半导体层序列、光电子半导体芯片和用于制造半导体层序列的方法

摘要

在至少一个实施形式中提出用于光电子半导体芯片（10）的半导体层序列（1）。半导体层序列（1）包含至少三个量子阱（2），所述量子阱设计成用于产生电磁辐射。此外，半导体层序列（1）包括多个势垒层（3），所述势垒层中的至少一个分别设置在两个相邻的量子阱（2）之间。量子阱（2）具有第一平均铟含量并且势垒层（3）具有较小的第二平均铟含量。势垒层（3）的第二平均晶格常数在此小于量子阱（2）的第一平均晶格常数。

说明书

技术领域

提出一种半导体层序列。此外，提出一种用于制造这种半导体层序列 的方法以及一种具有这种半导体层序列的光电子半导体芯片。

发明内容

要实现的目的在于，提出一种半导体层序列以及一种具有这种半导 体层序列的光电子半导体芯片，其中半导体层序列相对于温度变化具有 高的发射波长稳定性。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，所述半导体层序列设为用 于光电子半导体芯片。那么，半导体层序列优选设计成用于使用在光电 二极管、发光二极管或激光二极管中。

半导体层序列优选基于III-V族化合物半导体材料。所述半导体材 料例如为氮化物化合物半导体材料如Al_nIn_1-n-mGa_mN或磷化物化合物 半导体材料如Al_nIn_1-n-mGa_mP或者也为砷化物化合物半导体材料如 Al_nIn_1-n-mGa_mAs，其中分别为0≤n≤1、0≤m≤1und n+m≤1。在此， 半导体层序列能够具有掺杂物质以及附加的组成成分。然而，为了简单性， 仅说明半导体层序列的晶格的主要的组成成分，即Al、As、Ga、In、N 或P，即使这些组成成分能够部分地通过少量的其他物质替代和/或补充时 也如此。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，所述半导体层序列包括至 少一个、尤其优选至少三个量子阱。量子阱设计成用于产生电磁辐射。 术语量子阱在此不显示出关于量子化的维数的意义。因此，量子阱还包 括具有在一个、两个或三个空间方向上的量子化的结构和这些结构的每 种组合。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，至少三个量子阱沿着半导 体层序列的生长方向相叠设置。换言之，量子阱中的每一个设置在层中 或者层通过量子阱形成，其中所述层垂直于生长方向定向并且沿着生长 方向彼此跟随。在相邻的量子阱或通过量子阱形成的层之间优选存在半 导体层序列的另外的层，使得量子阱或由其形成的层不会直接地彼此跟 随。在下文中，同义地使用术语量子阱和通过量子阱形成的层。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，所述半导体层序列包括多 个势垒层。在两个相邻的量子阱之间分别存在至少一个势垒层。可能的 是，在两个相邻的量子阱之间分别存在势垒层中的刚好一个势垒层以及 势垒层都直接地邻接于一个或两个相邻的量子阱。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，量子阱具有第一平均铟含 量并且势垒层具有第二平均铟含量。平均铟含量能够表示：铟含量关于 相应的势垒层或相应的量子阱来取平均值，或铟含量也关于全部量子阱 和/或关于全部势垒层来取平均值，或铟含量关于全部相同成形的量子 阱和/或势垒层来取平均值。量子阱的第一平均铟含量在此大于势垒层 的第二平均铟含量。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，势垒层具有第二平均晶格 常数并且量子阱具有第一平均晶格常数。对于对晶格常数取平均值而言 优选适用的是如在上文中所描述的与关于铟含量取平均值相同的内容。 在此，量子阱的第一平均晶格常数大于势垒层的第二平均晶格常数。换 言之，调节在量子阱和势垒层之间的应变。

在至少一个实施形式中，半导体层序列设为用于光电子半导体芯 片。半导体层序列包含至少三个量子阱，所述量子阱设计成用于产生电 磁辐射并且所述量子阱沿着半导体层序列的生长方向相叠设置。此外， 半导体层序列包括多个势垒层，所述势垒层中的至少一个分别设置在两 个相邻的量子阱之间。量子阱具有第一平均铟含量并且势垒层具有较小 的第二平均铟含量。在此，势垒层的第二平均晶格常数小于量子阱的第 一平均晶格常数。

由例如发光二极管发射的辐射的波长随着发光二极管的温度变化 而变化。例如在615nm附近的光谱范围中，所述变化大约为0.1nm/K。 如果不同颜色的发光二极管相互组合地使用，那么在温度变化时，可能 改变由发光二极管产生的混合颜色。这在许多应用中是不期望的。

用于解决所述问题的一个可能性在于，例如通过相对耗费的冷却或 加热发光二极管来避免发光二极管的温度变化。对此，能够使用用于发 光二极管的温度的和/或用于由发光二极管发射的颜色或混合颜色的调 节回路和/或传感器。

通过目的明确地调节量子阱和势垒层之间的应变，能够减小在温度 变化时的波长变化。所述应变尤其通过量子阱的和势垒层的不同的铟含 量来实现。不同的晶格常数与不同的铟含量相关联。

尤其在无应变的InGaAlP的情况下，由势垒层产生的对于空穴的势 垒相对来看显著高于对于电子的势垒。同样地，载流子、即电子和空穴 不均匀地分布。随着温度升高，所述分布改进，即变得更均匀，这当然 也引起与较低的复合能量关联的更大的发射波长。

由此，与通过半导体材料的晶格本身所得出的相比，在温度变化时 引起更大的波长变化。无应变的半导体层序列的生长通常比应变的半导 体层序列的生长更简单。然而，通过应变的半导体层序列的通常复杂的 生长，能够实现减小半导体层序列的发射波长的温度相关性。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，所述半导体层序列在此基 于(Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP，在此适用的是：0≤x≤1。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，对于量子阱适用的是：0.51≤ y≤0.7或者0.53≤y≤0.6。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，对于势垒层适用的是下述关 系：0.3≤y≤0.49或者0.4≤y≤0.47。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，势垒层的平均铟含量与量子 阱的平均铟含量的差异是至少5个百分点或者至少10个百分点或者是至少 15个百分点。因此换言之，Δy≥0.05或者Δy≥0.10或者Δy≥0.15，其中 Δy=y_量子阱–y_势垒层。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，对于整个半导体层序列和 /或对于势垒层和/或对于量子阱适用的是：0.45≤x≤0.85或者0.50≤x≤ 0.80。对于量子阱尤其能够适用的是：0≤x≤0.4，并且对于势垒层能够适 用的是：0.4≤x≤1。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，势垒层分别具有厚度D3并 且量子阱分别具有厚度D2。可能的是，全部势垒层具有相同的厚度D3并 且全部量子阱具有相同的厚度D2。同样可能的是，势垒层的组和/或量子 阱的组分别具有相同的厚度D2和D3或者量子阱和/或势垒层成对地具有 彼此不同的厚度。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，对于势垒层中的一个的厚度 D3相对于相关联的、相邻的量子阱的厚度D2适用的是：0.25或0.75或 0.9或1.0或1.1小于或等于D3/D2，并且替选地或附加地，10.0或7.5或 2.0或1.5大于或等于D3/D2，尤其1.0≤D3/D2≤2.0。换言之，势垒层优 选地大约等厚于或厚于分别相关联的、相邻的量子阱。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，所述半导体层序列具有至少 两个量子阱，所述量子阱设计成用于以彼此不同的波长产生电磁辐射。半 导体层序列例如具有至少两组量子阱，其中每组包括设计成用于产生特定 的波长的量子阱。换言之，每组设为用于产生特定的波长的辐射。替选地， 可能的是，量子阱沿着生长方向关于其发射波长具有连续的或近似连续的 变化。

术语波长在此尤其表示量子阱的发射光谱中的下述波长，在所述波长 处发射最大的辐射功率，英语也称作Peak Wavelength（峰值波长）。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，第一组的量子阱以第一波长 λ1发射并且第二组的量子阱以第二波长λ2发射。在此，优选适用的是， λ1<λ2。此外，优选适用的是，差λ2-λ1≥2nm或≥3nm。此外，差λ2-λ1 优选≤15nm或≤10nm或≤8nm。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，第一组具有比第二组更大数 量的量子阱。此外，可能的是，第一组量子阱在半导体层序列的常规运行 中发射比第二组更大的辐射功率。与此不同地，也可能的是，第二组发射 更大的辐射功率或者两组几乎发射相同的辐射功率。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，这些组量子阱沿着生长方向 彼此跟随地设置。不同组的量子阱换言之不会混合。那么，在组中的一个 的量子阱之间不存在其他组的量子阱。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，第一组比第二组更靠近半 导体层序列的n侧。在此，n侧是半导体层序列的在常规使用中与阴极 连接的一侧。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，一组之内的势垒层和/或量 子阱在制造公差的范围中相同地构成。因此那么在一组之内不制造目的 明确地彼此不同的势垒层和/或彼此不同的量子阱。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，所述半导体层序列具有至 少两个势垒层，所述势垒层具有彼此不同的厚度和/或彼此不同的材料 组成。这些势垒层中的各一个位于两个相邻的量子阱之间。通过在量子 阱之间的不同地构成的势垒层，能够调节量子阱的发射波长。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，更靠近n侧的势垒层与p 侧的势垒层相比具有更大的势垒高度，所述p侧在半导体层序列的常规 使用中设为用于电接触阳极。势垒高度从n侧直至p侧的减小能够阶梯 状地或连续地进行。通过如此升高的势垒高度，可能的是，靠近n侧的 量子阱在更高的温度下、例如在半导体层序列在起动之后的变热的之后 或期间才由空穴填充。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，沿着生长方向并且在远离 n侧的方向上，商E_B/λ单调上升。E_B在此是相应的势垒层的势垒高度 并且λ是由分别与相邻的势垒层相关联的量子阱所设计发射的波长。换 言之，商E_B/λ涉及成对的势垒层和相关联的量子阱。因此，从由势垒 层和相邻的量子阱构成的对中确定的所述结果的数值在远离n侧的方 向上变大或部分地保持不变。

根据至少一个实施形式，半导体层序列设计成用于在常规使用中发 射电磁辐射，其中所述辐射的波长位于至少550nm或至少595nm或至 少600nm和/或波长位于至多1100nm或至多700nm或至多625nm或至 多620nm。

根据半导体层序列的至少一个实施形式，量子阱压缩地应变。这引 起能带结构的变化尤其是导带中的结构状态发生变化并且引起导带中 的更大的带偏。载流子的、即空穴和电子的传输特性在此部分地一致。

此外，提出一种光电子半导体芯片。半导体芯片具有如结合一个或 多个上述实施形式所描述的半导体层序列。半导体层序列的特征因此也 对半导体芯片公开并且反之亦然。

根据至少一个实施形式，半导体芯片具有如结合上述实施形式所描 述的半导体层序列。此外，半导体芯片包含衬底，在所述衬底上设置有 半导体层序列。衬底能够是上面外延地制造有半导体层序列生长衬底， 或者是不同于生长衬底的载体衬底。

根据半导体芯片的至少一个实施形式，势垒层的第二平均晶格常数 小于衬底的平均衬底晶格常数。此外，量子阱的平均晶格常数大于衬底 晶格常数。换言之，衬底晶格常数位于量子阱的第一晶格常数和势垒层 的第二晶格常数之间。

此外，提出一种用于制造半导体层序列的方法。借助所述方法能够 制造如结合一个或多个上述实施形式所描述的半导体层序列。半导体层 序列的和半导体芯片的特征因此也对所描绘的方法公开并且反之亦然。

在至少一个实施形式中，所述方法至少具有下述步骤：

-提供生长衬底；

-外延地、交替地生长至少三个量子阱和多个势垒层，其中量子阱设为 用于产生电磁辐射并且在两个相邻的量子阱之间生长势垒层中的至少 一个。

在此，量子阱具有第一平均铟含量并且势垒层具有较小的第二平均 铟含量。势垒层呈现出小于生长衬底的衬底晶格常数的第二平均晶格常 数，其中量子阱具有大于衬底晶格常数的第一平均晶格常数。

半导体层序列能够直接在生长衬底上生长。替选地，可能的是，在 生长衬底上施加中间层、例如缓冲层，并且缓冲层的晶格常数位于量子 阱的和势垒层的晶格常数之间。

根据方法的至少一个实施形式，生长衬底是GaAs衬底或GaP衬底。

附图说明

在下文中参考附图根据实施例详细阐明在此所描述的半导体层序 列。相同的附图标记在此说明各个附图中的相同的元件。然而，在此， 示出不符合比例的关系，更确切地说，为了更好的理解能够夸大示出个 别元件。

附图示出：

图1和2示出在此描述的半导体层序列的和半导体芯片的实施例的 示意剖面图，并且

图3和4示出在此所描述的半导体层序列的实施例的随生长方向或 随温度的波长变化的示意图。

具体实施方式

在图1中示出具有半导体层序列1的光电子半导体芯片10的一个 实施例的示意剖面图。半导体层序列1施加在衬底5上。例如，在衬底 5上外延地生长有半导体层序列1，其中那么衬底5是生长衬底。半导 体层序列1的生长方向G指向远离衬底5的方向。替选地，衬底5能够 是载体衬底，所述载体衬底在半导体层序列1生长之后才安置在所述半 导体层序列上。半导体层序列1的n侧n朝向衬底5，半导体层序列1 的p侧背离衬底5。n侧n和p侧p替选地也能够彼此换位。

半导体层序列1具有多个量子阱2以及多个势垒层3。在两个相邻 的量子阱2之间分别存在势垒层3中的至少一个。势垒层3以及量子阱 2沿着生长方向G交替地彼此跟随。全部量子阱2以及全部势垒层3能 够在制造公差的范围中相同地构成。势垒层3具有厚度D3。量子阱2 具有厚度D2。势垒层3的厚度D3优选大于或也大约等于量子阱的厚度 D2。量子阱2的厚度D2如在全部其他实施例中那样优选也位于5nm和 7nm之间或3nm和9nm之间，其中包括边界值。

可选地，半导体层序列1具有中间层4，所述中间层位于n侧n处。 中间层4例如为缓冲层和/或扩流层。此外，半导体层序列1能够可选 地包含覆盖层6。例如，覆盖层6是扩流层和/或包覆层。覆盖层6以及 中间层4能够分别由多个单层组成。

势垒层3的铟含量小于量子阱2的铟含量。由此，势垒层3以及量 子阱2具有彼此不同的晶格常数，尤其是沿着垂直于生长方向G的横向 方向。因此，势垒层3和量子阱2相对于彼此应变。

通过所述应变，由半导体层序列1在运行中产生的电磁辐射的温度 相关性与不应变的量子阱结构相比减小。通过量子阱的应变，空穴的可 移动性提高。由此，在低温下，最靠近p侧的量子阱相对少地由空穴填 充。因为随着温度升高，空穴更均匀地分布，因此，所发射的波长与在 不应变的量子阱结构中相比更少地变化。

半导体层序列1如也在全部其他实施例中那样具有优选至少三个或 至少五个或至少十个量子阱2。此外，半导体层序列1具有至多总共50 个或至多100个或至多200个量子阱。

势垒层3的材料组成优选地调节成，使得沿着生长方向G，势垒能 量E_B相对于相邻的量子阱2的发射能量保持为恒定或者更高。

在图2中示出具有半导体层序列1的光电子半导体芯片1的另一个 实施例。半导体层序列1具有多个量子阱2a、2b。相同构造的量子阱 2a设置成第一组，并且彼此相同构造的量子阱2b组成为第二组。第一 组优选具有比第二组量子阱2b更多的量子阱2a。第二组沿着生长方向 G跟随第一组。两组的势垒层3a、3b能够分别在组之内关于厚度和材 料组成方面同样相同地构造。

量子阱2a设计成用于在半导体芯片10运行时与第二组的量子阱2b 相比以较小的波长发射辐射。两组的发射波长的波长差例如位于3nm 和6nm之间，其中包括边界值。

可能的是，第一组的势垒层3a与第二组的势垒层3b不同地构造。 替选地，全部势垒层3a、3b能够相同地成形。此外，替选地，可能的 是，两组的量子阱2a、2b在其构造方面并非彼此不同，而是两组的发 射波长的偏移通过下述方式实现：这些组的势垒层3a、3b彼此不同地 构造。

半导体层序列1尤其基于AlGaInP。衬底5能够是GaAs衬底。势 垒层3能够在其厚度和其占Ga、Al以及In的份额方面彼此不同。在半 导体层序列1之内，量子阱2的In含量优选地以至多5个百分点、尤 其以至多2.5个百分点变化。换言之，那么，全部量子阱2的In含量以 ±2.5个百分点或±1.25个百分点的公差位于量子阱2的平均铟含量周 围。

随着半导体芯片10的温度升高，n侧n的空穴的份额增大。由此， 更高份额的载流子复合在n侧n处发生。这引起半导体层序列1的发射 波长更短。由此，除了在量子阱2a、2b和势垒层3a、3b之间的应变， 能够在温度变化时实现波长的总体更小的偏移。

通过尤其基于InGaAlP的量子阱2a、2b应变以及InGaAlP势垒层 3a、3b反向应变，电子的可移动性变小，空穴呈现出更大的可移动性。 而在不应变的量子阱结构的情况下，空穴相反地几乎完全留在p侧。因 此，那么具有不应变的量子阱和/或势垒层的半导体结构为了实现空穴 的均匀分布要具有带有更小带隙的势垒层或更小数量的量子阱。

在图3中示出半导体层序列1的发射波长λ相对于生长方向G的示 意变化曲线。根据图3A，发射波长λ关于生长方向G具有阶梯状的变 化曲线。这种波长变化曲线能够借助例如根据图2的半导体层序列1来 实现。不同于在图2和3A中示出的，也能够在波长变化曲线中构成多 于两个阶梯，进而半导体层序列1具有多于两组的量子阱2a、2b。

在图3B中示出：发射波长λ线性地沿着生长方向G变化。线性在 此不排除：变化曲线仅是近似线性的并且以多个小台阶伸展，其中关于 波长λ在相邻阶梯之间的阶跃因此优选地小于0.5nm。这种近似线性的 变化曲线在图3B中作为虚线示出。

在图4中示意示出以纳米为单位的发射波长相对于以摄氏度为单位 的温度T的变化Δλ。发射波长在此表示几何中心波长或重心波长。与 常规的参见图4中的虚线的半导体构件相比，例如在图1中示出的半导 体层序列1中的波长相关性的变化曲线更平坦。在图4中，实施例的波 长的变化曲线作为实线示出并且用附图标记1表示。

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 每个新特征以及特征的任意的组合，这尤其是包含在权利要求中的特征 的任意的组合，即使所述特征或所述组合自身没有明确地在权利要求中 或实施例中说明时也如此。

本申请要求德国专利申请102011115312.1的优先权，其公开内容 通过参引并入本文。