DE102011112713A1

DE102011112713A1 - Optoelectronic component

Info

Publication number: DE102011112713A1
Application number: DE201110112713
Authority: DE
Inventors: Simeon Katz; Martin Strassburg; Bastian Galler; Matthias Sabathil
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-07
Also published as: WO2013034486A1; TW201318203A

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement (11) angegeben, das eine aktive Schicht mit einer Quantentopfstruktur (5) aufweist, wobei die Quantentopfstruktur (5) mindestens eine Barriereschicht (2) aus InyGa1-yN mit 0 ≤ y < 1 und mindestens eine Quantentopfschicht (1) aus InzGa1-zN mit 0 ≤ z < 1 und z y umfasst, wobei in der Quantentopfstruktur (5) mindestens eine Zwischenschicht (3) aus Al1-xIn mit 0 ≤ x ≤ 0,6 enthalten ist, die eine Dicke von weniger als 1,5 nm aufweist.An optoelectronic component (11) is disclosed, which has an active layer with a quantum well structure (5), wherein the quantum well structure (5) has at least one barrier layer (2) of InyGa1-yN with 0≤y <1 and at least one quantum well layer (1 ) of InzGa1-zN with 0 ≤ z <1 and zy, wherein in the quantum well structure (5) at least one intermediate layer (3) of Al1-xIn with 0 ≤ x ≤ 0.6 is included which has a thickness of less than 1 , 5 nm.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, das eine aktive Schicht mit einer Quantentopfstruktur aufweist, die Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien, insbesondere InGaN, aufweist.The invention relates to an optoelectronic component which has an active layer with a quantum well structure comprising nitride compound semiconductor materials, in particular InGaN.

Quantentopfstrukturen aus Nitrid-Verbindungshalbleitern, die insbesondere InGaN aufweisen, werden häufig als aktive Schicht in LEDs oder Laserdioden eingesetzt, die in der Regel im blauen Spektralbereich emittieren. Abhängig von der Zusammensetzung des Halbleitermaterials ist auch eine Emission im ultravioletten, grünen, gelben oder roten Spektralbereich möglich. Durch Lumineszenzkonversion mittels Leuchtstoffen kann die kurzwellige Strahlung zu größeren Wellenlängen hin konvertiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, mischfarbiges Licht, insbesondere Weißlicht, zu erzeugen. Auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierende LEDs sind daher für LED-Beleuchtungssysteme von erheblicher Bedeutung.Quantum well structures of nitride compound semiconductors, which in particular have InGaN, are frequently used as active layers in LEDs or laser diodes, which generally emit in the blue spectral range. Depending on the composition of the semiconductor material, an emission in the ultraviolet, green, yellow or red spectral range is possible. By luminescence conversion by means of phosphors, the short-wave radiation can be converted to longer wavelengths. In this way it is possible to produce mixed-color light, in particular white light. Nitride compound semiconductors based LEDs are therefore of considerable importance for LED lighting systems.

Es hat sich herausgestellt, dass die Effizienz von LEDs, die eine auf InGaN basierende Quantentopfstruktur aufweisen, bei hohen Stromdichten nachlässt (so genannter Droop-Effekt). Dieser Effekt wird zum Beispiel in der Druckschrift E. Kioupakis et al., „Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes”, Applied Physics Letters 98, 161107 (2011) , beschrieben. Es wird vermutet, dass diese Auger-artigen Rekombination der dominante Verlustmechanismus bei auf InGaN basierenden LEDs ist. Dieser Verlustmechanismus tritt schon bei Stromdichten deutlich unterhalb der üblichen Betriebsstromdichte auf und bewirkt eine Verminderung der Effizienz der LED. Es wird vermutet, dass der hohe Auger-artige Verlust durch Phononen-assistierte Auger-Rekombinationen bedingt ist. Solche Phononen-assistierte Auger-Rekombinationen treten insbesondere in auf InGaN-basierendem Halbleitermaterial auf. Der Grund dafür ist eine starke Elektron-Phonon-Wechselwirkung (hoher Huang-Rhys-Faktor).It has been found that the efficiency of LEDs incorporating an InGaN-based quantum well structure decreases at high current densities (so-called droop effect). This effect is for example in the publication E. Kioupakis et al., "Indirect Auger Recombination as a Cause of Efficiency in Nitride Light-emitting Diodes", Applied Physics Letters 98, 161107 (2011) , described. This Auger-like recombination is believed to be the dominant loss mechanism in InGaN-based LEDs. This loss mechanism already occurs at current densities well below the usual operating current density and causes a reduction in the efficiency of the LED. It is believed that the high Auger-like loss is due to phonon-assisted Auger recombination. Such phonon-assisted Auger recombinations occur in particular on InGaN-based semiconductor material. The reason for this is a strong electron-phonon interaction (high Huang-Rhys factor).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement mit einer aktiven Schicht anzugeben, die eine auf InGaN basierende Quantentopfstruktur aufweist, wobei Verluste durch Phononen-assistierte Auger-Rekombinationen vermindert sind. Dabei sollen die optischen und elektronischen Eigenschaften der Quantentopfstruktur ansonsten so wenig wie möglich beeinflusst werden.The invention has for its object to provide an optoelectronic device with an active layer having an InGaN-based quantum well structure, wherein losses are reduced by phonon-assisted Auger recombinations. Otherwise, the optical and electronic properties of the quantum well structure should be influenced as little as possible.

Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by an optoelectronic component having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist das optoelektronische Bauelement eine aktive Schicht auf, die eine Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mindestens eine Barriereschicht aus In_yGa_1-yN mit 0 ≤ y < 1 und mindestens eine Quantentopfschicht aus In_zGa_1-zN mit 0 < z ≤ 1 und z > y umfasst. Die mindestens eine Barriereschicht weist aufgrund des geringeren Indiumanteils eine größere elektronische Bandlücke als die mindestens eine Quantentopfschicht auf. Vorzugsweise gilt für die Indiumanteile y < 0,7 und z ≤ 0,7.In accordance with at least one embodiment, the optoelectronic component has an active layer which has a quantum well structure, wherein the quantum well structure has at least one barrier layer of In _y Ga _1-y N with 0 ≦ y <1 and at least one quantum well layer of In _z Ga _{1 -z} N with 0 <z ≦ 1 and z> y. The at least one barrier layer has a larger electronic band gap than the at least one quantum well layer due to the lower indium content. Preferably, for the indium portions y <0.7 and z ≤ 0.7 applies.

In der Quantentopfstruktur ist weiterhin mindestens eine Zwischenschicht aus Al_1-xIn_xN mit 0 ≤ x ≤ 0,6 enthalten, die eine Dicke von weniger als 1,5 nm aufweist.The quantum well structure furthermore contains at least one intermediate layer of Al _1-x In _x N with 0 ≦ x ≦ 0.6, which has a thickness of less than 1.5 nm.

Es hat sich herausgestellt, dass sich durch das Einfügen der mindestens einen Zwischenschicht aus Al_1-xIn_xN mit 0 ≤ x ≤ 0,6 in die Quantentopfstruktur eine Reduzierung der möglichen Phononen-Emissionsmoden erzielen lässt, wodurch Phononen-assistierte Auger-Rekombinationen in der Quantentopfstruktur vermindert werden. Durch die Verminderung dieser nicht-strahlenden Rekombinationen erhöht sich die Effizienz des optoelektronischen Bauelements vorteilhaft. Durch die vergleichsweise dünne Zwischenschicht werden die elektrischen Eigenschaften der Quantentopfstruktur ansonsten nur geringfügig verändert.It has been found that it is possible to achieve a reduction of the possible phonon emission modes in the quantum well structure by the insertion of at least one intermediate layer of Al _1-x In _x N with 0 ≤ x ≤ 0.6, which phonon-assisted Auger recombinations be reduced in the quantum well structure. By reducing these non-radiative recombinations, the efficiency of the optoelectronic component increases advantageously. Due to the comparatively thin intermediate layer, the electrical properties of the quantum well structure are otherwise only slightly changed.

Das Phononen-Spektrum kann insbesondere durch eine Variation des Indium-Gehalts x des Materials Al_1-xIn_xN der Zwischenschicht beeinflusst werden. Bevorzugt gilt 0 ≤ x ≤ 0,35.The phonon spectrum can be influenced in particular by a variation of the indium content x of the material Al _1-x In _x N of the intermediate layer. Preferably, 0 ≦ x ≦ 0.35.

Besonders bevorzugt beträgt der Indium-Anteil x der Zwischenschicht 0,09 ≤ x ≤ 0,27. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere in diesem Bereich des Indium-Gehalts die LO-Phononen-Moden stark vermindert sind. Durch Einbettung der mindestens einen Zwischenschicht aus Al_1-xIn_xN mit 0,09 ≤ x ≤ 0,27 können daher Phononen-assistierte Rekombinationen in der Quantentopfstruktur besonders effektiv vermindert werden. Beispielsweise kann x = 0,18 betragen.Particularly preferably, the indium content x of the intermediate layer is 0.09 ≦ x ≦ 0.27. It has been found that especially in this range of indium content, the LO phoneme modes are greatly reduced. By embedding the at least one intermediate layer of Al _1-x In _x N with 0.09 ≦ x ≦ 0.27, therefore, phonon-assisted recombinations in the quantum well structure can be reduced particularly effectively. For example, x = 0.18.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Zwischenschicht eine Dicke von weniger als 1 nm auf. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, zwar das Phononenspektrum im Bereich der Quantentopfstruktur derart zu verändern, dass nicht-strahlende Rekombinationen vermindert werden, wobei andererseits aber die optischen und elektronischen Eigenschaften der Quantentopfstruktur ansonsten nur geringfügig verändert werden.In a preferred embodiment, the intermediate layer has a thickness of less than 1 nm. In this way, it is advantageously possible to change the phonon spectrum in the area of the quantum well structure in such a way that non-radiative recombinations are reduced, but otherwise the optical and electronic properties of the quantum well structure are otherwise only slightly changed.

Bei einer Ausgestaltung ist die mindestens eine Zwischenschicht zwischen der Barriereschicht und der Quantentopfschicht angeordnet. Im Fall einer Mehrfach-Quantentopfstruktur kann die Zwischenschicht beispielsweise jeweils an der Grenzfläche eingefügt sein, an der in Wachstumsrichtung eine Quantentopfschicht auf eine Barriereschicht folgt. Alternativ ist es auch möglich, dass die Zwischenschicht jeweils an der Grenzfläche eingefügt ist, an der in Wachstumsrichtung eine Barriereschicht auf eine Quantentopfschicht folgt.In one embodiment, the at least one intermediate layer is arranged between the barrier layer and the quantum well layer. In the case of one Multiple quantum well structure, the intermediate layer, for example, each be inserted at the interface, followed in the growth direction, a quantum well layer on a barrier layer. Alternatively, it is also possible for the intermediate layer to be inserted in each case at the interface at which a barrier layer follows a quantum well layer in the growth direction.

Der Indiumgehalt x der mindestens einen Zwischenschicht ist bevorzugt derart eingestellt, dass die elektronische Bandlücke der Zwischenschicht gleich der elektronischen Bandlücke einer angrenzenden Barriereschicht ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Indiumgehalt x der mindestens einen Zwischenschicht derart eingestellt, dass die elektronische Bandlücke der Zwischenschicht gleich der elektronischen Bandlücke einer angrenzenden Quantentopfschicht ist. Durch die Anpassung der elektronischen Bandlücke der Zwischenschicht an die Barriereschicht oder die Quantentopfschicht wird vorteilhaft erreicht, dass sich die mindestens eine Zwischenschicht nur geringfügig auf die elektrischen Eigenschaften der Quantentopfstruktur auswirkt.The indium content x of the at least one intermediate layer is preferably set such that the electronic band gap of the intermediate layer is equal to the electronic band gap of an adjacent barrier layer. In a further advantageous embodiment, the indium content x of the at least one intermediate layer is set such that the electronic band gap of the intermediate layer is equal to the electronic band gap of an adjacent quantum well layer. By adapting the electronic band gap of the intermediate layer to the barrier layer or the quantum well layer, it is advantageously achieved that the at least one intermediate layer has only a slight effect on the electrical properties of the quantum well structure.

Die Quantentopfstruktur ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Mehrfach-Quantentopfstruktur, die mehrere Perioden aus jeweils drei Schichten aufweist, wobei die drei Schichten die Barriereschicht, die Zwischenschicht und die Quantentopfschicht sind.In an advantageous embodiment, the quantum well structure is a multiple quantum well structure which has a plurality of periods of three layers each, wherein the three layers are the barrier layer, the intermediate layer and the quantum well layer.

Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Quantentopfstruktur eine Mehrfach-Quantentopfstruktur, die mehrere Perioden aus jeweils vier Schichten aufweist, wobei die vier Schichten die Zwischenschicht, die Barriereschicht, eine weitere Zwischenschicht und die Quantentopfschicht sind. Bei dieser Ausgestaltung ist die Barriereschicht beidseitig von den Zwischenschichten umgeben. Die weitere Zwischenschicht weist die gleichen Eigenschaften und vorteilhaften Ausgestaltungen wie die zuvor beschriebene Zwischenschicht auf.In an alternative embodiment, the quantum well structure is a multiple quantum well structure having multiple periods of four layers each, the four layers being the interlayer, the barrier layer, another interlayer, and the quantum well layer. In this embodiment, the barrier layer is surrounded on both sides by the intermediate layers. The further intermediate layer has the same properties and advantageous configurations as the intermediate layer described above.

Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die Quantentopfstruktur eine Mehrfach-Quantentopfstruktur, in der sich die Barriereschicht und die Quantentopfschicht mit einer ersten Periodenlänge mehrfach wiederholen. In die Quantentopfstruktur sind vorteilhaft mehrere Zwischenschichten eingebettet, die sich mit einer zweiten Periodenlänge mehrfach wiederholen, wobei die erste Periodenlänge ungleich der zweiten Periodenlänge ist. In diesem Fall sind die Zwischenschichten also nicht jeweils genau an einer Grenzfläche zwischen der Barriereschicht und der Quantentopfschicht angeordnet, sondern mit einer zweiten Periodenlänge, die ungleich der ersten Periodenlänge der Quantentopfstruktur ist, in der Quantentopfstruktur verteilt.In a further refinement, the quantum well structure is a multiple quantum well structure in which the barrier layer and the quantum well layer repeat several times with a first period length. In the quantum well structure, several intermediate layers are advantageously embedded, which repeat several times with a second period length, wherein the first period length is not equal to the second period length. In this case, the intermediate layers are therefore not arranged in each case exactly at an interface between the barrier layer and the quantum well layer, but distributed in the quantum well structure with a second period length, which is not equal to the first period length of the quantum well structure.

Bei dieser Ausgestaltung ist die zweite Periodenlänge vorzugsweise kleiner als die erste Periodenlänge. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in jedes Schichtpaar aus einer Barriereschicht und einer Quantentopfschicht jeweils mindestens eine Zwischenschicht eingebettet ist. Die erste Periodenlänge, d. h. die Periodenlänge der Quantentopfstruktur, beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 4 nm und einschließlich 10 nm. Die zweite Periodenlänge, mit der sich die Zwischenschichten wiederholen, beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 4 nm.In this embodiment, the second period length is preferably smaller than the first period length. In this way, it is ensured that in each layer pair of a barrier layer and a quantum well layer in each case at least one intermediate layer is embedded. The first period length, d. H. the period length of the quantum well structure is preferably between 4 nm and 10 nm inclusive. The second period length with which the intermediate layers repeat is preferably between 2 nm and 4 nm inclusive.

Die Dicke der mindestens einen Barriereschicht in der Quantentopfstruktur beträgt vorzugsweise zwischen 1 nm und 3 nm. Die mindestens eine Quantentopfschicht in der Quantentopfstruktur weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 2 nm und 4 nm auf.The thickness of the at least one barrier layer in the quantum well structure is preferably between 1 nm and 3 nm. The at least one quantum well layer in the quantum well structure preferably has a thickness between 2 nm and 4 nm.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.The invention will be described below with reference to embodiments in connection with 1 to 3 explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 FIG. 2 a schematic representation of a cross section through an optoelectronic component according to a first exemplary embodiment, FIG.

2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und 2 a schematic representation of a cross section through an optoelectronic device according to a second embodiment, and

3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. 3 a schematic representation of a cross section through an optoelectronic device according to a third embodiment.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or equivalent components are each provided with the same reference numerals in the figures. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale.

Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 11 handelt es sich um eine LED, die eine strahlungsemittierende aktive Schicht 5 aufweist. Die aktive Schicht 5 ist zwischen einem ersten Halbleiterbereich 6 und einem zweiten Halbleiterbereich 7 angeordnet. Der erste Halbleiterbereich 6 und der zweite Halbleiterbereich 7 weisen einen verschiedenen Leitungstyp auf. Beispielsweise kann der erste Halbleiterbereich 6 n-dotiert und der zweite Halbleiterbereich 7 p-dotiert sein. Der erste Halbleiterbereich 6 und der zweite Halbleiterbereich 7 können jeweils aus mehreren Halbleiterschichten aufgebaut sein, die zur Vereinfachung der Darstellung nicht einzeln dargestellt sind.At the in 1 schematically illustrated embodiment of an optoelectronic device 11 it is an LED, which is a radiation-emitting active layer 5 having. The active layer 5 is between a first semiconductor region 6 and a second semiconductor region 7 arranged. The first semiconductor area 6 and the second semiconductor region 7 have a different conductivity type. For example, the first semiconductor region 6 n-doped and the second semiconductor region 7 be p-doped. The first semiconductor area 6 and the second semiconductor region 7 may each be constructed of a plurality of semiconductor layers, which are not shown individually for simplicity of illustration.

Die Halbleiterschichten des ersten Halbleiterbereichs 6, der aktiven Schicht 5 und des zweiten Halbleiterbereichs 7 sind beispielsweise epitaktisch auf einem Substrat 8 aufgewachsen. Die dem Substrat 8 gegenüberliegende Oberfläche des zweiten Halbleiterbereichs 7 dient als Strahlungsaustrittsfläche der LED. Zur elektrischen Kontaktierung ist beispielsweise ein erster elektrischer Kontakt 9 an der Rückseite des Substrats 8 und ein zweiter elektrischer Kontakt 10 an der Oberfläche des zweiten Halbleiterbereichs 7 vorgesehen. The semiconductor layers of the first semiconductor region 6 , the active layer 5 and the second semiconductor region 7 For example, they are epitaxial on a substrate 8th grew up. The the substrate 8th opposite surface of the second semiconductor region 7 serves as a radiation exit surface of the LED. For electrical contacting, for example, a first electrical contact 9 at the back of the substrate 8th and a second electrical contact 10 on the surface of the second semiconductor region 7 intended.

Das optoelektronische Bauelement 11 muss nicht notwendigerweise den beispielhaft dargestellten Aufbau aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei dem optoelektronischen Bauelement 11 alternativ um eine so genannte Dünnfilm-LED handeln, bei der das zum Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge verwendete Aufwachssubstrat 8 von der Halbleiterschichtenfolge abgelöst wurde und die Halbleiterschichtenfolge an einer dem ursprünglichen Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite mit einem Träger verbunden worden ist. Bei einer solchen Dünnfilm-LED ist der dem Träger zugewandte erste Halbleiterbereich 6 in der Regel p-dotiert und der der Strahlungsaustrittsfläche zugewandte zweite Halbleiterbereich 7 n-dotiert.The optoelectronic component 11 does not necessarily have the structure shown by way of example. For example, it may be in the optoelectronic device 11 Alternatively, it may be a so-called thin-film LED, in which the growth substrate used to grow the semiconductor layer sequence 8th has been detached from the semiconductor layer sequence and the semiconductor layer sequence has been connected to a carrier on a side opposite the original growth substrate side. In such a thin-film LED, the carrier facing the first semiconductor region 6 usually p-doped and the radiation exit surface facing the second semiconductor region 7 n-doped.

Die Halbleiterschichtenfolge 5, 6, 7 des optoelektronischen Bauelements 11 basiert auf einem Nitrid-Verbindungs-Halbleiter. „Auf einem Nitrid-Verbindungshalbleiter basierend” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise In_xAl_yGa_1-x-yN umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des In_xAl_yGa_1-x-yN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.The semiconductor layer sequence 5 . 6 . 7 of the optoelectronic component 11 based on a nitride compound semiconductor. "Based on a nitride compound semiconductor" in the present context means that the semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises a III-nitride compound semiconductor material, preferably In _x Al _y Ga _1-xy N, where 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 and x + y ≤ 1. This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may comprise one or more dopants as well as additional constituents which do not substantially alter the characteristic physical properties of the In _x Al _y Ga _1-xy N material. For the sake of simplicity, however, the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (In, Al, Ga, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.

Die aktive Schicht 5 des optoelektronischen Bauelements 11 ist eine Quantentopfstruktur. Die Quantentopfstruktur 5 enthält Quantentopfschichten 1 aus In_zGa_1-zN mit 0 < z ≤ 1 und Barriereschichten 2 aus In_yGa_1-yN mit 0 ≤ y < 1, wobei z > y gilt. Vorzugsweise gilt 0 < z ≤ 0,4 und 0 ≤ y < 0,4. Die Quantentopfschichten 1 weisen einen größeren Indium-Gehalt als die Barriereschichten 2 auf, sodass die Quantentopfschichten 1 eine kleinere elektronische Bandlücke als die Barriereschichten 2 aufweisen. In den Barriereschichten 2 kann der Indium-Gehalt zum Beispiel auch y = 0 sein, sodass die Barriereschichten GaN aufweisen. Beispielsweise können die Quantentopfschichten 1 In_0,2Ga_0,8N und die Barriereschichten 2 GaN aufweisen. Die Quantentopfschichten 1 weisen beispielsweise eine Dicke zwischen 2 nm und 4 nm auf. Die Dicke der Barriereschichten 2 beträgt beispielsweise zwischen 1 nm und 3 nm.The active layer 5 of the optoelectronic component 11 is a quantum well structure. The quantum well structure 5 contains quantum well layers 1 of In _z Ga _{1 -z} N with 0 <z ≤ 1 and barrier layers 2 from In _y Ga _1-y N where 0 ≤ y <1, where z> y. Preferably, 0 <z ≦ 0.4 and 0 ≦ y <0.4. The quantum well layers 1 have a greater indium content than the barrier layers 2 so that the quantum well layers 1 a smaller electronic band gap than the barrier layers 2 exhibit. In the barrier stories 2 For example, the indium content may also be y = 0 such that the barrier layers comprise GaN. For example, the quantum well layers 1 In _0.2 Ga _0.8 N and the barrier layers 2 GaN have. The quantum well layers 1 For example, they have a thickness between 2 nm and 4 nm. The thickness of the barrier layers 2 is for example between 1 nm and 3 nm.

Zwischen den Quantentopfschichten 1 und den Barriereschichten 2 ist vorteilhaft jeweils eine Zwischenschicht 3 angeordnet. Die Zwischenschicht 3 enthält Al_1-xIn_xN, wobei vorzugsweise 0 ≤ x ≤ 0,35 gilt. Die Dicke der Zwischenschicht 3 beträgt vorzugsweise weniger als 1,5 nm, besonders bevorzugt weniger als 1 nm.Between the quantum well layers 1 and the barrier stories 2 is advantageous in each case an intermediate layer 3 arranged. The intermediate layer 3 contains Al _1-x In _x N, where preferably 0 ≦ x ≦ 0.35. The thickness of the intermediate layer 3 is preferably less than 1.5 nm, more preferably less than 1 nm.

Bei der Quantentopfstruktur 5 handelt es sich bei dem Ausführungsbeispiel um eine Mehrfach-Quantentopfstruktur, die vier Perioden 4 aus jeweils der Quantentopfschicht 1, der Zwischenschicht 3 und der Barriereschicht 2 enthält. Die Quantentopfstruktur 5 kann alternativ auch eine andere Anzahl von Perioden aufweisen, beispielsweise zwischen eins und zehn. Insbesondere ist es möglich, dass die Quantentopfstruktur 5 eine Einfach-Quantentopfstruktur mit nur einer Periode ist. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Perioden 4 zwischen einschließlich vier und einschließlich sieben. Jede Periode 4 der Quantentopfstruktur 5 weist z. B. eine Dicke zwischen einschließlich 4 nm und einschließlich 10 nm auf.In the quantum well structure 5 the embodiment is a multiple quantum well structure, the four periods 4 from each of the quantum well layer 1 , the intermediate layer 3 and the barrier layer 2 contains. The quantum well structure 5 may alternatively have a different number of periods, for example between one and ten. In particular, it is possible that the quantum well structure 5 is a single quantum well structure with only one period. Preferably, the number of periods 4 between four and seven inclusive. Every period 4 the quantum well structure 5 has z. Example, a thickness between 4 nm and 10 nm inclusive.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Zwischenschichten 3 in Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge jeweils an der Grenzfläche angeordnet, an der eine Barriereschicht 2 auf eine Quantentopfschicht 1 folgt. Alternativ wäre es auch möglich, die Zwischenschichten 3 jeweils an der Grenzfläche anzuordnen, an der in Wachstumsrichtung eine Quantentopfschicht 1 auf eine Barriereschicht 2 folgt.In the embodiment, the intermediate layers 3 arranged in the growth direction of the semiconductor layer sequence respectively at the interface at which a barrier layer 2 on a quantum well layer 1 follows. Alternatively, it would also be possible to use the intermediate layers 3 each to be arranged at the interface, at the growth direction in a quantum well layer 1 on a barrier layer 2 follows.

Die aktive Schicht des optoelektronischen Bauelements 11 ist zur Emission von Strahlung, insbesondere im ultravioletten, blauen oder grünen Spektralbereich, vorgesehen. Durch die Zwischenschichten 3, die in der Quantentopfstruktur 5 zwischen den Quantentopfschichten 1 und den Barriereschichten 2 angeordnet sind, erhöht sich vorteilhaft die Effizienz der Strahlungserzeugung. Dies beruht insbesondere darauf, dass nicht-strahlende Rekombinationen von Ladungsträgern in der Quantentopfstruktur 5, bei denen es sich um Phononen-assistierte Auger-Rekombinationen handelt, vermindert werden. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass durch das Einfügen der Zwischenschichten 3 aus Al_1-xIn_xN die Zustandsdichte der LO-Phononen in der Quantentopfstruktur 5 vermindert wird. Besonders ausgeprägt ist dieser vorteilhafte Effekt, wenn der Indium-Anteil x der Zwischenschichten 3 zwischen einschließlich 0,09 und einschließlich 0,27 beträgt. Beispielsweise können die Zwischenschichten Al_0,82In_0,18N aufweisen.The active layer of the optoelectronic component 11 is intended for the emission of radiation, in particular in the ultraviolet, blue or green spectral range. Through the intermediate layers 3 that are in the quantum well structure 5 between the quantum well layers 1 and the barrier stories 2 are arranged, advantageously increases the efficiency of radiation generation. This is in particular due to the fact that non-radiative recombinations of charge carriers in the quantum well structure 5 , which are phonon-assisted Auger recombinations. In particular, it has been found that by inserting the intermediate layers 3 from Al _1-x In _x N, the density of states of the LO phonons in the quantum well structure 5 is reduced. This advantageous effect is particularly pronounced when the indium content x of the intermediate layers 3 between 0.09 and 0.27 inclusive. For example, the intermediate _layers may have Al _0.82 In _0.18N .

Insbesondere wird durch das Einfügen der Zwischenschichten 3 der Quantenwirkungsgrad der Quantentopfstruktur 5 erhöht, wenn das optoelektronische Bauelement 11 mit hohen Stromstärken betrieben wird. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass durch das Einfügen der Zwischenschichten 3 Verspannungen in dem Halbleitermaterial vermindert werden können. Dies bewirkt eine Verbesserung der Kristallqualität, durch die sich der Quantenwirkungsgrad insbesondere auch bei vergleichsweise kleinen Stromstärken erhöht. In particular, by inserting the intermediate layers 3 the quantum efficiency of the quantum well structure 5 increases when the optoelectronic device 11 operated at high currents. Furthermore, it has been found that by inserting the intermediate layers 3 Tension in the semiconductor material can be reduced. This causes an improvement in crystal quality, which increases the quantum efficiency, especially at relatively low currents.

Die Gitterkonstante der Zwischenschichten 3 kann durch eine Veränderung des Indium-Gehalts x variiert werden, sodass eine Gitteranpassung an eine angrenzende Quantentopfschicht 1 oder die benachbarte Barriereschicht 2 erzielt werden kann. Durch eine geeignete Einstellung des Indium-Gehalts x der Zwischenschichten 3 kann alternativ oder zusätzlich vorteilhaft erreicht werden, dass die elektronische Bandlücke der Zwischenschicht 3 an eine angrenzende Barriereschicht 2 oder Quantentopfschicht 1 angepasst ist.The lattice constant of the intermediate layers 3 can be varied by changing the indium content x so that lattice matching to an adjacent quantum well layer 1 or the adjacent barrier layer 2 can be achieved. By a suitable adjustment of the indium content x of the intermediate layers 3 can be achieved alternatively or additionally advantageous that the electronic band gap of the intermediate layer 3 to an adjacent barrier layer 2 or quantum well layer 1 is adjusted.

Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 11 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass in der Mehrfach-Quantentopfstruktur 5 zwischen allen benachbarten Quantentopfschichten 1 und Barriereschichten 2 jeweils eine Zwischenschicht 3 angeordnet ist. In diesem Fall besteht jede Periode 4 der Quantentopfstruktur 5 aus einer ersten Zwischenschicht 3, der Quantentopfschicht 1, einer weiteren Zwischenschicht 3 und der Barriereschicht 2. Die Zwischenschichten 3 weisen vorteilhaft jeweils eine Dicke von weniger als 1 nm auf. Im Übrigen entsprechen die vorteilhaften Ausgestaltungen der Zwischenschichten 3, der Quantentopfschicht 1 und der Barriereschicht 2 sowie des optoelektronischen Bauelements 11 dem ersten Ausführungsbeispiel.This in 2 illustrated second embodiment of an optoelectronic device 11 differs from the first embodiment in that in the multiple quantum well structure 5 between all adjacent quantum well layers 1 and barrier layers 2 one intermediate layer each 3 is arranged. In this case, every period exists 4 the quantum well structure 5 from a first intermediate layer 3 , the quantum well layer 1 , another intermediate layer 3 and the barrier layer 2 , The intermediate layers 3 each advantageously have a thickness of less than 1 nm. Otherwise, the advantageous embodiments correspond to the intermediate layers 3 , the quantum well layer 1 and the barrier layer 2 and the optoelectronic component 11 the first embodiment.

Dadurch, dass bei dem zweiten Ausführungsbeispiel an allen Grenzflächen zwischen jeweils einer Quantentopfschicht 1 und einer Barriereschicht 2 die Zwischenschicht 3 eingefügt ist, kann die Phononenzustandsdichte noch effektiver vermindert werden, sodass unerwünschte nicht-strahlende Rekombinationen in Form von Phononen-assistierten Auger-Rekombinationen noch effektiver unterdrückt werden.Characterized in that in the second embodiment at all interfaces between each quantum well layer 1 and a barrier layer 2 the intermediate layer 3 is inserted, the phonon state density can be reduced even more effectively so that undesired non-radiative recombinations in the form of phonon-assisted Auger recombinations are suppressed even more effectively.

Das in 3 schematisch im Querschnitt dargestellte dritte Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements weist wie die vorherigen Ausführungsbeispiele eine Mehrfach-Quantentopfstruktur 5 auf, die durch mehrere Perioden 4 gebildet ist, die jeweils eine Quantentopfschicht 1 und eine Barriereschicht 2 enthalten. Die Ausgestaltungen der Quantentopfschichten 1 und der Barriereschichten 2 entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel.This in 3 schematically illustrated in cross-section third embodiment of an optoelectronic device has, as the previous embodiments, a multiple quantum well structure 5 on, passing through several periods 4 is formed, each having a quantum well layer 1 and a barrier layer 2 contain. The embodiments of the quantum well layers 1 and the barrier stories 2 correspond to the first embodiment.

In die Mehrfach-Quantentopfstruktur 5 sind mehrere Zwischenschichten 3 aus Al_1-xIn_xN mit 0 ≤ x ≤ 0,6 eingebettet. Im Gegensatz zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen sind die Zwischenschichten 3 in einer periodischen Abfolge in die Quantentopfstruktur 5 eingebettet, wobei die Periodenlänge d₂ der Anordnung der Zwischenschichten 3 nicht der Periodenlänge d₁ der Quantentopfstruktur 5 entspricht. Mit anderen Worten weist die Abfolge von Quantentopfschichten 1 und Barriereschichten 2 eine erste Periodenlänge d₁ und die Abfolge der Zwischenschichten 3 eine zweite Periodenlänge d₂ auf, wobei d₁ ≠ d₂ ist.Into the multiple quantum well structure 5 are several intermediate layers 3 embedded in Al _1-x In _x N with 0 ≤ x ≤ 0.6. In contrast to the first two embodiments, the intermediate layers 3 in a periodic sequence into the quantum well structure 5 embedded, wherein the period length d _{2 of} the arrangement of the intermediate layers 3 not the period length d _{1 of} the quantum well structure 5 equivalent. In other words, the sequence of quantum well layers 1 and barrier layers 2 a first period length d ₁ and the sequence of intermediate layers 3 a second period length d ₂ , where d ₁ ≠ d ₂ .

Dies hat zur Folge, dass die Zwischenschichten 3 nicht notwendigerweise jeweils an einer Grenzfläche zwischen einer Quantentopfschicht 1 und einer Barriereschicht 2 angeordnet sind. Vielmehr können die Zwischenschichten 3 auch in eine Quantentopfschicht 1 oder eine Barriereschicht 2 eingebettet sein. In diesem Fall ist die Zwischenschicht 3 also von einer ersten Teilschicht und einer zweiten Teilschicht der jeweiligen Quantentopfschicht 1 oder Barriereschicht 2 umgeben. Beispielsweise weist die erste Quantentopfschicht 1 der in Wachstumsrichtung untersten Periode 4 eine erste Teilschicht 1a und eine zweite Teilschicht 1b auf, wobei eine Zwischenschicht 3 zwischen der ersten Teilschicht 1a und der zweiten Teilschicht 1b angeordnet ist. Weiterhin sind eine oder sogar zwei Zwischenschichten in einige der weiteren Quantentopfschichten 1 und Barriereschichten 2 eingebettet. Die in Wachstumsrichtung oberste Periode 4 der Quantentopfstruktur 5 weist beispielsweise eine Barriereschicht 2 auf, die eine erste Teilschicht 2a und eine zweite Teilschicht 2b aufweist, wobei eine Zwischenschicht 3 zwischen der ersten Teilschicht 2a und der zweiten Teilschicht 2b angeordnet ist.This has the consequence that the intermediate layers 3 not necessarily each at an interface between a quantum well layer 1 and a barrier layer 2 are arranged. Rather, the intermediate layers 3 also in a quantum well layer 1 or a barrier layer 2 be embedded. In this case, the intermediate layer 3 that is to say of a first partial layer and a second partial layer of the respective quantum well layer 1 or barrier layer 2 surround. For example, the first quantum well layer 1 the lowest period in the growth direction 4 a first sub-layer 1a and a second sub-layer 1b on, with an intermediate layer 3 between the first sub-layer 1a and the second sub-layer 1b is arranged. Furthermore, one or even two intermediate layers are in some of the other quantum well layers 1 and barrier layers 2 embedded. The highest period in the growth direction 4 the quantum well structure 5 has, for example, a barrier layer 2 on, which is a first sub-layer 2a and a second sub-layer 2 B having an intermediate layer 3 between the first sub-layer 2a and the second sub-layer 2 B is arranged.

Weiterhin kann es bei dieser Ausführungsform auch der Fall sein, dass zumindest ein Teil der Zwischenschichten 3 an einer Grenzfläche zwischen einer Quantentopfschicht 1 und einer Barriereschicht 2 angeordnet ist. Beispielsweise grenzt die Barriereschicht 2 der in Wachstumsrichtung untersten Periode 4 beidseitig an eine Zwischenschicht 3 an.Furthermore, in this embodiment it may also be the case that at least a part of the intermediate layers 3 at an interface between a quantum well layer 1 and a barrier layer 2 is arranged. For example, the barrier layer is adjacent 2 the lowest period in the growth direction 4 on both sides to an intermediate layer 3 at.

Die Zwischenschichten 3 sind bei diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft vergleichsweise dünn. Bevorzugt beträgt die Dicke der Zwischenschichten 3 weniger als 1 nm, besonders bevorzugt weniger als 0,5 nm.The intermediate layers 3 are advantageously comparatively thin in this embodiment. The thickness of the intermediate layers is preferably 3 less than 1 nm, more preferably less than 0.5 nm.

Die Periodenlänge d₂ der Zwischenschichten 3 beträgt vorzugsweise zwischen 2 nm und 4 nm. Vorzugsweise ist die Periodenlänge d₂ der Zwischenschichten 3 kleiner als die Periodenlänge d₁ der Mehrfach-Quantentopfstruktur 5. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in jede Periode 4 der Quantentopfstruktur 5 mindestens eine Zwischenschicht 3 eingebettet ist. Die Periode der Quantentopfstruktur 5 kann beispielsweise zwischen 4 nm und 10 nm betragen.The period length d _{2 of} the intermediate layers 3 is preferably between 2 nm and 4 nm. Preferably, the period length d _{2 of} the intermediate layers 3 smaller than the period length d ₁ the multiple quantum well structure 5 , This ensures that in every period 4 the quantum well structure 5 at least one intermediate layer 3 is embedded. The period of the quantum well structure 5 may for example be between 4 nm and 10 nm.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Indium-Gehalt x der Zwischenschichten 3 jeweils derart eingestellt, dass die elektronische Bandlücke der Zwischenschicht 3 an das Material der Quantentopfschicht 1 oder der Barriereschicht 2 angepasst ist, in welche die jeweilige Zwischenschicht 3 eingebettet ist. Im Fall einer an einer Grenzfläche zwischen einer Quantentopfschicht 1 und einer Barriereschicht 2 angeordneten Zwischenschicht 3 ist der Indium-Gehalt x der Zwischenschicht 3 vorzugsweise derart eingestellt, dass die elektronische Bandlücke der Zwischenschicht 3 entweder der angrenzenden Quantentopfschicht 1 oder der angrenzenden Barriereschicht 2 entspricht. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass die elektronischen Eigenschaften der Quantentopfstruktur 5 durch das Einbetten der Zwischenschichten 3 nicht signifikant beeinflusst werden. Auf diese Weise wird also vorteilhaft erreicht, dass unerwünschte Phononen im Halbleitermaterial, welche die Effizienz des optoelektronischen Bauelements 11 durch nicht-strahlende Rekombinationen vermindern könnten, reduziert werden, wobei gleichzeitig aber die sonstigen elektronischen und optischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements 11 nur unwesentlich verändert werden.In a particularly preferred embodiment, the indium content x of the intermediate layers 3 each set such that the electronic band gap of the intermediate layer 3 to the material of the quantum well layer 1 or the barrier layer 2 is adapted, in which the respective intermediate layer 3 is embedded. In the case of one at an interface between a quantum well layer 1 and a barrier layer 2 arranged intermediate layer 3 is the indium content x of the intermediate layer 3 preferably set such that the electronic band gap of the intermediate layer 3 either the adjacent quantum well layer 1 or the adjacent barrier layer 2 equivalent. In this way, it is advantageously achieved that the electronic properties of the quantum well structure 5 by embedding the intermediate layers 3 not be significantly influenced. In this way, it is advantageously achieved that unwanted phonons in the semiconductor material, which the efficiency of the optoelectronic component 11 reduced by non-radiative recombinations can be reduced, but at the same time the other electronic and optical properties of the optoelectronic device 11 are only slightly changed.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

E. Kioupakis et al., "Indirect Auger Recombination as a Cause of Efficiency in Nitride Light-emitting Diodes", Applied Physics Letters 98, 161107 (2011) [0003]

Claims

Optoelectronic component ( 11 ) having an active layer comprising a quantum well structure ( 5 ), wherein the quantum well structure ( 5 ) at least one barrier layer ( 2 from In _y Ga _{1 -y} N where 0≤y <1 and at least one quantum well layer ( 1 In _z Ga _{1 -z} N with 0 <z ≦ 1 and z> y, characterized in that in the quantum well structure ( 5 ) at least one intermediate layer ( 3 ) of Al _1-x In _x N where 0 ≦ x ≦ 0.60 which has a thickness of less than 1.5 nm.

Optoelectronic component according to claim 1, wherein for the indium portion x of the intermediate layer ( 3 ): 0 ≤ x ≤ 0.35.

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein for the indium portion x of the intermediate layer ( 3 ): 0.09 ≤ x ≤ 0.27.

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein the at least one intermediate layer ( 3 ) has a thickness of less than 1 nm.

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein the at least one intermediate layer ( 3 ) between the barrier layer ( 2 ) and the quantum well layer ( 1 ) is arranged.

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein the indium content x of the intermediate layer ( 3 ) is set such that the electronic band gap of the intermediate layer ( 3 ) equal to the electronic band gap of an adjacent barrier layer ( 2 ).

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein the indium content x of the intermediate layer ( 3 ) is set such that the electronic band gap of the intermediate layer ( 3 ) equal to the electronic band gap of an adjacent quantum well layer ( 1 ).

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein the quantum well structure ( 5 ) is a multiple quantum well structure having multiple periods ( 4 ) each comprising the following three layers: - the barrier layer ( 2 ), - the intermediate layer ( 3 ), and - the quantum well layer ( 1 ).

Optoelectronic component according to one of claims 1 to 7, wherein the quantum well structure ( 5 ) is a multiple quantum well structure having multiple periods ( 4 ) each comprising the following four layers: - the intermediate layer ( 3 ), - the barrier layer ( 2 ), - another intermediate layer ( 3 ), and - the quantum well layer ( 1 ).

Optoelectronic component according to one of claims 1 to 7, wherein the quantum well structure ( 5 ) is a multiple quantum well structure in which the barrier layer ( 2 ) and the quantum well layer ( 1 ) with a first period length several times, whereby in the quantum well structure ( 5 ) several intermediate layers ( 3 ) are repeated, which repeat several times with a second period length, and wherein the first period length is not equal to the second period length.

An optoelectronic component according to claim 10, wherein the second period length is smaller than the first period length.

An optoelectronic component according to claim 10 or 11, wherein the second period length is between 2 nm inclusive and 4 nm inclusive.

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein the thickness of the at least one barrier layer ( 2 ) is between 1 nm and 3 nm.

Optoelectronic component according to one of the preceding claims, wherein the thickness of the at least one quantum well layer ( 1 ) is between 2 nm and 4 nm.