CN101809767B - 带有多量子阱结构的光电子半导体芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光电子半导体芯片，其具有有源区(20)，该有源区包含设计用于产生电磁辐射的多量子阱结构，该多量子阱结构具有多个相继的量子阱层(210，220，230)。多量子阱结构具有至少一个第一量子阱层(210)，其被n导电地掺杂并且设置在与所述第一量子阱层(210)邻接的n导电地掺杂的两个势垒层(250)之间。多量子阱结构具有第二量子阱层(220)，其未掺杂并且设置在与所述第二量子阱层邻接的两个势垒层(250，260)之间，其中一个势垒层n导电地掺杂而另一个未掺杂。此外，多量子阱结构具有至少一个第三量子阱层(230)，其未掺杂并且设置在与所述第三量子阱层邻接的未掺杂的两个势垒层(260)之间。

Description

带有多量子阱结构的光电子半导体芯片
本专利申请要求德国专利申请102007046027.0的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
本申请涉及一种带有多量子阱结构的光电子半导体芯片。
带有多量子阱结构的光电子半导体芯片例如在出版物WO 01/39282A2和US 5,831,277中公开。
本申请的任务是提出一种带有多量子阱结构的光电子半导体芯片，其是特别高效的。
该任务通过根据权利要求1所述的光电子半导体芯片来解决。该半导体芯片的有利的扩展方案和改进方案在从属权利要求中进行说明。权利要求的公开内容在此明确地通过引用结合到本说明书中。
本申请提出了一种光电子半导体芯片，其具有有源区，该有源区包含为了产生电磁辐射而设置的多量子阱结构。该有源区尤其是外延的半导体层序列的部分区域。半导体芯片例如是发光二极管芯片或者激光二极管芯片。
有源区包含多个相继的量子阱层。合乎目的地，每个量子阱层设置在与其关联的两个势垒层之间。换言之，在有源区中相继地分别是势垒层和量子阱层。在每个量子阱层之前尤其是与其关联的势垒层，并且在该量子阱层之后是与其关联的另外的势垒层。表述“之前”和“之后”在本上下文中应理解为分别在半导体芯片的n侧至p侧的方向上，其中有源区设置在n侧和p侧之间。
术语“多量子阱结构”和“量子阱层”在本上下文中并未阐明量子化的维度方面的含义。由量子阱层和两个与其关联的势垒层限定的量子阱可以是量子膜、至少一个量子线或者至少一个量子点，或者这些结构中的至少两个的组合。
多量子阱结构具有至少一个第一量子阱层，其n导电地掺杂并且设置在邻接第一量子阱层的、n导电地掺杂的两个势垒层之间。换言之，尤其是不仅第一量子阱层而且与其关联的两个势垒层都n导电地掺杂。
n导电地掺杂的层在本上下文中理解为以至少一种n掺杂材料如硅来掺杂的层。可能的是，两个不同的层(譬如量子阱层和势垒层)以不同的n掺杂材料来n导电地掺杂。优选地，所有n导电地掺杂的量子阱层和势垒层以相同的n掺杂材料掺杂。
多量子阱结构还具有至少一个、优选恰好一个第二量子阱层，该第二量子阱层未被掺杂并且设置在与第二量子阱层邻接的两个势垒层之间，这些势垒层中的一个n导电地掺杂而另一个未被掺杂。例如，第二量子阱层在第一量子阱层之后。尤其是，在第二量子阱层之前的势垒层被n导电地掺杂而在第二量子阱层之后的势垒层未被掺杂。
未被掺杂的层在此理解为如下的层：其基本上没有n掺杂材料或者p掺杂材料。然而，未被掺杂的层例如由于n掺杂材料和/或p掺杂材料的扩散也可以具有n掺杂材料和/或p掺杂材料的低的浓度，尤其是具有低到趋近于零的浓度。当n掺杂材料在未掺杂的层中的浓度比n掺杂材料在第一量子阱层中的浓度低至少40％、优选低至少70％时，n掺杂材料尤其是以低浓度存在于未掺杂的层中。
最后，多量子阱结构具有至少一个第三量子阱层，其未掺杂并且设置在与第三量子阱结构邻接的同样未掺杂的两个势垒层之间。合乎目的地，第三量子阱层在第二量子阱层之后地设置在有源区中。
发明人已确定的是，借助第一、第二和第三量子阱层的这样的顺序实现了半导体芯片的特别高的效率。尤其是在大的工作电流的情况下，相对于传统的半导体芯片提高了效率。光电子半导体芯片例如设计用于以大于或者等于80mA的工作电流来驱动。
在一种扩展方案中，多量子阱结构具有至少一个第四量子阱层，其未掺杂并且设置在与第四量子阱层邻接的、n导电地掺杂的两个势垒层之间。例如，第四量子阱结构在所述至少一个第一量子阱层之后并且在第二量子阱层之前。
具有第四量子阱层的半导体芯片有利地具有特别低的正向电压。换言之，借助特别低的工作电压实现了预先给定的工作电流。具有至少一个第四量子阱层的半导体芯片例如设计用于以低的工作电流、如以大约20mA的工作电流驱动。
在一个扩展方案中，多量子阱结构具有至少与第三量子阱层同样多的第一量子阱层。在一个改进方案中，多量子阱结构包含比第三量子阱层多的第一量子阱层。发明人已在大量的比较试验中确定：当第一量子阱层的数目选择得大于或者等于第三量子阱层的数目时，半导体芯片是特别高效的。
在另一扩展方案中，有源区具有最多十个量子阱层。优选地，该有源区具有五个或者更多个量子阱层。半导体芯片特别优选具有在七个到九个之间的量子阱层，其中包括边界值。发明人的试验已得出，这种半导体芯片在预先给定的工作电流的情况下产生特别高的光通量。尤其是，光通量的随着增大的工作电流的饱和特性表现得特别小。
在一个扩展方案中，在从半导体芯片的n侧至p侧的方向上在有源区之前是交替的层的对的超晶格。该超晶格例如在小于或者等于50nm、尤其是小于或者等于30nm的层厚度上延伸。例如，其具有大约25nm的层厚度。
超晶格的交替的层例如具有小于或者等于5nm的层厚度，尤其是具有大约0.5nm到2nm的层厚度，其中包括边界值。交替的层的每个对的至少一个层n导电地掺杂。在一个扩展方案中，整个超晶格n导电地掺杂。
借助50nm或者更小的超晶格的小的层厚度实现了半导体芯片的特别低的正向电压。借助n导电地掺杂的第一量子阱层，在超晶格的小的层厚度的情况下也实现了将载流子良好地注入到所述至少一个第三量子阱层中。
第一量子阱层、两个与第一量子阱层邻接的势垒层和/或与第二量子阱层邻接的n导电地掺杂的势垒层尤其是以大于或者等于1×1018原子/cm3的浓度来用n掺杂材料掺杂。在一个扩展方案中，第一量子阱层和两个与第一量子阱层邻接的势垒层具有相同浓度的相同n掺杂材料。可替选地或者附加地，在一个改进方案中，与第二量子阱层邻接的、n导电地掺杂的势垒层具有与第一量子阱层和/或同第一量子阱层邻接的势垒层相同浓度的n掺杂材料。当在两个层之间的n掺杂材料的浓度相差20％或者更少，优选相差10％或者更少，例如相差5％或者更少时，这两个层在此具有“相同浓度的”n掺杂材料。
势垒层例如具有在5nm到12nm之间的层厚度，优选在6nm到11nm之间的层厚度，特别优选在9nm到10.5nm之间的层厚度，其中分别包括边界值。在一个改进方案中，量子阱层具有1纳米到5纳米之间的层厚度，优选在2nm到3nm之间的层厚度，其中分别包含边界值。例如，势垒层的层厚度为大约10nm而量子阱层的层厚度为大约2.5nm。发明人的比较试验已经得出：在势垒层的这种层厚度的情况下和/或在量子阱层的这种层厚度的情况下，随着增大的工作电流，半导体芯片具有光通量的特别低的饱和度。
在另一扩展方案中，半导体芯片没有生长衬底。尤其是，半导体芯片是薄膜半导体芯片。
薄膜半导体芯片的特征尤其在于以下典型特征的至少之一：
-在产生辐射的外延的半导体层序列的朝着支承元件的第一主面上施加或者构建有反射层，该反射层将外延的半导体层序列中产生的电磁辐射的至少一部分向回反射到半导体层序列中；
-薄膜半导体芯片包含支承元件，该支承元件并不是其上外延地生长了半导体层序列的生长衬底，而是独立的支承元件，其事后固定在外延的半导体层序列上，
-外延的半导体层序列的生长衬底被从外延的层序列去除，或者薄化为使得其单独与外延的层序列一起是非自由支承的，或者
-外延的半导体层序列具有在20μm或者更小的范围中、尤其是在10um的范围中的厚度。
支承元件优选构建为对于半导体芯片发射的辐射是可透射的。
此外，外延的半导体层序列优选包含带有至少一个如下面的至少一个半导体层：该面具有混匀结构，其在理想情况下引起光在外延的半导体层序列中的近似各态历经的分布，即其具有尽可能各态历经的随机散射特性。
薄膜半导体芯片的基本原理例如在1993年10月18日I.Schnitzer等人所著的Appl.Phys.Lett.63(16)，2174-2176页中进行了描述，其公开内容通过引用结合于此。对于薄膜半导体芯片的例子在出版物EP 0905797A2和WO 02/13281 A1中进行了描述，其公开内容通过引用结合于此。
薄膜半导体芯片良好近似地是朗伯表面发射器并且因此尤其适于前灯中的应用。
在一个扩展方案中，半导体芯片的有源区、尤其是半导体芯片的外延的半导体层序列基于III-V化合物半导体材料，例如基于氮化物-化合物半导体材料如InAlGaN。在另一实施形式中，半导体层序列基于II/VI-化合物半导体材料。
III/V化合物半导体材料具有来自第三主族的至少一种元素，譬如Al，Ga、In和来自第五主族的元素譬如B、N、P、As。特别地，术语“III/V化合物半导体材料”包括二元、三元或者四元化合物的族，其包含来自第三主族的至少一种元素和来自第五主族的至少一种元素，例如氮化物-化合物半导体和磷化物-化合物半导体。这种二元、三元或者四元化合物此外例如可以具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分。
相应地，II/VI化合物半导体材料具有来自第二主族的至少一种元素譬如Be、Mg、Ca、Sr和来自第六主族的元素譬如O、S、Se。特别地，II/VI-化合物半导体材料包括二元、三元或者四元化合物，其包括来自第二主族的至少一种元素和来自第六主族的至少一种元素。这种二元、三元或者四元化合物此外例如可以具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分。例如，属于II/VI-化合物半导体材料的有：ZnO、ZnMgO、CdS、ZnCdS、MgBeO。
“基于氮化物-化合物半导体材料”在本上下文中表示：半导体层序列或者其至少一部分、特别优选地至少有源区和/或生长衬底具有氮化物-化合物半导体材料(优选是InnAlmGa1-n-mN)或者由其构成，其中0≤n≤1，0≤m≤1且n+m≤1。在此，该材料并不一定具有根据上式的数学上精确的组分。更确切地说，其例如可以具有一种或者多种掺杂材料以及附加的组成部分。然而出于清楚的原因，上式仅包含晶格的主要组成部分(Al，Ga，In，N)，即使它们可以部分被少量的其他材料替代和/或补充。
在一个扩展方案中，半导体芯片设计用于发射具有在绿色光谱范围中的强度最大值的电磁辐射。
半导体芯片的其他优点、有利的扩展方案和改进方案从以下结合图1至3描述的实施例得到。
其中：
图1示出了通过根据第一实施例的光电子半导体芯片的示意性横截面，
图2示出了通过根据第一实施例的光电子半导体芯片的有源区的示意性横截面和n掺杂材料在有源区中的示意性浓度分布曲线，以及
图3示出了通过根据第二实施例的光电子半导体芯片的有源区的示意性横截面和n掺杂材料在有源区中的浓度分布曲线。
在附图和实施例中，相同或者作用相同的组成部分设置有相同的附图标记。附图和在附图中所示的元件彼此间的大小关系基本上不应视为合乎比例的。更确切地说，为了更好的理解和/或更好的表示，各个元件可以被夸大地示出。例如，层可以被夸大地地示出，和/或浓度差可以被夸大和/或过小地示出。
图1示出了通过根据第一实施例的光电子半导体芯片的示意性横截面。该光电子半导体芯片具有在生长衬底1上的外延的半导体层序列2。在半导体芯片的一个变形方案中，去除或者至少强烈地薄化生长衬底1。
半导体层序列2例如基于InAlGaN化合物半导体材料。该半导体层序列例如在生长衬底1上制造，该生长衬底具有蓝宝石或者由其构成。
半导体层序列2包含至少一个n接触层21和p接触层27，在其间设置有有源区20，该有源区包含多量子阱结构用于产生辐射。
在此，半导体层序列2在从n接触层21至有源区20的过程中具有电流扩展层22以及两个另外的n掺杂的层23、24。在从有源区20至p接触层27的过程中，半导体层序列2在此具有两个另外的p掺杂的层25、26。另外的n掺杂的和/或p掺杂的层或者这些层中的至少一个或者数个例如是载流子限制层(“confinement layers”)。
在此，n接触层21具有3μm的层厚度。例如，n接触层21具有GaN。其优选以硅作为n掺杂材料来n导电地掺杂，例如以3×1018原子/cm3的浓度掺杂。
电流扩展层22例如具有1μm的层厚度。其合乎目的地被高n掺杂，例如用硅以1×1019原子/cm3的浓度掺杂。这样，电流扩展层具有高的横向导电能力。
两个另外的n掺杂的层在此分别具有0.5μm的层厚度。它们例如二者都具有用硅作为n掺杂材料来n导电地掺杂的氮化镓。硅浓度例如在朝着有源区20的另外的n掺杂的层24中为8×1017原子/cm3。在与有源区120背离的另外的n掺杂的层中存在浓度例如为1×1018原子/cm3的硅。
p接触层27包含例如GaN。另外的p掺杂的层25、26包含例如AlGaN。在此，朝着有源区20的另外的p掺杂的层25是AlGaN(10％Al)层，而与有源区20背离的另外的p掺杂的层26是AlGaN(6％Al)层。p接触层和另外的p掺杂的层25、26例如以镁作为p掺杂材料来掺杂。
在p接触层27中，p掺杂材料的浓度在此比在另外的p导电层25、26中更低。例如，该浓度在p接触层27中大约为5×1019原子/cm3。在另外的p掺杂的层25、26中，p掺杂材料例如以大于或者等于6×1019原子/cm3的浓度、例如以大约1×1020原子/cm3的浓度存在。
在图2中放大地示出了半导体层序列2的有源区20。在图2的右边区域中以示意性横截面示出了有源区20。图2的左边区域示意性地示出了在右边区域中绘制的层的n掺杂材料的浓度4。箭头3表示从半导体层序列2的n侧至p侧的方向(在n侧和p侧之间设置有有源区20)，即尤其是从n接触层21至p接触层27的方向。
根据第一实施例，半导体芯片的有源区20具有带有七个量子阱层210、220、230的量子阱结构。在从n侧至p侧的方向3中相继的是三个第一量子阱层210、第二量子阱层220和三个第三量子阱层230。
每两个相邻的量子阱层210、220、230通过势垒层250、260彼此分离。势垒层250之一在第一量子阱层210的第一个之前。势垒层260的另一个在第三量子阱层230的最后一个之后。以此方式，量子阱层210、220、230的每一个都设置在恰好两个势垒层250、260之间。
超晶格结构270在量子阱层210、220、230和势垒层250、260之前。超晶格结构270由交替的InGaN层和GaN层的对构成，它们例如分别具有小于或者等于1nm的层厚度。它们例如以1.5×1018原子/cm3的浓度用硅作为n掺杂材料掺杂。
三个在超晶格结构270之后的第一量子阱层10和与其关联的、第一量子阱层210设置在其间的势垒层250同样用硅作为n掺杂材料掺杂，例如以在1×1018原子/cm3到8×1018原子/cm3之间、尤其是在2×1018原子/cm3到4×1018原子/cm3之间(其中分别包括边界值)的浓度掺杂。
在第一量子阱层210之后是第二量子阱层220，在该第二量子阱层之前是势垒层250，该势垒层也与第一量子阱层210关联。在第二量子阱层220之前的势垒层250被n掺杂。在第二量子阱层220之后的势垒层260未被掺杂，如第二量子阱层220本身那样。
在第二量子阱层220之后，三个第三量子阱层230设置在每两个未掺杂的势垒层260之间。
半导体芯片设计用于以例如80mA的工作电流驱动。由半导体芯片发射的电磁辐射的大部分(尤其是实际上全部电磁辐射)在至少一个、优选多个、尤其是全部的第三量子阱层230中或者在第三量子阱层230和第二量子阱层220中产生。第一量子阱层210对于辐射产生没有贡献或者几乎没有贡献。
在图3中以示意性横截面示出了根据第二实施例的半导体芯片的有源区20。在左边的区域中又示意性地绘制了在右边区域中示出的层的n掺杂材料的浓度分布曲线。
根据第二实施例的半导体芯片与第一实施例的不同在于，有源区20仅仅包含唯一的第三量子阱层230。此外，有源区包含两个第四量子阱层240，它们在第一量子阱层210之后并且在第二量子阱层220之前。总之，于是在第二实施例中，有源区20包含七个量子阱层210、220、230、240。
第四量子阱层240未掺杂。四个量子阱层240的每个都设置在两个邻接的以n掺杂材料掺杂的势垒层250之间。在此，n掺杂材料在所有以n掺杂材料掺杂的势垒层250中和在第一量子阱层210中具有相同的浓度。
根据第二实施例的半导体芯片尤其是设计用于以大约20mA的工作电流驱动。
在此所描述的本发明并不受到参照实施例的说明限制。更确切地说，本发明包括任何新的特征以及特征的任意组合，尤其是包含实施例和权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未在权利要求和实施例中进行明确说明。

Claims (14)

1.一种光电子半导体芯片，具有有源区(20)，该有源区包含设计用于产生电磁辐射的多量子阱结构，该多量子阱结构包含多个相继的量子阱层(210，220，230)，其中所述多量子阱结构具有：
-至少一个第一量子阱层(210)，其n导电地掺杂并且设置在与所述第一量子阱层(210)邻接的、n导电地掺杂的两个势垒层(250)之间，
-第二量子阱层(220)，其未掺杂并且设置在两个与所述第二量子阱层邻接的势垒层(250，260)之间，其中一个势垒层n导电地掺杂而另一个未掺杂，以及
-至少一个第三量子阱层(230)，其未掺杂并且设置在与所述第三量子阱层邻接的、未掺杂的两个势垒层(260)之间。
2.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片，其中所述至少一个第一量子阱层、第二量子阱层和所述至少一个第三量子阱层(210，220，230)在从半导体芯片的n侧至p侧的方向上以上述顺序相继。
3.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片，其中多量子阱结构具有至少一个第四量子阱层(240)，所述第四量子阱层未掺杂并且设置在与所述第四量子阱层邻接的、n导电地掺杂的两个势垒层(250)之间。
4.根据权利要求2所述的光电子半导体芯片，其中多量子阱结构具有至少一个第四量子阱层(240)，所述第四量子阱层未掺杂并且设置在与所述第四量子阱层邻接的、n导电地掺杂的两个势垒层(250)之间。
5.根据上述权利要求之一所述的光电子半导体芯片，该半导体芯片包含的第一量子阱层(210)与第三量子阱层(230)同样多，或者比第三量子阱层(230)更多。
6.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中有源区(20)最多具有十个量子阱层(210，220，230，240)。
7.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，该半导体芯片在从半导体芯片的n侧至p侧的方向上在有源区(20)之前具有成对的交替的层的超晶格(270)，该超晶格具有小于或者等于50nm的厚度。
8.根据权利要求7所述的光电子半导体芯片，其中每对交替的层的至少一个层被n导电地掺杂。
9.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中所述至少一个第一量子阱层(210)和/或与第一量子阱层(210)邻接的两个势垒层(250)包含浓度(4)大于或者等于1×1018原子/cm3的n掺杂材料。
10.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中势垒层(250，260)的层厚度分别具有在9.5nm到10.5nm之间的值，其中包含边界值。
11.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中量子阱层(210，220，230，240)的层厚度分别具有2nm到3nm之间的值，其中包含边界值。
12.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，该半导体芯片没有生长衬底。
13.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，其中有源区(20)基于InGaN化合物半导体材料。
14.根据权利要求1至4之一所述的光电子半导体芯片，该半导体芯片设计用于发射具有在绿色光谱范围中的强度最大值的电磁辐射。
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