(57)【要約】  一実施形態において半導体積層体（２）はAlInGaN系であり、光電子半導体チップ（１）用に提供される。AlGaNの前部バリア層（２１）と、放射線を生成するように構成されていない、第１バンドギャップを有する、InGaNの前部量子井戸（２３）と、多重量子井戸構造（３）と、AlGaNの電子ブロッキング層（２９）とを、ｎ伝導ｎ側（２０）から見てこの順番で含む。多重量子井戸構造（３）は、第２バンドギャップを有する、InGaNの主要量子井戸（３２）と、AlGaNまたはAlInGaNの主要バリア層（３１）とを交互に複数含み、第２バンドギャップが第１バンドギャップよりも大きく、主要量子井戸（３２）が最大強度３６５〜４９０ｎｍ（最大および範囲内）の波長の放射線を生成するように構成されている。前部バリア層（２１）のアルミニウム含有量と厚さとの積は、主要バリア層（３１）のアルミニウム含有量と厚さとの積よりも少なくとも１．３倍大きい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子半導体チップ（１）用である、ＡｌＩｎＧａＮ系の半導体積層体（２）であって、下記の層：
ＡｌＧａＮで作られた前部バリア層（２１）と、
第１のバンドギャップを有する、ＩｎＧａＮで作られた前部量子井戸（２３）と、
第２のバンドギャップを有する、ＩｎＧａＮで作られた主要量子井戸（３２）と、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮで作られた主要バリア層（３１）とを交互に複数含む多重量子井戸構造（３）であって、前記第２のバンドギャップが、前記第１のバンドギャップよりも小さく、前記主要量子井戸（３２）が、最大強度が３６５ｎｍ〜４９０ｎｍの（端点を含む）範囲内の波長を有する放射線を生成するように構成されている、多重量子井戸構造（３）と、
ＡｌＧａＮで作られた電子ブロッキング層（２９）と
を、ｎ側（２０）から始まる、この順番で含み、
前記前部バリア層（２１）のアルミニウム含有量と厚さとの積が、前記主要バリア層（３１）のアルミニウム含有量と厚さとの積よりも、少なくとも１．３倍大きい、半導体積層体（２）。
【請求項２】
前記波長の最大強度が３６５ｎｍ〜３９５ｎｍの（端点を含む）範囲内であり、
前記前部バリア層（２１）の前記アルミニウム含有量と厚さとの積が、前記主要バリア層（３１）の前記アルミニウム含有量と厚さとの積よりも、少なくとも１．２５倍から最大５倍大きく、
前記前部量子井戸（２３）が、放射線生成用に構成されていない、または主に放射線生成用に構成されておらず、
前記前部量子井戸（２３）のインジウム含有量および／または厚さが、前記主要量子井戸（３２）のインジウム含有量および／または厚さよりも小さい、
請求項１に記載の半導体積層体（２）。
【請求項３】
前記ｎ側（２０）から離れる方向に、前記多重量子井戸構造（３）に続く、第３のバンドギャップを有する後部量子井戸（２６）があり、前記第３のバンドギャップが、前記主要量子井戸（３２）の前記第２のバンドギャップよりも大きい、請求項１または２に記載の半導体積層体（２）。
【請求項４】
前記電子ブロッキング層（２９）のアルミニウム含有量が、少なくとも２０％であり、前記電子ブロッキング層（２９）の厚さが、少なくとも８ｎｍ、最大１５ｎｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項５】
前記電子ブロッキング層（２９）が多層様式であり、前記電子ブロッキング層（２９）の前記アルミニウム含有量が、前記ｎ側（２０）から離れる方向に、単調減少または狭義単調減少する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項６】
前記ｎ側（２０）から離れる方向に、前記多重量子井戸構造（３）に続く、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮで作られた後部バリア層（２７）があり、
前記後部バリア層（２７）のアルミニウム含有量と厚さとの積が、前記主要バリア層（３１）のアルミニウム含有量と厚さとの積よりも少なくとも１．３倍大きい、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項７】
前記ｎ側（２０）から離れる方向に、前記後部バリア層およびスペーサ層（２８）に続いて前記電子ブロッキング層（２９）があり、前記スペーサ層（２８）は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから作られ、厚さが５ｎｍ〜１５ｎｍの（端点を含む）範囲内であり、アルミニウム含有量が最大５％であり、前記電子ブロッキング層（２９）と前記後部バリア層（２７）との間に直接位置しており、
前記電子ブロッキング層（２９）は、前記後部バリア層（２７）よりも少なくとも１．５倍厚いおよび／または高い、電子に対するバリアとなる、
請求項６に記載の半導体積層体（２）。
【請求項８】
前記前部バリア層（２１）、前記主要バリア層（３１）および前記後部バリア層（２７）内における前記アルミニウム含有量、ならびに、前記前部量子井戸（２３）、前記主要量子井戸（３２）および前記後部量子井戸（２６）内における前記インジウム含有量が、一定である、請求項６または７に記載の半導体積層体（２）。
【請求項９】
前記前部量子井戸（２３）の両側および前記主要量子井戸（３２）の両側のそれぞれに、コンディショニング層（２２）が直接位置しており、
前記コンディショニング層（２２）が、それぞれ厚さ１ｎｍ〜２ｎｍの範囲内であり、
前記主要バリア層（３１）と、そこに隣接する前記前部量子井戸（２３）または主要量子井戸（３２）との間のバンドギャップ上昇が、いずれの場合も、前記コンディショニング層（２２）によって２つのより小さい上昇に分割される、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１０】
前記コンディショニング層（２２）が、隣接している前記前部量子井戸（２３）もしくは主要量子井戸（３２）の方向にインジウム含有量が増大するインジウム勾配を有する、および／または隣接している前記前部量子井戸（２３）もしくは主要量子井戸（３２）から離れる方向にアルミニウム含有量が増大するアルミニウム勾配を有する、請求項９に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１１】
前記主要バリア層（３１）が、０．９ｎｍ〜２．３ｎｍの（端点を含む）範囲内の厚さおよび１０％〜２０％の（端点を含む）範囲内のアルミニウム含有量を有し、
前記前部バリア層（２１）の厳密に１つが、２．５ｎｍ〜４ｎｍの（端点を含む）範囲内の厚さおよび２０％〜４０％の（端点を含む）範囲内のアルミニウム含有量を有する、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１２】
厳密に１個の前記前部量子井戸（２３）が、２．２ｎｍ〜３．４ｎｍの（端点を含む）範囲内の厚さおよび０．５％〜６％の（端点を含む）範囲内のインジウム含有量を有し、
少なくとも４個、最大３０個の前記主要量子井戸（３２）のそれぞれが、２．２ｎｍ〜３．４ｎｍの範囲内の厚さおよび１％〜７％の（端点を含む）範囲内のインジウム含有量を有する、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１３】
前記主要量子井戸（３２）の前記第２のバンドギャップが、前記前部量子井戸（２３）の前記第１のバンドギャップの８０％〜９５％の（端点を含む）範囲内である、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１４】
前記多重量子井戸構造（３）における主要バリア層（３１）と主要量子井戸（３２）との対の全てが、同じ設計である、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体積層体に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
達成すべき目的は、短波放射線を生成するための高品質半導体積層体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
この目的は、とりわけ、独立項の要件を満たす半導体積層体によって達成される。好ましい発展形態は、従属項の主題である。
【０００４】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体はＡｌＩｎＧａＮ系である。これは、半導体積層体の個々の層が、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ［式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｘ＋ｙ＜１である］で構成されていることを意味する。ケイ素またはマグネシウム等のドーパントが付加的に存在し得る。しかしながら、単純化するために、半導体積層体の結晶格子の必須成分、すなわち、Ａｌ、Ｉｎ、ＧａおよびＮのみ（これらが少量の他の元素によって置きかえられ得るとしても）に言及する。特に、不純物または混和物は、その割合が最大でもＡｌＩｎＧａＮの０．１質量％である限り、考慮しない。
【０００５】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、前部バリア層を含む。前部バリア層は、ＡｌＧａＮで構成されている。前部バリア層のアルミニウム含有量は、好ましくは、少なくとも２％もしくは２０％および／または最大５０％もしくは４０％もしくは３０％である。特に、アルミニウム含有量は、２０％〜３０％の（端点を含む）範囲内である。前部バリア層は、好ましくは、インジウムを含まない。この文脈において、パーセンテージは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮにおける添え字ｘ、ｙを示す。例えば３０％のアルミニウム含有量は、ｘ＝０．３０であることを意味する。インジウム含有量について、ｙに同じことが当てはまる。
【０００６】
所望により、前部バリア層は少量のインジウムを有し、故に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮで構成されることが可能である。この場合、ＡｌＧａＮ前部バリア層におけるアルミニウムについての上述の値が、同様に当てはまる。インジウム含有量は、好ましくは、最大１％または０．５％または０．２％である。
【０００７】
少なくとも１つの実施形態によれば、前部バリア層は、少なくとも１ｎｍもしくは２．５ｎｍの、および／または最大４ｎｍもしくは１０ｎｍの厚さを有する。特に、前部バリア層の厚さは、２．５ｎｍ〜３．５ｎｍの（端点を含む）範囲内である。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、前部量子井戸を含む。前部量子井戸は、ＩｎＧａＮから形成される。前部量子井戸は、第１の発光エネルギーに割り当てられ得る第１のバンドギャップを有する。前部量子井戸は、半導体積層体が意図した通りに使用される場合、放射線を生成するように設計することが可能である。換言すれば、この場合、半導体積層体が意図した通りに使用されるかぎり、前部量子井戸において放射は生成されない、または有意な割合の放射線が生成されず、前部量子井戸は、暗黒量子井戸と呼ぶことができる。上記の代わりに、前部量子井戸は、例えば、主要量子井戸とは異なる波長の放射線の生成に寄与することが可能である。
【０００９】
少なくとも１つの実施形態によれば、前部量子井戸のインジウム含有量は、少なくとも０．２％もしくは１％もしくは２％であるか、または、上記の代わりに、インジウムを含まない。上記の代わりにまたは上記に加えて、前部量子井戸のインジウム含有量は、最大６％または１５％である。特に、インジウム含有量は、４％〜５．５％の（端点を含む）範囲内である。前部量子井戸は、特に好ましくは、アルミニウムを含まない。
【００１０】
少なくとも１つの実施形態によれば、前部量子井戸は、少なくとも１．５ｎｍもしくは２．２ｎｍの、および／または最大５ｎｍもしくは３．４ｎｍの厚さを有する。特に、前部量子井戸の厚さは、２．４ｎｍ〜２．８ｎｍの（端点を含む）範囲内である。
【００１１】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、多重量子井戸構造を含む。多重量子井戸構造は、主要量子井戸と主要バリア層とを交互に複数含む。この場合、主要量子井戸は、好ましくはＩｎＧａＮから形成され、主要バリア層は、好ましくはＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから形成される。主要量子井戸は、第２の発光エネルギーに対応する第２のバンドギャップを有し、これは、前部量子井戸の第１のバンドギャップと同一またはそれを超える。主要量子井戸は、最大強度が少なくとも３６５ｎｍもしくは３７５ｎｍもしくは３８５ｎｍの、および／または最大４９０ｎｍもしくは４１０ｎｍもしくは３９５ｎｍの波長を有する放射線を生成するように設計される。
【００１２】
少なくとも１つの実施形態によれば、主要量子井戸のインジウム含有量は、少なくとも０．２％もしくは２％もしくは４％であるか、またはその代わりに、主要量子井戸は、インジウムを含まない。上記の代わりにまたは上記に加えて、主要量子井戸のインジウム含有量は、最大５％または１５％である。特に、主要量子井戸のインジウム含有量は、５％〜６．５％の（端点を含む）範囲内である。主要量子井戸は、特に好ましくは、アルミニウムを含まない。
【００１３】
少なくとも１つの実施形態によれば、主要量子井戸は、少なくとも１．５ｎｍもしくは２．２ｎｍの、および／または最大５ｎｍもしくは３．４ｎｍの厚さを有する。特に、主要量子井戸の厚さは、２．４ｎｍ〜２．８ｎｍの（端点を含む）範囲内である。
【００１４】
少なくとも１つの実施形態によれば、主要バリア層は、少なくとも２％もしくは１０％の、および／または最大２０％もしくは３０％のアルミニウム含有量を有する。特に、主要バリア層のアルミニウム含有量は、１２％〜１８％の（端点を含む）範囲内である。主要バリア層は、好ましくは、インジウムを含まないが、最大１％または０．５％または０．２％の低インジウム含有量を有することもできる。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態によれば、主要バリア層は、少なくとも０．５ｎｍもしくは０．９ｎｍの、および／または最大５ｎｍもしくは２．３ｎｍの厚さを有する。特に、主要バリア層の厚さは、１．５ｎｍ〜２ｎｍの（端点を含む）範囲内である。
【００１６】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、電子ブロッキング層を含む。電子ブロッキング層は、ＡｌＧａＮから形成され、インジウムを含まなくてもよいし、または小さなインジウム含有量、例えば最大０．５％もしくは１％もしくは２％を有してもよい。電子ブロッキング層の厚さは、好ましくは、少なくとも６ｎｍもしくは８ｎｍもしくは１０ｎｍおよび／または最大２０ｎｍもしくは１５ｎｍもしくは１２ｎｍである。さらに、電子ブロッキング層のアルミニウム含有量または平均アルミニウム含有量は、好ましくは、少なくとも１５％もしくは２０％もしくは３０％および／または最大８０％もしくは７０％もしくは６０％である。
【００１７】
少なくとも１つの実施形態によれば、前部バリア層のアルミニウム含有量と厚さとの積は、主要バリア層のまたは最も近い主要バリア層のアルミニウム含有量と厚さとの積よりも、少なくとも１．３倍大きい。この倍数は、好ましくは、少なくとも１．５または２または２．５または３である。さらに、この倍数は、最大７または５または４であることが可能である。
【００１８】
少なくとも１つの実施形態において、半導体積層体は、ＡｌＩｎＧａＮ系であり、光電子半導体チップ、特に発光ダイオードまたはレーザダイオード用に構成されている。半導体積層体は、下記の層：
ＡｌＧａＮで作られた前部バリア層と、
第１のバンドギャップを有する、ＩｎＧａＮで作られた前部量子井戸と、
第２のバンドギャップを有する、ＩｎＧａＮで作られた主要量子井戸と、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮで作られた主要バリア層とを交互に複数含む多重量子井戸構造であって、第２のバンドギャップが、第１のバンドギャップよりも小さく、主要量子井戸が、最大強度が３６５ｎｍ〜４９０ｎｍの（端点を含む）範囲内の波長を有する放射線を生成するように構成されている、多重量子井戸構造と、
ＡｌＧａＮで作られた電子ブロッキング層と
を、ｎ伝導ｎ側から始まる、この順番で含み、
前部バリア層のアルミニウム含有量と厚さとの積は、主要バリア層のまたは最も近い主要バリア層のアルミニウム含有量と厚さとの積よりも、少なくとも１．３倍大きい。
【００１９】
とりわけ、ＵＶＡスペクトル領域のための発光ダイオードについては、光学活性層（特に量子膜または量子井戸）における、極めて高いアルミニウム含有量と、それと同時のインジウム含有量の低減が、引張応力のかかった積層体につながる。これは、特に基板レス薄膜発光ダイオードの場合には、例えば、クラック形成といった品質問題につながり得る。
【００２０】
さらに、量子井戸における電荷キャリア輸送および電荷キャリア捕捉は、量子井戸間のバリア中にアルミニウムを添加することによって調節しなければならないことに留意されたい。極めて高いアルミニウム濃度は、多重量子井戸構造における均質な電荷キャリア分布に対して不利な効果をもたらす。また、アルミニウム含有量が低すぎる場合、特に高い電流密度およびより高い温度では、極めて低い電荷キャリア捕獲速度により、非放射損失が増大する。この場合、電子および正孔の両方が多重量子井戸構造から離れ、その後、隣接する層において非放射的に再結合することが可能である。
【００２１】
本明細書において記述される半導体積層体は、前部バリア層および前部量子井戸の組合せを有し、好ましくは、後部バリア層および後部量子井戸の組合せも有する。前部バリア層、後部バリア層、前部量子井戸および後部量子井戸は、多重量子井戸構造に直接近接して位置している。前部バリア層および／または後部バリア層のより高いアルミニウム含有量および／またはより大きい厚さにより、直接隣り合う量子井戸の、バンドギャップに対応する遷移エネルギーは、圧電フィールドによりエネルギー的に低くなる。これは、量子井戸内における不均一な電荷キャリア分布につながり得る。
【００２２】
これが理由で、本明細書において記述される半導体積層体の場合、多重量子井戸構造、ならびに前部バリア層および後部バリア層と直接隣り合っている前部量子井戸および後部量子井戸は、より少ないインジウムおよび／またはより低い層厚さで成長させる。この代わりに、圧電効果が適度に大きい場合には、前部量子井戸および後部量子井戸を、同等のインジウム含有量で、より薄くすることもできる。加えて、主要量子井戸間の主要バリア層は、前部バリア層および後部バリア層よりも小さい厚さおよび／または低いアルミニウム含有量を有する。
【００２３】
少なくとも１つの実施形態によれば、前部量子井戸のインジウム含有量および／または厚さは、主要量子井戸のインジウム含有量および／または厚さよりも小さい。例えば、インジウム含有量および／または厚さは、主要量子井戸の厚さおよび／またはインジウム含有量に対して、少なくとも５％もしくは１０％、および／または最大４０％もしくは２５％異なる。
【００２４】
少なくとも１つの実施形態によれば、後部量子井戸は、ｎ側から離れる方向で、多重量子井戸構造に隣接している。後部量子井戸は、主要量子井戸の第２のバンドギャップよりも小さい第３のバンドギャップを有する。後部量子井戸は、第３のバンドギャップが第１のバンドギャップと等しくなり得るように、前部量子井戸と全く同様に設計され得る。したがって、前部量子井戸に適用可能な厚さ、インジウム含有量およびアルミニウム含有量に関する上記の記述は、後部量子井戸に同様に当てはまる。これに代えて、前部量子井戸および後部量子井戸は、互いに異なるように設計されることが可能である。
【００２５】
特に、後部量子井戸は、アルミニウムを含まず、そのインジウム含有量は、少なくとも０．２％もしくは１％および／または最大６％もしくは１５％であるか、あるいは、インジウムを含まない。特に、インジウム含有量は、４％〜５．５％の（端点を含む）範囲内である。例えば、後部量子井戸は、少なくとも１．５ｎｍもしくは２．２ｎｍの、および／または最大５ｎｍもしくは３．４ｎｍの厚さを有する。特に、前部量子井戸の厚さは、２．４ｎｍ〜２．８ｎｍの（端点を含む）範囲内である。
【００２６】
少なくとも１つの実施形態によれば、ｎ側から離れる方向に、多重量子井戸構造に続いて後部バリア層がある。後部バリア層は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから製造される。後部バリア層は、前部バリア層と同様に設計され得る。前部バリア層に適用可能な厚さ、組成およびバンドギャップに関する上述の説明は、好ましくは、後部バリア層に同様に当てはまる。後部バリア層は、後部量子井戸が多重量子井戸構造と後部バリア層との間に位置するように、後部量子井戸に続くことが好ましい。
【００２７】
少なくとも１つの実施形態によれば、電子ブロッキング層は、ｎ側から離れる方向に、後部バリア層に続く。電子用の電子ブロッキング層は、好ましくは、後部バリア層より少なくとも１．５もしくは２もしくは３倍、および／または最大１０もしくは６もしくは４倍大きい厚さを有する。電子ブロッキング層のバリア高さは、後部バリア層と少なくとも同等であることが好ましく、少なくとも１．２５倍または１．５倍または２倍高いことが特に好ましい。換言すれば、電子ブロッキング層は、後部バリア層よりも強力に電子をブロックする。
【００２８】
少なくとも１つの実施形態によれば、スペーサ層は、電子ブロッキング層と後部バリア層との間に位置している。スペーサ層は、好ましくは、電子ブロッキング層および／または後部バリア層と直接隣接している。スペーサ層は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮで作られたものである。好ましくは、スペーサ層の厚さは、少なくとも５ｎｍもしくは８ｎｍおよび／または最大２０ｎｍもしくは１５ｎｍもしくは１２ｎｍである。スペーサ層のアルミニウム含有量は、好ましくは、最大５％もしくは２％もしくは０．５％であるか、または、スペーサ層は、アルミニウムを含まない。スペーサ層のインジウム含有量は、好ましくは、最大５％もしくは２％もしくは１％および／または少なくとも０．５％もしくは１％であり、この代わりに、スペーサ層はインジウムを含まない。
【００２９】
少なくとも１つの実施形態によれば、電子ブロッキング層は、多段階設計である。この代わりに、電子ブロッキング層を、互いの間に間隔が設けられた複数の部分層で構成することが可能である。電子ブロッキング層のアルミニウム含有量または平均アルミニウム含有量は、好ましくは、少なくとも１５％である。電子ブロッキング層の部分層または電子ブロッキング層におけるアルミニウム含有量は、全体的に見て、ｎ側から離れる方向に、単調減少または狭義単調減少することが可能である。
【００３０】
少なくとも１つの実施形態によれば、前部バリア層および／または主要バリア層および／または後部バリア層内のアルミニウム含有量は、特に生産公差の範囲内で、一定である。上記の代わりにまたは上記に加えて、前部量子井戸、主要量子井戸および後部量子井戸におけるインジウム含有量は、同じく製造公差の範囲内で、一定であることが可能である。
【００３１】
少なくとも１つの実施形態によれば、コンディショニング層は、前部量子井戸の片側または両側に位置している。コンディショニング層の厚さは、好ましくは、少なくとも０．１ｎｍもしくは１ｎｍおよび／または最大５ｎｍもしくは２ｎｍ、特に１．６ｎｍ〜２ｎｍの間である。コンディショニング層は、好ましくは、ＧａＮ系である。これに代えて、コンディショニング層は、例えば最大２％または１％、特に０．１％〜０．３％の（端点を含む）範囲内の、少量のインジウムを有することが可能である。コンディショニング層は、アルミニウムを含まなくてよい。
【００３２】
上記に代えて、コンディショニング層は、アルミニウムを含有することが可能である。コンディショニング層のアルミニウム含有量は、好ましくは、最も近い主要バリア層のアルミニウム含有量の、最大１００％または５０％または２０％または５％である。
【００３３】
少なくとも１つの実施形態によれば、１つまたは２つのコンディショニング層は、それぞれが主要量子井戸の上に直接存在する。主要量子井戸上のコンディショニング層は、前部量子井戸および／または後部量子井戸におけるコンディショニング層と同様に設計され得る。対照的に、前部量子井戸および／または後部量子井戸に配置されたコンディショニング層は、主要量子井戸上のコンディショニング層とは異なるように設計されることが可能である。
【００３４】
少なくとも１つの実施形態によれば、主要バリア層と隣接している前部量子井戸または隣接している主要量子井戸との間のバンドギャップの上昇は、コンディショニング層によって２つのより小さい上昇に分割される。２つのより小さい上昇は、いずれの場合にも、より大きい総バンドギャップ上昇の５０％であり得る。これに代えて、２つの上昇の内の一方は、より大きい総バンドギャップ上昇に対して、少なくとも２５％もしくは３５％もしくは４０％および／または最大４５％もしくは４０％である。
【００３５】
少なくとも１つの実施形態によれば、コンディショニング層またはコンディショニング層の一部は、隣接している前部量子井戸または主要量子井戸または後部量子井戸の方向にインジウム含有量が増大するインジウム勾配を有する。上記の代わりにまたは上記に加えて、隣り合う前部量子井戸または主要量子井戸または後部量子井戸から離れる方向にアルミニウム含有量が増大するアルミニウム勾配が存在することが可能である。そのような勾配によって、半導体積層体において量子井戸に向かって結晶品質の改善を達成することができ、かつ／または電気光学特性の改善を達成することができる。
【００３６】
少なくとも１つの実施形態によれば、半導体積層体は、厳密に１個の前部量子井戸および／または厳密に１個の後部量子井戸を有する。この代わりに、複数の前部量子井戸および／または複数の後部量子井戸が提供される。前部量子井戸および／または後部量子井戸の数は、好ましくは、最大５個または３個である。
【００３７】
少なくとも１つの実施形態によれば、多重量子井戸構造において、半導体積層体は、少なくとも４個もしくは８個もしくは１２個および／または最大５０個もしくは３０個もしくは２０個の主要量子井戸を有する。主要量子井戸の数は、前部量子井戸および後部量子井戸の数の和の、好ましくは、少なくとも２倍または４倍または８倍を超える。
【００３８】
少なくとも１つの実施形態によれば、多重量子井戸構造における主要バリア層および主要量子井戸、および場合により存在するコンディショニング層、のすべての対は、同じ設計のものである。これに代えて、主要バリア層および主要量子井戸、および場合によりコンディショニング層、は、多重量子井戸構造の全体にわたって異なるように設計されることが可能である。
【００３９】
少なくとも１つの実施形態によれば、前部バリア層、さらに所望により後部バリア層および主要バリア層は、特に最大２０％もしくは１０％もしくは２％の公差でまたは製造精度内で、同じアルミニウム含有量を有する。換言すれば、主要バリア層の厚さのみが、前部バリア層および／または後部バリア層の厚さと異なる。
【００４０】
少なくとも１つの実施形態によれば、主要量子井戸の第２のバンドギャップは、前部量子井戸および／または後部量子井戸の第１のバンドギャップの、少なくとも７０％もしくは８０％もしくは８５％および／または最大９５％もしくは９０％もしくは８５％である。主要量子井戸は、そのすべてが製造公差の範囲内の同じバンドギャップを有することが好ましい。
【００４１】
本明細書において記述される半導体積層体を、例示的な実施形態に基づき、図面を参照して以下でさらに詳細に説明する。同一の参照符号は、個々の図における同じ要素を示す。しかしながら、より良い理解を与えるために、縮尺との関係は図解されておらず、むしろ、個々の要素が誇張されたサイズで表され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】バンドギャップのプロファイルに基づく、本明細書において記述される半導体積層体の概略図を示す図である。
【図２】本明細書において記述される半導体積層体を有する半導体チップの例示的な実施形態の概略断面図を示す図である。
【図３】本明細書において記述される半導体積層体の主要バリア層および前部バリア層のそれぞれの厚さ比に対する、輝度の依存性を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、成長方向Ｇに沿ったバンドギャップのプロファイルに基づく、半導体積層体２の例示的な実施形態を概略的に図解するものである。成長方向Ｇは、ｎ伝導ｎ側２０からｐ伝導ｐ側４０に向かう。
【００４４】
場合により、半導体積層体２は、前部バリア層２１の前に、交互に層が配置された超格子を有する。成長方向Ｇに沿って、バッファ層、核形成層または成長層等のさらなる層を超格子の前に配置してもよい。但し、図１には、図解を平易にするために、これらの層は図解されていない。
【００４５】
前部バリア層２１は、正孔ブロッキング層として機能する。前部バリア層２１の厚さは、例えば、２．９ｎｍである。前部バリア層２１は、アルミニウム含有量が３０％のＡｌＧａＮ、すなわち、Ａｌ０，３Ｇａ０，７Ｎで構成されている。
【００４６】
前部バリア層２１に続いて、コンディショニング層２２がある。コンディショニング層２２は、インジウム含有量が０．２％と低いＩｎＧａＮの薄層である。コンディショニング層２２の厚さは、１．８ｎｍである。
【００４７】
コンディショニング層に続いて、放射線の生成のために主として提供されているのではない前部量子井戸２３がある。前部量子井戸２３は、インジウム割合が５％で、厚さが２．６ｎｍのＩｎＧａＮで構成されている。
【００４８】
前部量子井戸２３に続いて、放射線（例えば、最大強度３９０ｎｍ〜３９５ｎｍの（端点を含む）範囲内の波長を有する近紫外線）を生成するために提供される、多重量子井戸構造３がある。多重量子井戸構造３においては、主要バリア層３１および主要量子井戸３２は、互いに交互になっている。
【００４９】
好ましくは、いずれの場合にも、コンディショニング層２２の１つは、隣接する主要バリア層３１と関連主要量子井戸３２との間に位置している。この場合、すべてのコンディショニング層２２は、互いに同一であってもよい。多重量子井戸構造３は、例えば、２０個の主要量子井戸３２を含む。好ましくは、多重量子井戸構造３は、主要バリア層３１の１つで開始し、終了する。
【００５０】
主要量子井戸３２のバンドギャップまたは発光エネルギーは、前部量子井戸２３のバンドギャップまたは発光エネルギーよりも小さいまたはそれに等しい。
【００５１】
図１において破線で示したように、所望により存在するコンディショニング層２２のそれぞれは、コンディショニング層２２におけるバンドエネルギーの進路が成長方向Ｇに斜めに配向されるように、インジウム勾配および／またはアルミニウム勾配を有してもよい。その結果、関連バリア層２１、３１、２７から量子井戸２３、３２、２６に向かうバンドギャップのより均一な遷移が可能となる。特に、コンディショニング層２２は、関連量子井戸２３、３２、２６に関して、対称的に構成され得る。
【００５２】
多重量子井戸構造３内の主要量子井戸３２および主要バリア層３１は、互いに同じになるように設計される。ＩｎＧａＮで作られた主要量子井戸３２は、例えば、２．６ｎｍの厚さおよび６％のインジウム含有量を有する。ＡｌＧａＮ主要バリア層３１の厚さは１．７ｎｍであり、アルミニウム含有量は１５％である。
【００５３】
後部量子井戸２６は、最後の主要バリア層３１および関連コンディショニング層２２に直接続く。後部量子井戸２６は、前部量子井戸２３と完全に同一となるように設計されてもよく、例えば、２．６ｎｍの厚さおよび５％のインジウム含有量を有し得る。コンディショニング層２２は、後部量子井戸２６の両側にも位置している。
【００５４】
最後のコンディショニング層２２、または成長方向Ｇに沿った、関連量子井戸２３、３２、２６に続くコンディショニング層２２のすべては、所望により、関連量子井戸２３、３２、２６の前に置かれたコンディショニング層２２よりも厚くてもよい、および／または、より多くのインジウムを有し得る。例えば、少なくとも１％の、および／または最大１５％もしくは６％のインジウム含有量を有するか、あるいはインジウムを含まず、厚さは少なくとも１．５ｎｍもしくは２．２ｎｍ、および／または最大３．４ｎｍもしくは５ｎｍであり得る。
【００５５】
特に好ましくは、成長方向Ｇに沿って、後部量子井戸２６に続く最後のコンディショニング層２２の直後に後部バリア層２７がある。後部バリア層２７は、その後の電子ブロッキング層２９と比べて比較的低いバリア高さを有する、電子のためのバリア層である。例えば、前部バリア層２７は、前部バリア層２１と同様に設計されているか、または前部バリア層２１とは異なっていてもよい。図１によれば、ＡｌＧａＮ後部バリア層２７は、アルミニウム含有量が１５％であり、厚さは２．９ｎｍである。
【００５６】
スペーサ層２８は、後部バリア層２７に直接続く。スペーサ層２８は、ＩｎＧａＮで構成されており、好ましくは、アルミニウムを含まず、低いインジウム含有量（例えば最大１％）を有する。スペーサ層の厚さは、１０ｎｍである。
【００５７】
スペーサ層２８に直接続いて、２段階電子ブロッキング層２９がある。電子ブロッキング層２９の厚さは、合計１１ｎｍである。電子ブロッキング層２９における平均アルミニウム含有量は、２５％であり、ここで、アルミニウム含有量は、成長方向Ｇに沿って段階的に減少する。
【００５８】
電子ブロッキング層２９に続いて、ｐによってドープされたＧａＮ層および高度にドープされたＧａＮから形成され得るコンタクト層がある。
【００５９】
図１に描かれている層は、好ましくは、互いに直接続いている。また、描かれている層のすべて、所望によりコンディショニング層２２および／または電子ブロッキング層２９を除いては、一定の材料組成を有することが好ましい。成長方向Ｇに沿って配置された、多重量子井戸構造３よりも前に置かれたすべての層がｎによってドープされていることが好ましく、多重量子井戸構造３よりも後に置かれたすべての層は、ｐによってドープされていることが好ましい。多重量子井戸構造３は、ドープされていてもよいし、またはドープされていなくてもよい。
【００６０】
本明細書において記述される半導体積層体の場合、特に前部バリア層２１および任意選択の後部バリア層２７や、特にそれらと前部量子井戸２３および／または後部量子井戸２６の組み合わせが存在する場合は、主要バリア層３１をより薄くする。その結果として、生成された放射線のための多重量子井戸構造３の領域において、より高い透過性を達成することができる。さらに、主要量子井戸３２間で電荷キャリアがより良好に分布し得ることから、より高い電流密度において、有意な利点が明白となる。それにもかかわらず、電荷キャリアは、前部バリア層および後部バリア層によって多重量子井戸構造内に閉じ込められて、リーク電流が防止される。電荷キャリアは、より高い周囲温度であっても、前部バリア層２１および／または後部バリア層２７を超えて多重量子井戸構造から顕著に漏出することはないため、温度安定性の改善が達成される。これは、主要バリア層３１および前部バリア層２１および後部バリア層２７のアルミニウム含有量および厚さによって、主要量子井戸３２のそれぞれの所望の発光波長に適合し得る、高効率な構造をもたらす。
【００６１】
図２は、そのような半導体積層体２を有する光電子半導体チップ１の例示的な実施形態を図解するものである。半導体積層体２は、成長基板であってもよい基板６上に位置している。例えば、基板６は、構造化された成長表面を有するサファイア基板である。半導体積層体２は、電気コンタクト５を介して電気的に接触していてよい。好ましくは、半導体積層体２は、一定の組成で、基板６全体にわたって延びている。
【００６２】
図３は、商Ｑの関数としての輝度Ｌを任意単位で図解するものである。商Ｑは、パーセントで示され、主要バリア層３１の厚さを前部バリア層２１の厚さで割ったものに対応する。図３によれば、前部バリア層２１の厚さは３ｎｍに固定され、主要バリア層３１の厚さは変動する。
【００６３】
図３Ａは、１Ａの電流におけるプロファイルを、図３Ｂでは、０．３５Ａの電流（破線）および１．５Ａの電流（実線）におけるプロファイルを示し、いずれの場合にも、１ｍｍ２のチップ面積である。
【００６４】
図３Ａおよび３Ｂから、最適条件は、商Ｑの値が５０％〜６０％のときに達成されることが分かる。これは、前部バリア層２１、および好ましくは後部バリア層２７も、主要バリア層３１のおよそ２倍の厚さであることを意味する。特に、主要バリア層３１の厚さは、前部バリア層２１の厚さの、４０％〜６５％の（端点を含む）範囲内または４５％〜６０％の（端点を含む）範囲内である。
【００６５】
さらに図３Ａおよび３Ｂから、より高い電流についての商Ｑは、より厚い主要バリア層３１に向かって、より顕著な降下を示すことが分かる。これは、本明細書において記述される前部バリア層２１および主要バリア層３１を用いることで、効率の改善が、特により高い電流密度で、達成され得ることを意味する。
【００６６】
本明細書に記載の発明は、例示的実施形態に基づく説明によって制限されるものではない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲または例示的実施形態において明示的に指定されていない特徴や組み合わせであっても、任意の新しい特徴や、これら特徴の任意の組合せ、特に特許請求の範囲内の特徴の任意の組合せ、を包含する。
【００６７】
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１６１１７４７７．７号の優先権を主張し、その開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【符号の説明】
【００６８】
１  光電子半導体チップ
２  半導体積層体
２０  ｎ側
２１  前部バリア層
２２  コンディショニング層
２３  前部量子井戸
２６  後部量子井戸
２７  後部バリア層
２８  スペーサ層
２９  電子ブロッキング層
３  多重量子井戸構造
３１  主要バリア層
３２  主要量子井戸
４０  ｐ側
５  電気コンタクト
６  基板
Ｇ  半導体積層体の成長方向
Ｌ  任意単位（ａ．ｕ．）での輝度
Ｑ  主要バリア層の厚さおよび前部バリア層または後部バリア層の厚さの商
【図１】
2019525474.tif 000003
【図２】
2019525474.tif 000004
【図３】
2019525474.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月30日(2019.1.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子半導体チップ（１）用である、ＡｌＩｎＧａＮ系の半導体積層体（２）であって、下記の層：
ＡｌＧａＮで作られた前部バリア層（２１）と、
第１のバンドギャップを有する、ＩｎＧａＮで作られた前部量子井戸（２３）と、
第２のバンドギャップを有する、ＩｎＧａＮで作られた主要量子井戸（３２）と、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮで作られた主要バリア層（３１）とを交互に複数含む多重量子井戸構造（３）であって、前記第２のバンドギャップが、前記第１のバンドギャップよりも小さく、前記主要量子井戸（３２）が、最大強度が３６５ｎｍ〜４９０ｎｍの（端点を含む）範囲内の波長を有する放射線を生成するように構成されている、多重量子井戸構造（３）と、
前記第２のバンドギャップよりも大きい第３のバンドギャップを有する、後部量子井戸（２６）と、
ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮで作られている、後部バリア層（２７）と、
ＡｌＧａＮで作られた電子ブロッキング層（２９）と
を、ｎ側（２０）から始まる、この順番で含み、
前記前部バリア層（２１）のアルミニウム含有量と厚さとの積、および前記後部バリア層（２７）のアルミニウム含有量と厚さとの積が、前記主要バリア層（３１）のアルミニウム含有量と厚さとの積よりも、少なくとも１．３倍大きい、半導体積層体（２）。
【請求項２】
前記波長の最大強度が３６５ｎｍ〜３９５ｎｍの（端点を含む）範囲内であり、
前記前部バリア層（２１）の前記アルミニウム含有量と厚さとの積が、前記主要バリア層（３１）の前記アルミニウム含有量と厚さとの積よりも、少なくとも１．２５倍から最大５倍大きく、
前記前部量子井戸（２３）が、放射線生成用に構成されていない、または主に放射線生成用に構成されておらず、
前記前部量子井戸（２３）のインジウム含有量および／または厚さが、前記主要量子井戸（３２）のインジウム含有量および／または厚さよりも小さい、
請求項１に記載の半導体積層体（２）。
【請求項３】
前記電子ブロッキング層（２９）のアルミニウム含有量が、少なくとも２０％であり、前記電子ブロッキング層（２９）の厚さが、少なくとも８ｎｍ、最大１５ｎｍである、請求項１または２に記載の半導体積層体（２）。
【請求項４】
前記電子ブロッキング層（２９）が多層様式であり、前記電子ブロッキング層（２９）の前記アルミニウム含有量が、前記ｎ側（２０）から離れる方向に、単調減少または狭義単調減少する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項５】
前記ｎ側（２０）から離れる方向に、前記後部バリア層（２７）およびスペーサ層（２８）に続いて前記電子ブロッキング層（２９）があり、前記スペーサ層（２８）は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから作られ、厚さが５ｎｍ〜１５ｎｍの（端点を含む）範囲内であり、アルミニウム含有量が最大５％であり、前記電子ブロッキング層（２９）と前記後部バリア層（２７）との間に直接位置しており、
前記電子ブロッキング層（２９）は、前記後部バリア層（２７）よりも少なくとも１．５倍厚いおよび／または高い、電子に対するバリアとなる、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項６】
前記前部バリア層（２１）、前記主要バリア層（３１）および前記後部バリア層（２７）内における前記アルミニウム含有量、ならびに、前記前部量子井戸（２３）、前記主要量子井戸（３２）および前記後部量子井戸（２６）内における前記インジウム含有量が、一定である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項７】
前記前部量子井戸（２３）の両側および前記主要量子井戸（３２）の両側のそれぞれに、コンディショニング層（２２）が直接位置しており、
前記コンディショニング層（２２）が、それぞれ厚さ１ｎｍ〜２ｎｍの範囲内であり、
前記主要バリア層（３１）と、そこに隣接する前記前部量子井戸（２３）または主要量子井戸（３２）との間のバンドギャップ上昇が、いずれの場合も、前記コンディショニング層（２２）によって２つのより小さい上昇に分割される、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項８】
前記コンディショニング層（２２）が、隣接している前記前部量子井戸（２３）もしくは主要量子井戸（３２）の方向にインジウム含有量が増大するインジウム勾配を有する、および／または隣接している前記前部量子井戸（２３）もしくは主要量子井戸（３２）から離れる方向にアルミニウム含有量が増大するアルミニウム勾配を有する、請求項７に記載の半導体積層体（２）。
【請求項９】
前記主要バリア層（３１）が、０．９ｎｍ〜２．３ｎｍの（端点を含む）範囲内の厚さおよび１０％〜２０％の（端点を含む）範囲内のアルミニウム含有量を有し、
前記前部バリア層（２１）の厳密に１つが、２．５ｎｍ〜４ｎｍの（端点を含む）範囲内の厚さおよび２０％〜４０％の（端点を含む）範囲内のアルミニウム含有量を有する、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１０】
厳密に１個の前記前部量子井戸（２３）が、２．２ｎｍ〜３．４ｎｍの（端点を含む）範囲内の厚さおよび０．５％〜６％の（端点を含む）範囲内のインジウム含有量を有し、
少なくとも４個、最大３０個の前記主要量子井戸（３２）のそれぞれが、２．２ｎｍ〜３．４ｎｍの範囲内の厚さおよび１％〜７％の（端点を含む）範囲内のインジウム含有量を有する、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１１】
前記主要量子井戸（３２）の前記第２のバンドギャップが、前記前部量子井戸（２３）の前記第１のバンドギャップの８０％〜９５％の（端点を含む）範囲内である、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１２】
前記多重量子井戸構造（３）における主要バリア層（３１）と主要量子井戸（３２）との対の全てが、同じ設計である、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）。
【請求項１３】
紫外線を放出するように構成された光電子半導体チップ（１）であって、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体積層体（２）と、
前記半導体積層体（２）のための成長基板である基板（６）と
を含む、光電子半導体チップ（１）。
【請求項１４】
前記基板（６）が、構造化された成長表面を有するサファイア基板であり、
前記半導体積層体（２）が、電気コンタクト（５）を介して前記基板と電気的に接触しており、
前記半導体積層体（２）が、一定の組成で、前記基板（６）全体にわたって延びている、
請求項１３に記載の光電子半導体チップ（１）。
【国際調査報告】
2019525474.tif 000006
2019525474.tif 000007
2019525474.tif 000008
2019525474.tif 000009
2019525474.tif 000010
2019525474.tif 000011