DE102006046227A1 - Semiconductor layer structure has super lattice with alternative stacked layers of connecting semiconductors of one composition and another composition, where stacked layers have doping agents in specific concentration - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schichtstruktur, die ein Übergitter aus alternierend gestapelten Schichten von III-V Verbindungshalbleitern einer ersten und mindestens einer zweiten Zusammensetzung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optoelektronisches Bauelement, das eine derartige Halbleiter-Schichtstruktur aufweist.The The invention relates to a semiconductor layer structure comprising a superlattice from alternately stacked layers of III-V compound semiconductors a first and at least one second composition. The invention further relates to an optoelectronic component, the has such a semiconductor layer structure.
Verglichen mit einer Schicht gleicher Dicke aus nur einem Material einer Zusammensetzung haben Übergitter mit alternierend gestapelten Schichten verschiedener Zusammensetzung unterschiedliche elektrische, optische und epitaktische Eigenschaften. Insbesondere kann bei geeigneter Zusammensetzung und Dotierung ein Übergitter aus alternierend gestapelten p-dotierten Gallium-Nitrid-(GaN) und p-dotierten Aluminium-Gallium-Nitrid-(AlGaN) Schichten eine höhere Leitfähigkeit aufweisen als eine p-dotierte reine GaN- oder AlGaN-Schicht der gleichen Dicke. Aufgrund dieser Eigenschaften finden Übergitter vielfach Verwendung in elektronischen und optoelektronischen Bauteilen.Compared with a layer of equal thickness of only one material of a composition have superlattices with alternating stacked layers of different composition different electrical, optical and epitaxial properties. In particular, with suitable composition and doping, a superlattice of alternately stacked p-doped gallium nitride (GaN) and p-doped aluminum gallium nitride (AlGaN) layers have a higher conductivity have as a p-doped pure GaN or AlGaN layer of the same Thickness. Due to these properties, superlattices are often used in electronic and optoelectronic components.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiter-Schichtstruktur mit Übergitter der eingangs genannten Art mit verbesserten elektrischen und optischen Eigenschaften zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein optoelektronisches Bauelement mit einer solchen Halbleiter-Schichtstruktur anzugeben.task The invention is a semiconductor layer structure with superlattice of the type mentioned with improved electrical and optical To create properties. It is another object of the invention to specify an optoelectronic component having such a semiconductor layer structure.
Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 durch eine Halbleiter-Schichtstruktur der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Schichten des Übergitters Dotierstoffe in vorgegebenen Konzentrationen enthalten und wobei die Konzentrationen der Dotierstoffe in zumindest zwei Schichten einer gleichen Zusammensetzung im Übergitter unterschiedlich sind.These The object is according to claim 1 by a semiconductor layer structure of the aforementioned type solved, where the layers of the superlattice Contain dopants in predetermined concentrations and wherein the concentrations of the dopants in at least two layers of a same composition in the superlattice are different.
Grundsätzlich wird als Übergitter eine Struktur bezeichnet, die eine Periodizität aufweist, deren Periodenlänge größer ist als die Gitterkonstanten eingesetzter Materialien. Im Rahmen der Anmeldung wird als Übergitter eine Folge alternierend gestapelter Schichten bezeichnet, bei der sich in einer Richtung senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den Schichten, also z.B. in Aufwachsrichtung der Schichten, eine Schichtabfolge, umfassend mindestens zwei Schichten unterschiedlichen Typs, wiederholt. Alternierend ist dabei so zu verstehen, dass sich zwei oder mehr Schichten abwechseln. Innerhalb der sich wiederholenden Schichtabfolge kann dabei ein Typ durch mehr als eine Schicht vertreten sein. Beispiele für derartige Übergitter sind durch die folgenden Schichtenfolgen gegeben: "ab|ab|ab|...", "abc|abc|abc|...", "abcb|abcb|..." und "ababababc|ababababc|...", wobei a, b und c jeweils Schichten eines Typs angeben und die sich wiederholende Schichtenabfolge durch das Trennzeichen "|" verdeutlicht ist.Basically as superlattice denotes a structure having a periodicity whose period length is larger as the lattice constants of inserted materials. As part of the Registration is as a super grid a sequence of alternating stacked layers, in which in a direction perpendicular to the interfaces between the layers, ie e.g. in the growth direction of the layers, a layer sequence, comprising at least two layers of different types, repeated. alternating is understood to mean that two or more layers alternate. Within the repetitive layer sequence can be a Type be represented by more than one layer. Examples of such superlattices are given by the following layer sequences: "ab | ab | ab | ...", "abc | abc | abc | ...", "abcb | abcb | ..." and "ababababc | ababababc | ..." where a, b and c indicate layers of each type and the repeating layer sequence by the separator "|" is clarified.
Im Rahmen der Anmeldung ist die Zusammensetzung einer Schicht durch in der Schicht enthaltene Elemente sowie ihre nominelle (d.h. im Rahmen der Genauigkeit der Kompositionsüberwachung während oder nach dem Wachstumsprozess) Stöchiometrie definiert, wobei Dotierstoffe und Verunreinigungen nicht mitberücksichtigt werden. Die Stöchiometrie ist durch den Gehalt (Anteil) der einzelnen Elemente in der Schicht gegeben. Für die Anzahl der Elemente einer Schicht besteht im Rahmen der Anmeldung keine Begrenzung. Die Schichten des Übergitters können z.B. elementar sein, d.h. nur aus einem Element bestehen, oder auch binär, ternär, quaternär usw. sein.in the The scope of the application is the composition of a layer by elements contained in the layer and their nominal (i.e. Framework of accuracy of composition monitoring during or after the growth process) stoichiometry defined, wherein dopants and impurities are not taken into account become. The stoichiometry is by the content (proportion) of the individual elements in the layer given. For the number of elements of a layer is within the scope of the application no limit. The layers of the superlattice may be e.g. be elementary, i. consist of only one element, or be binary, ternary, quaternary, etc.
Unterschiedliche Konzentrationen der Dotierstoffe in zumindest zwei Schichten gleicher Zusammensetzung, also ein nicht konstanter Dotiergrad bei Schichten gleicher Zusammensetzung innerhalb des Übergitters, sind geeignet, die elektrischen und optischen Eigenschaften des Übergitters bestmöglich an gegebene Erfordernisse anzupassen. Häufig sind die gegebenen Erfordernisse an das Übergittern nicht über seine gesamte Dicke gleich, beispielsweise weil physikalische Größen, wie eine elektrische oder optische Feldstärke, die Einfluss auf die Erfordernisse haben, ebenfalls über die Dicke des Übergitters nicht konstant sind. Mit einem über dem Übergitter nicht konstanten Dotiergrad kann dieser Tatsache Rechnung getragen werden.different Concentrations of the dopants in at least two layers of the same Composition, ie a non-constant doping level in layers same composition within the superlattice, are suitable the electrical and optical properties of the superlattice best possible to adapt given requirements. Frequently the given requirements are to the overlapping no over its entire thickness the same, for example, because physical variables, such as an electrical or optical field strength that influences the requirements have, also about the thickness of the superlattice are not constant. With an over the supergrid Not constant doping level can take this fact into account become.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen der Halbleiter-Schichtstruktur weist das Übergitter alternierend gestapelte InxAlyGa1-x-yN- und InwAlzGa1-w-zN-Schichten mit 0 ≤ x, y, w, z ≤ 1 und x + y ≤ 1 und w + z ≤ 1 oder alternierend gestapelte InxAlyGa1-x-yP und InwAlzGa1-w-zP Schichten mit 0 ≤ x, y, w, z ≤ 1 und x + y ≤ 1 und w + z ≤ 1 oder alternierend gestapelte InxAlyGa1-x-yAs und InwAlzGa1-w-zAs Schichten mit 0 ≤ x, y, w, z ≤ 1 und x + y ≤ 1 und w + z ≤ 1 auf. Diese Materialsysteme sind zum einen von großer technologischer Bedeutung und zum anderen kann in diesen Systemen eine vorteilhafte Leitfähigkeitserhöhung der Löcherleitung durch den Einsatz eines Übergitters beobachtet werden.According to advantageous embodiments of the semiconductor layer structure, the superlattice has alternately stacked In x Al y Ga 1-xy N and In w Al z Ga 1 -wz N layers with 0 ≦ x, y, w, z ≦ 1 and x + y ≤ 1 and w + z ≤ 1 or alternately stacked In x Al y Ga 1-xy P and In w Al z Ga 1-wz P layers with 0 ≤ x, y, w, z ≤ 1 and x + y ≤ 1 and w + z ≦ 1 or alternately stacked In x Al y Ga 1-xy As and In w Al z Ga 1-wz As Layers with 0 ≤ x, y, w, z ≤ 1 and x + y ≤ 1 and w + z ≤ 1. On the one hand, these material systems are of great technological importance, and on the other hand, in these systems, an advantageous conductivity increase of the hole line can be observed through the use of a superlattice.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Halbleiter-Schichtstruktur ist den einzelnen Schichten des Übergitters eine vertikale Position innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur zugeordnet und die Konzentration der Dotierstoffe einer Schicht ist in vorgegebener Weise abhängig von ihrer vertikalen Position innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur. Auf diese Weise kann das Übergitter und seine Eigenschaften bestmöglich an sich ändernde physikalische Größen innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur angepasst werden.According to a further advantageous embodiment of the semiconductor layer structure, the individual layers of the superlattice are assigned a vertical position within the semiconductor layer structure and the concentration of the dopants of a layer is dependent on their vertical position within the semiconductor layer structure in a predefined manner. In this way, the superlattice and its properties can optimally adapt to changing physical quantities within the semiconductor layer structure be adjusted.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen ist die Abhängigkeit der Konzentration der Dotierstoffe von der vertikalen Position entweder für alle Schichten durch eine gemeinsame Funktion vorgegeben oder sie ist für Schichten der ersten Zusammensetzung durch eine erste Funktion und für Schichten der mindestens einen zweiten Zusammensetzung durch mindestens eine zweite Funktion vorgegeben. Besonders bevorzugt ist dabei die erste und/oder die mindestens eine zweite und/oder die gemeinsame Funktion eine Stufenfunktion oder eine monoton steigende/fallende Funktion oder eine lineare Funktion oder eine Polynomfunktion oder eine Wurzelfunktion oder eine exponentielle Funktion oder eine logarithmische Funktion oder eine periodische Funktion oder eine Superposition der genannten Funktionen oder enthält Anteile einer dieser Funktionen.According to others Advantageous embodiments is the dependence of the concentration the dopants from the vertical position either for all layers given by a common function or she is for layers the first composition by a first function and for layers the at least one second composition by at least one second function specified. Particularly preferred is the first and / or the at least one second and / or the common function one Step function or a monotone increasing / decreasing function or a linear function or a polynomial function or a root function or an exponential function or a logarithmic function or a periodic function or a superposition of said functions or contains Proportions of one of these functions.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen ist die Konzentration der Dotierstoffe innerhalb einer Schicht des Übergitters konstant oder gradiert.According to others Advantageous embodiments, the concentration of dopants within a layer of the superlattice constant or graded.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen sind entweder alle Schichten des Übergitters mit dem gleichen Dotierstoff dotiert oder das Übergitter weist Schichten auf, die mit unterschiedlichen Dotierstoffen dotiert sind. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Übergitter zumindest eine Schicht auf, die undotiert ist. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Dotierstoffe Magnesium (Mg) und/oder Silizium (Si) sind.According to others Advantageous embodiments are either all layers of the superlattice doped with the same dopant or the superlattice has layers, which are doped with different dopants. In another preferred embodiment, the superlattice has at least one layer up, which is undoped. In particular, it is preferred that the dopants Magnesium (Mg) and / or silicon (Si) are.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein optoelektronisches Bauelement gelöst, das eine Halbleiter-Schichtstruktur der zuvor beschriebenen Art aufweist. Beim Betrieb wird in einem optoelektronischen Bauelement ein Strahlungsfeld aufgebaut mit einer üblicherweise innerhalb des Bauelements stark inhomogenen Feldstärkenamplitude. Eine Halbleiter-Schichtstruktur mit einem Übergitter, bei dem zumindest zwei Schichten gleicher Zusammensetzung Dotierstoffe in unterschiedlicher Konzentration enthalten, kann in seinen elektrischen und optischen Eigenschaften bestmöglich an die herrschende inhomogene Feldstärkenamplitude des optischen Strahlungsfeldes angepasst werden.The Task is further solved by an optoelectronic device, the has a semiconductor layer structure of the type described above. During operation, a radiation field is formed in an optoelectronic component built with a customary within the device highly inhomogeneous field strength amplitude. A semiconductor layer structure with a superlattice, in the at least two layers of the same composition dopants contained in varying concentrations, can be in its electrical and optical properties best possible to the prevailing inhomogeneous Field strength amplitude be adapted to the optical radiation field.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des optoelektronischen Bauelements weist dieses eine optisch aktive Schicht auf, und die Konzentration von Dotierstoffen von Schichten einer oder mehrerer Zusammensetzungen innerhalb des Übergitters der Halbleiter-Schichtstruktur steigt mit wachsendem Abstand von der optisch aktiven Schicht. Da bei einem optoelektronischen Bauelement mit optisch aktiver Schicht die Feldstärkenamplitude des Strahlungsfeldes üblicherweise mit wachsendem Abstand von der optisch aktiven Schicht abfällt und eine hohe Dotierstoffkonzentration typisch mit einer hohen optischen Absorption einhergeht, können auf diese Weise optische Verluste verringert werden.According to one advantageous embodiment of the optoelectronic component has this one optically active layer, and the concentration of Dopants of layers of one or more compositions within the superlattice The semiconductor layer structure increases with increasing distance from the optically active layer. As with an optoelectronic device with optically active layer, the field strength amplitude of the radiation field usually decreases with increasing distance from the optically active layer and a high dopant concentration typically with a high optical absorption goes along in this way optical losses are reduced.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen ist das optoelektronische Bauelement eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode.According to others Advantageous embodiments is the optoelectronic device a light emitting diode or a laser diode.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit den in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the in the following in connection with those described in the figures Embodiments.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Auf
der n-Kontaktschicht
Auf
das Übergitter
Die
Das gezeigte Ausführungsbeispiel kann beispielsweise auf Basis des InxAlyGa1-x-yN, InxAlyGa1-x-yAs, InxAlyGa1-x-yP oder InxGa1-xAsyN1-y mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1 Materialsystems realisiert werden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Materialsysteme beschränkt, sondern kann je nach gewünschter Wellenlänge oder sonstige Anforderung auch auf Basis weiterer Materialsysteme aufgebaut sein.The exemplary embodiment shown can be based, for example, on the basis of the In x Al y Ga 1-xy N, In x Al y Ga 1-xy As, In x Al y Ga 1-xy P or In x Ga 1-x As y N 1-y with 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x + y ≤ 1 material system can be realized. Of course, the invention is not limited to these material systems, but may also be based on other material systems depending on the desired wavelength or other requirement.
Das
in
Analog
kann die p-Kontaktschicht
Alternativ
kann statt eines nicht leitenden Substrats
Ohne
Einschränkung
ist in der
Die
aktive Schicht
Als Quantenschicht ist im Rahmen der Erfindung eine Schicht zu verstehen, die so dimensioniert oder strukturiert ist, dass eine für die Strahlungserzeugung wesentliche Quantisierung der Ladungsträger-Energieniveaus, zum Beispiel durch Einschluss (confinement), auftritt. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantenschicht keine Angabe oder Einschränkung über die Dimensionalität der Quantisierung. Die Quantenschicht kann einen zweidimensionalen Quantentopf bilden oder strukturelle Elemente mit niedrigerer Dimensionalität wie Quantendrähte oder Quantenpunkte oder Kombinationen dieser Strukturen enthalten.When Quantum layer is to be understood in the context of the invention, a layer which is so dimensioned or structured that one for the generation of radiation significant quantization of carrier energy levels, for example by confinement. In particular, includes the term quantum layer is no indication or limitation over the dimensionality the quantization. The quantum layer can be a two-dimensional Quantum well form or structural elements with lower dimensionality such as quantum wires or Contain quantum dots or combinations of these structures.
Darüber hinaus
ist auch der Einsatz einer Fotolumineszenzaktiven Schicht, z. B.
einer Fremdatom-dotierten InGaN-Schicht
als aktive Schicht
Die
die aktive Schicht
Weiterhin
bilden die die aktive Schicht
Auf
der dem Substrat
Die
p-seitige Mantelschicht wird durch das Übergitter
Im
Ausführungsbeispiel
der
Das Übergitter
Im
GaN-basierten Materialsystem kann das Übergitter
Durch
den Einsatz höher
und effizienter dotierbarer und somit leitfähigerer GaN-Schichten kann das Übergitter
Statt
eines GaN-/AlGaN-Übergitters
Übergitter,
bei dem alle Schichten
Erfindungsgemäß ist dagegen
die Konzentration der Dotierstoffe in zumindest zwei Schichten gleicher
Zusammensetzung unterschiedlich. Es gibt also erfindungsgemäß mindestens
eine Schicht aus mindesten einer Gruppe von Schichten
Im
folgenden sind im Zusammenhang mit den
In
den
Da
Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung unterschiedliche Brechungsindizes
aufweisen, kann aus der Darstellung des Brechungsindex n in Abhängigkeit
der vertikalen Position z innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur deren
Schichtaufbau abgelesen werden. GaN-Schichten weisen einen Brechungsindex
n von etwa 2.52 auf. Der Brechungsindex n von AlGaN-Schichten sinkt
mit steigendem Al-Gehalt von diesem Wert ab. In den in den
Das Übergitter
Die
Feldamplitude A des optischen Strahlungsfeldes, das beim Betrieb
der Halbleiter-Schichtstruktur in der aktiven Schicht
Für die Schichten
des Übergitters
Bei
dem in
Bei
dem in
Aus
dem Verlauf der Feldamplitude A ist ersichtlich, dass die beim Betrieb
von der der aktiven Schicht
Der
gleiche Effekt ergibt sich auch bei den in
Im
Beispiel von
Das
Ausführungsbeispiel
in
Im
Beispiel von
In
den Ausführungsbeispielen
von
Ein
Problem bei Bauelementen mit Mg-dotierten Schichten besteht darin,
dass der Dotierstoff Mg beim Betrieb des Bauelements durch Diffusionsprozesse
in die aktive Zone migrieren kann, was dort zu hohen optischen Absorptionsverlusten
führt.
Bei den beschriebenen Übergittern
Alternativ kann in allen gezeigten Ausführungsbeispielen auch vorgesehen sein, mit Si n-dotierte Schichten statt der undotierten Schichten einzusetzen. Der Absorptionkoeffizient von Si-dotierten GaN-Schichten liegt zwischen dem einer undotierten und einer mit Mg dotierten Schicht (bei gleicher Dotierstoffkonzentration c wie im Fall von Si). Eventuell kann sich eine etwas geringere Leitfähigkeit ergeben als beim Einsatz undotierter Schichten, eine Ausbildung von leitungshindernden, in Sperrrichtung betriebenen p-n Übergängen tritt jedoch bei Schichten einer Dicke, wie sie im Übergitters typisch vorgesehen ist, nicht auf.Alternatively, it can also be provided in all exemplary embodiments shown to use Si n-doped layers instead of the undoped layers. The absorption coefficient of Si-doped GaN layers lies between that of an undoped layer and a layer doped with Mg (with the same dopant concentration c as in the case of Si). Possibly, a slightly lower conductivity may result than in the case of undoped layers, a formation of line inhibiting, operated in the reverse direction However, pn transitions do not occur with layers of a thickness typically provided in the superlattice.
Auch
beim Einsatz von Si-dotierten Schichten innerhalb des Übergitters
werden so optische Absorptionsverluste verringert und gleichzeitig
eine hohe Leitfähigkeit
des Übergitters
Verallgemeinert
kann der Verlauf der Dotierstoffkonzentration c, auch Dotierprofil
genannt, innerhalb des Übergitters
Beispiele
für Halbleiter-Schichtstrukturen
mit nichtlinearen Dotierprofilen sind in
Im
Beispiel von
Innerhalb
einer Schicht kann die Dotierstoffkonzentration c im Übergitter
Der
innerhalb einer Schichtengruppe und auch innerhalb einer Schicht
des Übergitters
Die Erläuterung der Erfindung anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist nicht als Beschränkung der Erfindung hierauf zu verstehen. Vielmehr umfasst die Erfindung auch die Kombination mit allen anderen in den Ausführungsbeispielen und der sonstigen Beschreibung genannten Merkmale, auch wenn diese Kombination nicht Gegenstand eines Patentanspruchs sind.The explanation The invention with reference to the described embodiments is not as restriction to understand the invention thereto. Rather, the invention includes also the combination with all others in the embodiments and the other description, even if these Combination are not the subject of a claim.
Claims (17)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP07013821A EP1883140B1 (en) | 2006-07-27 | 2007-07-13 | LD or LED with superlattice clad layer and graded doping |
| US11/780,512 US7822089B2 (en) | 2006-07-27 | 2007-07-20 | Semiconductor layer structure with superlattice |
| JP2007195436A JP5156290B2 (en) | 2006-07-27 | 2007-07-27 | Optoelectronic devices |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102006034821.4 | 2006-07-27 | ||
| DE102006034821 | 2006-07-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102006046227A1 true DE102006046227A1 (en) | 2008-01-31 |
Family
ID=38859510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102006046227A Withdrawn DE102006046227A1 (en) | 2006-07-27 | 2006-09-29 | Semiconductor layer structure has super lattice with alternative stacked layers of connecting semiconductors of one composition and another composition, where stacked layers have doping agents in specific concentration |
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| Country | Link |
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| DE (1) | DE102006046227A1 (en) |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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Effective date: 20131001 |