(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ  （０≦ｙ≦１）
という組成を含む活性層がｎ型閉じ込め層とｐ型閉じ込め層の間に配置されている半導体発光素子を形成する方法であって、
意図的に導入された酸素ドーピング源が実質的にない環境で前記活性層を形成すること、および
前記ｐ型閉じ込め層の形成の際に酸素ドーピング源を導入すること、
を含むことを特徴とする半導体発光素子を形成する方法。
【請求項２】
前記ｐ型閉じ込め層は、
（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ  （０＜ｘ≦１）
という組成を含む、請求項１に記載の半導体発光素子を形成する方法。
【請求項３】
さらに、前記ｐ型閉じ込め層に、酸素を、１×１０16cm-3と５×１０19cm-3の間の濃度となるようにドーピングすることを含む、請求項１に記載の半導体発光素子を形成する方法。
【請求項４】
さらに、前記ｐ型閉じ込め層に、酸素を、少なくとも１×１０18cm-3の濃度となるようにドーピングすることを含む、請求項１に記載の半導体発光素子を形成する方法。
【請求項５】
さらに、基板を設けること、
前記基板上にｎ型閉じ込め層を形成すること、
前記ｎ型閉じ込め層の上に活性層を形成すること、
前記活性層の上にｐ型閉じ込め層を形成すること、
前記ｐ型閉じ込め層の上に透明なウィンドウ層を形成すること、
を含む、請求項１に記載の半導体発光素子を形成する方法。
【請求項６】
さらに、前記透明なウィンドウ層に第一のコンタクトを形成すること、および
前記基板に第二のコンタクトを形成すること、
を含む、請求項５に記載の半導体発光素子を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、少数キャリア半導体素子に関するものであり、とりわけ、意図的に不純物を送り込んで発光半導体素子の動作安定性を向上させるための方法、及び、該方法を用いて形成される半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
少数キャリア半導体素子の劣化には、一般に、半導体素子の動作時に半導体素子の非放射再結合の効率が高まることが関係している。この劣化の原因は、半導体素子のタイプ、その構造、材料、及び、動作条件によって決まる。
【０００３】
図１には、既知の二重ヘテロ構造発光ダイオード（ＬＥＤ）が示されている。ＬＥＤ１０は、光学的に透明なＧａＰウィンドウ／電流拡散／接触層１２、高バンド・ギャップのＡｌＩｎＰ上部閉じ込め／注入層１４、低バンド・ギャップの（ＡｌXＧａ1-X）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層１６、高バンド・ギャップのＡｌＩｎＰ下部閉じ込め／注入層１８、及び、ＧａＡｓまたはＧａＰから形成可能な導電性基板２０を有している。ｐタイプコンタクト２１及びｎタイプコンタクト２３によって、ＬＥＤが完成する。ＬＥＤの上部表面と側面の両方を介して、光の放出が生じる。前記各層には、一般に、活性層の近くまたはその内部にｐ−ｎ接合が位置するようにドーピングが施されており、オーミック・コンタクト２１及び２３が、半導体素子のｐタイプ及びｎタイプ領域に形成されている。該構造は、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）、気相成長（ＶＰＥ）、液相成長（ＬＰＥ）、分子線エピタキシアル成長（ＭＢＥ）、その他を含むさまざまな方法の任意の方法によって成長させることが可能である。
【０００４】
図２は、図１に示すＬＥＤのエネルギ・バンド図である。順方向バイアスをかけると、ｐ−ｎ接合を慎重に配置することによって、活性層１６に対する少数キャリアの注入が効率よく実施される。少数キャリアは、高バンド・ギャップの閉じ込め層１４及び１８によって、ＬＥＤの活性層内に閉じ込められる。再結合プロセスは、所望の発光を生じる放射再結合と、発光しない非放射再結合から構成される。非放射再結合は、ＬＥＤ内の結晶の欠陥並びに他の原因によって生じる可能性がある。光は、ＬＥＤのさまざまな透明層及び表面を介してＬＥＤから放出され、各種反射体及びレンズ（図示されていない）によって有用なパターンをなすように焦点が合わせられる。
【０００５】
図１に示すＬＥＤは、少数キャリア半導体素子の一例にすぎない。バイポーラ・トランジスタ、光検出器、及び、太陽電池を含む他のさまざまな少数キャリア半導体素子も、同様の物理的原理に基づいて動作する。半導体レーザは、二重ヘテロ構造をなす場合が多く、同様に放射再結合と非放射再結合との間で競合が生じる。これら全ての半導体素子の性能及び安定性は、半導体素子の動作寿命全体にわたってキャリアの再結合寿命を長く保つことに依存する。
【０００６】
図１のＬＥＤの場合、出力パワーは、内部量子効率に正比例し、次のように表すことが可能である：
ηexternal ∝ ηinternal∝ １／〔１＋（τr／τnr）〕
【０００７】
ここで、ηinternalは、内部量子効率であり、ηexternalは、外部量子効率であり、τrは、放射再結合の寿命であり、τnrは、非放射再結合の寿命である。τnrは、活性領域における非放射再結合中心の数に反比例する。ηexternalと非放射再結合中心濃度との関係が、図３に示すグラフに明らかにされているが、グラフの示すところによれば、外部量子効率ηexternalは、非放射再結合中心の濃度が増すにつれて低下する。
各種の結晶の欠陥は非放射再結合中心として動作する、これらにはＣｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｏ、及び、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅのような浅い準位のドーパント、自己格子間不純物、空孔のような元々ある点欠陥、合成物及び析出に関係する不純物あるいはドーパント、表面及び界面の状態、そして、転位及び拡張した欠陥が含まれる。これらの欠陥は、残留不純物の取り込みまたはエピタキシャル欠陥形成によって、成長プロセス時に生じる可能性がある。
【０００８】
少数キャリア半導体素子は、いくつかの理由により、動作中に劣化する可能性がある。ＬＥＤの場合、キャリア注入効率または光放出効率は、特定の半導体素子構造及び動作条件によって変化する可能性がある。半導体素子の効率低下の最も一般的な原因は、ストレスの作用中に活性領域に欠陥が形成されることによって生じる、非放射再結合効率の上昇である。このプロセスの結果、図４に示すグラフによって明らかなように、時間とともに半導体素子の特性が漸次劣化する。グラフに示すように、ηexternal、すなわち、外部量子効率は、半導体素子がストレス下にある時間期間が長くなるにつれて、低下する。
【０００９】
ＬＥＤの動作中、さまざまな物理的プロセスが、活性領域における非放射再結合中心の増大に寄与する。活性領域内または近接エッジまたは界面において再結合または光で強まった欠陥反応は、前記増大に寄与する可能性がある。他のプロセスには、半導体素子の他の領域から活性層への不純物、固有の点欠陥、ドーパント、及び、転位（暗線欠陥としても知られる）の拡散または伝搬が含まれている。これらの欠陥及び残留不純物または意図されたものではない不純物は、常に半導体素子の性能に有害なものとみなされ、これらの欠陥及び不純物の濃度を最小限に抑えようとして、多大の努力が費やされてきた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
少数キャリア半導体素子は、いくつかの理由により、動作中に劣化する可能性があるが、これを有効に防止し、信頼性の高い安定した半導体素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の好適な実施例は、活性領域に隣接する層に対して、劣化プロセス、とりわけ、望ましくない欠陥の形成及び伝搬に対する障壁の働きをする不純物を意図的に送り込むことによって、少数キャリア半導体素子の動作安定性を向上させる方法を含む。この方法を利用して得られる半導体素子も、やはり、本発明の第１の実施例に含まれる。この第１の好適な実施例の場合、エピタキシャル成長ステップにおいて、ＩＩＩ−Ｖ族の光電子半導体素子に酸素（Ｏ）を意図的にドープすることによって不純物が送り込まれる。通常、Ｏは効率のよい深い準位のトラップとみなされ、光電子半導体素子においては望ましくない。しかし、さらに詳細に後述するように、本明細書に解説のやり方でＯを利用すると、半導体素子の効率を損なうことなく、半導体素子の信頼性が向上する。次に、後述する図面に関連して、本発明について詳述する。
【００１２】
【実施例】
（ＡｌXＧａ1-X）0.5Ｉｎ0.5Ｐ材料系を利用して、高効率の可視ＬＥＤを製造することが可能である。こうした半導体素子は、構造が図１に示すＬＥＤと同様である。基板は一般にＧａＡｓまたはＧａＰであり、閉じ込め層は（ＡｌXＧａ1-X）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり（０＜Ｘ＜１）、活性層は（ＡｌYＧａ1-Y）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり（０＜Ｙ＜Ｘ）、ウィンドウ層は、ＧａＡｓまたはＧａＰのような光学的に透明な導電性材料である。これらの材料に対して最も一般的に用いられるエピタキシャル成長技法は、ＭＯＣＶＤである。これらの材料では、Ａｌを含む合金にＯが簡単に取り込まれて、望ましくない深い準位の欠陥を生じることになり、この欠陥によって、非放射再結合が効率よく生じ、初期ηexternalが低くなる。これらの合金におけるＯの取り込みを最小限にとどめるため、高基板温度における成長、Ｏの取り込みの効率を低下させる基板配向の利用、及び、高濃度リンガス（ＩＩＩ族の元素ガス濃度よりリンの濃度を高くしたガス）による成長を含むいくつかの技法が用いられる。
エピタキシャル構造におけるＯの量は、ＬＥＤの効率だけでなく、半導体素子の信頼性にも大いに影響する。
【００１３】
意図的に制御されたＯの取り込みを利用し、Ｏをドープした層が導電性のままであるように、Ｏの準位を十分に低く保って、エピタキシャル構造の各種層のそれぞれにおけるＯの濃度を別個に変化させる実験によって、半導体素子の効率は、活性領域におけるＯの濃度に左右されることが明らかになった。しかし、半導体素子の信頼性は、ｐタイプ閉じ込め層におけるＯの量によって決まる。これらの結果が、図５及び６に示されている。図５のグラフから明かなように、ηexternalは、活性層におけるＯの増加とともに低下する。図６に示すように、ｐタイプ閉じ込め層におけるＯの増大につれて、ＬＥＤの劣化が軽減される。Ｏが（ＡｌXＧａ1-X）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性領域における非放射再結合に影響を及ぼす深いトラップを形成することは、既知のことであるため、活性層におけるＯの含有量の増大に応じたηexternalの低下傾向は予測されていた。ｐタイプ上側閉じこめ層でのＯの含有量の増加が半導体素子の安定性を改善することは予想されていなかった。これらの結果から、エピタキシャル構造のＯのプロファイルを正しく調整することによって、半導体素子の効率及び信頼性を同時に最適化することが可能になる。
【００１４】
ＬＥＤ劣化メカニズムの正確な性質は未知のため、このＯのドーピングによって半導体素子の安定性が向上する正確な理由も未知である。Ｏは、これが無ければ、閉じ込め層、基板、金属接点、不整合界面、エッジ、または、エピタキシャル欠陥から活性領域に自由に伝搬して、半導体素子を劣化させることになる、他の不純物、固有の点欠陥、置換または侵入型ドーパント、または、転位の伝搬を妨害または減速する。
【００１５】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の場合、Ｏは、深い準位の不純物、他の不純物にゲッタリングまたはパッシベーションを施すことが可能な反応性不純物、あるいは、浅い準位の補償不純物になり得る。本書に解説の半導体素子の信頼性の向上は、これらの特性のうちの１つ以上によるものである。同様の特性を備えた、他の一般には望ましくない不純物を選択することによって、同様の結果を得ることが可能である。他の深い準位の不純物には、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｕ等の遷移金属が含まれる。ゲッタリングまたはパッシベーション特性を備えた他の反応性不純物には、Ｈ、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、及び、Ｆが含まれる。浅い補償不純物の選択は、半導体材料の導電性タイプに依存する。ｐタイプ領域の場合、浅い補償不純物は、浅いドナーであり、ｎタイプ領域の場合、浅い補償不純物は、浅いアクセプタである。ｐタイプのＩＩＩ−Ｖ族半導体の場合、浅い補償不純物は、周期表のＩＶＢ及びＶＩＢ列における元素、すなわち、ドナーＯ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、及び、Ｓｎである。
【００１６】
図７には、本発明の第１の好適な実施例の略図が示されている。該構造におけるＯの濃度を最低にするために利用可能な方法の一部または全ては、活性層１６をできるだけＯのない状態に保つことに重点をおいて、利用されている。ＭＯＣＶＤの場合、Ｏを減少させるための技法には、高成長温度、高濃度リンガス（ＩＩＩ族の元素よりリンの濃度を高くしたガス）による成長、適正な基板方法、ドーピング源の純度、反応器の清潔さ、漏洩の保全等が含まれる。
【００１７】
（ＡｌXＧａ1-X）0.5Ｉｎ0.5ＰのＬＥＤの場合、Ｏのドーピング源を利用して、ｐタイプの閉じ込め層１４にＯを制御可能に送り込むことによって、信頼性を向上させる。主たる劣化メカニズム及び半導体素子構造に基づいて、他の半導体素子における他の層に対するドーピングを行うことが可能である。Ｏドーピング源としては、０2、Ｈ2Ｏ、ジメチル・アルミニウムエトキシド及び／またはジエチル・アルミニウムエトキシドのようなアルコキシド源、あるいは他のＯを有する化合物が挙げられる。ｐタイプの閉じ込め層１４に、少なくとも１×１０16ｃｍ-3から５×１０19ｃｍ-3までの濃度でＯのドーピングを施すと、半導体素子の安定性が向上する。ｐタイプの閉じ込め層１４に、約１×１０18ｃｍ-3の濃度でＯのドーピングを施した場合に、最良の結果が生じる。この材料系におけるＯのドーピング上限は、閉じ込め層における導電／絶縁の遷移によって決まる。他の半導体素子及び材料系の場合、これらの範囲はもちろん変動する。用途によっては、ｐタイプ閉じ込め層内におけるＯのプロファイルを変更することが望ましい場合もある。
【００１８】
図７に示す半導体素子に関するＯのプロファイルを慎重に最適化すると、半導体素子の信頼性が向上し、同時に、高初期ηexternalが維持される。このことは、ｐタイプ閉じ込め層１４におけるＯの濃度が高くなればなるほど、ストレスを加えた後時間経過に対してηexternalが高くなることをを表した、図８に示すグラフによって明らかにされている。
【００１９】
この好適な実施例の場合、Ｏはエピタキシャル成長プロセスの一部として送り込むことが可能である。注入または拡散といった他の方法を利用することも可能である。
【００２０】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００２１】
〔実施態様１〕
少数キャリアの再結合寿命が最長化される活性領域１６と、
深い準位の不純物、反応性不純物、及び、浅い補償不純物のグループからの不純物がドープされ、半導体素子の動作時に活性領域において最長化された少数キャリアの再結合寿命を維持する、活性領域に隣接した少なくとも１つの領域１４と、
半導体素子に設けられるコンタクト領域２３、２１を含む、
少数キャリア半導体素子１０。
【００２２】
〔実施態様２〕
前記深い準位の不純物が、少なくとも、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、及び、Ａｕを含む遷移金属を含むことを特徴とする、実施態様１に記載の半導体素子１０。
【００２３】
〔実施態様３〕
前記反応性不純物が、少なくとも、Ｈ、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、Ｏ、及び、Ｆを含むことを特徴とする、実施態様１に記載の半導体素子１０。
【００２４】
〔実施態様４〕
前記不純物が、浅い補償不純物を含むことを特徴とする、実施態様１に記載の半導体素子１０。
【００２５】
〔実施態様５〕
前記活性領域１６が発光ダイオードの発光領域を含み、前記隣接領域１４が発光ダイオードの注入領域を含むことを特徴とする実施態様１に記載の少数キャリア半導体素子１０。
【００２６】
〔実施態様６〕
前記活性領域１６が、さらに、二重ヘテロ構造発光ダイオードを含み、前記隣接領域１４が、さらに、二重ヘテロ構造発光ダイオードの閉じ込め層を含むことを特徴とする実施態様５に記載の少数キャリア半導体素子１０。
【００２７】
〔実施態様７〕
前記不純物が０で、ドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3と５×１０19ｃｍ-3の間である
ことを特徴とする実施態様６に記載の少数キャリア半導体素子１０。
【００２８】
〔実施態様８〕
基板２０と、
前記基板２０の上に重なる第１の閉じ込め層１８と、
第１の閉じ込め層１８に重なり、放射再結合効率を最大にする、光を発生するための活性領域１６と、
活性層１６に重なる第２の閉じ込め層１４と、
第２の閉じ込め層１４に重なるウィンドウ層１２と、
基板２０とウィンドウ層１２に配置された電気コンタクト２１、２３を含み、少なくとも１つの閉じ込め層１４、１８に、深い準位の不純物、反応性不純物、及び、浅い補償不純物からなる不純物グループからの不純物がドープされることと、ドーピングを施された閉じ込め層１４、１５によって、半導体素子が動作ストレス下で被ることになる量子効率の損失が減少する
ことを特徴とする発光半導体素子１０。
【００２９】
〔実施態様９〕
前記深い準位の不純物が、少なくとも、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、及び、Ａｕを含む遷移金属を含むことを特徴とする実施態様８に記載の半導体素子１０。
【００３０】
〔実施態様１０〕
前記反応性不純物が、少なくとも、Ｈ、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、Ｏ、及び、Ｆを含むことを特徴とする実施態様８に記載の半導体素子。
【００３１】
〔実施態様１１〕
前記不純物が浅い補償不純物を含むことを特徴とする実施態様８に記載の半導体素子。
【００３２】
〔実施態様１２〕
前記不純物が酸素であり、第２の閉じ込め層１４がｐタイプであることと、ｐタイプの閉じ込め層における酸素のドーピング濃度が、１×１０16ｃｍ-3と５×１０19ｃｍ-3の間であることを特徴とする実施態様８に記載の発光半導体素子１０。
【００３３】
〔実施態様１３〕
前記ｐタイプの閉じ込め層１４における酸素のドーピング濃度が、約１×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする実施態様１２に記載の発光半導体層１０。
【００３４】
〔実施態様１４〕
少なくとも１つの活性領域１６と少なくとも１つの隣接領域１４を含む少数キャリア半導体素子１０において、少なくとも１つの隣接領域１４に、深い準位の不純物、反応性不純物、及び、浅い補償不純物のグループからの不純物の１つをドープし、このドーピングによって、半導体素子が動作ストレス下で被ることになる性能の劣化を減少させるステップを含む、半導体素子１０の信頼性を向上させるための方法。
【００３５】
〔実施態様１５
前記深い準位の不純物が、少なくとも、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、及び、Ａｕを含む遷移金属から構成されることを特徴とする実施態様１４に記載の方法。
【００３６】
〔実施態様１６〕
前記反応性不純物が、Ｈ、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、Ｏ、及び、Ｆを含むことを特徴とする実施態様１４に記載の方法。
【００３７】
〔実施態様１７〕
前記不純物が浅い補償不純物を含むことを特徴とする実施態様１４に記載の方法。
【００３８】
〔実施態様１８〕
前記活性領域１６が発光ダイオードの発光領域を含み、前記隣接領域１４が発光ダイオードの注入領域を含む
ことを特徴とする実施態様１４に記載の方法。
【００３９】
〔実施態様１９
前記活性領域１６が、さらに、二重ヘテロ構造発光ダイオードを含み、前記隣接領域１４が、さらに、二重ヘテロ構造発光ダイオードの閉じ込め層を含むことを特徴とする実施態様１８に記載の方法。
【００４０】
〔実施態様２０〕
前記不純物が０で、前記ドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3と５×１０19ｃｍ-3の間であることを特徴とする、実施態様１９に記載の方法。
【００４１】
【発明の効果】
本発明につながる研究以前には、ＩＩＩ−ＩＶ族半導体に対するＯのドーピングは、Ｏに関連した深い準位の欠陥の研究、及び、半絶縁材料の成長のためだけにしか利用されなかった。前述のように、活性領域のＯは、常に効率を低下させるものとして知られてきた。既知の文献において、閉じ込め層に対するＯのドーピングを利用して、半導体素子の性能を高めることを示唆したものはない。本発明の教示は、さらに、半導体レーザ、光検出器、太陽電池、バイポーラ接合トランジスタ、及び、他の少数キャリア半導体素子の製造に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  発光半導体素子の断面図である。
【図２】  図１に示す発光半導体素子のエネルギ・バンド図である。
【図３】  図１に示す半導体素子に関する非放射再結合中心の濃度対外部量子効率のグラフである。
【図４】  図１に示す半導体素子に関するストレス時間対外部量子効率のグラフである。
【図５】  ηexternalに対する活性領域におけるＯの影響を示す図である。
【図６】  △ηexternalに対するｐタイプ閉じ込め層におけるＯの影響を示す図である。
【図７】  本発明の第１の好適な実施例による教示に基づく、半導体素子の各層における酸素濃度を示すグラフである。
【図８】  本発明に基づいて形成された半導体素子の外部量子効率ηexternal対ストレス時間のグラフである。
【符号の説明】
１０    少数キャリア半導体素子
１２    ウインドウ層
１４    第２の閉じ込め層
１６    活性層
１８    第１の閉じ込め層
【図１】
0003682938.tif 000002
【図２】
0003682938.tif 000003
【図３】
0003682938.tif 000004
【図４】
0003682938.tif 000005
【図５】
0003682938.tif 000006
【図６】
0003682938.tif 000007
【図７】
0003682938.tif 000008
【図８】
0003682938.tif 000009