variant of the third exemplary embodiment,
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 6A, 6B and 6C schematic diagrams of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a fifth embodiment, according to a first variant and according to a second variant of the fifth embodiment,
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a sixth exemplary embodiment
  • FIGS. 8A and 8B are schematic diagrams of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a seventh embodiment.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to an eighth exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a ninth embodiment
  • FIGS. 11A and 11B are schematic diagrams of the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone according to a tenth embodiment and according to a variant of the tenth embodiment.
  • FIG. 1 shows an optoelectronic semiconductor chip, in the present case a laser diode chip, according to a first embodiment, shown schematically in cross section.
  • Chip has an epitaxial semiconductor layer sequence 1 on a growth substrate 2.
  • the radiation-emitting, epitaxial semiconductor layer sequence is based, for example, on a hexagonal compound semiconductor material, in particular on a nitride III compound semiconductor material.
  • the nitride III compound semiconductor material is InAlGaN.
  • the growth substrate 2 expediently has a material suitable for growing such a nitride III compound semiconductor material.
  • the growth substrate 2 contains GaN, SiC and / or sapphire or consists of at least one of these materials.
  • the semiconductor layer sequence 1 initially has an n-conducting layer or layer sequence 110, subsequently the active zone 120 and subsequently a p-doped layer or layer sequence 130.
  • the n-conducting layer sequence 110 has an-in particular heavily n-doped-n-contact layer 111, which contains, for example, GaN doped with an n-dopant such as silicon.
  • the n-contact layer 111 follows a further n-conducting layer, for example a GaN or InGaN layer 112 doped with an n-dopant such as silicon.
  • a further n-conducting layer for example a GaN or InGaN layer 112 doped with an n-dopant such as silicon.
  • it is a Stromaufweitungs- layer with a high electrical transverse conductivity.
  • the semiconductor layer sequence 1 further comprises a charge carrier confinement layer, in the case of a laser diode chip in particular a cladding layer -
  • the cladding layer 113 follows the n-contact layer 111 and the n-conducting layer 112 in the growth direction, ie, in particular in the direction away from the growth substrate 2.
  • the n-type cladding layer 113 contains a superlattice of alternating pairs of layers.
  • it is a superlattice of pairs each with an AlGaN layer and a GaN layer or with two AlGaN layers with different Al content.
  • At least one layer of each pair is preferably doped with an n-type dopant such as Si.
  • an n-conducting waveguide layer 114 for example an undoped AlGaN layer, follows on the cladding layer.
  • the active zone 120 is followed in the direction away from the growth substrate by a p-conducting layer 131, for example an AlGaN layer doped with a p-type dopant such as magnesium.
  • the p-type layer 131 may also be omitted to reduce the risk of diffusion of the p-type dopant into the active region 120.
  • the p-type layer sequence 130 includes a p-type waveguide layer 132 and a p-type carrier confinement layer, here a p-type cladding layer 133, which follow one another in the growth direction in this order.
  • the p-type waveguide layer 132 has, for example, undoped AlGaN
  • the p-type cladding layer here has, analogously to the n-cladding layer 113, a superlattice structure of layer pairs, each layer pair comprising, for example, an AlGaN layer doped with a p-dopant such as magnesium and an undoped AlGaN Layer has.
  • the p-type cladding layer 133 follows a p-contact layer 134, for example a highly p-doped GaN layer after.
  • the active region 120 includes a first quantum well layer 3 and a second quantum well layer 4 following the first quantum well layer 3 in the growth direction.
  • a termination barrier layer 51 precedes the first quantum well layer 3, and a further termination barrier layer 51 follows the second quantum well layer 4.
  • a barrier layer 52 is disposed between the first quantum well layer 3 and the second quantum well layer 4 and separates them from each other. In the present case, it has a layer thickness of about 5 nm.
  • the termination barrier layers 51, the barrier layer 52, and the first and second quantum well layers 3, 4 are preferably undoped. At least one of the termination barrier layers 51 and / or the barrier layer 52 and / or at least one of the first and second quantum well layers 3, 4 may alternatively be doped with an n- or p-type dopant in this exemplary embodiment or in another embodiment of the optoelectronic semiconductor chip.
  • the first and second quantum well layers 3, 4 differ from the barrier layers 51, 52 in particular by the composition of the semiconductor material.
  • the semiconductor material is In n Al m Gai_ n .. m N.
  • a first component of the semiconductor material-in the present case indium- has in the first and in the second quantum well layer 3, 4 a larger proportion c, ie a greater concentration c, than in the barrier layers 51, 52.
  • the indium concentration ie the fraction n in the composition In n Al m Ga 1 . n - m N, in the quantum well layers 3, 4.
  • FIG. 2A schematically shows a concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone 120.
  • concentration c in the present case the indium concentration, as a function of the relative position x in the unit nm.
  • the growth direction runs from left to right in FIG. 2A.
  • concentration c increases from top to bottom. It is in any units and only indicated schematically. Differences in concentration may be exaggerated for better presentation.
  • the indium concentration c is low; for example, no or virtually no indium is contained in these layers.
  • the largest indium concentration c has the first quantum well layer 3.
  • the indium concentration c of the second quantum well layer 4 is greater than that of the barrier layers 51, 52 and smaller than the indium concentration c of the first quantum well layer 3.
  • the proportion c of the first component of the semiconductor material influences the band gap of the semiconductor material.
  • the band gap is given by the energetic distance between the low-energy edge of the conduction band and the high-energy edge of the valence band.
  • the course of the low-energy edge of the conduction band substantially corresponds to the concentration profile of the first component of the semiconductor material, the energy axis E, however, pointing in the opposite direction to the concentration axis c.
  • the energy E increases from bottom to top. That the course of the band edge of the conduction band "substantially" corresponds to the concentration profile means that disturbances such as the influence of piezoelectric fields in the semiconductor material are not taken into account in the representation.
  • deviations from the profile of the concentration profile may occur, for example energetic barriers in a transition region between one of the barrier layers 51, 52 and the adjacent first or second quantum well layer 3, 4.
  • Such a deviation is shown in FIG. 2A for the first quantum well layer 3 indicated by dashed lines by way of example schematically.
  • the indium portion c which in this case is the fraction n of the composition
  • n Al m Ga n - ra N for example, in the first quantum well layer 3, between 1.2 and 2 times as high as in the second quantum well layer 4, the limits being included. In the present case, it is about twice as high.
  • the layer thickness of the first quantum well layer 3 is, for example, at most half the layer thickness of the second quantum well layer 4.
  • the layer thickness of the second quantum well layer of about 5 nm is about 2.5 times as large as the layer thickness of the first quantum well layer 3, which in this case has a layer thickness of about 2 nm.
  • the energy levels of the quantum well structures defined by the first and second quantum well layers 3, 4 depend both on the concentration c of the first component and on the layer thickness of the quantum well layer 3, 4.
  • the quantum wells defined by the first and second quantum well layers 3, 4 essentially the same energy levels.
  • both in the first quantum well layer as well as in the second quantum well layer 3, 4 is a quantum well layer provided for the radiation emission.
  • the concentration profile of the first component of the semiconductor material is substantially rectangular in the first embodiment according to FIG. 2A.
  • the actual concentration profile may differ from the course shown in the schematic illustration, for example, by diffusion and / or segregation of the first component.
  • the concentration profile of the first quantum well layer 3 is V-shaped and the concentration profile of the second quantum well layer 4 is trapezoidal.
  • the concentration c of the first component of the semiconductor material continuously increases over an approximately 0.5 nm to 1 nm wide region of the layer thickness.
  • the increase takes place approximately to the middle of the layer, from where the concentration c decreases continuously and in the present case approximately symmetrically to the rise again.
  • the concentration c of the first component in a central region of the second quantum well layer is substantially constant and falls at that of the first quantum well layer
  • the inventors have found that by means of such a V-shaped and / or trapezoidal profile, the unfavorable influence of energy barriers, which are caused by piezoelectric fields in hexagonal semiconductor materials, on the charge carrier injection into the quantum well layers 3, 4 is reduced.
  • the second exemplary embodiment shown in FIG. 3A differs from the first exemplary embodiment in that the active zone 120 has three first quantum well layers 3, which follow one another in the direction of growth and are each separated by a barrier layer 52. All three first quantum well layers 3 are provided for generating radiation.
  • the first quantum well layers 3 have, for example, a layer thickness of about 4 nm
  • Barrier layers 52 are for example about 8 nm thick.
  • the second quantum well layers 4 have a smaller layer thickness than the first quantum well layers 3 of the present It is for example at most half, preferably at most one quarter of the layer thickness of the first quantum well layers.
  • the indium concentration c of the second quantum well layers 4 has a value which is between 1.2 times and 2 times the value of the indium concentration c of the first quantum well layers 3, the limits being included.
  • the two second quantum well layers 4 are separated from each other by a barrier layer, which in the present case has a layer thickness of about 3 nm.
  • a further barrier layer 52 is arranged between the first and the second quantum well layers 3, 4, which in the present case has a layer thickness of approximately 18 nm.
  • the second quantum well layers 4 reduce the risk of diffusion of a p-type dopant such as magnesium into the quantum well layers 3 provided for generating the radiation.
  • the second quantum well layers 4 are not provided for generating radiation in the present embodiment. Due to the high indium concentration c and the small layer thickness compared to the first quantum well layers 3, the energy levels of the second quantum well layers 4 only have compared to the probability of emitting electro-magnetic radiation from the quantum wells defined by the first quantum well layers 3 a low probability of emitting electromagnetic radiation. Therefore, a diffusion of a p-type dopant into the second quantum well layers 4 advantageously has no or only a minor effect on the efficiency of the semiconductor chip, so that its lifetime is particularly high.
  • Each two successive first quantum well layers 3 have a distance di and two consecutive second quantum well layers have a distance d 2 .
  • the distance d x corresponds in particular to the layer thickness of the barrier layer 52, which separates two first quantum well layers 3 from one another.
  • the distance d 2 corresponds in particular to the layer thickness of the barrier layer 52, which separates two second quantum well layers 4 from one another.
  • the distances Cl 1 and d 2 need not be equal.
  • the distance di between two first quantum well layers 3 is at least twice as large as the distance d 2 between two second quantum well layers 4.
  • the two second quantum well layers 4 have a greater layer thickness than the first quantum well layers 3, for example a layer thickness of 6 nm.
  • the distance of the second quantum well layers 4 to the first quantum well layers 3 is presently included about 4 nm lower than in the embodiment of Figure 3A.
  • the second quantum well layers 4 are separated by a barrier layer 52, which in the present case likewise has a layer thickness d 2 of approximately 4 nm.
  • the layer thickness of a barrier layer 52 which is arranged between two first quantum well layers 3 is therefore approximately twice as thick as the layer thickness of the barrier layer 52 arranged between the two second quantum well layers 4 in the present case.
  • the concentration c of the first component of the semiconductor material in the first quantum well layers 3 is 1.2 to 2 times greater than in the second quantum well layers 4, with the limits included.
  • Quantum well layers 4 in the variant of the second embodiment shown in FIG 3B not provided for the emission of electromagnetic radiation.
  • the proportion c of the first component of the semiconductor material in the active zone is advantageously increased compared to an active zone without second quantum well layers 4.
  • the active zone has an increased refractive index compared to one of the active zones preceding and / or following it the layer of the semiconductor layer sequence.
  • the active zone 120 is therefore particularly well suited for waveguiding the electromagnetic radiation generated in the active zone 120.
  • the semiconductor layer sequence 1 arrives in this manner without the n-waveguide layer 114 and / or the p-waveguide layer 132, which are illustrated in FIG.
  • FIG. 4A schematically shows a concentration profile of the indium content for the active zone 120 of a semiconductor laser chip according to a third exemplary embodiment.
  • the layer thicknesses and the concentrations c of the first component correspond to those of the variant of the second embodiment (FIG. 3B).
  • the two second quantum well layers 4 precede the three first quantum well layers 3 in the growth direction.
  • FIG. 4B shows the indium concentration profile according to a variant of the third exemplary embodiment.
  • the active zone 120 according to the variant of the third exemplary embodiment differs from that of the third exemplary embodiment according to FIG. 4A in that, instead of two flat and wide second quantum well layers 4, the first quantum well layers 3 have a plurality of second quantum well layers. preceded by pot layers 4 in the growth direction, which have a smaller layer thickness and a greater concentration c of the first component of the semiconductor material than the first quantum well layers 3. In the present case, seven second quantum well layers 4 precede the first quantum well layers 3 at a distance of approximately 15 nm.
  • the barrier layers 52 between each two adjacent second quantum well layers 4 have a layer thickness d 2 of approximately 2 nm, the second quantum well layers 4 are each approximately 1 nm thick.
  • the second quantum well layers 4 which are not provided for generating radiation in the third exemplary embodiment and the variant of the third exemplary embodiment and precede the first quantum well layers 3 provided for radiation emission, a particularly high crystal quality of the active zone 120 is achieved.
  • the crystal quality of the active zone in the region of the first quantum well layers 3 is particularly high, so that the risk of non-radiative recombination of charge carriers in the region of the first quantum well layers 3 provided for generating radiation is reduced.
  • a superlattice structure of second quantum well layers 4, as shown in the variant of the third embodiment according to FIG. 4B, is particularly well suited for this purpose.
  • a plurality of second quantum well layers 41, 42, 43 precede - in the present case two - first quantum well layers 3 in the direction of growth. - -
  • the layer thickness decreases in the course of the first quantum well layers 3 away from layer to layer.
  • the second quantum well layer 41 directly adjacent to the first quantum well layers 3 has the largest layer thickness
  • the second quantum well layer 43 farthest from the first quantum well layers 3 has the smallest layer thickness
  • the middle second quantum well layer arranged between these two second quantum well layers 41, 43 42 has a layer thickness whose value lies between the layer thicknesses of the two other second quantum well layers 41, 43.
  • the two second quantum well layers 41, 42 facing the first quantum well layers 3 have a layer thickness which is greater than or equal to the layer thickness of the first quantum well layers 3 and they have a proportion c of the first component of the semiconductor material of the active zone, which is lower is the one of the first quantum well layers 3.
  • the second quantum well layer 43 furthest from the first quantum well layers 3 has a smaller layer thickness than the first quantum well layers 43 in the present exemplary embodiment.
  • the proportion c of the first component of the semiconductor material For example, the indium concentration, less than that of the first quantum well layers. 3
  • all the second quantum well layers 4, 41, 42, 43 contain the first component of the semiconductor material in the same concentration c. - -
  • the fifth embodiment shown in FIG. 6A has, in addition to the three second quantum well layers 41, 42, 43 preceding the first quantum well layers 3 analogous to the fourth embodiment, three further second quantum well layers 41, 42, 43 following the first quantum well layers 3 in the growth direction ,
  • the active zone 120 therefore has a plane of symmetry 6.
  • the first quantum well layers 3 and the second quantum well layers 41, 42, 43 of the active zone 120 are each arranged mirror-symmetrically to the plane of symmetry 6.
  • the variant of the fifth embodiment shown in FIG. 6B differs from the latter in that, instead of the layer thicknesses of the second quantum well layers 41, 42, 43, the indium component c contained in the second quantum well layers is varied.
  • the second quantum well layers 41, 42, 43 shown in FIG. 6B all have the same layer thickness, which in this variant of the fifth exemplary embodiment also coincides with the layer thickness of the first quantum well layers 3.
  • the concentration c of the first component of the semiconductor material decreases from layer to layer in the course of the first quantum well layers 3 away.
  • FIG. 6C shows a further variant of the fifth exemplary embodiment.
  • the indium concentration profile of the second quantum well layers 41 ', 42', 43 ', which follow the first quantum well layers 3 in the growth direction is different from the variant of FIG - -
  • Fifth embodiment is not substantially rectangular-shaped, but it has - like second quantum well layer 4 of the variant according to Figure 2B of the first embodiment - a trapezoidal profile.
  • the injection of holes into the first quantum well layers 3 provided for the radiation emission is particularly efficient from the p-side of the semiconductor chip through the second quantum well layers 41 ', 42' and 43 'following the first quantum well layers 3 in the growth direction.
  • the active zone 120 is likewise symmetrical to a plane of symmetry 6.
  • the plane of symmetry 6 extends through a first quantum well layer 3.
  • the active zone 120 in the sixth exemplary embodiment has one odd number of active, ie In the present case, it contains exactly one first quantum well layer 3, which is provided for the generation of radiation.
  • the semiconductor material of the first quantum well layer 3 contains a proportion c of a first component of the semiconductor material of the active zone 120 - in the present case indium - which is about twice as large as that of the semiconductor material of the second quantum well layers 4.
  • the concentration c increases the first component of the semiconductor material in the diagram from bottom to top.
  • FIG. 7 also schematically shows the magnitude A 0 of the field strength 7 of the radiation emitted by the first quantum well layer 3 within the active zone 120.
  • FIG. 8A shows an indium concentration profile for a semiconductor laser chip according to a seventh embodiment.
  • a second quantum well layer 4 is arranged between two first quantum well layers 3.
  • this is a second quantum well layer which has the same layer thickness as the two first quantum well layers 3 and which has a lower indium concentration c than the latter.
  • it may also be a second quantum well layer 4, which has a smaller layer thickness and a larger indium concentration c than the first quantum well layers 3.
  • the second quantum well layer 4 is arranged centrally between the two first quantum well layers 3, so that the active zone 120 is mirror-symmetrical to the plane of symmetry 6.
  • a plurality of second quantum well layers 4 - in the present case four second quantum well layers 4 - are arranged centrally between two first quantum well layers 3 and symmetrically to the mirror plane 6.
  • it is a superlattice of second quantum well layers 4 of small layer thickness with a high concentration c of the first component of the semiconductor material of the active zone.
  • the at least one second quantum well layer 4 arranged between the two first quantum well layers 3 serves, for example, as a charge carrier reservoir for at least one of the first quantum well layers 3 provided for the generation of radiation.
  • a particularly uniform charge carrier distribution to the individual first quantum well layers 3 is achieved.
  • the at least one second quantum well layer 4 arranged between two first quantum well layers 3 particularly advantageously couples the two first quantum well layers 3. For example, it provides minibands to the tunnel of charge carriers between the two first quantum well layers 3. In this way, the two first quantum well layers 3 are pumped particularly uniformly electrically.
  • FIG. 9 the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone 120 is shown in FIG. Embodiment shown schematically.
  • a second quantum well layer 4 is disposed between two first quantum well layers 3.
  • this is a second quantum well layer 4 with a small layer thickness of, for example, less than or equal to 2 nm, preferably less than or equal to 1 nm.
  • the layer thickness of the second quantum well layer 4 is presently less than one fifth of the layer thickness of the first
  • Quantum well layers 3 The proportion c of the first component in the semiconductor material of the second quantum well layers 4 is for example 1.2 to 2 times as large as the proportion c of the first component of the semiconductor material of the first quantum well layers 3.
  • the second quantum well layer 4 in the present case is not arranged centrally between two first quantum well layers 3. Rather, it has a relatively small distance from the first quantum well layer 3 following in the growth direction, while the distance to the first quantum well layer 3 preceding in the direction of growth is greater.
  • the distance di between two first quantum well layers 3 in the eighth exemplary embodiment is at least twice as large, preferably at least four times as large, particularly preferably at least five times as large as the layer thickness of the second quantum well layer 4 arranged between the two first quantum well layers 3 and / or as the distance between the second quantum well layer 4 and the first quantum well layer 3 following in the direction of growth.
  • the distance of a second quantum well layer is For example, the latter has a value of between about 1 nm and about 2 nm, and the distance to the first quantum well layer preceding the growth direction to the second quantum well layer has a value between about 4 nm and about 6 nm. The limits are included here.
  • a second quantum well layer 4 is arranged within a first quantum well layer 3.
  • the second quantum well layer 4 adjoins a first partial region 31 of the first quantum well layer 3, which precedes it in the growth direction of the active zone 120.
  • it adjoins a second subregion 32 of the first quantum well layer 3, which follows it in the direction of growth.
  • the first and second quantum well layers 3, 4 are not separated by a barrier layer 52.
  • the proportion c of the first component of the semiconductor material is in the first and the second portion 31, 32 of the first quantum well layer 3 in the present embodiment by a factor of 1.2 to 2 greater than the proportion c of the first component of the semiconductor material in the second Quantum well layer 4.
  • the layer thickness of the second quantum well layer 4 is in the present embodiment, in contrast to the other exemplary embodiments with second quantum well layers which contain a high proportion c of the first component - the layer thickness is not greater than or equal to the layer thickness of the first quantum well layer 3.
  • the layer thickness of the second quantum well layer 4 is less than the layer thickness of the first quantum well layer 3 For example, it is at most one third, preferably at most one fifth of the layer thickness of the first quantum well layer 3.
  • Subarea 32 of the first quantum well layer 3 are advantageously coupled by means of the second quantum well layer 4.
  • a first quantum well layer 3 is achieved in this embodiment, which has a particularly high layer thickness and is suitable in this way for the emission of electromagnetic radiation with a large radiation flux.
  • FIG. IIA schematically shows the concentration profile of the first component of the semiconductor material of the active zone
  • a second quantum well layer 4 is arranged in each case within a first quantum well layer 3.
  • the second quantum well layer 4 is provided for generating radiation, while the first quantum well - -
  • a semiconductor laser chip based on InAlGaN is achieved which emits laser radiation with a particularly short wavelength.
  • the semiconductor laser chip has an emission maximum at a wavelength of greater than or equal to 470 nm, in particular in the long-wave blue spectral range or in the green spectral range.
  • the first and second quantum well layers 3, 4 of the active zone 120 are arranged mirror-symmetrically with respect to the plane of symmetry 6.
  • FIG. IIB schematically shows a development of the tenth exemplary embodiment.
  • the first quantum well layers 3 in cross-section have a V-shaped concentration profile of the first component of the semiconductor conductor material. In this way, a particularly good charge carrier capture is achieved.
  • the invention is not limited by the description based on the exemplary embodiments thereof. Rather, it includes every new feature as well as every new one

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Abstract

Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben, der eine strahlungsemittierende Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Zone (120) aufweist. Die aktive Zone enthält eine erste Quantentopfschicht (3), eine zweite Quantentopfschicht (4) und zwei Abschluss-Barriereschichten (51). Die erste Quantentopfschicht und die zweite Quantentopfschicht sind zwischen den zwei Abschluss-Barriereschichten angeordnet. Die aktive Zone weist ein Halbleitermaterial auf, das mindestens eine erste und eine zweite Komponente enthält. Der Anteil der ersten Komponente in dem Halbleitermaterial der zwei Abschluss-Barriereschichten ist geringer als in der ersten und der zweiten Quantentopfschicht. Die zweite Quantentopfschicht weist im Vergleich zur ersten Quantentopfschicht entweder eine geringere Schichtdicke und einen größeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials oder eine größere oder die gleiche Schichtdicke und einen geringeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials auf.

Description

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Beschreibung
Optoelektronischer Halbleiterchip mit Quantentopfstruktur
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102007044439.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen optoelektronischen Halbleiterchip mit Quantentopfstruktur .
Optoelektronische Halbleiterchips mit Quantentopfstruktur sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 199 55 747 Al bekannt .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen optoelektronischen Halbleiterchip mit Quantentopfstruktur anzugeben, dessen Effizienz und/oder Lebensdauer verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Halbleiterchip gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterchips sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Of- fenbarungsgehalt explizit durch Rückbezug in die Beschreibung aufgenommen wird.
Es wird ein optoelektronischer Halbleiterchip angegeben, der eine Strahlungsemittierende Halbleiterschichtenfolge auf- weist. Die Strahlungsemittierende Halbleiterschichtenfolge enthält eine aktive Zone mit einer ersten QuantentopfSchicht, einer zweiten Quantentopfschicht und zwei Abschluss-Barriereschichten. Die erste und die zweite QuantentopfSchicht sind _ _
zwischen den zwei Abschluss-Barriereschichten angeordnet. Anders ausgedrückt ist die aktive Zone zwischen einer n-dotier- ten Schicht oder Schichtenfolge und einer p-dotierten Schicht oder Schichtenfolge angeordnet. In Richtung von der n-dotier- ten Schicht/Schichtenfolge zu der p-dotierten
Schicht/Schichtenfolge geht eine der Abschluss-Barriere- schichten der ersten und zweiten Quantentopfschicht voraus und die andere Abschluss-Barriereschicht folgt der ersten und zweiten Quantentopfschicht in Richtung von der n-dotierten Halbleiterschicht zu der p-dotierten Halbleiterschicht nach.
Die erste und die zweite Quantentopfschicht haben im Vergleich zu den Abschluss-Barriereschichten eine geringere Bandlücke. Die aktive Zone weist also eine Quantentopfstruk- tur, insbesondere eine MehrfachguantentopfStruktur auf, die zumindest die erste und zweite Quantentopfschicht und die zwei Abschluss-Barriereschichten enthält. Hierbei ist keine Aussage über die Dimensionalität der Quantisierung der Energiezustände durch die Quantentopfschichten und die Abschluss- Barriereschichten impliziert. Mittels der Quantentopfstruktur können u. a. mindestens ein Quantenfilm, Quantendraht und/oder Quantenpunkt und jede Kombination dieser Strukturen erzielt sein.
Die QuantentopfStruktur der aktiven Zone ist zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im Betrieb des Halbleiterchips vorgesehen. Der optoelektronische Halbleiterchip ist vorzugsweise zur Emission von Laserstrahlung vorgesehen, es handelt sich also bei dem optoelektronischen Halbleiterchip Vorzugs- weise um einen - beispielsweise kantenemittierenden - Laserdiodenchip . Die Strahlungsemittierende Halbleiterschichtenfolge ist insbesondere eine mittels epitaktischem Schichtwachstum hergestellte Halbleiterschichtenfolge. Bei dem Schichtwachstum werden üblicherweise n-leitende Schicht/Schichtenfolge, die aktive Zone und die p-leitende Schicht/Schichtenfolge in dieser Reihenfolge nacheinander hergestellt. Daher wird im vorliegenden Zusammenhang die Richtung von der n-dotierten Schicht/Schichtenfolge zu der p-dotierten Schicht/Schichtenfolge mit dem Begriff „Wachstumsrichtung" abgekürzt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass - beispielsweise bei Halbleiterchips die einen TunnelÜbergang aufweisen - die vorliegend mit „Wachstumsrichtung" bezeichnete Richtung auch entgegengesetzt zur tatsächlichen Richtung des Schichtwachstums verlaufen kann.
In Wachstumsrichtung geht eine der Abschlussschichten der ersten und zweiten Quantentopfschicht voraus, die andere Abschlussschicht folgt der ersten und zweiten Quantentopf- schicht in Wachstumsrichtung nach. Die Haupterstreckungsebe- nen der Abschlussschichten und der ersten und der zweiten
Quantentopfschicht sind insbesondere im wesentlichen senkrecht zur Wachstumsrichtung. Die erste und die zweite Quantentopfschicht und die zwei Abschlussschichten sowie die gesamte aktive Zone haben zweckmäßigerweise im wesentlichen pa- rallele Haupterstreckungsebenen.
Die aktive Zone weist ein Halbleitermaterial auf, das mindestens eine erste und eine zweite Komponente enthält. Beispielsweise weist die aktive Zone ein III/V-Verbindungs-HaIb- leitermaterial, beispielsweise ein Nitrid-Verbindungs-Halbleitermaterial wie InAlGaN oder ein Phosphit-Verbindungs- Halbleitermaterial, auf. Alternativ kann sie auch ein II/VI- Verbindungs-Halbleitermaterial aufweisen. Beispielsweise ent- hält das Halbleitermaterial In als erste Komponente und/oder es enthalt GaN, AlN und/oder AlGaN als zweite Komponente.
Ein III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff "III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial" die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigs- tens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter . Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Entsprechend weist ein II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise O, S, Se, auf. Insbesondere umfasst ein Il/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II/VI-Verbindungs- Halbleitermaterialien: ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
Dass die aktive Zone ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial enthält, bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Zone oder zumindest ein Teil davon ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise InnAlmGai-n_mN aufweist -
oder aus diesem besteht, wobei O ≤ n ≤ l, O ≤ m ≤ l und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Der Anteil der ersten Komponente ist in dem Halbleitermaterial der zwei Abschluss-Barriereschichten geringer als der Anteil dieser Komponente in der ersten und der zweiten Quantentopfschicht. Die erste Komponente des Halbleitermaterials trägt insbesondere zur Einstellung der Bandlücke des Halbleitermaterials bei.
Bei einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips hat die zweite QuantentopfSchicht im Vergleich zur ers- ten Quantentopfschicht eine geringere Schichtdicke. Bei dieser Ausführungsform weist sie vorzugsweise einen größeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials auf als die erste QuantentopfSchicht .
Bei einer anderen Ausführungsform hat die zweite Quantentopfschicht die gleiche Schichtdicke wie die erste Quantentopf- schicht oder eine im Vergleich zur ersten Quantentopfschicht größere Schichtdicke. Bei dieser Ausführungsform weist die zweite Quantentopfschicht einen geringeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials auf als die erste Quantentopfschicht . Bei einer Ausführungsform sind sowohl die erste als auch die zweite Quantentopfschicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Beispielsweise geht die erste QuantentopfSchicht der zweiten Quantentopfschicht in Wachs- tumsrichtung voraus und hat eine geringere Schichtdicke als die zweite Quantentopfschicht . Zweckmäßigerweise enthält sie einen größeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials als die zweite Quantentopfschicht .
Vorteilhafterweise sind die Energieniveaus des von der ersten Quantentopfschicht definierten Quantentopfs und des von der zweiten Quantentopfschicht definierten Quantentopfs mittels der Schichtdicke und des Anteils der ersten Komponente des Halbleitermaterials derart aneinander angepasst, dass der Beitrag der ersten Quantentopfschicht und der zweiten Quantentopfschicht zur Gesamtemission des optoelektronischen Halbleiterchips in der gleichen Größenordnung liegt und insbesondere praktisch gleich groß ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung hat die im Bereich der ersten Quantentopfschicht emittierte elektromagnetische Strahlung und die im Bereich der zweiten Quantentopfschicht emittierte elektromagnetische Strahlung im wesentlichen die gleiche spektrale Verteilung, insbesondere hat ein Intensi- tätsmaximum der spektralen Verteilung etwa die gleiche Wellenlänge .
Die Halbleiterschichtenfolge weist mit Vorteil eine hohe Kristallqualität auf, wenn die erste Quantentopfschicht , die der zweiten Quantentopfschicht in Wachstumsrichtung vorausgeht, eine geringere Schichtdicke hat als die zweite Quantentopfschicht. Zudem ist beispielsweise die Injektion von Ladungsträgern in die erste und/oder zweite Quantentopfschicht im Vergleich zu zwei Quantentopfschichten mit gleicher Schichtdicke und gleichem Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials verbessert.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die zweite Quantentopfschicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen und die erste QuantentopfSchicht ist nicht zur Emission von elektrischer Strahlung vorgesehen.
Eine QuantentopfSchicht , die nicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist, emittiert im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterchips keine elektromagnetische Strahlung oder der Anteil der im Bereich der nicht zur Emission vorgesehenen QuantentopfSchicht emittierten elektro- magnetischen Strahlung ist im Vergleich zu dem Anteil der im Bereich einer zur Emission vorgesehenen QuantentopfSchicht emittierten elektromagnetischen Strahlung gering. Beispielsweise beträgt der Anteil der im Bereich der nicht zur Emission vorgesehenen QuantentopfSchicht emittierten elektromag- netischen Strahlung höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Fünftel, insbesondere höchstens ein Zehntel des Anteils der im Bereich einer zur Emission vorgesehenen Quantentopfschicht emittierten elektromagnetischen Strahlung.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung dieser Ausführungsform weist die zweite QuantentopfSchicht eine geringere Schicht- dicke auf als die erste QuantentopfSchicht und ist innerhalb der ersten QuantentopfSchicht angeordnet. Anders ausgedrückt folgen in Wachstumsrichtung ein erstes Teilstück der ersten QuantentopfSchicht, die zweite QuantentopfSchicht und ein zweites Teilstück der ersten QuantentopfSchicht direkt aufeinander. Das erste und zweite Teilstück der ersten Quanten- topfSchicht grenzen dabei direkt an die zweite Quantentopf- Schicht an.
Bei dieser Ausgestaltung wird vorteilhafterweise ein beson- ders effizienter Ladungsträgereinfang erzielt. Insbesondere sind Laserdiodenchips mit einem relativ langwelligen Intensitätsmaximum der im Betrieb emittierten Laserstrahlung, beispielsweise einem Intensitätsmaximum mit einer Wellenlänge von größer oder gleich 460 nm, z. B. im blauen oder im grünen Spektralbereich emittierende Laserdiodenchips, erzielbar.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform, bei der die zweite QuantentopfSchicht innerhalb der ersten Quantentopfschicht angeordnet ist, weist die zweite Quantentopfschicht anstelle eines größeren Anteils der ersten Komponente des Halbleitermaterials einen geringeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials auf als die ersten Quantentopfschicht . Bei dieser Variante ist die erste Quantentopfschicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen, die zweite Quantentopfschicht ist nicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der die zweite Quantentopfschicht weg gelassen ist, weist die Halbleiterschichtenfolge bei dieser Variante eine verbesserte Kristallqualität auf, so dass die op- tischen und elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschichtenfolge verbessert sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterchips ist die erste Quantentopfschicht im Betrieb des Halbleiterchips zur Emission von elektromagnetischer
Strahlung vorgesehen und die zweite Quantentopfschicht ist nicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Die zweite Quantentopfschicht geht beispielsweise bei dieser Ausführungsform der ersten QuantentopfSchicht in Wachstumsrichtung voraus oder folgt der ersten Quantentopf- schicht in Wachstumsrichtung nach.
Vorteilhafterweise ist mittels der zweiten Quantentopfschicht oder einer Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten, die eine geringere Schichtdicke und einen größeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials aufweist/aufweisen oder die eine größere oder die gleiche Schichtdicke und einen geringeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials aufweist/aufweisen als die erste Quantentopfschicht, der Einbau der ersten Komponente des Halbleitermaterials in die erste Quantentopfschicht besonders homogen. Die Anzahl der Defekte in der ersten Quantentopfschicht, z. B. die An- zahl der Ga-Fehlstellen, ist vorteilhafterweise besonders gering, so dass eine besonders geringe Anzahl von Ladungsträgerpaaren nicht strahlend rekombiniert. Weiterhin ist insbesondere auch die Diffusion eines oder mehrerer Dotierstoffe in die erste Quantentopfschicht besonders gering, so dass der Halbleiterchip eine besonders hohe Lebensdauer aufweist.
Bei einer Ausgestaltung weist der optoelektronische Halbleiterchip zwei erste Quantentopfschichten und mindestens eine zweite Quantentopfschicht auf. Die zweite Quantentopfschicht oder die zweiten Quantentopfschichten ist/sind zwischen den zwei ersten Quantentopfschichten angeordnet.
Beispielsweise erhöht die mindestens eine zweite Quantentopf- schicht die Tunnelwahrscheinlichkeit für Ladungsträger zwi- sehen den zwei ersten Quantentopfschichten. So wird eine besonders gleichmäßige Ladungsträgerverteilung auf die zwei zur Strahlungsemission vorgesehenen ersten Quantentopfschichten erzielt. Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist der Abstand der mindestens einen zweiten QuantentopfSchicht zu der in Wachstumsrichtung nachfolgenden ersten QuantentopfSchicht kleiner als der Abstand zu der in Wachstumsrichtung vorausgehenden ersten QuantentopfSchicht . Beispielsweise beträgt der Abstand zu der in Wachstumsrichtung nachfolgenden ersten Quantentopfschicht die Hälfte oder weniger, beispielsweise ein Viertel oder weniger des Abstands zu der in Wachstums- richtung vorausgehenden ersten Quantentopfschicht .
Insbesondere bei Halbleitermaterialien wie InAlGaN, die beispielsweise eine Wurtzitstruktur aufweisen, treten piezoelektrische Felder auf, die zu energetischen Barrieren für die Ladungsträger führen und deren Injektion in die ersten Quantentopfschichten erschweren. Die relativ nahe an der in Wachstumsrichtung nachfolgenden ersten Quantentopfschicht angeordnete zweite Quantentopfschicht verringert mit Vorteil diese energetischen Barrieren für die Ladungsträger.
Bei einer anderen Ausgestaltung weist der optoelektronische Halbleiterchip mindestens eine erste Quantentopfschicht und zwei zweite Quantentopfschichten auf, wobei die mindestens eine erste Quantentopfschicht zwischen den zwei zweiten Quan- tentopfschichten angeordnet ist. Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die mindestens eine erste Quantentopfschicht zwischen einer ersten Mehrzahl und einer zweiten Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten angeordnet. Mit anderen Worten geht die erste Mehrzahl von zweiten Quantentopf- schichten der mindestens einen ersten Quantentopfschicht in Wachstumsrichtung voraus und die zweite Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten folgt der mindestens einen ersten Quantentopfschicht in Wachstumsrichtung nach. Vorzugsweise enthalten die ersten Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten und die zweite Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten die gleiche Anzahl von zweiten Quantentopf- schichten. Anders ausgedrückt gehen der mindestens einen ersten QuantentopfSchicht vorzugsweise genauso viele zweite Quantentopfschichten voraus wie ihr in Wachstumsrichtung nachfolgen.
Vorteilhafterweise wird bei dieser Ausgestaltung eine besonders gute Strahlführung der von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht emittierten elektromagnetischen Strahlung in der aktiven Zone erzielt. Beispielsweise ist mittels der zweiten Quantentopfschichten der Brechungsindex der aktiven Zone erhöht. Der räumliche Überlapp zwischen der mindestens einen ersten Quantentopfschicht und der von der aktiven Zone emittierten elektromagnetischen Strahlung ist besonders groß, so dass beispielsweise eine besonders effiziente Emission von Laserstrahlung im Betrieb erfolgt.
Die zweiten Quantentopfschichten definieren mit Vorteil Quantentopfstrukturen, deren Energieniveaus sich von den Energieniveaus derjenigen Quantentopfstruktur (en) unterscheiden, die von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht definiert werden. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Absorption der von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht emittierten elektromagnetischen Strahlung im Bereich der zweiten Quantentopfschichten nur gering.
Bei einer Weiterbildung des Halbleiterchips mit einer ersten und einer zweiten Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten nimmt der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials und/oder die Schichtdicke der zweiten Quantentopf- Schicht in Richtung von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht weg von Schicht zu Schicht ab. Mit anderen Worten hat von zwei zweiten Quantentopfschichten, die der mindestens einen ersten QuantentopfSchicht vorausgehen beziehungsweise die der mindestens einen ersten QuantentopfSchicht nachfolgen, diejenige zweite QuantentopfSchicht den größeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials und/oder die größere Schichtdicke, deren Abstand von der mindestens einen ersten QuantentopfSchicht geringer ist. So wird vorteil- hafterweise eine aktive Zone mit einer besonders guten Kristallstruktur erzielt.
Bei einer Ausgestaltung weist die aktive Zone eine Symmetrie- ebene auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone, also insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Wachstumsrichtung, verläuft. Die aktive Zone enthält bei dieser Ausgestaltung mehrere erste und/oder mehrere zweite Quantentopfschichten. Die erste (n) Quantentopfschicht (en) und die zweite (n) Quantentopf- schicht (en) sind spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieebene angeordnet. Eine solche spiegelsymmetrische Anordnung ist beispielsweise für die Strahlführung der Laserstrahlung in der aktiven Zone eines Laserdiodenchips vorteilhaft.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Halbleiterchips mit einer zweiten Quantentopfschicht , die eine geringere Schichtdicke hat als die erste Quantentopfschicht, ist der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der zweiten Quantentopfschicht 1,2 mal bis 2 mal so hoch wie der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der ersten
Quantentopfschicht . Bei einer alternativen Ausgestaltung mit einer zweiten Quantentopfschicht mit gleicher oder größerer Schichtdicke ist der Anteil der ersten Komponente des Halb- leitermaterials der ersten Quantentopfschicht 1,2 mal bis 2 mal so groß wie der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der zweiten Quantentopfschicht .
Bei einer anderen Ausgestaltung unterscheiden sich die
Schichtdicken der ersten und der zweiten Quantentopfschicht um einen Faktor von größer oder gleich zwei. Beispielsweise beträgt die Schichtdicke einer zweiten Quantentopfschicht, die eine geringere Schichtdicke hat als die erste Quanten- topfschicht, bei einer Ausgestaltung höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Drittel, besonders bevorzugt höchstens ein Viertel des Werts der Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht . Beispielsweise hat die erste Quantentopf- schicht eine Schichtdicke zwischen 2 und 10 nm, insbesondere zwischen 2 und 5 nm, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Die zweite Quantentopfschicht hat beispielsweise eine Schichtdicke zwischen 0,5 und 5 nm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 nm, beispielsweise beträgt die Schichtdicke der zweiten Quantentopfschicht etwa 1 nm.
Bei einer Ausgestaltung enthält das Halbleitermaterial der ersten und/oder der zweiten Quantentopfschicht (en) mindestens zwei verschiedene Elemente derselben Hauptgruppe im Periodensystem, etwa der dritten Hauptgruppe, von denen ein Element in der ersten und das andere in der zweiten Komponente des Halbleitermaterials enthalten ist. Der Anteil des in der ersten Komponente enthaltenen Elements dieser Hauptgruppe beträgt bei einer Ausgestaltung zwischen 0,5 % und 50 % der Elemente dieser Hauptgruppe im Halbleitermaterial.
Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Komponente um Indium. Bei der zweiten Komponente handelt es sich zum Beispiel um GaN, AlN oder AlGaN, das Ga und/oder Al enthält, das wie In zur dritten Hauptgruppe des Periodensystems gehört. Das Indium hat bei einer Weiterbildung einen Anteil von 0,05 ≤ n ≤ 0,5 in dem Halbleitermaterial InnAImGa1-U-JnN.
Bei einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einem Intensitäts- maximum im blauen Spektralbereich vorgesehen und das Halbleitermaterial der ersten QuantentopfSchicht weist einen Indiumanteil von 0,15 ≤ n ≤ 0,2 auf. Bei einer alternativen Weiterbildung ist der Halbleiterchip zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einem Intensitätsmaximum im ultravioletten Spektralbereich vorgesehen und das Halbleitermaterial der ersten QuantentopfSchicht weist einen Indiumanteil von 0,07 ≤ n ≤ 0,1 auf.
Die Abstände zwischen der ersten und der zweiten Quantentopf- Schicht, zwischen zwei ersten Quantentopfschichten und/oder zwischen zwei zweiten Quantentopfschichten haben beispielsweise einen Wert zwischen 1 und 50 nm, vorzugsweise zwischen 3 und 15 nm, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind.
Der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials ist bei einer Ausgestaltung innerhalb der ersten und/oder der zweiten QuantentopfSchicht nicht konstant. Stattdessen vari- iert er über die Schichtdicke der ersten und/oder der zweiten Quantentopfschicht . Beispielsweise kann die Konzentration der ersten Komponente in Wachstumsrichtung über einen Teilbereich der ersten beziehungsweise zweiten Quantentopfschicht vom Rand her kontinuierlich ansteigen oder zum Rand hin kontinu- ierlich abfallen. Mit anderen Worten hat das Konzentrations- profil der ersten Komponente eine oder zwei schräge Flanken. Unter dem Anteil der ersten Komponente des Halbleitermate- rials wird in diesem Fall das Maximum des Anteil innerhalb der Quantentopfschicht verstanden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der optoelektronische Halbleiterchip dazu vorgesehen, im Betrieb elektromagnetische Strahlung mit einem Intensitätsmaximum im ultravioletten und/oder im blauen Spektralbereich zu emittieren. Bei einer Weiterbildung liegt das Intensitätsmaximum im blauen Spektralbereich und die aktive Zone enthält zwei zur Strahlungs- erzeugung vorgesehene erste Quantentopfschichten. Bei einer anderen Weiterbildung liegt das Intensitätsmaximum im ultravioletten Spektralbereich und die aktive Zone enthält vier zur Strahlungserzeugung vorgesehene erste Quantentopfschichten. Der Halbleiterchip ist bei einer weiteren Ausgestaltung ein Laserdiodenchip.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterchips ergeben sich aus den folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis IIB dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1, einen schematischen Querschnitt durch eine strah- lungsemittierende Halbleiterschichtenfolge eines optoelektronischen Halbleiterchips gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figuren 2A und 2B, schematische Diagramme des Konzentrations- profus der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone der Halbleiterschichtenfolge gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels, Figuren 3A und 3B, schematische Diagramme des Konzentrations- profus der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem zweiten Ausfüh- rungsbeispiel und gemäß einer Variante des zweiten
Ausführungsbeispiels,
Figuren 4A und 4B, schematische Diagramme des Konzentrations- profus der ersten Komponente des Halbleitermate- rials der aktiven Zone gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und gemäß einer Variante des dritten Ausführungsbeispiels ,
Figur 5, schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Figuren 6A, 6B und 6C, schematische Diagramme des Konzentra- tionsprofils der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, gemäß einer ersten Variante und gemäß einer zweiten Variante des fünften Ausführungsbeispiels ,
Figur 7, schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,
Figuren 8A und 8B, schematische Diagramme des Konzentrations- profus der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem siebten Ausfüh- rungsbeispiel und gemäß einer Variante des siebten Ausführungsbeispiels ,
Figur 9, schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem achten Ausführungsbeispiel,
Figur 10, schematisches Diagramm des Konzentrationsprofils der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel,
Figuren IIA und IIB, schematische Diagramme des Konzentra- tionsprofils der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel und gemäß einer Variante des zehnten Ausführungsbeispiels.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Bestandteile mit den selben Bezugszeichen versehen. Die Figuren, insbesondere die Größen der in den Figuren dargestellten Elemente und ihre Größenverhältnisse untereinander, sind grundsätzlich nicht als maß- stabsgerecht anzusehen, sofern sie nicht explizit mit absoluten Einheiten wie Längen versehen sind. Vielmehr können einzelne Elemente wie beispielsweise Schichten zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß beziehungsweise dick dargestellt sein.
In Figur 1 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip, vorliegend ein Laserdiodenchip, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel schematisch im Querschnitt dargestellt. Der Halbleiter- -
chip weist eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem Aufwachssubstrat 2 auf.
Die Strahlungsemittierende, epitaktische Halbleiterschichten- folge basiert beispielsweise auf einem hexagonalen Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem Nitrid-III- Verbindungshalbleitermaterial . Vorzugsweise handelt es sich bei dem Nitrid-III-Verbindungshalbleitermaterial um InAlGaN.
Das Aufwachssubstrat 2 weist zweckmäßigerweise ein zum Aufwachsen eines derartigen Nitrid-III-Verbindungshalbleiter- materials geeignetes Material auf . Beispielsweise enthält das Aufwachssubstrat 2 GaN, SiC und/oder Saphir oder besteht aus mindestens einem dieser Materialien. In Richtung vom Substrat 2 weg weist die Halbleiterschichtenfolge 1 zunächst eine n- leitende Schicht oder Schichtenfolge 110, nachfolgend die aktive Zone 120 und dieser nachfolgend eine p-dotierte Schicht oder Schichtenfolge 130 auf.
Beispielsweise weist die n- leitende Schichtenfolge 110 eine - insbesondere stark n-dotierte - n-Kontaktschicht 111 auf, die beispielsweise GaN enthält, das mit einem n-Dotierstoff wie Silizium dotiert ist.
Vorliegend folgt der n-Kontaktschicht 111 eine weitere n-lei- tende Schicht, beispielsweise eine mit einem n-Dotierstoff wie Silizium dotierte GaN- oder InGaN-Schicht 112 nach. Beispielsweise handelt es sich dabei um eine Stromaufweitungs- schicht mit einer hohen elektrischen Querleitfähigkeit.
Vorzugsweise weist die Halbleiterschichtenfolge 1 weiterhin eine Ladungsträgereinschlussschicht (Confinement Layer) , im Fall eines Laserdiodenchips insbesondere eine Mantelschicht -
(Cladding Layer) 113, auf. Die Mantelschicht 113 folgt vorliegend in Wachstumsrichtung, also insbesondere in Richtung vom Aufwachssubstrat 2 weg, auf die n-Kontaktschicht 111 und die n-leitende Schicht 112.
Die n-Mantelschicht 113 enthält vorliegend ein Übergitter alternierender Schichtpaare. Beispielsweise handelt es sich um ein Übergitter aus Paaren mit jeweils einer AlGaN-Schicht und einer GaN-Schicht oder mit zwei AlGaN-Schichten mit unter- schiedlichem AI-Anteil. Mindestens eine Schicht jedes Paars ist vorzugsweise mit einem n-Dotierstoff wie Si dotiert.
Vorliegend folgt auf die Mantelschicht eine n-leitende Wellenleiterschicht 114, beispielsweise eine undotierte AlGaN-Schicht.
Auf die aktive Zone 120 folgt in Richtung vom Aufwachs- substrat weg vorliegend eine p-leitende Schicht 131, beispielsweise eine mit einem p-Dotierstoff wie Magnesium do- tierte AlGaN-Schicht. Die p-leitende Schicht 131 kann auch weggelassen sein, um die Gefahr einer Diffusion des p-Dotier- stoffs in die aktive Zone 120 zu verringern.
Weiter enthält die p-leitende Schichtenfolge 130 eine p- Wellenleiterschicht 132 und eine p-Ladungsträgereinschluss- schicht, vorliegend eine p-Mantelschicht 133, die in dieser Reihenfolge in Wachstumsrichtung aufeinander folgen. Die p- Wellenleiterschicht 132 weist beispielsweise undotiertes AlGaN auf, die p-Mantelschicht weist vorliegend analog zur n- Mantelschicht 113 eine Übergitterstruktur aus Schichtpaaren, wobei jedes Schichtpaar beispielsweise eine mit einem p-Do- tierstoff wie Magnesium dotierte AlGaN-Schicht und eine undotierte AlGaN-Schicht aufweist. Der p-Mantelschicht 133 folgt eine p-Kontaktschicht 134, beispielsweise eine stark p-do- tierte GaN-Schicht nach.
Die aktive Zone 120 enthält eine erste QuantentopfSchicht 3 und eine zweie Quantentopfschicht 4, die der ersten Quantentopfschicht 3 in Wachstumsrichtung nachfolgt. Eine Abschluss- Barriereschicht 51 geht der ersten Quantentopfschicht 3 voraus, eine weitere Abschluss-Barriereschicht 51 folgt der zweiten Quantentopfschicht 4 nach. Eine Barriereschicht 52 ist zwischen der ersten Quantentopfschicht 3 und der zweiten Quantentopfschicht 4 angeordnet und trennt diese voneinander. Sie hat vorliegend eine Schichtdicke von etwa 5 nrn.
Die Abschluss-Barriereschichten 51, die Barriereschicht 52 und die erste und zweite Quantentopfschicht 3, 4 sind vorzugsweise undotiert. Mindestens eine der Abschluss-Barriereschichten 51 und/oder die Barriereschicht 52 und/oder mindestens eine der ersten und zweiten Quantentopfschicht 3, 4 können bei diesem Ausführungsbeispiel oder bei einer anderen Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterchips alternativ mit einem n- oder p-Dotierstoff dotiert sein.
Die erste und die zweite Quantentopfschicht 3, 4 unterscheiden sich von den Barriereschichten 51, 52 insbesondere durch die Zusammensetzung des Halbleitermaterials. Beispielsweise handelt es sich bei dem Halbleitermatieral um InnAlmGai_n..mN . Eine erste Komponente des Halbleitermaterials - vorliegend Indium - hat in der ersten und in der zweiten Quantentopf- schicht 3, 4 einen größeren Anteil c, also eine größere Kon- zentration c, als in den Barriereschichten 51, 52. Beispielsweise ist die Indium-Konzentration, also der Bruchteil n in der Zusammensetzung InnAImGa1.n-mN, in den Quantentopfschichten 3, 4 erhöht. Figur 2A zeigt schematisch ein Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone 120. Dargestellt ist die Konzentration c, vorliegend die Indiumkonzentration, in Abhängigkeit von der relativen Position x in der Einheit nm. Die Wachstumsrichtung verläuft in der Figur 2A von links nach rechts . Die Konzentration c nimmt von oben nach unten zu. Sie ist dabei in beliebigen Einheiten und nur schematisch angegeben. Konzentrationsunterschiede können zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt sein.
In den Abschluss-Barriereschichten 51 und in der Barriereschicht 52 ist also die Indium-Konzentration c gering, bei- spielsweise ist in diesen Schichten kein oder praktisch kein Indium enthalten. Die größte Indium-Konzentration c weist die erste QuantentopfSchicht 3 auf. Die Indium-Konzentration c der zweiten QuantentopfSchicht 4 ist größer als diejenige der Barriereschichten 51, 52 und kleiner als die Indium-Konzen- tration c der ersten QuantentopfSchicht 3.
Der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials, vorliegend also die Indium-Konzentration c, beeinflusst die Bandlücke des Halbleitermaterials. Die Bandlücke ist dabei durch den energetischen Abstand zwischen der niederenergetischen Kante des Leitungsbands und der hochenergetischen Kante des Valenzbands gegeben. Der Verlauf der niederenergetischen Kante des Leitungsbands entspricht im wesentlichen dem Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermate- χ-ials, wobei die Energieachse E jedoch in die entgegen gesetzte Richtung zur Konzentrationsachse c zeigt. Im Diagramm der Figur 2A nimmt die Energie E von unten nach oben zu. Dass der Verlauf der Bandkante des Leitungsbands "im wesentlichen" dem Konzentrationsprofil entspricht bedeutet, dass Störungen wie beispielsweise der Einfluss von piezoelektrischen Feldern im Halbleitermaterial bei der Darstellung nicht berücksichtigt sind. Etwa aufgrund der piezoelektrischen Felder können Abweichungen vom Verlauf des Konzentrationsprofils auftreten, zum Beispiel energetische Barrieren in einem Übergangsbereich zwischen einer der Barriereschichten 51, 52 und der angrenzenden ersten oder zweiten QuantentopfSchicht 3, 4. Eine solche Abweichung ist in Figur 2A für die erste Quantentopfschicht 3 mit gestrichelten Linien beispielhaft schematisch angedeutet .
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Indium-Anteil c, der vorliegend dem Bruchteil n der Zusammensetzung
InnAlmGai-n-raN entspricht, in der ersten QuantentopfSchicht 3 beispielsweise zwischen 1,2 und 2 mal so hoch wie in der zweiten QuantentopfSchicht 4, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorliegend ist er etwa doppelt so hoch.
Die Schichtdicke der ersten QuantentopfSchicht 3 beträgt zum Beispiel höchstens die Hälfte der Schichtdicke der zweiten QuantentopfSchicht 4. Vorliegend ist die Schichtdicke der zweiten QuantentopfSchicht mit etwa 5 nm ungefähr 2,5 mal so groß wie die Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht 3, die vorliegend eine Schichtdicke von etwa 2 nm aufweist.
Die Energieniveaus der Quantentopfstrukturen, die von der ersten und der zweiten Quantentopfschicht 3, 4 definiert wer- den, sind sowohl von der Konzentration c der ersten Komponente wie auch von der Schichtdicke der Quantentopfschicht 3,4 abhängig. Vorteilhafterweise haben die von der ersten und der zweiten Quantentopfschicht 3, 4 definierten Quantentöpfe im wesentlichen die gleichen Energieniveaus. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich auf diese Weise sowohl bei der ersten Quantentopfschicht wie auch bei der zweiten Quantentopfschicht 3 , 4 um eine zur Strahlungs- emission vorgesehene Quantentopfschicht .
Das Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2A im wesentlichen rechteckförmig. Das tatsächliche Konzentrationsprofil kann von dem in der schematischen Abbildung dargestellten Verlauf beispielsweise durch Diffusion und/oder Segregation der ersten Komponente abweichen.
Bei der in Figur 2B gezeigten Variante des ersten Ausfüh- rungsbeispiels ist ein rechteckförmiges Profil der Indium- Konzentration c nicht angestrebt. Vielmehr ist das Konzentrationsprofil der ersten Quantentopfschicht 3 V-förmig und das Konzentrationsprofil der zweiten Quantentopfschicht 4 ist trapezförmig. Bei beiden Quantentopfschichten 3, 4 steigt die Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials über einen etwa 0,5 nm bis 1 nm breiten Bereich der Schichtdicke kontinuierlich an.
Bei der ersten Quantentopfschicht 3 erfolgt der Anstieg etwa bis zur Mitte der Schicht, von wo aus die Konzentration c kontinuierlich und vorliegend etwa symmetrisch zum Anstieg wieder abfällt. Bei der zweiten Quantentopfschicht ist die Konzentration c der ersten Komponente in einem mittleren Bereich der zweiten Quantentopfschicht im wesentlichen konstant und fällt an der von der ersten Quantentopfschicht entfernten
Seite steil, praktisch senkrecht, ab. - -
Die Erfinder haben festgestellt, dass mittels eines derartigen V-förmigen und/oder trapezförmigen Profils der ungünstige Einfluss von energetischen Barrieren, die in hexagonalen Halbleitermaterialien durch Piezofelder verursacht werden, auf die Ladungsträgerinjektion in die Quantentopfschichten 3, 4 verringert wird.
Das in Figur 3A gezeigte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die aktive Zone 120 drei erste Quantentopfschichten 3 aufweist, die in Wachstumsrichtung aufeinander folgen und jeweils durch eine Barriereschicht 52 voneinander getrennt sind. Alle drei ersten Quantentopfschichten 3 sind zur Strahlungserzeugung vorgesehen. Die ersten Quantentopfschichten 3 haben beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 4 nm. Die
Barriereschichten 52, durch welche sie getrennt werden, sind zum Beispiel etwa 8 nm dick.
In Wachstumsrichtung auf die drei ersten Quantentopfschichten 3 nachfolgend, also den ersten Quantentopfschichten 3 p-sei- tig nachgeordnet, sind eine Mehrzahl, vorliegend zwei, zweite Quantentopfschichten 4. Die zweiten Quantentopfschichten 4 haben eine geringere Schichtdicke als die ersten Quantentopf- schichten 3 von vorliegend etwa 1 nm. Sie beträgt beispiels- weise höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Viertel der Schichtdicke der ersten Quantentopfschichten. Die Indiumkonzentration c der zweiten Quantentopfschichten 4 hat einen Wert, der zwischen dem 1,2-fachen und dem 2-fachen des Werts der Indiumkonzentration c der ersten Quantentopf- schichten 3 liegt, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die zwei zweiten Quantentopfschichten 4 sind durch eine Barriereschicht voneinander getrennt, die vorliegend eine Schicht- dicke von etwa 3 nm hat. Eine weitere Barriereschicht 52 ist zwischen den ersten und den zweiten Quantentopfschichten 3, 4 angeordnet, die vorliegend eine Schichtdicke von etwa 18 nm hat.
Mit Vorteil verringern die zweiten Quantentopfschichten 4 die Gefahr der Diffusion eines p-Dotierstoffs wie Magnesium in die zur Strahlungserzeugung vorgesehenen Quantentopfschichten 3.
Die zweiten Quantentopfschichten 4 sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht zur Strahlungserzeugung vorgesehen. Aufgrund der im Vergleich zu den ersten Quantentopfschichten 3 hohen Indium-Konzentration c und der geringen Schichtdicke haben die Energieniveaus der zweiten Quantentopfschichten 4 - im Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit mit der von den Energieniveaus der durch die ersten Quantentopfschichten 3 definierten Quantentöpfe elektrosmagnetische Strahlung emittiert wird - nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, elektro- magnetische Strahlung zu emittieren. Eine Diffusion eines p- Dotierstoffs in die zweiten Quantentopfschichten 4 wirkt sich daher vorteilhafterweise nicht oder nur geringfügig auf die Effizienz des Halbleiterchips aus, so dass dessen Lebensdauer besonders hoch ist.
Je zwei aufeinander folgende erste Quantentopfschichten 3 haben einen Abstand di und je zwei aufeinander folgende zweite Quantentopfschichten haben einen Abstand d2. Der Abstand dx entspricht insbesondere der Schichtdicke der Barriereschicht 52, die zwei erste Quantentopfschichten 3 voneinander trennt. Der Abstand d2 entspricht insbesondere der Schichtdicke der Barriereschicht 52, die zwei zweite Quantentopfschichten 4 voneinander trennt. Die Abstände Cl1 und d2 brauchen nicht gleich zu sein. Beispielsweise ist vorliegend der Abstand di zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 mindestens doppelt so groß wie der Abstand d2 zwischen zwei zweiten Quantentopfschichten 4.
Bei der in Figur 3B dargestellten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels haben die beiden zweiten Quantentopfschichten 4 eine größere Schichtdicke als die ersten Quantentopf- schichten 3, etwa eine Schichtdicke von 6 nm. Der Abstand der zweiten Quantentopfschichten 4 zu den ersten Quantentopf- schichten 3 ist vorliegend mit etwa 4 nm geringer als bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3A. Die zweiten Quantentopf- schichten 4 sind durch eine Barriereschicht 52 getrennt, die vorliegend ebenfalls eine Schichtdicke d2 von etwa 4 nm hat. Die Schichtdicke einer Barriereschicht 52, die zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet ist, ist also vorliegend etwa doppelt so dick wie die Schichtdicke der zwischen den zwei zweiten Quantentopfschichten 4 angeordneten Barriereschicht 52.
Der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials ist bei den zweiten Quantentopfschichten 4 geringer als bei den ersten Quantentopfschichten 3. Beispielsweise ist die Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials in den ersten Quantentopfschichten 3 1,2 bis 2 mal so groß wie in den zweiten Quantentopfschichten 4, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind auch die zweiten
Quantentopfschichten 4 bei der Variante des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3B nicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. -
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel und bei der Variante des zweiten Ausführungsbeispiels ist der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials in der aktiven Zone mit Vor- teil im Vergleich zu einer aktiven Zone ohne zweite Quantentopfschichten 4 erhöht. Auf diese Weise hat die aktive Zone einen im Vergleich zu einer der aktiven Zone vorausgehenden und/oder ihr nachfolgenden Schicht der Halbleiterschichtenfolge einen erhöhten Brechungsindex. Die aktive Zone 120 ist daher besonders gut zur Wellenleitung für die in der aktiven Zone 120 erzeugte elektromagnetische Strahlung geeignet. Bei einer Weiterbildung kommt die Halbleiterschichtenfolge 1 auf diese Weise ohne die n-Wellenleiterschicht 114 und/oder die p-Wellenleiterschicht 132 aus, die in Figur 1 dargestellt sind.
In Figur 4A ist ein Konzentrationsprofil des Indiumgehalts für die aktive Zone 120 eines Halbleiterlaserchips gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel schematisch gezeigt. Die Schichtdicken und die Konzentrationen c der ersten Komponente entsprechen denen der Variante des zweiten Ausführungsbeispiels (Fig. 3B) . Im Gegensatz dazu gehen bei dem dritten Ausführungsbeispiel jedoch die zwei zweiten Quantentopf- schichten 4 den drei erste Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung voraus.
In Figur 4B ist das Indiumkonzentrationsprofil gemäß einer Variante des dritten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die aktive Zone 120 gemäß der Variante des dritten Ausführungs- beispiels unterscheidet sich von derjenigen des dritten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4A darin, dass anstelle von zwei flachen und breiten zweiten Quantentopfschichten 4 den ersten Quantentopfschichten 3 eine Mehrzahl zweite Quanten- topfschichten 4 in Wachstumsrichtung vorausgehen, die eine geringere Schichtdicke und eine größere Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials aufweisen als die ersten Quantentopfschichten 3. Vorliegend gehen sieben zweite Quantentopfschichten 4 den ersten Quantentopfschichten 3 im Abstand von etwa 15 nm voraus.
Die Barriereschichten 52 zwischen je zwei benachbarten zweiten Quantentopfschichten 4 haben bei der in Figur 4B dar- gestellten Variante des dritten Ausführungsbeispiels eine Schichtdicke d2 von etwa 2 nm, die zweiten Quantentopf- schichten 4 sind jeweils etwa 1 nm dick.
Mittels der zweiten Quantentopfschichten 4, die bei dem drit- ten Ausführungsbeispiel und der Variante des dritten Ausführungsbeispiels nicht zur Strahlungserzeugung vorgesehen sind und den ersten, zur Strahlungsemission vorgesehenen Quantentopfschichten 3 vorausgehen, wird eine besonders hohe Kristallqualität der aktiven Zone 120 erzielt. Insbesondere ist die Kristallqualität der aktiven Zone im Bereich der ersten Quantentopfschichten 3 besonders hoch, so dass die Gefahr einer nicht strahlenden Rekombination von Ladungsträgern im Bereich der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten Quantentopfschichten 3 verringert ist. Eine Übergitter- Struktur aus zweiten Quantentopfschichten 4, wie in der Variante des dritten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4B gezeigt, ist hierzu besonders gut geeignet.
Auch bei dem in Figur 5 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel geht eine Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 den - vorliegend zwei - ersten Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung voraus. - -
Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen haben jedoch nicht alle zweiten Quantentopfschichten die gleiche Schichtdicke. Vielmehr nimmt die Schichtdicke im Verlauf von den ersten Quantentopfschichten 3 weg von Schicht zu Schicht ab. Mit anderen Worten hat die den ersten Quantentopfschichten 3 direkt benachbarte zweite QuantentopfSchicht 41 die größte Schichtdicke, die von den ersten Quantentopf- schichten 3 am weitesten entfernte zweite QuantentopfSchicht 43 hat die geringste Schichtdicke und die zwischen diesen beiden zweiten Quantentopfschichten 41, 43 angeordnete mittlere zweite QuantentopfSchicht 42 hat eine Schichtdicke, deren Wert zwischen den Schichtdicken der beiden anderen zweiten Quantentopfschichten 41, 43 liegt.
Dabei haben vorliegend die beiden zweiten Quantentopfschichten 41, 42 die den ersten Quantentopfschichten 3 zugewandt sind, eine Schichtdicke, die größer oder gleich der Schichtdicke der ersten Quantentopfschichten 3 ist und sie weisen einen Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone auf, der geringer ist als derjenige der ersten Quantentopfschichten 3. Die von den ersten Quantentopfschichten 3 am weitesten entfernte zweite Quantentopfschicht 43 hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum einen eine geringere Schichtdicke als die ersten Quantentopf- schichten 43. Zum anderen ist auch der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials, beispielsweise die Indiumkonzentration, geringer als derjenige der ersten Quantentopfschichten 3.
Beispielsweise enthalten bei diesem oder einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele alle zweiten Quantentopfschichten 4, 41, 42, 43 die erste Komponente des Halbleitermaterials in der gleichen Konzentration c. - -
Das in Figur 6A dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel weist zusätzlich zu den drei zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43, die den ersten Quantentopfschichten 3 analog zum vierten Ausführungsbeispiel vorausgehen, drei weitere zweite Quantentopfschichten 41, 42, 43 auf, die den ersten Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung nachfolgen.
Die aktive Zone 120 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel weist also eine Symmetrieebene 6 auf. Die ersten Quantentopf- schichten 3 und die zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 der aktiven Zone 120 sind jeweils spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieebene 6 angeordnet .
Die in Figur 6B gezeigte Variante des fünften Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von letzterem darin, dass anstelle der Schichtdicken der zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 der in den zweiten Quantentopfschichten enthaltene Indiumanteil c variiert ist. Die in Figur 6B gezeigten zweiten Quantentopfschichten 41, 42, 43 haben vorliegend alle die gleiche Schichtdicke, die bei dieser Variante des fünften Ausführungsbeispiels auch mit der Schichtdicke der ersten Quantentopfschichten 3 übereinstimmt. Die Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials nimmt von Schicht zu Schicht im Verlauf von den ersten Quantentopfschichten 3 weg ab.
In Figur 6C ist eine weitere Variante des fünften Ausführungsbeispiels gezeigt. Bei dieser zweiten Variante des fünf- ten Ausführungsbeispiels ist das Indiumkonzentrationsprofil der zweiten Quantentopfschichten 41', 42', 43', welche den ersten Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung nachfolgen, im Unterschied zu der in Figur 6B gezeigten Variante des - -
fünften Ausführungsbeispiels nicht im wesentlichen rechtecks- förmig, sondern es hat - wie zweite QuantentopfSchicht 4 der Variante gemäß Figur 2B des ersten Ausführungsbeispiels - ein trapezförmiges Profil.
Auf diese Weise ist die Injektion von Löchern in die zur Strahlungsemission vorgesehenen ersten Quantentopfschichten 3 von der p-Seite des Halbleiterchips her durch die den ersten Quantentopfschichten 3 in Wachstumsrichtung nachfolgenden zweiten Quantentopfschichten 41', 42' und 43' hindurch besonders effizient.
Bei dem in Figur 7 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel ist, wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel, die aktive Zone 120 ebenfalls symmetrisch zu einer Symmetrieebene 6. Vorliegend verläuft die Symmetrieebene 6 durch eine erste Quantentopfschicht 3. Insbesondere hat die aktive Zone 120 bei dem sechsten Ausführungsbeispiel also eine ungerade Anzahl von aktiven, d.h. zur Strahlungserzeugung vorgesehenen, ersten Quantentopfschichten 3. Vorliegend enthält sie genau eine erste QuantentopfSchicht 3, die zur Strahlungserzeugung vorgesehen ist.
Das Halbleitermaterial der ersten QuantentopfSchicht 3 ent- hält einen Anteil c einer ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone 120 - vorliegend Indium - der etwa doppelt so groß ist wie derjenige des Halbleitermaterials der zweiten Quantentopfschichten 4.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass - im Unterschied zu den übrigen Konzentrationsprofilen der Figuren 2A bis IIB - bei dem Konzentrationsprofil der Figur 7 die Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials im Diagramm von unten nach oben zunimmt .
Jeweils zwei zweite Quantentopfschichten 4 gehen der ersten Quantentopfschicht 3 in Wachstumsrichtung voraus und folgen ihr in Wachstumsrichtung nach. Alle Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Quantentopfschichten 3, 4 sind vorliegend gleich groß.
In Figur 7 ist auch der Betrag A0 der Feldstärke 7 der von der ersten QuantentopfSchicht 3 emittierten Strahlung innerhalb der aktiven Zone 120 schematisch dargestellt. Mittels der zur Symmetrieebene 6 symmetrisch angeordneten zweiten Quantentopfschichten 4 wird ein besonders hoher Überlapp zwi- sehen der ersten Quantentopfschicht 3 und der Feldstärke 7 der in der aktiven Zone 120 verlaufenden elektromagnetischen Strahlung erzielt, wodurch die Erzeugung von Laserstrahlung durch den Halbleiterchip besonders effizient erfolgt.
Figur 8A zeigt ein Indiumkonzentrationsprofil für einen Halbleiterlaserchip gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist bei dem siebten Ausführungsbeispiel eine zweite Quantentopfschicht 4 zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 ange- ordnet.
Vorliegend handelt es sich um eine zweite Quantentopfschicht, die die gleiche Schichtdicke hat wie die zwei ersten Quantentopfschichten 3 und die eine geringere Indiumkonzentration c aufweist als diese. Alternativ kann es sich auch um eine zweite Quantentopfschicht 4 handeln, die eine geringere Schichtdicke und eine größere Indiumkonzentration c als die ersten Quantentopfschichten 3 aufweist. Die zweite QuantentopfSchicht 4 ist bei dem siebten Ausfüh- rungsbeispiel mittig zwischen den zwei ersten Quantentopf- schichten 3 angeordnet, so dass die aktive Zone 120 Spiegel- symmetrisch zu der Symmetrieebene 6 ist.
Bei einer Variante des siebten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 8B ist statt einer einzelnen zweiten QuantentopfSchicht 4 eine Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten 4 - vorliegend vier zweite Quantentopfschichten 4 - mittig zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 und symmetrisch zu der Spiegel- ebene 6 angeordnet. Insbesondere handelt es sich um ein Übergitter zweiter Quantentopfschichten 4 geringer Schichtdicke mit einer hohen Konzentration c der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone.
Die zwischen den zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnete mindestens eine zweite QuantentopfSchicht 4 dient beispielsweise als Ladungsträgerreservoir für mindestens eine der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten Quantentopf- schichten 3. So wird eine besonders gleichmäßige Ladungs- trägerverteilung auf die einzelnen ersten Quantentopfschichten 3 erzielt. Alternativ oder zusätzlich koppelt die zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnete mindes- tens eine zweite QuantentopfSchicht 4 insbesondere mit Vorteil die beiden ersten Quantentopfschichten 3. Beispielsweise stellt sie Minibänder zum Tunnel von Ladungsträgern zwischen den zwei ersten Quantentopfschichten 3 zur Verfügung. Auf diese Weise werden die zwei ersten Quantentopfschichten 3 be- sonders gleichmäßig elektrisch gepumpt.
In Figur 9 ist das Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone 120 gemäß einem ach- ten Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Wie beim siebten Ausführungsbeispiel ist eine zweite Quantentopf- Schicht 4 zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet .
Es handelt sich vorliegend um eine zweite QuantentopfSchicht 4 mit einer geringen Schichtdicke von beispielsweise kleiner oder gleich 2 nm, vorzugsweise von kleiner oder gleich 1 nm. Die Schichtdicke der zweiten Quantentopfschichten 4 ist vor- liegend kleiner als ein Fünftel der Schichtdicke der ersten
Quantentopfschichten 3. Der Anteil c der ersten Komponente im Halbleitermaterial der zweiten Quantentopfschichten 4 ist beispielsweise 1,2 bis 2 mal so groß ist wie der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials der ersten Quanten- topfschichten 3.
Im Gegensatz zum siebten Ausführungsbeispiel ist die zweite QuantentopfSchicht 4 vorliegend nicht mittig zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 angeordnet. Vielmehr hat sie einen relativ geringen Abstand von der in Wachstumsrichtung nachfolgenden ersten QuantentopfSchicht 3, während der Abstand zur in Wachstumsrichtung vorausgehenden ersten Quantentopfschicht 3 größer ist.
Der Abstand di zwischen zwei ersten Quantentopfschichten 3 ist bei dem achten Ausführungsbeispiel beispielsweise mindestens doppelt so groß, bevorzugt, mindestens vier mal so groß, besonders bevorzugt mindestens fünf mal so groß wie die Schichtdicke der zwischen den beiden ersten Quantentopf- schichten 3 angeordneten zweiten QuantentopfSchicht 4 und/oder wie der Abstand der zweiten Quantentopfschicht 4 zu der in Wachstumsrichtung nachfolgenden ersten Quantentopf- Schicht 3. Vorliegend ist der Abstand einer zweiten Quanten- topfschicht 4 zur vorausgehenden ersten QuantentopfSchicht 3 etwa vier bis fünf mal so groß wie der Abstand zur nachfolgenden ersten QuantentopfSchicht 3. Beispielsweise hat letzterer einen Wert zwischen etwa 1 nm und etwa 2 nm, und der Abstand zur in Wachsturasrichtung vorausgehenden ersten Quantentopfschicht zu der zweiten QuantentopfSchicht hat einen Wert zwischen etwa 4 nm und etwa 6 nm. Die Grenzen sind hierbei jeweils eingeschlossen.
Mittels der zweiten QuantentopfSchicht 4 sind beispielsweise energetische Barrieren der zur Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten Quantentopfschichten 3, wie sie exemplarisch in Figur 2A für eine erste QuantentopfSchicht 3 gestrichelt eingezeichnet sind, mit Vorteil reduziert.
Bei dem in Figur 10 schematisch dargestellten neunten Ausführungsbeispiel ist eine zweite QuantentopfSchicht 4 innerhalb einer ersten QuantentopfSchicht 3 angeordnet. Mit anderen Worten grenzt die zweite QuantentopfSchicht 4 an einen ersten Teilbereich 31 der ersten QuantentopfSchicht 3 an, der ihr in Wachstumsrichtung der aktiven Zone 120 vorausgeht. Zudem grenzt sie an einen zweiten Teilbereich 32 der ersten Quantentopfschicht 3, der ihr in Wachstumsrichtung nachfolgt. Insbesondere sind die erste und die zweite QuantentopfSchicht 3, 4 nicht durch eine Barriereschicht 52 getrennt.
Der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials ist in dem ersten und dem zweiten Teilbereich 31, 32 der ersten Quantentopfschicht 3 bei dem vorliegenden Ausführungs- beispiel um einen Faktor 1,2 bis 2 größer als der Anteil c der ersten Komponente des Halbleitermaterials in der zweiten Quantentopfschicht 4. Die Schichtdicke der zweiten Quantentopfschicht 4 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel - im Gegensatz zu den übrigen Ausführungsbeispielen mit zweiten Quantentopfschichten, die einen hohen Anteil c der ersten Komponente enthalten - die Schichtdicke nicht größer oder gleich der Schichtdicke der ersten QuantentopfSchicht 3. Stattdessen ist die Schichtdicke der zweiten Quantentopfschicht 4 vorliegend geringer als die Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht 3. Beispielsweise beträgt sie höchstens ein Drittel, vorzugsweise höchstens ein Fünftel der Schichtdicke der ersten Quantentopfschicht 3.
Mittels der innerhalb der ersten Quantentopfschicht 3 angeordneten zweiten Quantentopfschicht 4 wird eine besonders hohe Kristallqualität, und damit eine besonders hohe Effizienz der Strahlungserzeugung in der ersten Quantentopf- schicht 3 erzielt. Der erste Teilbereich 31 und der zweite
Teilbereich 32 der ersten Quantentopfschicht 3 sind vorteilhafterweise mittels der zweiten Quantentopfschicht 4 gekoppelt. Vorteilhafterweise wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine erste Quantentopfschicht 3 erzielt, die eine besonders hohe Schichtdicke hat und auf diese Weise zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einem großen Strahlungs- fluss geeignet ist.
In Figur IIA ist schematisch das Konzentrationsprofil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der aktiven Zone
120 gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel ist - wie beim neunten Ausführungsbeispiel - jeweils eine zweite Quantentopfschicht 4 innerhalb einer ersten Quantentopfschicht 3 angeordnet.
Im Gegensatz zum neunten Ausführungsbeispiel ist jedoch bei dem zehnten Ausführungsbeispiel die zweite Quantentopfschicht 4 zur Strahlungserzeugung vorgesehen, während die erste Quan- - -
tentopfschicht 3 nicht zur Strahlungserzeugung vorgesehen ist und stattdessen vorteilhafterweise zum Sammeln von Ladungsträgern für die zweite QuantentopfSchicht 4 dient . So wird insbesondere ein Halbleiterlaserchip auf Basis von InAlGaN erzielt, der Laserstrahlung mit einer besonders geringen Wellenlänge emittiert. Beispielsweise hat der Halbleiterlaserchip ein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von größer oder gleich 470 nm, insbesondere im langwelligen blauen Spektralbereich oder im grünen Spektralbereich.
Bei diesem und dem vorausgehenden, neunten Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Quantentopfschichten 3, 4 der aktiven Zone 120 spiegelsymmetrisch zur Symmetrieebene 6 angeordnet .
In Figur IIB ist eine Weiterbildung des zehnten Ausführungs- beispiels schematisch dargestellt. Bei der Weiterbildung haben die ersten Quantentopfschichten 3 im Querschnitt ein V- förmiges Konzentrationsprofil der ersten Komponente des HaIb- leitermaterials . Auf diese Weise wird ein besonders guter Ladungsträgereinfang erzielt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der exemplarischen Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst sie jedes neue Merkmal sowie jede neue
Kombination von Merkmalen, insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination in den Ausführungsbeispielen oder Patentansprüchen nicht explizit angegeben ist.

Claims

- -Patentansprüche
1. Optoelektronischer Halbleiterchip mit einer Strahlungsemittierenden Halbleiterschichtenfolge, die eine aktive Zone mit einer ersten QuantentopfSchicht, einer zweiten QuantentopfSchicht und zwei Abschluss- Barriereschichten enthält, wobei die erste QuantentopfSchicht und die zweite Quantentopfschicht zwischen den zwei Abschluss- Barriereschichten angeordnet sind, die aktive Zone ein Halbleitermaterial aufweist, das mindestens eine erste und eine zweite Komponente enthält, der Anteil der ersten Komponente in dem Halbleitermaterial der zwei Abschluss-Barriereschichten geringer ist als in der ersten und der zweiten QuantentopfSchicht und die zweite Quantentopfschicht im Vergleich zur ersten Quantentopfschicht entweder eine geringere Schichtdicke und einen größeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials aufweist oder eine größere Schichtdicke oder die gleiche Schichtdicke und einen geringeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials aufweist.
2. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 1, bei dem das Halbleitermaterial GaN, AlN und/oder AlGaN als zweite Komponente enthält und/oder das Halbleitermaterial In als erste Komponente enthält.
3. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem sich die Schichtdicken der ersten und der - -
zweiten Quantentopfschicht um einen Faktor von größer oder gleich zwei unterscheiden.
4. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite
QuantentopfSchicht eine geringere Schichtdicke aufweist als die erste Quantentopfschicht und innerhalb der ersten Quantentopfschicht angeordnet ist.
5. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 3, bei dem die aktive Zone zwischen einer n-leitenden Schicht und einer p-leitenden Schicht der Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist und die zweite Quantentopfschicht der ersten Quantentopfschicht in Richtung von der n-leitenden Schicht zur p-leitenden Schicht nachfolgt oder vorausgeht.
6. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 5, bei dem die erste Quantentopfschicht im Betrieb des Optoelektronischer Halbleiterchips zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist und die zweite Quantentopfschicht nicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist.
7. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 5 oder 6 mit zwei ersten Quantentopfschichten und mindestens einer zweiten Quantentopfschicht, bei dem die mindestens eine zweite Quantentopfschicht zwischen den zwei ersten Quantentopfschichten angeordnet ist.
8. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 7, bei dem der Abstand der mindestens einen zweiten Quantentopfschicht zu der in Richtung zur p-leitenden - -
Schicht nachfolgenden ersten Quantentopfschicht kleiner ist als der Abstand zu der in Richtung zur n-leitenden Schicht vorausgehenden ersten Quantentopfschicht .
9. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 5 oder 6 mit zwei zweiten Quantentopfschichten und mindestens einer ersten Quantentopfschicht, bei dem die mindestens eine erste Quantentopfschicht zwischen den zwei zweiten Quantentopfschichten angeordnet ist.
10. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 9 mit einer ersten Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten, die der mindestens einen ersten Quantentopfschicht in Richtung von der n-leitenden Schicht zur p-leitenden Schicht vorausgeht und einer zweiten Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten, die der mindestens einen ersten Quantentopfschicht in Richtung von der n- leitenden Schicht zur p-leitenden Schicht nachfolgt.
11. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 10, bei dem die erste und die zweite Mehrzahl von zweiten Quantentopfschichten die gleiche Anzahl von zweiten Quantentopfschichten enthält.
12. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der
Ansprüche 10 oder 11, bei dem der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials und/oder die Schichtdicke der zweiten Quantentopfschichten in Richtung von der mindestens einen ersten Quantentopfschicht weg von Schicht zu Schicht abnimmt.
13. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 7 oder einem der Ansprüche 9 bis 12, der - -
mehrere erste und/oder mehrere zweite
Quantentopfschichten aufweist und bei dem die ersten und zweiten Quantentopfschichten spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone verläuft.
14. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem, im Fall einer zweiten QuantentopfSchicht mit geringerer Schichtdicke, der
Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der zweiten QuantentopfSchicht 1,2 mal bis 2 mal so hoch ist wie der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der ersten QuantentopfSchicht oder, im Fall einer zweiten QuantentopfSchicht mit gleicher oder größerer Schichtdicke, der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der ersten QuantentopfSchicht 1,2 mal bis 2 mal so hoch ist wie der Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials der zweiten QuantentopfSchicht .
15. Optoelektronischer Halbleiterchip gemäß Anspruch 4 bei dem die zweite QuantentopfSchicht anstelle eines größeren Anteils der ersten Komponente des Halbleitermaterials einen geringeren Anteil der ersten Komponente des Halbleitermaterials aufweist als die erste QuantentopfSchicht .
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