CN107004740A - 具有波长的温度补偿的发光二极管芯片 - Google Patents

Abstract

提出一种光电子半导体芯片(10)，所述光电子半导体芯片包括：‑p型半导体区域(4)，‑n型半导体区域(6)，‑在p型半导体区域(4)和n型半导体区域(6)之间设置的有源层(5)，所述有源层构成为多量子阱结构(51，52)，其中‑多量子阱结构(51，52)具有：第一区域(51)，所述第一区域由交替的第一量子阱层(51A)和第一阻挡层(51B)构成；和第二区域，所述第二区域具有至少一个第二量子阱层(52A)和至少一个第二阻挡层(52B)，‑至少一个第二量子阱层(52A)具有电子带隙(E_QW2)，所述电子带隙小于第一量子阱层(51A)的电子带隙(E_QW1)，‑至少一个第二阻挡层(52B)具有电子带隙(E_B2)，所述电子带隙大于第一阻挡层(51B)的电子带隙(E_B1)。

Description

具有波长的温度补偿的发光二极管芯片

技术领域

本发明涉及一种光电子半导体芯片。

相关申请的交叉参引

本申请要求德国专利申请10 2014 117 611.1的优先权，其公开内容通过参引结合于此。

背景技术

半导体材料的光学和电子特性主要由带隙、即价带和导带之间的能隙确定。半导体材料的带隙通常随着温度增加而减小。在发射辐射的光电子半导体芯片、例如LED或半导体激光器中，这能够造成：发射的辐射的波长随着运行温度增加而增大。由此能够改变发射的辐射的色彩印象。

还已知的是：在波长高于大约560nm时肉眼的敏感度降低。在发射更大波长的光电子半导体芯片中，由于该原因，发射波长的受温度影响的增大不仅能够造成改变的色彩印象，而且也造成视觉感受到的亮度减小。

发明内容

本发明基于的目的是：提出一种发射辐射的光电子半导体芯片，其特征在于辐射发射的减小的温度相关性。

所述目的通过根据独立权利要求1的光电子半导体芯片来实现。本发明的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。

根据至少一个设计方案，光电子半导体芯片包括p型半导体区域、n型半导体区域和设置在p型半导体区域和n型半导体区域之间的有源层，所述有源层构成为多量子阱结构。

根据至少一个设计方案，多量子阱结构具有：第一区域，所述第一区域具有交替的第一量子阱层和第一阻挡层；和第二区域，所述第二区域具有至少一个第二量子阱层和至少一个第二阻挡层，优选具有多个交替的第二量子阱层和第二阻挡层。第一区域和第二区域尤其能够分别具有多个层对，其中第一区域中的层对具有各一个第一量子阱层和第一阻挡层，并且第二区域中的层对具有各一个第二量子阱层和第二阻挡层。第一阻挡层分别具有比第一量子阱层更大的带隙，并且至少一个第二阻挡层具有比至少一个第二量子阱层更大的带隙。

根据至少一个设计方案，至少一个第二量子阱层具有带隙E_QW2，所述带隙小于第一量子阱层的带隙E_QW1。此外，至少一个第二阻挡层具有带隙E_B2，所述带隙大于第一阻挡层的带隙E_B1。第二区域比第一区域更靠近p型半导体区域设置。尤其，第一区域能够邻接于n型半导体区域，并且第二区域能够邻接于p型半导体区域。优选地，多量子阱结构由第一区域和第二区域构成，即所述多量子阱结构不具有其他层。

通过多量子阱结构在第二区域中在朝向p型半导体区域的一侧上具有至少一个第二阻挡层，所述第二阻挡层的带隙E_B2大于第一区域中的阻挡层的带隙E_B1，空穴在多量子阱结构中在p型半导体区域附近的运动加难。尤其证实的是：具有提高的带隙E_B2的至少一个第二阻挡层与电子的移动性相比更强地阻碍空穴的移动性。以这种方式，具有提高的带隙E_B2的至少一个阻挡层引起：至少在运行温度低时，空穴不能无阻碍地扩散到量子阱结构的第一区域中，进而在量子阱结构的第二区域中存在空穴的提高的浓度。因此，在运行温度低时，在量子阱结构的第二区域中以提高的概率发生电子和空穴的发出辐射的复合。

随着运行温度升高，空穴的移动性提高，使得所述空穴能够更容易地经过第二区域中的至少一个阻挡层。这导致：载流子在多量子阱结构中的分布随着运行温度升高而变得越来越均匀。以这种方式引起：在运行温度提高时，电子和空穴的发出辐射的复合也越来越多地在第一区域的量子阱层中发生，所述量子阱层具有更大的带隙。

因为第二区域中的至少一个量子阱层的带隙E_QW2小于第一区域中的量子阱层的带隙E_QW1，所以第二区域的至少一个量子阱层具有比第一区域的量子阱层更大的发射波长。因此，在运行温度低时，至少一个第二量子阱层更多地贡献于具有更大的发射波长的辐射发射。随着运行温度升高，第一量子阱层越来越多地贡献于具有较小的发射波长的辐射发射。

以这种方式，有利地完全地或部分地补偿如下效应：量子阱层的半导体材料的带隙随着运行温度增大而减少，使得发射波长在没有此处所描述的有利措施的情况下随着运行温度升高而增加，并且发射光谱朝向更长波长移动。由于在此所描述的多量子阱结构的相反的效应，能够有利的实现：多量子阱结构的发射光谱随着运行温度增加基本上不变，并且优选是温度无关的。

为了实现部分地或甚至完全地补偿半导体材料的电子带隙的受温度影响的减小，有利的是：第一量子阱层的带隙E_QW1比至少一个第二量子阱层的带隙E_QW2小至少0.025eV。优选地，第一量子阱层的带隙E_QW1比至少一个第二量子阱层的带隙E_QW2大至少0.05eV，特别优选大至少0.1eV。

量子阱结构的第二区域对电子带隙的受温度影响的减小的补偿作用还取决于如下内容：至少一个第二阻挡层的带隙E_B2有多大。至少一个第二阻挡层的带隙E_B2越大，那么空穴在运行温度低时就越强地聚集在第二区域中，进而运行温度的提高的效果就越强。有利地，至少一个第二阻挡层的带隙E_B2比第一阻挡层的带隙E_B1大至少0.075eV。优选地，至少一个第二阻挡层的带隙E_B2比第一阻挡层的带隙E_B1大至少0.15eV，特别优选大0.225eV。

根据一个优选的实施方式，多量子阱结构基于磷化物化合物半导体、砷化物化合物半导体或氮化物化合物半导体。尤其，第一量子阱层和至少一个第二量子阱层能够分别具有In_xAl_yGa_1-x-yP、In_xAl_yGa_1-x-yAs或In_xAl_yGa_1xyN，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。此外，第一阻挡层和至少一个第二阻挡层能够分别具有In_xAl_yGa_1-x-yP、In_xAl_yGa_1-x-yAs或In_xAl_yGa_1xyN，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。

阻挡层的和/或量子阱层的带隙尤其能够通过材料组成来设定。带隙的增大尤其能够通过如下方式来实现：提高铝含量y和/或减少铟含量x。因此，优选地，第一量子阱层的铝含量y大于至少一个第二量子阱层的铝含量y，和/或第一量子阱层的铟含量x小于至少一个第二量子阱层的铟含量x。

对于阻挡层适用的是：优选第一阻挡层的铝含量y小于至少一个第二阻挡层的铝含量y，和/或第一阻挡层的铟含量x大于至少一个第二阻挡层的铟含量x。

在一个有利的设计方案中，第一区域具有至少10个层对，优选至少30个层对，所述层对由第一量子阱层和第一阻挡层构成。第二区域有利地具有至少1个由第二量子阱层和第二阻挡层构成的层对，优选至少3个由第二量子阱层和第二阻挡层构成的层对。第二区域具有越多的层对，第二区域对光电子半导体芯片的发射光谱的影响就越大。

第一区域中的层对的数量有利地大于第二区域中的层对的数量。优选地，第一区域中的层对的数量是第二区域中的层对的数量的至少五倍大，特别优选是至少十倍大。在此情况下，光电子半导体芯片的总发射光谱主要被第一区域影响。具有比第一区域更小数量的层对的第二区域有利地用于补偿第一区域的层对的带隙的温度相关性，这通过如下方式实现：第二区域产生具有较大波长的辐射，所述辐射由于空穴尤其在运行温度低时的较小的移动性混入总的发射光谱。具有较大波长的辐射的所述混入随着温度升高而减少。

在一个优选的设计方案中，在从T₁＝25℃到T₂＝85℃的温度提高的情况下，由有源层发射的辐射的主波长以不大于4nm变化，优选以不大于2nm变化并且特别优选根本不变化。换言之，在从T₁＝25℃到T₂＝85℃的温度提高的情况下，主波长以小于4nm提高或减小并且优选甚至保持恒定。

附图说明

下面，根据实施例结合图1至7详细阐述本发明。

附图示出：

图1示出贯穿根据一个实施例的光电子半导体芯片的横截面的示意图；

图2至7分别示出在光电子半导体芯片的不同的实施例中，电子带隙与沿垂直方向伸展的位置坐标的相关性的图形视图。

相同的或起相同作用的组成部分在图中分别设有相同的附图标记。示出的组成部分以及组成部分相互间的大小关系不视为是符合比例的。

具体实施方式

在图1中示出的根据一个实施例的光电子半导体芯片10是LED芯片，所述LED芯片具有p型半导体区域4、n型半导体区域6和在p型半导体区域4和n型半导体区域6之间设置的适合于发射辐射的有源层5。光电子半导体芯片的该实施例是所谓的薄膜半导体芯片，将初始用于半导体层4、5、6的外延生长的生长衬底从所述薄膜半导体芯片剥离，并且替代于此将半导体层序列借助于连接层2、尤其焊料层与不同于生长衬底的载体衬底1连接。

在这种薄膜发光二极管芯片10中，p型半导体区域4通常朝向载体衬底1。在p型半导体区域4和载体衬底1之间有利地设置有镜层3，所述镜层有利地将朝向载体衬底1的方向发射的辐射转向至光电子半导体芯片的辐射出射面9的方向。镜层3例如是金属层，所述金属层包含Ag、Al或Au。

为了电接触光电子半导体芯片10，例如能够将第一接触层7设置在载体衬底1的后侧上，并且将第二接触层8设置在辐射出射面9的子区域上。

p型半导体区域4和n型半导体区域6分别能够由多个子层构成，并且不一定必须仅由p型掺杂的层或n型掺杂的层构成，而是例如也能够具有一个或多个未掺杂的层。

对于示出的实施例替选地，光电子半导体芯片10也能够具有相反的极性，也就是说，n型半导体区域6能够朝向衬底，并且p型半导体区域4能够朝向光电子半导体芯片的辐射出射面9(未示出)。这在下述光电子半导体芯片中通常是这种情况：在所述光电子半导体芯片中，用于半导体层的外延生长的生长衬底不被剥离，因为n型半导体区域通常首先生长到生长衬底上。

光电子半导体芯片10的设置用于发射辐射的有源层5构成为多量子阱结构51、52。多量子阱结构51、52具有多个交替设置的量子阱层51A、52A和阻挡层51B、52B。在示出的实施例中，多量子阱结构具有五十个由各一个量子阱层51A、52A和阻挡层51B、52B构成的层对。

多量子阱结构包含第一区域51，所述第一区域具有四十七个由各一个第一量子阱层51A和第一阻挡层51B构成的层对。此外，多量子阱结构包含第二区域52，所述第二区域具有由各一个第二量子阱层52A和第二阻挡层52B构成的三个层对。第一区域51比第二区域52更靠近n型半导体区域6设置，并且优选直接邻接于n型半导体区域6。第二区域52更靠近p型半导体区域4设置并且优选直接邻接于p型半导体区域4。

在第一区域51中，量子阱层51A具有带隙E_QW1并且阻挡层51B具有带隙E_B1>E_QW1。在第二区域中，量子阱层52A具有带隙E_QW2并且阻挡层52B具有带隙E_B2>E_QW2。在此，对量子阱层的带隙适用的是：E_QW2<E_QW1，并且对阻挡层的带隙适用的是：E_B2>E_B1。

因此，在更靠近p型半导体区域4设置的第二区域52中，量子阱层52A的带隙与第一区域51的量子阱层51A的带隙相比减少。同时，第二区域的阻挡层52B的带隙与第一区域51的阻挡层51B的带隙相比提高。

有利地，第二量子阱层52A的带隙比第一量子阱层51A的带隙小至少0.025eV，优选小至少0.050eV并且特别优选小至少0.1eV。此外，第二阻挡层52B的带隙比第一阻挡层51B的带隙优选大至少0.075eV，优选大至少0.15eV并且特别优选大至少0.225eV。

量子阱层51A、52A的和阻挡层52A、52B的半导体材料的带隙尤其能够通过如下方式来设定：改变在半导体材料中的铝含量和/或铟含量。例如，量子阱层和阻挡层能够具有如下半导体材料：所述半导体材料具有组成In_xAl_yGa_1-x-yP、In_xAl_yGa_1-x-yAs或In_xAl_yGa_1xyN，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。在半导体的这些类型中，带隙随着铝含量y增加而增大并且随着铟含量x增加而减小。

在该实施例中，第一量子阱层具有In_0.5Al_0.05Ga_0.45P，第一阻挡层具有In_0.5Al_0.30Ga_0.20P，第二量子阱层具有In_0.5Ga_0.50P并且第二阻挡层具有In_0.5Al_0.50P。

第二区域52的阻挡层的提高的带隙引起：空穴从P型半导体区域4开始沿朝向n型半导体区域6的方向的运动尤其在运行温度低时加难，因为空穴在运行温度低时仅能够困难地经过具有提高的带隙E_B2的阻挡层52B。随着运行温度增加，空穴的移动性增加，使得所述空穴能够更容易地经过阻挡层52B进而能够更均匀地分布在多量子阱结构51、52中。

以这种方式实现：在运行温度低时，载流子的发出辐射的复合更多地在第二区域52中发生，在所述第二区域中，量子阱层52A具有较小的带隙和由此得出的较大的发射波长。在运行温度提高时，发出辐射的复合由于空穴在多量子阱结构中的越来越均匀的分布也越来越多地在第一区域51的量子阱层51A中发生，所述量子阱层51A具有较大的带隙和由此得出的较小的发射波长。

因此，多量子阱结构的此处描述的构造的效应在于：发射波长随着运行温度增加而减小。以这种方式，抵抗相反的效应：半导体材料的带隙随着温度增加而减小并且出于此原因发射波长提高。优选地，通过多量子阱结构，部分地或优选甚至完全地补偿发射波长的受温度影响的提高的效应。尤其能够实现：在从大致对应于室温的第一温度T₁＝25℃到大致对应于LED的运行温度的第二温度T₂＝85℃的温度提高的情况下，由有源层5发射的辐射的主波长以不大于4nm提高或减小。

在传统的多量子阱结构中，所有阻挡层和所有量子阱层分别具有相同的带隙，发射的辐射的发射波长与传统的多量子阱结构相比改进的稳定性还具有如下优点：发射的辐射的肉眼可感觉的亮度的温度相关性减小。已知的是：肉眼的敏感度在可见光谱范围中变化，并且尤其在波长大于大约560nm时减小。作为用于感觉到的亮度的量值能够使用所谓的眼睛评估的亮度I_v，所述眼睛评估的亮度考虑眼睛的光谱敏感度曲线。因此，波长的受温度影响的提高能够引起眼睛评估的亮度I_v的改变，其中在波长大于大约560nm时，眼睛评估的亮度I_v减小。

在试验时，为根据本实施例的光电子半导体芯片和根据非按照本发明的比较实例的光电子半导体芯片，确定在T＝85℃和T＝25℃时的眼睛评估的亮度I_v的商。在此，对于根据本实施例的光电子半导体芯片，得到I_v(T＝85℃)/I_v(T＝25℃)＝0.584，并且对于比较实例得到I_v(T＝85℃)/I_v(T＝25℃)＝0.545，其中这些值以615nm的波长归一化。因此，与在比较实例中相比，在本实施例中，眼睛评估的亮度随着温度增加而更小程度地减小。此外，在温度从T₁＝25℃提高到T₂＝85℃时，测量主波长λ_dom(T)的变化。主波长的变化Δλ_dom在本实施例中仅为3.4nm，但是在比较实例中为4.8nm，再次以615nm的发射波长归一化。因此，根据本实施例的光电子半导体芯片的特征不仅在于波长的改进的温度稳定性，而且也在于眼睛评估的亮度的改进的稳定性。

在光电子半导体芯片的另一实施例的有源层中的带隙E_g在图2中与位置坐标z相关地示出。带隙E_g说明导带和价带之间的能量差。在图2中可见：与在第二区域52的层对中相比，在第一区域51的层对中，阻挡层的带隙更小并且量子阱层的带隙更大。在图2的实施例中，在第二区域52中的阻挡层的带隙同样大，并且量子阱层的带隙也分别同样大。但是已经证实的是：借助其他结构也能够实现在温度提高时主波长的稳定，其中在第二区域52中的阻挡层的带隙彼此不同和/或在第二区域52中的量子阱层的带隙彼此不同。这种量子阱结构在下面的实施例中示出。

图3至7为光电子半导体芯片的五个其他实施例分别与位置坐标z相关地示出在光电子半导体芯片的有源层中的带隙E_g。

在图3中示出的实施例中，第二区域52中的阻挡层具有不同大的带隙，其中带隙朝向p侧变小。相反地，第二区域52中的量子阱层分别具有同样大的带隙。

在图4中示出的另一实施例中，第二区域52中的阻挡层的带隙如在图3的实施例中那样首先朝向p侧减小，其中但是在p侧上最靠外的阻挡层又具有更大的带隙。在图4的实施例中，第二区域52中的量子阱层的带隙如在图3的实施例中那样是同样大的。

在图5中示出的实施例中，第二区域52中的阻挡层具有同样大的带隙，其中但是量子阱层的带隙朝向p侧减小。

在图6中示出的实施例中，在第二区域52中，不仅阻挡层的带隙、而且量子阱层的带隙朝向p侧减小。

在图7中，还示出另一实施例，其中首先如在图6的实施例中那样，不仅阻挡层的带隙、而且量子阱层的带隙朝向p侧减小，其中但是在p侧上最靠外的阻挡层又具有更大的带隙。

图3至7的实施例的共同点是：阻挡层的和/或量子阱层的带隙朝向p侧减小，其中在p侧上最靠外的阻挡层必要时能够作为例外并且优选具有比直接在前的阻挡层更大的带隙。

本发明不局限于根据实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括各个新的特征以及特征的各个组合，这尤其包含权利要求中的特征的各个组合，即使当所述特征或所述组合本身没有在权利要求或实施例中明确地说明时也如此。

附图标记列表

1 载体衬底

2 连接层

3 镜层

4 p型半导体区域

5 有源层

51，52 多量子阱结构

51 第一组

51A 第一量子阱层

51B 第一阻挡层

52 第二组

52A 第二量子阱层

52B 第二阻挡层

6 n型半导体区域

7 第一接触层

8 第二接触层

9 辐射出射面

10 半导体芯片

Claims (15)

1.一种光电子半导体芯片(10)，所述光电子半导体芯片包括：

-p型半导体区域(4)，

-n型半导体区域(6)，

-在所述p型半导体区域(4)和所述n型半导体区域(6)之间设置的有源层(5)，所述有源层构成为多量子阱结构(51，52)，其中

-所述多量子阱结构(51，52)具有：第一区域(51)，所述第一区域具有交替的第一量子阱层(51A)和第一阻挡层(51B)；和第二区域，所述第二区域具有至少一个第二量子阱层(52A)和至少一个第二阻挡层(52B)，

-至少一个所述第二量子阱层(52A)具有电子带隙E_QW2，该电子带隙E_QW2小于所述第一量子阱层(51A)的电子带隙E_QW1，

-至少一个所述第二阻挡层(52B)具有电子带隙E_B2，该电子带隙E_B2大于所述第一阻挡层(51B)的电子带隙E_B1，并且

-所述第二区域(52)比所述第一区域(51)更靠近所述p型半导体区域(4)设置。

2.根据权利要求1所述的光电子半导体芯片，

其中对于所述第一量子阱层(51A)的和至少一个所述第二量子阱层(52A)的电子带隙适用的是：

E_QW1–E_QW2≥0.025eV。

3.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中对于所述第一阻挡层(51B)的和至少一个所述第二阻挡层(52B)的电子带隙适用的是：

E_B2–E_B1≥0.075eV。

4.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一量子阱层(51A)和至少一个所述第二量子阱层(52A)分别具有In_xAl_yGa_1-x-yP、In_xAl_yGa_1-x-yN或In_xAl_yGa_1-x-yAs，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。

5.根据权利要求4所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一量子阱层(51A)的铝含量y大于至少一个所述第二量子阱层(52A)的铝含量y。

6.根据权利要求4或5所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一量子阱层(51A)的铟含量x小于至少一个所述第二量子阱层(52A)的铟含量x。

7.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一阻挡层(51B)和至少一个所述第二阻挡层(52B)分别具有In_xAl_yGa_1-x-yP、In_xAl_yGa_1-x-yN或In_xAl_yGa_1-x-yAs，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。

8.根据权利要求7所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一阻挡层(51B)的铝含量y小于至少一个所述第二阻挡层(52B)的铝含量y。

9.根据权利要求7或8所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一阻挡层(51B)的铟含量x大于至少一个所述第二阻挡层(52B)的铟含量x。

10.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一区域(51)包括由第一量子阱层(51A)和第一阻挡层(51B)构成的至少20个层对。

11.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中所述第二区域(52)包括由第二量子阱层(52A)和第二阻挡层(52B)构成的至少3个层对。

12.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一区域(51A)具有的层对是所述第二区域(52A)具有的层对的至少五倍。

13.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中所述第一区域(51)具有的层对是所述第二区域(52)具有的层对的至少十倍。

14.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中在从T₁＝25℃到T₂＝85℃的温度变化下，由所述有源层(5)发射的辐射的主波长以小于±4nm变化。

15.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体芯片，

其中在从T₁＝25℃到T₂＝85℃的温度变化下，由所述有源层(5)发射的辐射的主波长不变。