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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausgestaltungen ist die Konzentration der Dotierstoffe
innerhalb einer Schicht des Übergitters
konstant oder gradiert.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausgestaltungen ist das optoelektronische Bauelement
eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
im folgenden in Verbindung mit den in den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Querschnittszeichnung eines optoelektronischen Bauelements mit einer
Halbleiterschicht-Struktur mit Übergitter
und die
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2-5 schematische
Darstellungen von Feldstärkenamplitude
und Brechungsindex sowie Dotierstoffkonzentration innerhalb eines Übergitters bei
verschiedenen Ausführungsbeispielen
einer Halbleiter-Schichtstruktur mit Übergitter.
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In 1 ist
die Schichtenfolge einer Halbleiter-Schichtstruktur eines optoelektronischen
Bauelements mit einem Übergitter
im Querschnitt schematisch dargestellt. Auf einem Substrat 1 sind
eine Anpassungsschicht 2 und folgend eine n-dotierte Kontaktschicht 3 aufgewachsen.
Zur einfacheren Darstellung wird der Dotierungstyp von Schichten
im Folgenden durch Voranstellen des Buchstabens n oder p angegeben,
also z. B. n-Kontaktschicht 3.
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Auf
der n-Kontaktschicht 3 befindet sich eine n-Mantelschicht 4 und
eine n-Wellenleiterschicht 5. Auf diese ist eine aktive
Schicht 6 aufgebracht, anschließend eine Barriereschicht 7 sowie
eine p-Wellenleiterschicht 8. Es folgt eine p- Mantelschicht, die als Übergitter 9 ausgeführt ist.
Das Übergitter 9 weist die
alternierend gestapelten Schichten 9a einer ersten Zusammensetzung
a und 9b einer zweiten Zusammensetzung b auf. Schichten 9a, 9b gleicher
Zusammensetzung a, b werden im Folgenden auch zusammenfassend mithilfe
der Bezeichnung Schichtgruppe 9a, 9b referenziert.
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Auf
das Übergitter 9 ist
eine p-Kontaktschicht 10 aufgewachsen. Im rechten Bereich
ist die Schichtenfolge durch Abätzen
bis auf eine dem Substrat abgewandte Fläche der n-Kontaktschicht 3 abgetragen, beziehungsweise
wurde in diesem Bereich durch Maskierung erst gar nicht aufgebaut.
Auf der freiliegenden Fläche
der n-Kontaktschicht 3 ist ein n-Kontakt 11 aufgebracht.
Auf der p-Kontaktschicht 10 befindet sich ein p-Kontakt 12.
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Die 1 ist
als schematische Zeichnung zu verstehen. Insbesondere sind die gezeigten
Schichtdicken nicht maßstabsgetreu.
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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.
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Das
in 1 gezeigte Bauelement stellt eine Doppel-Heterostruktur Laserdiode
dar. Im Folgenden ist beispielhaft eine Realisierung im InxAlyGa1-x-yN
Materialsystem näher
beschrieben. In einem solchen Fall kann Saphir als Substrat 1 Verwendung
finden und n-dotiertes GaN als n-Kontaktschicht 3 eingesetzt
werden. Zur n-Dotierung der GaN-Schicht wird vorzugsweise Silizium
(Si) eingesetzt. Als Anpassungsschicht 2 ist typischerweise
eine Aluminiumnitrid (AlN) Schicht zwischen dem Saphir-Substrat 1 und
der GaN n-Kontaktschicht 3 zur Anpassung der unterschiedlichen
Gitterkonstanten dieser Schicht vorgesehen.
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Analog
kann die p-Kontaktschicht 10 durch eine mit Magnesium (Mg)
p-dotierte GaN-Schicht realisiert werden, wobei eine durch die Magnesiumstörstellen
induzierte Löcherleitung
nach Aufwachsen der Schicht in bekannter Weise aktiviert wird, z.B.
durch Elektronenbestrahlung oder thermische Behandlung. Als n- oder
p-Kontakte 11 bzw. 12 können Elektroden, z.B. aus Aluminium
oder Nickel, auf die entsprechenden n- oder p-Kontaktschichten 3 bzw. 10 aufgedampft
werden. Das zu dem Zweck erforderliche Freilegen der n-Kontaktschicht 3 kann beispielsweise
durch einen Trockenätzprozess
in Chlorgas oder durch Argon-Ionen-Sputtern erfolgen.
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Alternativ
kann statt eines nicht leitenden Substrats 1 ein leitendes
Substrat, wie z.B. Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC),
eingesetzt werden. In einem solchen Fall kann die n-Kontaktschicht 3 und
gegebenenfalls, z.B. beim Einsatz von GaN, die Anpassungsschicht 2 entfallen.
Der n-Kontakt 11 kann dann gegenüber dem p-Kontakt 12 auf der
der Halbleiter-Schichtstruktur abgewandten Seite des Substrats aufgebracht
werden, so dass eine vertikal leitende Halbleiter-Schichtstruktur
gebildet wird.
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Ohne
Einschränkung
ist in der 1 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei
dem zunächst
n-dotierte Schichten auf das Substrat 1 aufgebracht sind. Eine
Anordnung, bei der p-dotierte Schichten näher am Substrat 1 angeordnet
sind als die n-dotierten Schichten, ist ebenso möglich. Die beiden Ausführungen
können
bezüglich
der Ladungsträgerinjektion in
die Halbleiterschichtstruktur unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Abhängig
von den gewünschten
Eigenschaften kann sich jede der Ausführungen im Einzelfall als vorteilhaft
erweisen.
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Die
aktive Schicht 6 kann z.B. eine Einfach- oder Mehrfach-Quantenschichtstruktur
sein, bei der Indium-Galliumnitrid (InGaN)-Quantenschichten abwechselnd
mit AlGaN-Barriereschichten
gestapelt sind.
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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.
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Darüber hinaus
ist auch der Einsatz einer Fotolumineszenzaktiven Schicht, z. B.
einer Fremdatom-dotierten InGaN-Schicht
als aktive Schicht 6 denkbar.
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Die
die aktive Schicht 6 umgebenden Schichten (n- und p-Wellenleiterschichten 5 bzw. 8, n-Mantelschicht 4, Übergitter 9 als
p-Mantelschicht und Barriereschicht 7) haben eine größere Bandlücke als
die aktive Schicht 6. Dieses bewirkt eine Konzentration
oder eine Eingrenzung, auch confinement genannt, von Ladungsträgern auf
die aktive Schicht 6. Die Anzahl der zu diesem Zweck vorgesehenen Schichten
ist nicht auf die in der Figur gezeigte Anzahl von fünf Schichten
festgelegt, sondern prinzipiell beliebig.
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Weiterhin
bilden die die aktive Schicht 6 umgebenden Schichten einen
Wellenleiter für
die in der aktiven Schicht 6 erzeugte Strahlung. Gute Wellenführungseigenschaften
werden erreicht, wenn der Brechungsindex in einer Richtung senkrecht
zur aktiven Schicht 6 von dieser aus nach außen abnimmt. Da
GaN einen höheren
Brechungsindex aufweist als AlGaN, sind die näher an der aktiven Schicht 6 angeordneten
n- und p-Wellenleiterschichten 5 bzw. 8 im Ausführungsbeispiel
als GaN-Schichten ausgeführt. Die
n-Mantelschicht 4 und das Übergitter 9 als p-Mantelschicht
sind bevorzugt aluminiumhaltig.
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Auf
der dem Substrat 1 zugewandten Seite der aktiven Schicht 6 (n-dotierte
Seite) kann die Wellenleiterschicht 5 folglich als eine
Si-dotierte GaN-Schicht ausgeführt
sein und die Mantelschicht 4 entsprechend als eine Si-dotierte
AlGaN-Schicht. Auf der
dem Substrat 1 abgewandten Seite der aktiven Schicht 6 (p-dotierte
Seite) wird analog eine Magnesium (Mg)-dotierte GaN-Schicht als
Wellenleiterschicht 8 eingesetzt. Um eine direkte Rekombination von
Elektronen, die aus der aktiven Schicht 6 in die Wellenleiterschicht 8 diffundieren,
mit den dort befindlichen Löchern
zu verhindern, ist zwischen beiden Schichten zusätzlich die Barriereschicht 7 vorgesehen.
Diese kann durch eine AlGaN-Schicht
realisiert sein, die typischerweise deutlich dünner als die n- und p-Wellenleiterschichten 5 bzw. 8,
die n-Mantelschicht 4 oder das Übergitter 9 ausgeführt ist.
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Die
p-seitige Mantelschicht wird durch das Übergitter 9 realisiert.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 ist das Übergitter 9 durch
abwechselnd angeordnete Schichten 9a der ersten Zusammensetzung
a und Schichten 9b der zweiten Zusammensetzung b gebildet.
Beispielhaft und wegen einer übersichtlicheren Darstellung
sind in der Figur nur je 3 Schichten der zwei verschiedenen Zusammensetzungen
a und b gezeigt. In tatsächlichen
Umsetzungen der Erfindung weist das Übergitter üblicherweise eine größere Anzahl
von Schichten auf, beispielsweise mehrere zehn bis einige hundert
Schichten jeder Zusammensetzung. Typische Schichtdicken für eine einzelne Schicht
des Übergitters 9 liegen
im Bereich von wenigen nm bis hin zu mehreren zehn nm, z.B. zwischen
2 nm und 50 nm und bevorzugt zwischen 3 nm und 10 nm. Schichten
gleicher Zusammensetzung weisen nominell (d.h. im Rahmen der Genauigkeit der
Schichtdickenkontrolle während
oder nach dem Wachstumsprozess) die gleiche Schichtdicke auf. Die
Schichten 9a der ersten Zusammensetzung a und die Schichten 9b der
zweiten Zusammensetzung b können
sich in ihrer Dicke jedoch voneinander unterscheiden (asymmetrisches Übergitter)
oder auch gleich sein (symmetrisches Übergitter).
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Das Übergitter 9 kann
nicht nur, wie gezeigt, aus Schichten mit zwei verschiedenen Zusammensetzungen
a, b bestehen, sondern auch aus Schichten mit drei oder mehreren
verschiedenen Zusammensetzungen, indem z.B. eine Schichtenfolge "abcdabcdabcd..." oder "abcbabcb..." gebildet wird, wobei
c und d Zusammensetzungen sind, die sich voneinander und von der
ersten und zweiten Zusammensetzung a und b unterscheiden. Wie bereits
ausgeführt,
ist im Rahmen der Anmeldung die Zusammensetzung einer Schicht durch
in der Schicht enthaltene Elemente sowie ihre nominelle (d.h. innerhalb
der Genauigkeit der Kompositionsüberwachung
während oder
nach dem Wachstumsprozess) Stöchiometrie definiert,
wobei Dotierstoffe und Verunreinigungen nicht mitberücksichtigt
werden. Im Sinne dieser Definition haben beispielsweise somit Al0.1Ga0.9N Schichten
und Al0.2Ga0.8N
Schichten unterschiedliche Zusammensetzungen, während eine mit Si n-dotierte GaN-Schicht
und eine undotierte GaN-Schicht als Schichten gleicher Zusammensetzung
zu betrachten sind. Für
die Anzahl der Elemente einer Schicht besteht keine Begrenzung.
Die Schichten des Übergitters 9 können z.B.
elementar sein, d.h. nur aus einem Element bestehen, oder auch binär, ternär, quaternär usw. sein.
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Im
GaN-basierten Materialsystem kann das Übergitter 9 als p-Mantelschicht
z.B. aus alternierenden Mg-dotierten GaN-Schichten und Mg-dotierten AlGaN-Schichten
bestehen. Aufgrund der hohen Aktivierungsenergie der Mg-Dotieratome
ist die elektrische Leitfähigkeit
von p-dotierten Schichten gering. Zudem hat AlGaN eine größere Bandlücke als
GaN und weist aufgrund einer geringeren Dotiereffizienz eine geringere
Leitfähigkeit
auf. Die Dotiereffizienz gibt an, in welcher Konzentration Dotierstoffe überhaupt
vom Material aufgenommen werden und welcher Anteil aufgenommener
Dotieratome prinzipiell (d.h. unbeachtlich temperaturbedingter Besetzungseffekte) überhaupt
zur Leitfähigkeit
beitragen kann. Die Dotiereffizienz ist unter Anderem davon abhängig, welche
Gitter- oder Zwischengitterplätzen
die Dotieratome einnehmen.
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Durch
den Einsatz höher
und effizienter dotierbarer und somit leitfähigerer GaN-Schichten kann das Übergitter 9 verglichen mit
einer p-dotierten reinen AlGaN-Mantelschicht eine erhöhte Leitfähigkeit bei
effektiv gleichem Brechungsindex aufweisen. Ein effektiv gleicher
Brechungsindex kann durch einen erhöhten Aluminiumgehalt der im Übergitter 9 eingesetzten
AlGaN-Schichten verglichen mit der AlGaN-Mantelschicht erreicht
werden.
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Statt
eines GaN-/AlGaN-Übergitters 9 ist ebenso
ein Übergitter 9 denkbar,
in dem AlxGa1-xN/AlyGa1-yN-Schichten
mit 0 ≤ x,
y ≤ 1 und
x ≠ y abwechselnd
gestapelt sind. Weiterhin ist auch für die n-dotierte AlGaN-Mantelschicht 4 der
Einsatz eines Übergitters
denkbar. Aufgrund der im allgemeinen höheren Leitfähigkeit von n-dotierten Schichten liegt
in diesem Fall ein Vorteil nicht primär in einer erhöhten vertikalen
Leitfähigkeit.
Vorteile ergeben sich jedoch durch eine möglichen Verringerung von Verspannungen,
die in der aktiven Schicht 6 induziert werden. Ein weiterer
Vorteil, der insbesondere bei seitlicher Stromeinbringung zum Tragen
kommt, liegt in der erhöhten
lateralen Stromleitfähigkeit
eines Übergitters
begründet.
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Übergitter,
bei dem alle Schichten
9a der ersten Zusammensetzung a
beziehungsweise alle Schichten
9b der zweiten Zusammensetzung
b die gleiche Dotierung, d.h. gleicher Dotierstoff in gleicher Konzentration,
aufweisen, sind z.B. aus der
EP 0881666 B1 oder aus der Veröffentlichung
von
P. Kozodoy et al. in Applied Physics Letters 1999, Vol.
74, Nr. 24, S. 3681 bekannt.
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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 9a und/oder 9b,
die anders dotiert ist, als die übrigen
Schichten der Schichtgruppe.
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Im
folgenden sind im Zusammenhang mit den 2 bis 5 Halbleiter-Schichtstrukturen beschrieben,
bei denen der Dotiergrad von Schichten gleicher Zusammensetzung
(Schichtgruppe) innerhalb eines Übergitters
variiert. Die Schichtabfolge der im folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele
entspricht grundsätzlich
dem in 1 gezeigten Beispiel, mit Ausnahme der n-Kontaktschicht 3,
der Anpassungsschicht 2 und des Substrats 1, die
in den Diagrammen der 2 bis 5 nicht wiedergegeben sind.
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In
den 2 bis 5 ist
jeweils zu verschiedenen Ausführungsbeispielen
einer Halbleiter-Schichtstruktur je ein Diagramm gezeigt, in dem ein
Brechungsindex n (rechte Ordinate) und eine Feldamplitude A des
optischen Strahlungsfeldes (linke Ordinate) abhängig von der vertikalen Position
z innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur (Abszisse) angegeben
ist. Basierend auf derselben vertikalen Position z ist oberhalb
der Diagramme jeweils die zugehörige
Schichtabfolge dargestellt, wobei die Schichten mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sind, wie sie in 1 eingeführt sind.
Die vertikale Position z innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur
ist von der der aktiven Schicht 6 abgewandten Grenzfläche der p-Kontaktschicht 10 gerechnet
entgegen der Aufwachsrichtung in nm angegeben. Selbstverständlich kann
die Positionsreferenz beliebig gewählt werden, z.B. könnte eine
Seite des Übergitters 9 als
Positionsreferenz herangezogen werden.
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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 2-5 gezeigten
Ausführungsbeispielen
sind die p-Kontaktschicht 10, die p-Wellenleiterschicht 8 und
die n-Wellenleiterschicht 5 GaN-Schichten. Die Barriereschicht 7 und
die n-Mantelschicht 4 sind AlGaN-Schichten, wobei die Barriereschicht 7 einen
hohen und die n-Mantelschicht 4 einen mittleren Al-Gehalt
aufweist. Als Dotierstoff zur p-Dotierung kann Mg und als Dotierstoff
zur n-Dotierung Si eingesetzt werden.
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Das Übergitter 9 wird
durch jeweils 10 alternierend gestapelte GaN-/AlGaN-Schichten gebildet. Auch
hier ist die Anzahl der Schichten nur beispielhaft und wegen der Übersichtlichkeit
nicht zu groß gewählt. Typischerweise
weist das Übergitter 9 eine größere Anzahl
von Schichten auf, beispielsweise mehrere zehn bis einige hundert
Schichten jeder Zusammensetzung. In Analogie zu 1 werden
im Folgenden die GaN-Schichten als Schichten einer ersten Zusammensetzung
a mit dem Bezugszeichen 9a versehen und die AlGaN-Schichten
als Schichten einer zweiten Zusammensetzung b mit dem Bezugszeichen 9b.
Das Übergitter
weist auf seiner an die p-Kontaktschicht 10 angrenzenden
Seite (linke Seite in den Diagrammen) eine GaN-Schicht 9a auf
und auf seiner an die p-Wellenleiterschicht 8 angrenzenden
Seite (rechte Seite in den Diagrammen) eine AlGaN-Schicht 9b.
Das Übergitter 9 fungiert
als p-Mantelschicht.
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Die
Feldamplitude A des optischen Strahlungsfeldes, das beim Betrieb
der Halbleiter-Schichtstruktur in der aktiven Schicht 6 erzeugt wird,
ist in willkürlichen
Einheiten auf der linken Ordinate angegeben. Die Feldamplitude A
zeigt in allen Ausführungsbeispielen
einen glockenkurvenähnlichen
Verlauf mit einem auf den Wert 1 normierten Maximum in der aktiven
Schicht 6. Der Abfall der Feldstärke zu beiden Seiten der aktiven
Schicht 6 ist durch den Verlauf des Brechungsindex n bestimmt.
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Für die Schichten
des Übergitters 9 ist
darüber
hinaus die Dotierstoffkonzentration c, auch Dotiergrad genannt,
durch ein der Darstellung überlagertes
Säulendiagramm
angegeben. Wie die Feldamplitude A ist der Dotiergrad c in willkürlichen
Einheiten auf der linken Abszisse angegeben. Falls nicht im Einzelfall
anders beschrieben, bezieht sich die dargestellte Dotierstoffkonzentration
c auf den zur p-Dotierung eingesetzten Stoff, also z.B. Mg.
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Bei
dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel
einer Halbleiter-Schichtstruktur weisen alle GaN-Schichten 9a des Übergitters 9 eine
gleiche Dotierstoffkonzentration c auf (konstante Dotierung innerhalb
der GaN-Schichtengruppe). Die AlGaN-Schichten 9b weisen
dieselbe Dotierstoffkonzentration c auf, mit Ausnahme jedoch der
an die p-Wellenleiterschicht 8 angrenzenden Schicht (rechte
Seite des Übergitters 9 im
Diagramm). Diese Schicht ist undotiert, wobei im Rahmen der Anmeldung
unter einer undotierten Schicht eine nominell, d.h. innerhalb technisch
mess- und kontrollierbarer Grenzen, undotierte Schicht zu verstehen
ist.
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Bei
dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel
ist nicht nur die direkt an die p-Wellenleiterschicht 8 angrenzenden
AlGaN-Schicht, sondern auch die nächste GaN-Schicht undotiert.
Wie bei 2a sind die übrigen der Schichten 9a und 9b konstant
mit der gleichen Dotierstoffkonzentration c dotiert (homogene Dotierung
in diesem Bereich).
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Aus
dem Verlauf der Feldamplitude A ist ersichtlich, dass die beim Betrieb
von der der aktiven Schicht 6 erzeugte Strahlung mit noch
fast 80% ihrer maximalen Amplitude in das Übergitter eindringt. Ein Vergleich
der Absorptionskoeffizienten für
Strahlung einer Wellenlänge
von 400 nm zeigt beispielsweise, dass Mg-dotiertes GaN (Dotierstoffkonzentration
4 × 1019 cm-3) einen 10-fach
höheren
Absorptionkoeffizienten hat als undotiertes GaN (Quelle:
M. Kumerato et al., Phys. stat. sol. 2002, Vol. 192, Nr. 2, S. 329). Insbesondere
im Bereich hoher Feldstärken
A lassen sich durch die Verwendung von undotierten oder nur sehr
gering dotierten Schichten somit Absorptionsverluste im Übergitter 9 verringern.
Um einer durch den Einsatz von undotierten oder nur sehr gering
dotierten Schichten hervorgerufenen Abnahme der Leitfähigkeit
des Übergitters 9 entgegenzuwirken,
kann die Dotierstoffkonzentration c in den übrigen Schichten verglichen
mit einem Übergitter,
das homogen über
alle Schichten dotiert ist, geringfügig höher sein. Aufgrund der überlinear
abfallenden Feldamplitude A sind mit dem erhöhten Dotiergrad der übrigen Schichten
einhergehende geringfügig
höhere
Absorptionsverluste kleiner als die Verringerung der Absorptionsverluste
durch die undotierten Schichten. Das Übergitter 9 hat somit
effektiv (in der Summe aller Schichten 9a und 9b)
eine geringere Absorption bei gleicher Leitfähigkeit als aus dem Stand der
Technik bekannte Übergitter.
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Der
gleiche Effekt ergibt sich auch bei den in 3a und 3b gezeigten
Ausführungsbeispielen.
In beiden Fällen
ist die Dotierstoffkonzentration c innerhalb einer Schichtengruppe konstant,
mit Ausnahme von an die p-Wellenleiterschicht 8 angrenzenden
undotierten Schichten. Bei dem Beispiel von 3a sind
je eine GaN-Schicht 9a und eine AlGaN-Schicht 9b undotiert;
bei dem Beispiel von 3b sind eine GaN-Schicht 9a und
zwei AlGaN-Schichten 9b undotiert. Im Unterschied zu den in
der 2 dargestellten Ausführungsbeispielen
ist hier der Dotiergrad der konstant dotierten GaN-Schichten 9a jedoch
in einem Fall größer (3a)
und im anderen Fall kleiner (3b) als
der Dotiergrad der konstant dotierten AlGaN-Schichten 9b.
Insbesondere der in 3b gezeigte Fall, bei dem die
AlGaN-Schichten 9b höher
dotiert sind als die GaN-Schichten 9a, ist geeignet, eine
hohe Leitfähigkeit
des Übergitters 9 bei
geringer optischer Absorption zu erreichen. Der Absorptionskoeffizient
ist für
Strahlung der aktiven Schicht 6, die beispielsweise zwischen
330 nm und 480 nm liegen kann, wegen der größeren Bandlücke für AlGaN geringer als für GaN. Aus
diesem Grund kann der Dotiergrad der AlGaN-Schichten 9a höher gewählt werden
als der der GaN-Schichten 9b, ohne dass dieses zu einer
starken Absorption im Übergitters 9 führt.
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4 zeigt drei weitere Ausführungsbeispiele
einer Halbleiter-Schichtstruktur. Diesen Beispielen ist gemeinsam,
dass innerhalb einer oder beider Schichtgruppen die Dotierstoffkonzentration
c für Schichten
in einem Bereich des Übergitters 9 konstant
ist und in einem anderen Bereich linear abfällt.
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Im
Beispiel von 4a ist die Dotierstoffkonzentration
c jeweils in den ersten 6 der p-Kontaktschicht 10 zugewandten
AlGaN- und GaN-Schichten 9b, 9a (linke Seite im
Diagramm) konstant und für beide
Schichttypen gleich. In den nächsten vier,
der aktiven Schicht 6 zugewandten Schichten fällt die Dotierstoffkonzentration
c linear auf Null ab.
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Das
Ausführungsbeispiel
in 4b zeigt einen prinzipiell ähnlichen Verlauf der Dotierung.
Hier erstreckt sich der konstante Bereich auf je 4 Schichten, wobei
der Dotiergrad für
GaN-Schichten 9a höher
ist als für
AlGaN-Schichten 9b. In den in Richtung der aktiven Schicht
folgenden je 6 Schichten fällt
die Dotierstoffkonzentration c innerhalb jeder Schichtengruppe linear
auf einen jeweils von Null verschiedenen Wert ab.
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Im
Beispiel von 4c verläuft die Dotierstoffkonzentration
c innerhalb des Übergitters 9 für die GaN-Schichten 9a wie
in dem Beispiel von 4b, der Dotiergrad der AlGaN-Schichten 9b ist jedoch
auf einem niedrigen Niveau konstant.
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In
den Ausführungsbeispielen
von 4 ist durch den sich in Richtung
der aktiven Schicht 6 über mehrere
Schichten erstreckenden Abfall der Dotiergrad, und damit der Absorptionskoeffizient
der Schichten, noch besser an den Verlauf der Feldamplitude A angepasst
als bei den Ausführungsbeispielen
der 2 und 3.
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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 9 ergibt
sich diesbezüglich
als ein weiterer Vorteil, dass die undotierten oder gering dotierten,
der aktiven Schicht 6 zugewandten Schichten Konzentrationssenken
für diffundierendes
Mg darstellen und so einer Migration des Mg bis in die aktiven Schicht 6 hinein
entgegenwirken.
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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.
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Auch
beim Einsatz von Si-dotierten Schichten innerhalb des Übergitters
werden so optische Absorptionsverluste verringert und gleichzeitig
eine hohe Leitfähigkeit
des Übergitters 9 erreicht.
Darüber hinaus
wirken Si-dotierten Schichten als Diffusionsbarriere für diffundierendes
Mg und wirken so auf ähnliche
Weise wie undotierte Schichten einer Migration des Mg bis in die
aktiven Schicht 6 hinein entgegen.
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Verallgemeinert
kann der Verlauf der Dotierstoffkonzentration c, auch Dotierprofil
genannt, innerhalb des Übergitters 9 durch
eine (Hüllkurven-)Funktion
beschrieben werden, die die Dotierstoffkonzentration c einer Schicht
abhängig
von der Position der Schicht angibt. Dabei kann entweder eine gemeinsame
Funktion für
alle Schichtengruppen vorgegeben sein, wie z.B. bei den Ausführungsbeispielen
der 2a, 2b, 4a und 5a (siehe
unten), oder es kann für
jede Schichtengruppe eine eigene Funktion vorgegeben sein, wie z.B.
in den 3a, 3b, 4b, 4c und 5b (siehe
unten). Die Ausführungsbeispiele
der 2 und 3 lassen sich
durch Stufenfunktionen beschreiben, die der 4 durch
eine Superposition aus Stufenfunktion und linearer Funktion. Prinzipiell
ist selbstverständlich
aber jeder beliebige, z.B. nichtlineare, Funktionsverlauf möglich.
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Beispiele
für Halbleiter-Schichtstrukturen
mit nichtlinearen Dotierprofilen sind in 5 gezeigt.
Im Beispiel von 5a ist der Verlauf der Dotierstoffkonzentration
c für beide
Schichtgruppen (Schichten 9a, 9b) gleich. Der
Verlauf ist in Richtung der aktiven Schicht 6 überlinear
monoton fallend und annähernd spiegelbildlich
dem Verlauf der Feldamplitude A angepasst, so dass in Bereichen
hoher Feldstärke
eine geringe optische Absorption herrscht. In Bereichen niedriger
Feldstärken
ist der Absorptionskoeffizient zwar hoch, es herrscht aber nur eine
niedrige absolute optische Absorption. Es kann ein Optimum zwischen
geringem Überlapp
der optischen Strahlung mit stark absorbierenden Bereichen und dennoch
guter elektrischer Leitfähigkeit
erreicht werden.
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Im
Beispiel von 5b ist das Dotierprofil für die GaN- und die AlGaN-Schichten 9a, 9b unterschiedlich.
Für die
stark absorbiernden GaN-Schichten 9a ist wiederum ein in
Richtung der aktiven Schicht 6 abfallender Verlauf der
Dotierstoffkonzentration c vorgesehen. Bei den aufgrund ihrer größeren Bandlücke prinzipiell
weniger stark absorbierenden AlGaN-Schichten 9b ist der
Verlauf zum Ausgleich der elektrischen Leitfähigkeit tendenziell umgekehrt. Dieses
Ausführungsbeispiel
zeigt einen guten Kompromiss zwischen geringer optischer Absorption
und guter elektrischer Leitfähigkeit
für den
Fall, dass die gesamte Mg-Dotierstoffmenge
innerhalb des Übergitters 9 beschränkt sein
soll. Ohne diese Einschränkung
ist auch denkbar, alle AlGaN- Schichten 9b mit einer
konstant hohen Mg-Konzentration zu dotieren.
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Innerhalb
einer Schicht kann die Dotierstoffkonzentration c im Übergitter 9 konstant
oder gradiert sein. Beispiele, bei denen innerhalb eines nicht konstanten
Dotierprofils der Dotiergrad auch innerhalb einer Schicht nicht
konstant ist, sind in den 4, 5a und 5b (hier
nur GaN-Schichten 9a) gegeben. In diesem Fall folgt die
Dotierstoffkonzentration c innerhalb einer Schicht dem Verlauf der
(Hüllkurven-)Funktion.
Bei den AlGaN-Schichten 9b in 5b variiert
dagegen der Dotiergrad innerhalb der Schichtengruppen, ist aber
für jede
einzelne Schicht konstant. In einem solchen Fall definiert der Wert
der (Hüllkurven-)Funktion
an einer festgelegten Position innerhalb jeder Schicht, z.B. jeweils
in der Mitte einer Schicht, die Dotierstoffkonzentration c für die gesamte
Schicht. Ein gradierter Dotiergrad innerhalb einer Schicht kann
den leitfähigkeitserhöhenden Effekt
eines Übergitters
unterstützen.
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Der
innerhalb einer Schichtengruppe und auch innerhalb einer Schicht
des Übergitters 9 tatsächlich vorliegende
Verlauf der Dotierstoffkonzentration c kann, z.B. durch Diffusionsprozesse,
von dem im Herstellungsprozess nominell vorgegebenen Konzentrationsverlauf
abweichen. In der Praxis kann sich diese Abweichung z.B. in einem
Aufweichen oder Ausschmieren von Stufen oder Bereichen mit hohem
Konzentrationsgradienten äußern, was
sich auf die grundsätzlichen
Eigenschaften des erfindungsgemäßen Übergitter 9 jedoch
nicht auswirkt und dessen Vorteile gegenüber bekannten, homogen dotierten Übergittern
nicht mindert.
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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.