发射辐射的半导体本体的制作方法

专利名称：发射辐射的半导体本体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发射辐射的半导体本体。
本专利申请要求德国专利申请102007031926.8的优先权，其公开内 容通过引用结合于此。
随着工作中注入半导体本体中的工作电流的电流密度增加，传统结构
得效率随着工作电流密度增加而降低。
本发明的任务是提出一种发射辐射的半导体本体，其在大的工作电流 密度的情况下具有改进的效率。
该任务通过根据权利要求1所述的发射辐射的半导体本体来解决。半 导体本体的有利的扩展方案和改进方案在从属权利要求中予以说明，从属
权利要求的公开内容明确地包含在本说明书中。
根据本发明的发射辐射的半导体本体具有有源区。该有源区具有多量 子阱结构，其包含两个或更多个有源层，它们在工作电流注入到半导体本 体中时发射电磁辐射。
有源区例如基于六方化合物半导体材料。"基于六方化合物半导体材 料"在本上下文中意味着有源区或者有源区的至少 一个层、尤其是有源层 具有六方化合物半导体材料。也就是说，至少有源区具有六方晶格结构。 优选地，整个半导体本体基于六方化合物半导体材料，于是半导体本体的 半导体材料具有六方晶格结构。
六方化合物半导体材料例如是由化学元素周期表的II和VI主族的元 素的二元、三元和/或四元化合物构成的半导体结构。例如，可以是以下 化合物之一ZnO、 ZnMgO、 CdS、 ZnCdS、 MgBeO。此外，六方化合 物半导体材料可以是由ni和V主族的元素的二元、三元和/或四元化合 物构成的半导体结构，例如可以是氮化物。例如可以是以下半导体结构之 一BN、 AlGaN、 GaN、 AlInGaN。
在此，半导体材料并非一定必须具有根据上式之一的数学上精确的组 分，而是可以具有一种或更多种掺杂材料以及附加的组成部分。出于简单原因，上面的式子仅包含晶格的主要组成部分，即使其可以部分被较少量 的其他物质替^。
在六方化合物半导体(例如基于III-V半导体材料系AlInGaN、即 AlxInyGaLx.yN，其中0&《1， 0SySl且x+y《1的半导体本体)的情况下， 在例如可以包括InGaN量子槽的有源区中由于在有源区中有极性的纤锌 矿晶体结构和张力而出现压电场。
这些压电场沿着生长方向定向。这些场的极性与半导体本体以其生长 的生M式有关。例如在使用金属有机气相外延(MOVPE)的情况下优 选以所谓的Ga面(Ga-Face)生长模式来生长。例如对于GaN晶体，这 意味着在Ga-N双层(由其形成晶体)的情况下镓原子朝着晶体的背离于 生长衬底的表面的方向。在以Ga面生^式生长的晶体的情况下(其中 生长方向平行于晶体学上的c轴延伸)，晶体学上的c轴和电场表现为从 衬底离开朝向晶体表面。
由于在有源区中的张力，压电场的极化具有相反的方向。通过极化感 应的晶格电荷在有源的区域的朝向晶体表面的侧上是负的，而在有源的区 域的朝向衬底与生长的晶体的界面的侧上是正的。在Ga面生长模式中难 以影响压电场在c轴的方向上的极性。
在光电子半导体本体的一个有利的扩展方案中，在生长方向上(即平 行于晶体学上的c轴)，p掺杂的封闭层、有源区和n导电的封闭层以该
顺序相继。p掺杂的封闭层和n导电的封闭层是半导体本体的半导体层， 这些半导体层在生长方向上位于有源区之前或者在其之后。在一个改进方 案中，p掺杂的封闭层和/或n导电的封闭层是栽流子封闭层("限制层， Confinement Layer")和/或革层("包覆层，cladding layer")。軍层尤其 是例如由于其折射率而以本领域技术人员基本已知的方式设置用于引导 由有源区在工作中发射的电磁辐射。
在围绕有源的区域的层的序列(其中在生长方向上n导电的封闭层、 有源区和p掺杂的封闭层以该顺序相继)中，压电场引起不利的能量势垒 结构，该势垒结构使载流子难以注入有源的区域中。这样的光电子半导体 本体因此具有如下的内部量子效率其通常不令人满意并且尤其是随着增 加的电流密度而强烈地降低。
目前发明人推测的是，当在生长方向上p掺杂的封闭层、有源区和n 导电的封闭层以该顺序相继时，对于这样的半导体本体有利地扩宽其中电子和空穴在工作中进行复合的区域。多量子阱结构的至少两个有源层设置 在其中电子和空穴在工作中进行复合的区域中(即在复合区中)并且在半 导体本体的工作中发射电磁辐射。
在一个合乎目的的扩展方案中，半导体本体具有接触层。该接触层尤
其是半导体本体的如下半导体层在半导体本体的工作中工作电流穿过该 半导体层被注入到有源区中。该半导体层优选具有良好的导电性，尤其是 良好的横向导电性。在该扩展方案中，该接触层是外延地在生长衬底上产 生的半导体层。可替选地，接触层也可以包含在生长衬底中或者由该生长 衬底形成。
在一个实施形式中，接触层是p接触层，其尤其是设置在生长衬底与 有源区之间。合乎目的地，在该实施形式中在生长方向上相继是p接触层、 p掺杂的封闭层、有源区、n导电的封闭层和另外的接触层(该接触层尤 其是n接触层)。在一个变形方案中，p掺杂的半导体层同时是p接触层 和p掺杂的封闭层。类似地，n导电的半导体层可以同时是n接触层和n 导电的封闭层。在另一变形方案中，生长衬底和p接触层集成地构建。
在另一变形方案中，生长衬底被强烈地薄化或者完全从半导体本体中 去除。在此情况下，生长方向通常可以借助半导体本体中的原子位置的顺 序来确定。如果晶体生长以Ga面生长模式来进行，则在生长方向上Ga 平面至N平面的距离大约为N平面至Ga平面的距离的三倍。尽管原则 上可能以N面生长模式制造材料，即关于晶格结构以相反的方向或者顺 序地生长。在该方向上，N平面至Ga平面的距离大约是Ga平面至N平 面的距离的三倍。为了以N面生")^漠式来生长材料，而通常需要特别的 措施。
在一个可替选的实施形式中，接触层是n接触层。例如n接触层沉 积在生长衬底上并且在生长方向上位于有源区之前或者生长衬底具有n 接触层。
在一个合乎目的的扩展方案中，该半导体本体在n接触层与有源区之 间具有暖道结。借助隧道结有利地实现了半导体本体的半导体层的如下顺 序其中在生长方向上(即平行于晶体学上的c轴)，p掺杂的封闭层在n 接触层之后而在有源区之前，并且n导电的封闭层在有源区之后。
在半导体本体的一个优选的扩展方案中，在两个有源层之间，尤其是 在每两个相邻的有源层之间设置有势垒层。在一个有利的改进方案中，势垒层具有小于或等于9nm的层厚度，优选的是势垒层的层厚度为4nm或 者更小。优选地，有源层和势垒层彼此紧随。多个量子阱结构的量子阱尤 其是由有源层、势垒层和封闭势垒层形成。
在半导体本体的另一扩展方案中，有源区具有三个或更多个有源层。 在一个改进方案中，该有源区具有五个或更少的有源层。
发明人已确定的是，借助这种势垒层实现将有源层中的至少两个设置 在复合区中。例如，多量子阱结构的三个或更多个的以及特别是五个或更 少的有源层i殳置在复合区中。
发明人进一步确定的是，借助具有9nm或者更小并且尤其是4nm或 者更小的层厚度的这种势垒层实现在各个有源层之间的电子耦合。目前， 发明人所推测的是，以此方式例如出现栽流子在各个有源层之间的谐振的 隧穿。这有利地特别是在工作中注入半导体本体中的工作电流的高电流密 度的情况下引起将载流子有利地分布到设置在复合区中的各个有源层上， 使得实现高的效率。
在具有隧道结的半导体本体中，该隧道结也影响了在有源区中的电势 分布。 一方面，对于栽流子而言降^f氐了注入有源区中的能量势垒。另一方 面，发明人会展示的是，多量子阱结构的量子阱的有^度有利地是特别 小的。例如，量子阱的有^U^度小于或等于lnm。
总之确定的是，工作电;;M目对于生长方向反转的极性与包含具有小的
层厚度的势垒层的多量子阱结构的组合能够实现如下半导体本体其中多 量子阱结构的至少两个并且尤其是至少三个有源层对辐射发射有贡献，并 且该半导体本体在高的工作电流的情况下具有特别大的效率。工作电^^目
对于生长方向反转的极性尤其是借助隧道结来实现。
在一个有利的扩展方案中，隧道结具有至少一个n型酸道结层和至少 一个p型隧道结层。
优选地，在所述至少一个n型隧道结层与所述至少一个p型隧道结 层之间包含至少一个未掺杂的中间层构成的未掺杂的区域。在随道结中， n型随道结层和p型暖道结层在该扩展方案中并未彼此紧邻，而是通所述 至少一个未掺杂的中间层彼此分离。术语"随道结层，，在此用于区分半导体 本体的常用的半导体层，并且意味着这样表示的n型隧道结层或p型隧道 结层设置在暖道结中。
由于n型暖道结层和p型隧道结层通过未掺杂的区域彼此分离，所
7以防止了不同的栽流子在界面上的不利的补偿，要不然由于栽流子和/或 掺杂材料通过界面扩散开而会出现该补偿。
尽管也通过在n型隧道结层与p型隧道结层之间插入未掺杂的区域 来在隧道结内产生仅具有低的栽流子密度的区域，然而与本申请相结合确 定的是，该区域对隧道结的电特性、尤其是对正向电压的不利影响较少。 尤其是，以一个或更多个未掺杂的中间层的形式插入的未掺杂的区域比在 n型隧道结层与紧邻的p型隧道结层之间的界面上的如下区域的不利影响 更少在该区域中载流子和/或掺杂材料由于在界面上的扩散而相互补偿。 这尤其是当半导体本体以在半导体本体中引起高电流密度的工作电流驱 动时对于半导体本体的工作是重要的。
在另一有利的扩展方案中，至少如下的半导体层以所说明的顺序在生 长方向上彼此相随n接触层；暖道结，其中优选至少一个p型隧道结层 在生长方向上在未掺杂的区域之后并且该区域在生长方向上在至少一个 n型隧道结层之后；p掺杂的封闭层；有源区；以及另一n接触层。
在一个改进方案中，隧道结的未掺杂的区域具有带有不同组分的至少 两个未掺杂的中间层。例如，该区域具有与有源区远离的GaN层和与有 源区相邻的AlGaN层。
未掺杂的区域的厚度例如在0.5nm到15nm之间，尤其是在lnm到 10nm之间，其中分别包括边界值。在这样的厚度的情况下，未摻杂的区 域是对于在n型隧道结层和p型隧道结层中分别存在的栽流子的势垒，该 势垒降低了电荷的相互补偿。另一方面，未掺杂的区域还足够薄，以便对 隧道结的电子特性没有不利影响。
在另一有利的扩展方案中，n型隧道结层和/或p型隧道结层包含由 交替的、带有不同的材料组分和/或掺杂材料浓度的层构成的超晶格 (Uebergitter X
在另一扩展方案中，在p掺杂的层和有源区之间设置有用于p掺杂 的层的p摻杂材料的扩散势垒。该扩散势垒在一个改进方案中包含超晶 格。
在另 一扩展方案中，发射辐射的半导体本体在有源区的与隧道结背离 的侧上包含未掺杂的半导体层。例如，未掺杂的半导体层是n导电的封闭 层。合乎目的地，未掺杂的半导体层设置在半导体本体的另一接触层和有 源区之间。未掺杂的半导体层例如具有3nm到40nm之间的层厚度。与传统的半导体本体相比，未掺杂的半导体层的层厚度对半导体本体的效率没有影
响或者仅仅有微小的影响。因此，该层厚度实际上可以有利地任意选择并
且能够实现在制造半导体本体时的较大的容差。
在一个有利的扩展方案中，半导体本体设计用于借助大于或等于100A7cm2、特别是大于或等于300A/cn^的工作电流密度来工作。在一个改进方案中，半导体本体设计用于借助更高的工作电流密度来工作，例如借助500A/cm"或更大、1000 A/cm2或2000 A/cmZ或更大的工作电流密度来工作。
半导体本体在工作中发射带有如下光谱分布的电磁辐射该光谱分布具有强度最大值.例如，强度最大值具有在红外、可见或紫外光镨范围中的波长。光镨分布的半值宽度基本上与工作电流的电流强度无关。根据数学定义，半值宽度在此理解为如下两个波长的差从强度最大值的波长开始朝着更大的波长和朝着更小的波长在这两个波长的情况下强度降低到强度最大值处的强度的一半。
半导体本体可以^L光二极管芯片或者是激光二极管芯片，尤其是边发射的激光二极管芯片。
在另一扩展方案中，半导体本体包含至少一个另外的有源区。在该扩展方案中，这些有源区在生长方向上彼此相继。例如，半导体本体包含三个到十个之间的有源区。在每两个相邻的有源区之间合乎目的地设置有另一隧道结。所述另外的有源区和/或另外的隧道结优选类似于上面针对有源区或暖道结所描述的扩展方案那样地实施。
例如，半导体本体以说明的顺序包含如下的半导体层p掺杂的封闭层、有源区、n导电的封闭层、另外的隧道结、另一p掺杂的封闭层、另外的有源区、另一n导电的封闭层。在一个改进方案中，p掺杂的封闭层位于隧道结之前。在另一改进方案中，在另外的n导电的封闭层之后是另外的n接触层。在另外的p掺杂的封闭层和另外的有源区之间可以设置有另一扩散势垒。
其他优点和有利的实施形式从以下结合

图1至11所描述的实施例中得到。
其中
图1示出了根据一个实施例的半导体本体的示意性横截面，面，面，
图2示出了根据图1的实施例的半导体本体的隧道结的示意性横截图3示出了根据图1的实施例的半导体本体的扩散势垒的示意性横截
图4示出了根据另一实施例的半导体本体的示意性横截面，
图5A示出了传统的多量子阱结构的带结构的示意图，
图5B示出了才艮据图1的实施例的多量子阱结构的示意图，
图6示出了与另外的半导体本体相比在根据图1的实施例的半导体本体的情况下所发射的辐射功率与工作电流的相关性，
图7示出了与另外的半导体本体相比在才艮据图1的实施例的半导体本体的情况下所发射的辐射功率与势垒层的层厚度相关的线性度的示意图，
图8示出了与另外的半导体本体相比在才艮据图1的实施例的半导体本体的情况下光谱分布的与工作电i/^目关的半值宽度，
图9示出了与另外的半导体本体相比在根据图1的实施例的半导体本体的情况下发射最大值的与工作电^f目关的波长，
图IO示出了在势垒层的不同的层厚度的情况下由才艮据图l的实施例的半导体本体所发射的电磁辐射的强度与工作电流的相关性，
图11示出了在不同数目的有源层的情况下由才艮据图l的实施例的半导体本体所发射的电磁辐射的辐射功率与工作电流的相关性，
图12示出了与另外的半导体本体相比在根据图1的实施例的半导体相对强度。
在这些实施例和附图中，相同或者作用相同的组成部分i殳置有相同的参考标记。这些附图并且尤其是在这些附图中所示的各个元素的大小关系并不能视为合乎比例的。更确切地说，各个组成部分(譬如层)为了更好的可示性和/或为了更好的理解而可以被夸大地或者夸厚地示出。
在图1中示出了发射辐射的半导体本体的一个实施例。该半导体本体具有半导体层序列，其优逸基于六方化合物半导体材料，尤其是基于氮化物-III -化合物半导体材料。特别优选地，氮化物-III -化合物半导体材料是AlInGaN，即AlxInyGalx.yN，其中0&《1， 0《y《l且x+y《1。半导体本体具有衬底l，该衬底尤其是包含适合于生长这种氮化物-
III-化合物半导体的材料，例如GaN、 SiC和/或蓝宝石，或者由这种材料构成。该衬底优选是n导电的并且包含例如n-GaN、 n-SiC和/或n-Si(111)，或者由这些材料中的至少一种构成。
在衬底1上可以如图1中所示地施加緩冲层2，例如用于使衬底1和随后的半导体层之间的晶格M匹配。緩冲层例如包含GaN或AlGaN，即AlxGa^N，其中0《x《1。尤其是，该緩冲层具有在20nm到1500nm之间的厚度，其中包括边M。
随后将n接触层3、例如n导电的并且尤其是n掺杂的GaN层、AlGaN层或者AlInGaN层设置到衬底l上或必要时设置到緩冲层2上。在此，n接触层3用浓度在1018 11-3到102° 11-3之间的^、尤其是浓度在2><1018011-3到10"cn^之间的Si来n掺杂，其中分别包含边界值。n接触层之后是隧道结4。
优选地，隧道结4是高掺杂的n-p隧道结。高掺杂在此理解为大于或等于1019 11-3的掺杂，尤其是大于或等于10"cm-s的掺杂。在此，暖道结4的n掺杂的侧朝向n接触层3而p掺杂的侧与n接触层3背离。
如图2中所示，随道结4在此包含n型隧道结层41和p型隧道结层43，其在生长方向上跟随在n型隧道结层41之后。p型隧道结层43和/或n型隧道结层41在高掺杂的n-p隧道结4的情况下具有高的掺杂。
p型隧道结层43在此实施为多层系统。该p型隧道结层包含由交替的层431和432构成的超晶格。在此，超晶格包含十对的层431、 432。例如，超晶格包含高p掺杂的InGaN层431和未掺杂的GaN层432，其中InGaN表示Ii^Ga^N,其中0"《1。
超晶格431、 432的各个层的层厚度优选为2nm或者更小，特别优选为lnm或者更小。在此，层431和432的层厚度分别为0.5nm。 p型隧道结层43相应地优选具有40nm或更小的、特别优选是20nm或者更小的厚度。在此，p型隧道结层43具有10mn的层厚度。
类似地，n型隧道结层41也可以构建为多层系统。例如在一个扩展方案中，n型隧道结层41具有由交替的高n掺杂的层和未掺杂的层构成的超晶格。例如，n掺杂的层是InGaN层而未掺杂的层是GaN层。特别优选地，所述超晶格是短周期的超晶格结构，其具有10nm或者更小、优选5nm或者更小、尤其是2nm或者更小的周期。超晶格的层的层厚度例如为0.5纳米。周期的数目优选小于或者等于15.
n型隧道结层41和/或p型隧道结层43构建为超晶格具有如下优点与高掺杂的单层相比，通过这样的方式改进了晶体结构的形态。尤其是，通过在超晶格结构中包含的多个界面降低了在半导体本体中的位错的蔓延。
在图2中所示的隧道结4的实施例的情况下，在n型隧道结层41和p型隧道结层43之间设置有未掺杂的区域42.未掺杂的区域42具有如下优点通常分别具有高掺杂的n型隧道结层41和p型隧道结层43并未彼此紧邻。以此方式防止不同类型的载流子扩散进具有相反掺杂的相应高摻杂的层中，并且减少了载流子的补偿。
有利地，未掺杂的区域42改进了隧道结4的电子特性。尤其是实现了比较低的正向电压。例如，半导体本体的正向电压为5V或更小。
未掺杂的区域42优选包含AlxGaLXN ，其中0《x《l,或者AlJnyGa^N,其中0^x《1， 0《y《l且x+y《1。优选地，对于铝成分合适的是0.05"幼.3。当p型隧道结层包含镁作为p掺杂材料时，AlGaN层特别良好地适*为扩散势垒。n型隧道结层41的n掺杂材料例如是硅。
优选地，未摻杂的区域42是具有至少两个未掺杂的中间层421、 422的多层结构。例如，未掺杂的与n型隧道结层41邻接的第一中间层421是未掺杂的GaN层。该中间层例如具有大约2nm的厚度。在生长方向上在此之后设置有未掺杂的第二中间层422，其与p型随道结层43邻接。未掺杂第二中间层422例如是未掺杂的AlGaN层，该中间层例如具有大约lnm到大约8nm的层厚度。
未掺杂区域42的两层或者多层的结构能够有利地实现未掺杂的中间层421、 422在其材料和其厚度方面与相应邻接的隧道结层41、 43的掺杂材料的扩散特性相匹配。例如，AlGaN层422特别良好地适合作为用于p型隧道结层43的p掺杂材料(尤其是镁)的扩散势垒。GaN层421特别良好地适合作为用于n型暖道结层41的n掺杂材料(特別是硅)的扩散势垒。附加地，在未掺杂的区域42的两层或更多层的结构的情况下，至少一个附加的界面用作对n型和p型隧道结层41、 43的掺杂材料的附加扩散势垒。
在一个变形方案中，未掺杂的区域42除了具有未掺杂的中间层421之外还具有一个或更多个p掺杂的中间层422 。在一个有利的扩展方案中，
12p掺杂的中间层422或者至少一个p掺杂的中间层422设置在两个未掺杂的中间层421之间。在该变形方案中，可以特别精确地设置暖道结的位置。
在生长方向上在隧道结4之后设置有p掺杂的封闭层5。例如p掺杂的封闭层是载流子封闭层("限制层，Confinement Layer")和/或罩层("包覆层，cladding layer")。在一个扩展方案中，p掺杂的封闭层5是p掺杂的AlxGaLXN层，其中0&幼.1。 p掺杂的封闭层5的层厚度例如在50nm到500nm之间，优选为例如lOOnm。在一个优选的扩展方案中，该封闭层用镁作为p掺杂材料来p掺杂，例如p掺杂材料的浓度在1018cmU5xl(^cm-3之间，其中包括边界值，优选在2xl0"cm-s到2xl0"cm-s之间，其中包括边H
在生长方向上在p掺杂的封闭层5后设置有有源区7。在一个有利的改进方案中，在p掺杂的封闭层5与有源区7之间设置有扩散势垒6。扩散势垒6有利地降低了 p掺杂的封闭层5的p掺杂材料^有源区7的危险。
在图3中示出了扩散势垒6的一个有利的实施例。根据图3的实施例，扩散势垒6是由多个扩散势垒层61、 62、 63构成的层序列。
相邻于衬底1的第一扩散势垒层61例如是未掺杂的层，特别是由AlGaN构成的层，该层优选具有10nm或者更小的层厚度，例如具有5nm的层厚度。
在生长方向上在第一扩散势垒层61之后是第二扩散势垒层62，其优选同样未被掺杂并且尤其是基于GaN。第二扩散势垒层的层厚度例如为大约20nm。
作为在生长方向上在第二扩散势垒层62之后的第三扩散势垒层63,扩散势垒6具有由交替的第一和第二层631、 632构成的超晶格。超晶格例如是不同材料组分的层，例如交替的InGaN层631和GaN层632。该超晶格优选具有十个或者更多个层对631、 632，优选具有30对或者更多对的第一和第二层631、 632。
在此，InGaN层631的铟成分在生长方向上连续地或者分級地下降。第一和/或第二层631、 632的层厚度优选小于或等于2nm,特别优选小于或等于lnm。在此，笫一和第二层631、 632分别具有0.5纳米的层厚度。第三势垒层63的总厚度优选在2nm到lOOrnn之间，其中包括边界值，在此为30nm。
13有源区7是多量子阱结构。其包括多个有源层71,在这些有源层之间分别设置有势垒层72。在生长方向上分别有另一势垒层72A位于第一有源层71之前和位于最后的有源区71之后。
有源层71例如包含InGaN或者由其构成。有源层71的层厚度例如大于或等于0.8nm并且尤其是小于或等于10nm，优选地该层厚具有在1.8nm到5nm之间的值，其中包括边，。
势垒层72例如包含AlInGaN或者由其构成。这些势垒层尤其是具有在lnm到20nm之间、优选2nm到12nm之间的层厚度，其中分别包括边界值。优选地，势垒层72是GaN层。尤其是，势垒层72(它们是GaN层)优选具有小于或者等于7nm的层厚度，特别^1优选小于或者等于4nm的层厚度。
随后在有源区7上设置有未掺杂的半导体层，其尤其是n导电的封闭层8,例如未掺杂的GaN层。未掺杂的半导体层例如具有在3nm到40nm之间、特别是在3nm到15nm之间(其中分别包含边界值)的层厚度。
在半导体本体的背离于衬底的上侧上在n导电的封闭层之后是另外的n接触层9。该另外的n接触层9例如是层序列，其由朝向有源区7的n掺杂的GaN层(例如具有大约120nm的层厚度)和背离于有源区的n掺杂的、尤其是高n掺杂的InGaN层(例如具有大约5nm的层厚度)构成。例如，n掺杂的GaN层以浓度在10i8cin-3到6xl0"cm-3之间(包括边界值)的Si、优选是浓度在2 x 1018cnT3到8 x 1018 11-3之间(包括边界值)的Si掺杂。N掺杂的InGaN层例如以浓度在10"cii^到1(Pcn^之间(包括边界值)的Si、优选是浓度大于或等于3 x 1019cm-3的Si掺杂。
半导体本体(其尤其是发光二极管芯片(LED芯片)或者激光二极管芯片)于是在两侧具有n接触层3、 9。半导体本体的电接触例如在衬底1的背离于半导体层序列的侧上和在另外的n接触层9的表面上进行。
如铟锡氧化物(ITO )或者ZnO构成的透明导电层施加到另外的n接触层9上。
在图5B中示出了才艮据图1的实施例的半导体本体的多量子阱结构7的能级图，该半导体本体具有根据图2的随道结4和根据图3的扩散势垒6。与此相比，图5A示出了在没有隧道结的半导体本体中的相同的量子阱结构。价带VB和导带CB的能量E沿着图的垂直轴线以电子伏特(eV )为单位来绘制。
水平轴线分别说明了以纳米(nm)为单位在半导体层序列内的相对 位置z。位置z的值随着距衬底1的距离而增加。在图5A的量子阱结构 的情况下于是在n侧上设置有生长衬底。n侧在图中用字母n标记并且设 置在量子阱结构左侧。在图5B中，生长衬底设置在用字母p标记的p侧 上(在图右侧)。
在不带隧道结的半导体本体的情况下，栽流子在从n导电的封闭层转 入有源区或者从p掺杂的封闭层转入有源区时必须克服高能电势势垒.这 些电势势垒对应于图5A中大约在-20纳米和+5纳米的位置处的强烈升高。 在具有暖道结4的半导体本体的情况下，并不出现或者极少出现这样的电 势势垒。
附加地，图5A和5B的对比表明在具有隧道结4的半导体本体(图 5B)中的有源区情况下容易降低量子阱深度并且量子阱的形状明显不同 于根据图5A的量子阱的形状。以此方式降低了在具有隧道结的半导体本 体中的有源区7情况下的量子阱之间的电势势垒的有效厚度。这样，使载 流子在量子阱之间隧穿变得容易并且实现了载流子均匀地分布到各个量 子阱。
借助电子密度的计算可以表明的是，在图5A所示的不带隧道结的半 导体体的情况下在有源区和p掺杂的封闭层之间的界面附近(大致对应于
在图5A中的0 nm的位置)出现最高的电子密度。这允许电子在p侧上 不发射地复合。
而在根据图5B的半导体本体的情况下，电子浓度在有源区7与n导 电的封闭层8的界面的附近(对应于图5B中的在大约15nm到20nm之 间的位置)为最大。由此有利地降低了电子不发射地复合的危险，这特别 是在高的工作电流并且由此特别是在高的载流子浓度的情况下对半导体 本体的效率有有利的影响。
在图6中示出了与相应的工作电流I相关的、由不同的半导体本体发 射的光的辐射功率①。
曲线11示出了根据图1的实施例的半导体本体的根据工作电流I的 辐射功率(D。与此相比，曲线12针对具有多量子阱结构而不带有I^J逸结 的半导体本体示出了与工作电流I相关的辐射功率①，而曲线13针对具 有隧道结和单量子阱结构的半导体本体示出了与工作电流I相关的辐射功率O。在当前的半导体本体的情况下，100mA的工作电流基本上对应 于200A/cm2的工作电流密度。图6中所示的0到350mA的范围由此对应 于0到大约700A/cm2的工作电流密度的范围。
带有多量子阱结构而不带有隧道结的半导体本体和带有隧道结和单 量子阱结构的半导体本体在工作电流I在大约150mA以上时都达不到根 据本发明的半导体本体的效率。
在线12和13的情况下出现强烈的饱和，而与根据图1的实施例相关 的线11在高的工作电流I的情况下线性地延伸。
由图6 (尤其是基于曲线12和13的几乎相同的走向)也表明，在没 有随道结而带有多量子阱结构的半导体本体的情况下，多量子阱结构的量 子阱中的仅仅一个对发射有贡献。
只有将具有小的层厚度的势垒层72、通过在半导体本体中使用隧道 结4和将辐射发射分布到多个量子阱71上来降低多量子阱结构中的电势 势垒与将载流子均匀地分布到有源层71上相结合，才引起在高的电流密 度的情况下提高发射强度的效率。
图7示出了实际上仅仅在势垒层72的足够小的层厚度的情况下才实 现半导体本体发射的光的辐射功率(D的、与工作电流强度I相关的基本线
性的走向。
在带有多量子阱结构而不带随道结的半导体本体的情况下，势垒层的 层厚度dB实际不重要(曲线12 )。在80mA的工作电流的情况下的辐射 功率O (80mA)与在40mA的工作电流的情况下的强度O (40mA)的 比值以在所有层厚度dB的情况下的大约1.6的值而表现出强烈的饱和。
而在才艮据图1和5B的实施例的半导体本体的情况下，辐射功率的比 值①(80mA) /O) (40mA)随着势垒层72的层厚度dB减小而强烈地升 高。在4nm或者更小的势垒层72的层厚度dB的情况下，大约1.8或者更 大的比值(如在该实施例中所实现的那样)表明了改进的线性，并且由此 表明在高的工作电流I的情况下的半导体本体的发射强度的更高的效率。
这个在图10中再次表明。在该图中针对根据图1的实施例的具有势 垒层72的半导体本体示出了辐射功率O与工作电流I的相关性，这些势 垒层具有2nm、 4nm、 7nm和15nm的层厚度dB。当势垒层72具有7nm 或者更小、优选4nm或者更小并且尤其是2nm或者更小的层厚度dB时， 在高的工作电流I的情况下提高了效率。
16图8示出了由不同的半导体本体发射的电磁辐射的半值宽度 FWHM。曲线11、 12和13如图6那样与根据图1的实施例的半导体本 体(曲线11 )、带有多量子阱结构而不带l^ii结的半导体本体(曲线12 ) 和带有随道结和单量子阱结构的半导体本体(曲线13 )相关联。
与其他半导体本体的辐射的半值宽度FWHM不同，根据图1的实施 例的半导体本体的辐射的半值宽度FWHM实际上与工作电流I无关。根 据上面所描述的扩展方案之一的半导体本体因此特别良好地适合于大功 率激光二极管。
图9示出了由不同的半导体本体发射的辐射的强度最大值的波长 Ld。m与工作电流I的相关性。在带有多量子阱结构而不带隧道结的半导体 本体(曲线12 )和带有隧道结和单量子阱结构的半导体本体(曲线13 ) 的情况下，波长Ld。m随工作电流I强烈偏移，而在根据图l的实施例的 半导体本体(曲线11)的情况下，强度最大值的波长Ld。m有利地较不强 烈地随工作电流I而变化。
从图ll可看出的是，半导体本体在高的工作电流I的情况下的效率 与量子阱结构的量子阱的数目有关。在势垒层72的4nm的层厚度(1b的 情况下，如在根据图1的实施例的半导体本体的情况那样，具有带有', 三个有源层71的多量子阱结构的有源区7是特别高效的。由该半导体本 体在工作电流I在大约40mA以上的情况下所发射的电磁辐射的辐射功率 ①在具有三个多重量子阱的多量子阱结构("3xMQW")的情况下最大 (曲线ll)。
有源层71的数目的进一步提高对进一步改进所发射的辐射的辐射功 率①没有作用.例如，具有带有5个有源层71的多量子阱结构("5x MQW"，曲线11A)的半导体本体的辐射功率①甚至略低于具有带有三 个有源层71的多量子阱结构的半导体本体的辐射功率①(曲线11 )。
目前发明人推测的是，这归因于有源区的宽度大于载流子可在其中复 合的区域的宽度。提高量子阱的数目于是并不引起在工作中发射辐射的有 源层71的数目的提高。然而在势垒层72的较小的层厚度dB (例如两纳 米或者更小的层厚度)的情况下可以是合乎目的的是，设置具有多于三个 有源层71的多量子阱结构，例如具有四个或者五个有源层71的多量子阱 结构。有源区在生长方向上的较小的伸展于是引起在该情况下所有四个或 者五个层在半导体本体工作中发射电磁辐射。在工作电流I在大约40mA以上的情况下，具有单量子阱结构 ("SQW")的半导体本体发射具有最小的辐射功率①(曲线13)的光， 由此再次确定的是，在带有多量子阱结构和隧道结4的半导体本体的情况 下，有源层71中的多个对发射辐射有贡献。
在图12中示出了由根据图1的实施例的半导体本体在工作中发射的 相对辐射功率与未掺杂的n导电的层8的层厚度dn的相关性(宽条)。 与此相比，示出了在衬底与有源区之间具有多量子阱结构而不带隧道结的 半导体本体的相对辐射功率(窄条)。
在后者情况下所发射的电磁辐射的辐射功率①re,随未掺杂的n导电的 层的层厚度dD增加而强烈地降低，而根据图1的实施例的半导体本体有 利地表现出在工作中所发射的电磁辐射的辐射功率0 rel与未掺杂的n导电 的层的层厚度dn的低的相关性。
图4示出了半导体本体的另一示例性实施例。才艮据该实施例，半导体 本体在n导电的封闭层8与n接触层9之间包含另外的隧道结4，，另外 的p掺杂的封闭层5，，另外的扩散势垒6，，另外的有源区7，和另外的n 导电的封闭层8，，它们在从n导电的封闭层8至n接触层9的方向上以 上述顺序相继。
所述另外的隧道结4，、另外的p掺杂的封闭层5，、另外的扩散势垒6，、 另外的有源区7，和另外的n导电的封闭层8，在此与隧道结4、 p掺杂的封 闭层5、扩散势垒6、有源区7和n导电的封闭层8相同地实施。各个层 的实施例如对应于结合图1至3的实施例所描述的扩展方案。
本发明并未通过借助实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明 包括任意新的特征以及特征的任意组合，特别是包含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明确地在权利要求或者实施例 中说明。
18
权利要求
1.一种发射辐射的半导体本体，具有接触层(3)和有源区(7)，其中所述半导体本体具有设置在接触层与有源区之间的隧道结(4)，并且所述有源区具有多量子阱结构，该多量子阱结构包含至少两个有源层(71)，所述有源层在工作电流注入到半导体本体中时发射电磁辐射。
2. 根据权利要求1所述的半导体本体，其中在两个有源层(71)之 间设置有势垒层(72 )，该势垒层具有小于或者等于9nm的层厚度(dB )。
3. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其具有三个或更 多的有源层(71)和五个或更少的有源层(71)。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其中至少有源区 (7 )基于氮化物-III -化合物半导体材料。
5. 根据上述权利要求中任一项所迷的半导体本体，其中接触层(3) 是ii接触层。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其中隧道结具有 至少一个n型隧道结层(41)和至少一个p型隧道结层(43)。
7. 根据权利要求6所述的半导体本体，其中在所述至少一个n型隧 道结层(41)和所述至少一个p型隧道结层(43 )之间包含有未掺杂的区 域(42)，该区域包含至少一个未掺杂的中间层(421， 422)。
8. 根据权利要求5和7所述的半导体本体，其中至少如下的半导体 层以所说明的顺序在生长方向上相继-n接触层(3 );-隧道结(4),其中所述至少一个p型隧道结层(43)在生长方向上 在未摻杂的区域(42 )之后，而该未掺杂的区域在所述至少一个n型暖道 结层(41)之后，-p掺杂的封闭层(5)，-有源区(7)，以及-另外的n接触层(9)。
9. 根据权利要求7或8所述的半导体本体，其中未掺杂的区域(42 ) 具有带有不同组分的至少两个中间层(421， 422)。
10. 根据权利要求6至9中任一项所述的半导体本体，其中n型隧道 结层(41)和/或p型隧道结层(43)包含由带有不同材料组分和/或掺杂 材料浓度的交替的层(431， 432)构成的超晶格.
11. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其具有p掺杂的 封闭层(5),其中在p掺杂的封闭层与有源区(7)之间设置有针对p掺 杂的封闭层的p掺杂材料的扩散势垒(6)，该扩散势垒包^晶格。
12. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其在有源区(7) 的背离隧道结(4 )的侧上具有未掺杂的中间层(8 )，该中间层具有在3nm 到40nm之间的层厚度(dn X
13. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其设计用于借助 大于或等于100A/cn^的工作电流密度来工作，尤其;l借助大于或者等于 200A/cm2的工作电流密度来工作。
14. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其在工作中借助 工作电流发射电磁辐射，该电磁辐射具有带有强度最大值的光谱分布，其 中光镨分布的半值宽度(FWHM)基本上与工作电流的电流强度(I)无 关。
15. 根据上述权利要求中任一项所述的半导体本体，其包含在生长方 向上位于有源区(7)之后的另外的隧道结(4，)和另外的有源区(7，)。
全文摘要
本发明提出了一种发射辐射的半导体本体，其具有接触层(3)和有源区(7)，其中该半导体本体具有设置在接触层与有源区之间的隧道结(4)，并且有源区具有多量子阱结构，该多量子阱结构包含至少两个有源层(71)，所述有源层在工作电流注入到半导体本体中时发射电磁辐射。
文档编号H01S5/32GK101689594SQ200880024265
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月20日 优先权日2007年7月9日
发明者乌韦·施特劳斯, 卢茨·赫佩尔, 马丁·斯特拉斯伯格, 马蒂亚斯·彼得, 马蒂亚斯·扎巴蒂尔 申请人:欧司朗光电半导体有限公司