(57)【要約】      （修正有）【課題】電荷キャリアの活性層への注入がとりわけ効果的なオプトエレクトロニクス半導体ボディを提供する。【解決手段】第１の層（１０）と、第２の層（１２）と、それらの間に配置され、動作の際に電磁放射を吸収または放出する活性層（１１）とを含む、オプトエレクトロニクス半導体エレメント（１００）に関する。半導体エレメントは少なくとも１つの注入領域（２）を備え、半導体積層体（１）は、注入領域全体にわたって第１の層と同じ導電型を示すようにドープされている。注入領域は第１の層から活性層を少なくとも部分的に貫通する。活性層の連続するトラックによって注入領域は横方向に囲まれ、活性層は注入領域よりも少なくまたはそれとは逆の導電型にドープされている。半導体エレメントの動作時には、電荷キャリアが第１の層から少なくとも部分的に注入領域に到達しそこから直接活性層に注入される。【選択図】図１Ｂ
2019165236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型である第１の層（１０）と、第２の導電型である第２の層（１２）と、前記第１の層（１０）と前記第２の層（１２）との間に配置されており、意図した通り動作させるときに電磁放射を吸収または放出する活性層（１１）とを含む半導体積層体（１）と、
少なくとも１つの注入領域（２）であって、成長した前記半導体積層体（１）に重ね合わされており、前記半導体積層体（１）が前記少なくとも１つの注入領域（２）全体にわたって前記第１の層（１０）と同じ導電型を示すように前記半導体積層体（１）が前記少なくとも１つの注入領域（２）内においてドープされている、少なくとも１つの注入領域（２）とを備えており、
前記少なくとも１つの注入領域（２）は前記第１の層（１０）から少なくとも部分的に前記活性層（１１）を貫通しており、前記少なくとも１つの注入領域（２）は横方向で、部分的にまたは完全に前記活性層（１１）の連続するトラック（ｔｒａｃｋ）に囲まれており、ここで前記活性層（１１）は前記少なくとも１つの注入領域（２）におけるよりも少なくまたは前記注入領域（２）とは逆の導電型にドープされており、
動作時に、電荷キャリアは前記第１の層（１０）から少なくとも部分的に前記少なくとも１つの注入領域（２）に到達しそこから直接前記活性層（１１）に注入されている、オプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの注入領域（２）は、完全に前記活性層（１１）を貫通し、少なくとも部分的に前記第２の層（１２）に突出している、請求項１に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの注入領域（２）の位置が平均して前記半導体積層体（１）のいかなる結晶欠陥の位置とも相関関係がないように、前記少なくとも１つの注入領域（２）が成長した前記半導体積層体（１）に重ね合されている、請求項１または２に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項４】
前記半導体積層体（１）の前記少なくとも１つの注入領域（２）内において格子転位を見つける確率は５０％未満である、請求項１から３のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの注入領域（２）全体にわたって、ドーピング濃度は１立方センチメートル当たり少なくとも１０１８個のドーピング原子であり、
前記少なくとも１つの注入領域（２）の外側の前記活性層（１１）内におけるドーピング濃度は、前記少なくとも１つの注入領域（２）におけるドーピング濃度より少なくとも２桁低いかまたは前記少なくとも１つの注入領域（２）とは逆の導電型である、請求項１から４のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項６】
前記活性層（１１）は、少なくとも１つの量子井戸層（１１０）を含む量子井戸構造を有し、
全ての隣接する２つの量子井戸層（１１０）の間には少なくとも１つの障壁層（１１１）が配置されており、
価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップは前記量子井戸層（１１０）の領域において前記障壁層（１１１）の領域におけるバンドギャップよりも小さく、
前記障壁層（１１１）と前記量子井戸層（１１０）の主延在方向は前記半導体積層体（１）の主延在方向と実質的に平行である、請求項１から５のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの注入領域（２）は前記第１の層（１０）から離れる方向に先細りし、
前記少なくとも１つの注入領域（２）は完全に前記活性層（１１）を貫通して前記第２の層（１２）に突出し、
前記少なくとも１つの注入領域（２）は前記第２の層（１２）に５０ｎｍ以上３００ｎｍ未満突出している、請求項１から６のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項８】
前記半導体積層体（１）は窒化物化合物半導体材料系であり、
前記第１の層（１０）と前記少なくとも１つの注入領域（２）はｐ型ドープされており、前記第１の導電型である正孔を含有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの注入領域（２）は前記活性層（１１）内における横方向の直径が１００ｎｍ以上５００ｎｍ未満である、請求項１から８のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの注入領域（２）の表面被覆密度は前記活性層（１１）全体に沿って０．５％以上３０％以下である、請求項１から９のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの注入領域（２）は第１の層から離れる方向に先細りしドーム形に形成されており、
前記少なくとも１つの注入領域（２）内においてドーピング濃度は横方向において内側から外側に向かって連続的に減少している、請求項１から１０のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項１２】
前記半導体積層体（１）はキャリア（１３）に載置されており、
前記キャリア（１３）は前記半導体積層体（１）の前記第１の層（１０）と反対または対向する側に載置されており、
前記半導体ボディ（１００）は面発光体または体積発光体（ｖｏｌｕｍｅ  ｅｍｉｔｔｅｒ）の形態である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項１３】
前記半導体積層体（１）は、ＡｌＩｎＧａＮ半導体積層体であり、
前記少なくとも１つの注入領域（２）内のインジウム含量は、隣接する前記半導体積層体（１）内のインジウム含量に対して、増加または減少される、請求項１から１２のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）。
【請求項１４】
オプトエレクトロニクス半導体ボディ（１００）を製造する方法であって、
Ａ）第１の導電型である第１の層（１０）と、第２の導電型である第２の層（１２）と、前記第１の層（１０）と前記第２の層（１２）との間に配置され、意図した通り動作させるときに電磁放射を吸収または放出する活性層（１１）とを含む半導体積層体（１）を準備する工程と、
Ｂ）前記半導体積層体（１）の少なくとも横方向に限定および横方向に制限された注入領域（２）にターゲットを絞って前記半導体積層体（１）をドープする工程とを含み、
工程Ｂにおいて前記半導体積層体（１）が前記注入領域（２）全体にわたって前記第１の層（１０）と同じ導電型となるようにドーピングが行われ、
前記注入領域（２）は前記第１の層（１０）から少なくとも部分的に前記活性層（１１）を貫通し、
工程Ｂにおける前記ドーピングの後に、前記注入領域（２）は、前記活性層（１１）の連続するトラックに横方向で、部分的にまたは完全に囲まれ、前記活性層（１１）は前記注入領域（２）よりも少なくまたは前記注入領域（２）とは逆の導電型にドープされている、方法。
【請求項１５】
工程Ｂの前に、マスク（３）が前記活性層（１１）とは反対側の前記第１の層（１０）に形成され、
前記マスク（３）は前記半導体積層体（１）が露出されている窓（３０）を少なくとも１つ有し、
前記ドーピングはイオン注入工程で行われ、ドーピング原子は前記活性層（１１）とは反対の前記マスク（３）側から前記マスク（３）に発射され、
前記半導体積層体（１）のドーピングは前記窓（３０）の領域で行われ、
前記マスク（３）の下の前記半導体積層体（１）のドーピングは前記マスク（３）によって抑制される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記マスク（３）の製造のために、まずマスク層が前記半導体積層体（１）に形成され、
その後、リソグラフィ法またはナノインプリントリソグラフィ法によって少なくとも１つの前記窓（３０）が前記マスク層に作られ、
前記マスク（３）は金属を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記イオン注入工程の後に前記半導体積層体（１）は熱アニーリング工程を経る、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
工程Ａの前に前記半導体積層体（１）が成長基板（４）上に成長され、ここではまず前記第２の層（１２）、次に前記活性層（１１）、続いて前記第１の層（１０）が成長され、
工程Ｂにおける前記半導体積層体（１）の前記ドーピングは、前記成長基板（４）とは反対側から行われ、
工程Ｂの後に、前記成長基板（４）と反対側の前記半導体積層体（１）に補助キャリアが載置され、前記成長基板（４）が外される、請求項１４から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
工程Ｂにおいて、前記注入領域（２）が前記第１の層（１０）から完全に前記活性層（１１）を貫通し、少なくとも部分的に前記第２の層（１２）に突出するようにドーピングが行われる、請求項１４から１８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
オプトエレクトロニクス半導体ボディが提供される。さらに、オプトエレクトロニクス半導体ボディを製造する方法が提供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
達成すべき目的の１つは、電荷キャリアの活性層への注入がとりわけ効果的なオプトエレクトロニクス半導体ボディを提供することである。さらなる達成すべき目的の１つはそのようなオプトエレクトロニクス半導体ボディを製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
これらの目的は独立請求項の主題と方法によって達成される。有利な構成と発展形態は従属請求項によって提供される。
【０００４】
少なくとも一実施形態によると、オプトエレクトロニクス半導体ボディは第１の導電型である第１の層と、第２の導電型である第２の層と、第１の層と第２の層の間に配置されている活性層とを含む半導体積層体を備えている。意図した通り動作させるときに活性層は電磁放射を放出または吸収し、その後、例えばその電磁放射を電子または光学信号に変換するように設計されている。第１の層は、例えば電荷キャリアとして正孔を含有するｐ型ドープ層である。このとき、第２の層は、例えば電荷キャリアとして電子を含有するｎ型ドープ層である。あるいは、これら二層が、例えばｎ型またはｐ型にドープされるように、逆または同じ導電型にドープされることも可能である。ここでおよび以下において、導電型とは多数電荷キャリアに関し、すなわちｎ型ドープ層における電子、ｐ型ドープ層における正孔に関する。
【０００５】
ここで第１および／または第２の層は、具体的にはそれぞれ複数の個々の層からなる積層体とも理解されうる。例えば、第１の層は半導体積層体の第１の主側と活性層との間の全ての半導体層からなる。第２の層は、例えば第１の主側とは反対の半導体積層体の第２の主側と活性層との間の全ての層からなりうる。
【０００６】
半導体積層体は、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系である。半導体材料は例えば、ＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＮなどの窒化物化合物半導体材料、ＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＰなどのリン化物化合物半導体材料、またはＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＡｓやＡｌｎＩｎ１−ｎ−ｍＧａｍＡｓＰなどのヒ化物化合物半導体材料であり、それぞれの場合において０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、およびｍ＋ｎ≦１を満たす。ここで半導体積層体はドーパントおよび付加成分を含有しうる。しかし簡略化のため、たとえ少量の他の物質で部分的に置換および／または追加されていても、半導体積層体の結晶格子の必須成分のみ、すなわちＡｌ、Ａｓ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、またはＰのみが特定されている。半導体積層体はＡｌＩｎＧａＮ系であることが好ましい。
【０００７】
半導体積層体の活性層は具体的には少なくとも１つのｐ−ｎ接合および／または少なくとも１つの量子井戸構造を有する。動作時に活性層によって生じる放射は具体的には４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下のスペクトル領域にある。
【０００８】
少なくとも一実施形態によると、半導体ボディは横方向に互いに隣接して配置される複数の注入領域を備えており、半導体積層体が注入領域全体にわたって第１の層と同じ導電型を示すように半導体積層体が各注入領域内においてドープされている。従って、注入領域は半導体積層体のドープされた小領域、例えば第１の層もｐ型にドープされていればｐ型ドープ領域である。ここで横方向とは、具体的には半導体積層体の主延在方向に平行な方向と理解される。
【０００９】
少なくとも一実施形態によれば、各注入領域は第１の層から活性層中に延び、少なくとも部分的にまたは完全に活性層を貫通する。ここで各注入領域は、活性層の連続するトラック（ｔｒａｃｋ）に横方向で囲まれていることが好ましく、注入領域の周りの連続するトラックにおいて活性層は注入領域におけるよりも少なくまたは注入領域とは逆の導電型にドープされている。従って、ドープ領域と少ないまたは逆の導電型のドープ領域との間の連接箇所によって、注入領域は横方向において制限または限定されている。
【００１０】
活性層に沿った断面図において、注入領域は例えば円形、楕円形、六角形、または長方形の断面形状を有しうる。この図において、注入領域は活性層によって完全に連続して囲まれていることが好ましい。
【００１１】
各注入領域は好ましくは、各注入領域を取り囲む残りの半導体積層体、具体的には各注入領域を取り囲む活性層とはドーピングの程度または種類においてのみ異なる。この場合、半導体積層体と注入領域の材料組成は例えばドーパントの濃度を除いて同一である。さらに、半導体積層体の層の幾何学的性質は注入領域によって影響されないことが好ましい。
【００１２】
しかしながら、高濃度のドーピングによっても結晶格子の必須成分の濃度は注入領域内において変わりうる。具体的には、高濃度のドーピングは、例えばＡｌＩｎＧａＮ半導体積層体におけるインジウムのような、結晶格子の必須成分へのまたは必須成分からのマイグレーションの原因となりうる。この過程は偏析として知られている。注入領域内でのインジウム含量はその結果、隣接する半導体積層体のインジウム含量と比較して例えば少なくとも１０％または５０％増加または減少する。
【００１３】
少なくとも一実施形態によれば、半導体ボディの動作時に少なくとも一部の電荷キャリアは第１の層から注入領域に入り込みそこから直接活性層に注入される。このように注入領域と隣接する活性層とは互いに直接電気的に接触しており、間隔をあけることもなく絶縁層などの他のいかなる層によっても互いに電気的に絶縁されていない。
【００１４】
本発明の少なくとも一実施形態において、オプトエレクトロニクス半導体ボディは第１の導電型である第１の層と、第２の導電型である第２の層と、第１の層と第２の層との間に配置され、意図した通り動作させるときに電磁放射を吸収または放出する活性層とを含む半導体積層体を備える。半導体ボディにおいて、複数の注入領域は横方向に互いに隣接して配置されて存在し、半導体積層体が注入領域全体にわたって第１の層と同じ導電型を示すように半導体積層体が各注入領域内においてドープされている。この場合、各注入領域は第１の層から少なくとも部分的に活性層を貫通する。さらに、各注入領域は横方向で活性層の連続するトラックに囲まれ、活性層は注入領域より少なくまたは注入領域とは逆の導電型にドープされる。半導体ボディの動作時に少なくとも一部の電荷キャリアが第１の層から注入領域に入り込みそこから直接活性層に注入される。
【００１５】
上記の本発明は、とりわけ窒化物系ＬＥＤの内部量子効率が、不十分な正孔輸送によって特に低下するという発見に基づいている。活性層への不十分な正孔輸送は、活性層内の量子井戸の障壁高さによってしばしば阻害される。しかしながら、分極電荷の発生によっても正孔輸送は阻害される。
【００１６】
上記の本発明は、とりわけ電荷キャリア、特に正孔が第１の層から活性層のドープ領域に入り込みそこから効果的に活性層に、特に活性層の厚み全体にわたって、注入されうるように、活性層の一部の領域をドーピングするという考えを活用する。従って、多重量子井戸構造が適用されるときに、電荷キャリアが全ての量子井戸に、好ましくは均質に注入されることが可能となる。これにより半導体ボディ全体の効率が上がる。
【００１７】
少なくとも一実施形態によれば、注入領域は成長した半導体積層体に重ね合される。つまり、半導体積層体がまず完全に成長され、この成長後においてのみ注入領域がドーピング工程によって導入される。この結果、とりわけ幾何学的性質、特に活性層の幾何学的性質が注入領域の位置と形状によって影響されない。従って、注入領域は半導体積層体内のドープされた小領域であり、半導体積層体に重ね合される。
【００１８】
結果的に、注入領域の位置は、平均的にでさえ、半導体積層体内のいかなる結晶欠陥の位置とも相関関係はない。これらの結晶欠陥は、例えば格子転位の形態で存在しうる。格子転位は、例えば半導体積層体の成長時に成長基板の格子定数への適応の結果発生する。これらの結晶欠陥または格子転位は単に統計的に分配され、半導体積層体内において規則的な幾何学的配置を示さないことが好ましい。
【００１９】
ＧａＮ系半導体材料の場合、サファイア基板上での成長における格子転位密度は通常１平方センチメートル当たり１０７から１０９であるが、ＧａＮ基板上での成長における格子転位密度は数桁低くなりうる。
【００２０】
特に窒化物系半導体材料の場合、Ｖ形ノッチ、いわゆるＶピットはこれら格子転位の結果、活性層に発生する。これら活性層におけるノッチは、通常、活性層の主延在方向に垂直な深さが少なくとも３０ｎｍまたは少なくとも１００ｎｍである。
【００２１】
上記の本発明において、半導体積層体の成長時に発生するこれらＶピットは注入領域に何ら相関関係がないことが好ましい。つまり、Ｖピットの位置は、平均して注入領域の位置とは相関関係がない。
【００２２】
少なくとも一実施形態によれば、半導体積層体の注入領域内において格子転位、特にＶピットを見つける確率は５０％未満、１０％未満、または１％未満である。
【００２３】
少なくとも一実施形態によれば、活性層は少なくとも５０％、少なくとも９０％、または少なくとも９９％の注入領域内を平面状に連続して延びる。この文脈において平面状に連続してとは、注入領域全体にわたって活性層の主延在方向に垂直な深さが１０ｎｍより大きいまたは２０ｎｍより大きい段差、構造、またはノッチを活性層が有さないことを意味する。あるいは、またはさらに、平均して、活性層の少なくとも５０％、９０％、または９９％の区域が各注入領域内において平面状の構成である。
【００２４】
少なくとも一実施形態によれば、各注入領域のドーピング濃度は少なくとも１立方センチメートル当たり１０１８、１０１９、１０２０、または１０２１個のドーピング原子である。このドーピング濃度が注入領域全体にわたっていることが好ましい。
【００２５】
少なくとも一実施形態によれば、注入領域の外側の活性層内でのドーピング濃度は注入領域におけるよりも少なくとも２倍、少なくとも５倍、または少なくとも１０倍低いか、または注入領域とは逆の導電型にドープされている。ＧａＮ系半導体材料の場合、活性層は、例えばわずかにｎ型にドープされており、そのとき注入領域はｐ型にドープされていることが好ましい。
【００２６】
少なくとも一実施形態によれば、活性層は少なくとも１つまたは複数の量子井戸層を含む量子井戸構造を有する。全ての隣接する２つの量子井戸層の間には例えば少なくとも１つの障壁層が配置される。ここで価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップは、障壁層の領域におけるよりも量子井戸層の領域において小さい。量子井戸層の幅と量子井戸層で発生するバンドギャップによって、量子井戸層内における再結合時に放出される放射の波長が調整されうる。ここで障壁層と量子井戸層の主延在方向は活性層の主延在方向と実質的に平行である。また、幅は主延在方向と垂直に測定される。
【００２７】
注入領域が量子井戸構造内に存在することで、例えば動作時に第１の層からの電荷キャリアが均質に全ての量子井戸層に注入されることが可能となり、注入領域を有さない部品と比較して部品における量子効率が上がる。
【００２８】
少なくとも一実施形態によれば、注入領域は第１の層から離れる方向に先細りする。注入領域は、例えばピラミッド形、円錐形、またはドーム形に形成されうる。半球または半球状体も想定できる。
【００２９】
少なくとも一実施形態によれば、注入領域は活性層を完全に貫通し、少なくとも部分的に第２の層に突出する。ここで注入領域は少なくとも５０ｎｍ、少なくとも１００ｎｍ、または少なくとも１５０ｎｍ、第２の層に突出していることが好ましい。あるいは、またはさらに、注入領域は３００ｎｍ未満、２５０ｎｍ未満、または２００ｎｍ未満、第２の層に突出している。
【００３０】
少なくとも一実施形態によれば、半導体積層体は窒化物化合物半導体材料系であり、具体的には半導体積層体の全ての層が窒化物化合物半導体材料系である。
【００３１】
少なくとも一実施形態によれば、第１の層と注入領域はｐ型にドープされており、第１の導電型である正孔を含有する。
【００３２】
活性層は例えばＡｌＧａＩｎＮ系の量子井戸構造を有しうる。
【００３３】
少なくとも一実施形態によれば、活性層の上面図において、注入領域は規則格子の格子点に配置されている。具体的には、注入領域はこの場合、活性層に沿ってマトリックスの形態でまたは六角形に分配されている。従って活性層に沿った注入領域の配置はランダムではなく、パターンに従って周期的または規則的であることが好ましい。
【００３４】
少なくとも一実施形態によれば、それぞれの場合において注入領域は、活性層内において横方向に測定される直径または幅が少なくとも１００ｎｍ、少なくとも１５０ｎｍ、または少なくとも２００ｎｍである。あるいは、またはさらに、注入領域の直径または幅は５００ｎｍ未満、２５０ｎｍ未満、または２００ｎｍ未満である。ここで直径または幅は、例えば最大直径または平均直径、もしくは最大幅または平均幅である。
【００３５】
少なくとも一実施形態によれば、第１の層は半導体積層体の主延在方向に垂直な厚さが１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満である。第２の層の厚さは３μｍ以上６μｍ以下の範囲であることが好ましい。活性層の厚さは例えば５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、例えば５から１０の量子井戸層を有しうる。
【００３６】
少なくとも一実施形態によれば、注入領域の活性層全体に沿った表面被覆密度は少なくとも０．５％、少なくとも１％、または少なくとも２％である。あるいは、またはさらに、表面被覆密度は３０％未満、１０％未満、または３％未満である。一方ではこのような表面被覆密度の選択により活性層への効果的な電荷キャリアの注入が可能となり、他方では高い発光効率を確保するのに十分な、注入領域の存在しない活性層が残る。
【００３７】
少なくとも一実施形態によれば、ドーピング濃度は各注入領域全体にわたって均一かつ一定である。あるいは、例えばドーピング濃度が横方向において内側から外側に向かって連続的に減少するように、ドーピング濃度が注入領域内において勾配を示すことも可能である。活性層の主延在方向に垂直なドーピング濃度の勾配も想定しうる。この場合ドーピング濃度は、例えば注入領域内において第１の層から離れる方向に減少する。
【００３８】
少なくとも一実施形態によれば、半導体積層体はキャリアに載置される。ここでキャリアは第１の層とは反対または対向する半導体積層体側に載置されうる。キャリアは具体的には半導体積層体の成長基板またはその後に適用される補助キャリアでありうる。キャリアは特に半導体積層体を安定化し機械的に支持するのに役立つ。この場合、半導体ボディは、例えば自己支持型の面発光体または体積発光体（ｖｏｌｕｍｅ  ｅｍｉｔｔｅｒ）の形態である。半導体ボディは例えばサファイアチップまたは薄膜チップでありうる。
【００３９】
さらに、オプトエレクトロニクス半導体ボディを製造する方法が提供される。特にこの方法は上記のオプトエレクトロニクス半導体ボディを製造するのに好適である。つまり、オプトエレクトロニクス半導体ボディに関連して開示された全ての特徴はこの方法においても開示され、その逆も同様である。
【００４０】
少なくとも一実施形態によれば、オプトエレクトロニクス半導体ボディを製造する方法は工程Ａを含み、工程Ａにおいて第１の導電型である第１の層と第２の導電型である第２の層と、第１の層と第２の層との間に配置されている活性層とを含む半導体積層体が準備され、ここで意図した通り動作させるときに活性層によって電磁放射が吸収または放出される。
【００４１】
次の工程Ｂではその後、半導体積層体は少なくとも横方向に限定および横方向に制限された注入領域にターゲットを絞ってドープされる。ここで工程Ｂにおいて、半導体積層体が注入領域全体にわたって第１の層と同じ導電型となるようにドーピングが行われる。このように形成された注入領域は、第１の層から少なくとも部分的に活性層を貫通することが好ましい。工程Ｂにおけるドーピングの後に、注入領域は例えば横方向で活性層の連続して一体となったトラックに部分的または完全に囲まれ、ここで活性層は注入領域におけるよりも少なくまたは注入領域とは逆の導電型にドープされている。
【００４２】
少なくとも一実施形態によれば、工程Ｂにおいてマスクが活性層と反対側の第１の層に形成される。ここでマスクは半導体積層体が露出される窓を少なくとも１つ有することが好ましい。窓の外側の半導体積層体の領域はマスクで覆われている。
【００４３】
少なくとも一実施形態によれば、ドーピングはイオン注入工程よって行われ、ドーピング原子は活性層とは反対のマスク側からマスクに発射される。その後、半導体積層体のドーピングは、窓の領域で、好ましくは窓の領域でのみ行われる。マスクの下のドーピングはマスクによって抑制されること、特に完全に抑制されることが好ましい。
【００４４】
少なくとも一実施形態によれば、マスクの作成のためにまずマスク層が半導体積層体に載置される。その後、ステッパー法やナノインプリントリソグラフィ法などのリソグラフィ法によってマスクがパターン化され、この工程時にマスク層に少なくとも１つの窓が作られる。
【００４５】
少なくとも一実施形態によれば、マスクは金、銀、アルミニウム、チタン、または鋼などの金属から構成されるまたは成る。マスクがフォトレジストを使って形成されること、またはフォトレジストを含むことも想定されうる。
【００４６】
少なくとも一実施形態によれば、注入領域をドーピングするためのイオン注入工程の後、半導体積層体は熱アニーリング工程を経る。このアニーリング工程時に、イオン注入工程で発生した欠陥または格子欠陥のなかには回復またはアニールされうるものもある。その結果、半導体ボディの光学効率が上がる。アニーリング工程において半導体積層体は例えば少なくとも１０００℃の温度に加熱される。
【００４７】
少なくとも一実施形態によれば、半導体積層体は工程Ａの前に成長基板上に成長され、まず第２の層、次に活性層、続いて第１の層が成長される。その後、工程Ｂにおいて、例えばイオン注入によって半導体積層体が成長基板とは反対側からドーピングされる。工程Ｂの後、例えば補助キャリアが成長基板とは反対側の半導体積層体に載置され、成長基板が外される。このようにして、例えば前述の注入領域を有する薄膜半導体チップが製造されうる。あるいは、成長基板が半導体ボディに残り補助キャリアを省くことも可能である。このように、例えばサファイアチップのような体積半導体（ｖｏｌｕｍｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）チップが製造されうる。成長基板は例えばシリコン、ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＳｉＣ，またはサファイア成長基板でありうる。
【００４８】
上記のオプトエレクトロニクス半導体ボディとオプトエレクトロニクス半導体ボディを製造する方法は、図面を参照しながら例示的な実施形態により以下にさらに詳細に説明する。各図において同じ参照番号は同じ要素に関する。しかし、相互関係は縮尺通りではなく、むしろ理解の助けとなるように個々の要素のサイズが誇張されていてもよい。
【００４９】
図は以下のものを示す。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】オプトエレクトロニクス半導体ボディの例示的な実施形態を上面図で示す。
【図１Ｂ】オプトエレクトロニクス半導体ボディの例示的な実施形態を断面図で示す。
【図１Ｃ】オプトエレクトロニクス半導体ボディの例示的な実施形態を断面図で示す。
【図２】オプトエレクトロニクス半導体ボディの例示的な実施形態を断面図で示す。
【図３Ａ】オプトエレクトロニクス半導体ボディを製造するための工程の例示的な実施形態を断面図で示す。
【図３Ｂ】オプトエレクトロニクス半導体ボディを製造するための工程の例示的な実施形態を断面図で示す。
【図３Ｃ】オプトエレクトロニクス半導体ボディを製造するための工程の例示的な実施形態を断面図で示す。
【図４Ａ】オプトエレクトロニクス半導体ボディの例示的な実施形態を上面図で示す。
【図４Ｂ】オプトエレクトロニクス半導体ボディの例示的な実施形態を上面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１Ａでは、オプトエレクトロニクス半導体ボディ１００は、オプトエレクトロニクス半導体ボディ１００の半導体積層体１における活性層１１の上面図で示されている。この場合、長方形または正方形のマトリックスパターンで規則的に配置されている注入領域２によって活性層１１が散在されている。ここで注入領域２は円形または楕円形の断面を有する。図１Ａにおける注入領域２は、具体的には半導体積層体内においてランダムに分配されておらず、規則格子における固定の格子点に配置されている。
【００５２】
図１Ｂは、図１ＡのＡＡ’線に沿ったオプトエレクトロニクス半導体ボディ１００の例示的な実施形態を示す。半導体ボディ１００が、半導体積層体１が載置されるキャリア１３を有することがわかる。半導体積層体１は、例えばキャリア１３の主側に成長されうる。キャリア１３は、例えば半導体積層体１の成長基板である。キャリア１３は例えばサファイアキャリアであり、半導体積層体１は例えばＡｌＩｎＧａＮ系である。
【００５３】
半導体積層体１は第１の導電型である第１の層１０と、活性層１１と、第２の導電型である第２の層１２とを有し、活性層１１は第１の層１０と第２の層１２との間に配置され、第２の層１２はキャリア１３に対向している。この場合、第１の層１０は例えばｐ型にドープされており、第２の層１２は例えばｎ型にドープされている。活性層１１はドープされていない、または例えばわずかにｎ型にドープされていることも可能である。
【００５４】
さらに図１Ｂにおいて、図１Ａの注入領域２の断面が見られる。注入領域２は、半導体積層体１のドープされた小領域であり、注入領域２の全体にわたって第１の層１０と同じ導電型を示すようにドーピングが選択される。注入領域２は、例えば第１の層１０のようにｐ型にドープされ多数電荷キャリアとして正孔を含有する。注入領域２内におけるドーピング濃度は、例えば１立方センチメートル当たり少なくとも１０１８個のドーピング原子である。ドーピング原子は例えばＭｇである。
【００５５】
注入領域２の位置および幾何学的形状が半導体積層体内の層の性質に影響がないように、注入領域２は半導体積層体１に重ね合される。具体的に注入領域２は、半導体積層体１と同じ主材料系であり、残りの半導体積層体１と比較して付加的にドープされているまたはより多くドープされている。活性層１１は注入領域２全体にわたって平面状に連続して延び、２０ｎｍを超える鉛直長さの段差またはノッチを有さない。ここで鉛直とは活性層１１の主延在方向に垂直な方向を示す。具体的には、例えばＶピット４の形態のような格子欠陥は注入領域２内に存在しない。全ての注入領域２内において格子転位やＶピット４のような格子欠陥を見つける確率は５０％未満であることが好ましい。Ｖピット４は横方向に注入領域２と隣接している。Ｖピット４は断面図では活性層１１におけるＶ形ノッチである。
【００５６】
図１Ｂの注入領域２は第１の層１０全体と活性層１１全体を貫通し、第２の層１２に例えば少なくとも５０ｎｍ部分的に突出する。ここで注入領域２は第１の層１０から離れる方向に先細りする。横方向、すなわち半導体積層体１の主延在方向に平行な方向において、注入領域２は活性層１１の連続して一体となったトラックに完全に囲まれ、活性層でのドーピングの程度は注入領域２とは逆の導電型または注入領域２におけるよりも少なくとも２桁低い。この場合、注入領域２の断面形状はドーム形である。
【００５７】
図１Ｃは、図１ＡにおけるＢＢ’線に沿った半導体ボディ１００の断面図を示す。ここでＢＢ’線は半導体積層体１の注入領域２を横切らない。半導体積層体１の層構成は、注入領域２を除いて図１Ｂの層構成と同一である。図１Ｂにおける活性層１１の幾何学的性質は、図１Ｂにおいてランダムに発生するＶピット４を除いて、図１Ｃにおける活性層１１の幾何学的性質と同一である。このことから、活性層１１の性質が注入領域２の位置および形状に影響されないことが明らかである。
【００５８】
図２は半導体ボディ１００の例示的な実施形態を再度断面図で示す。この場合、活性層１１は、交互に他方の上に積層された複数の量子井戸層１１０と障壁層１１１を含む量子井戸構造からなる。ここで活性層１１は例えば５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さである。量子井戸層１１０はそれぞれ例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さである。図２の量子井戸構造は例えばＡｌＩｎＧａＮ系であり、１０から２０の量子井戸層１１０を含む。ここで量子井戸層１１０内のバンドギャップは障壁層１１１内のバンドギャップより小さいことが好ましい。
【００５９】
さらに図２は、半導体ボディ１００の動作時における半導体積層体１の層内での電荷キャリアの流れを示す。第１の電荷キャリア、例えば正孔が第１の層１０から注入領域２に注入される。第１の電荷キャリアは注入領域２から直接活性層１１に入り込むことが可能である。ここで第１の電荷キャリアは、各量子井戸層１１０に注入されるように全ての量子井戸層１１０に分配されている。従って、第１の電荷キャリアは全ての量子井戸層１１０に、とりわけ均質に分配されていることが好ましい。さらに、第２の電荷キャリア、例えば電子も第２の層１２から活性層１１および関連する量子井戸層１１０に注入される。量子井戸層１１０内では電子と正孔の再結合が起こり、その結果、好ましくは紫外線領域または可視光領域での電磁放射が得られる。ここで注入領域２は全ての量子井戸層１１０で放射を発生させ、注入領域を有さない半導体ボディと比較して半導体ボディ１００の量子効率を上げることが可能である。
【００６０】
図３Ａから３Ｃの例示的な実施形態において、オプトエレクトロニクス半導体ボディ１００を製造するための様々な工程が示されている。ここで半導体ボディ１００はそれぞれ断面視である。
【００６１】
図３Ａにおいて、半導体積層体１がまずキャリア１３に設けられる。ここで半導体積層体１の個々の層の順は図１Ｃの順と一致する。キャリア１３とは反対側の第１の層１０に、アルミニウム、銀、または金などの例えば金属からなるマスク３も形成される。さらにマスク３は、キャリア１３とは反対側の半導体積層体１が露出される窓３０を有する。半導体積層体１の残部はマスク３で覆われている。
【００６２】
さらに、図３Ａはイオン注入工程の開始を示し、例えばイオン化したマグネシウム原子がキャリア１３とは反対のマスク３側に発射される。
【００６３】
図３Ｂはイオン注入によってドーピング動作が完了した後の工程を示す。ドーピング動作の結果、半導体積層体１がドープされる窓３０の領域に注入領域２が形成される。窓３０の外側の領域におけるマスク３の下では、半導体積層体１のドーピングが行われていないかまたは低濃度ドーピングが行われる。従って、マスク３はイオン注入工程でのイオンを除くかまたは遮っている。
【００６４】
図３Ｃは図３Ｂと同じ例示的な実施形態を示すが、マスク３はドーピング工程の後に取り除かれている。そして完成したオプトエレクトロニクス半導体ボディ１００が残っている。
【００６５】
図４Ａおよび４Ｂはオプトエレクトロニクス半導体ボディ１００のさらなる例示的な実施形態を、半導体積層体１における活性層１１の上面図で示す。図４Ａでは注入領域２は正六角形のパターンで配置され、図４Ｂでは注入領域２は正方形のマトリックスパターンで配置されている。図４Ａでは注入領域２は円形または楕円形の断面形状であるが、図４Ｂでは注入領域２は正方形の断面形状である。注入領域２の配置と注入領域２の幾何学的な断面形状は、マスク３における窓３０の幾何学的形状および配置によって決定されうる。
【００６６】
さらに図４Ａは、半導体積層体１においてその成長の結果形成されたＶピット４という形態での複数の格子転位４を示す。ここでＶピット４は、規則的または周期的ではなく半導体積層体１にランダムに分配されている。具体的には注入領域２の位置は、Ｖピット４の位置とは相関関係がない。
【００６７】
本発明は例示的な実施形態を用いた上記説明に限定されない。むしろ本発明はいかなる新たな特徴およびいかなる特徴の組み合わせをも包含し、たとえこれらの特徴またはその組み合わせ自体が本願特許請求項または例示的な実施形態に明示的に記述されていなくても、本発明はとりわけ本願特許請求項におけるいかなる特徴の組み合わせをも包含する。
【００６８】
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１５１０４６６５．２号の優先権を主張し、その開示内容は参照によって本明細書に援用される。
【符号の説明】
【００６９】
１  半導体積層体
２  注入領域
３  マスク
４  格子転位／Ｖピット
１０  第１の層
１１  活性層
１２  第２の層
１３  キャリア
３０  窓
１００  オプトエレクトロニクス半導体ボディ
１１０  量子井戸層
１１１  障壁層
【図１Ａ】
2019165236.tif 000003
【図１Ｂ】
2019165236.tif 000004
【図１Ｃ】
2019165236.tif 000005
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2019165236.tif 000008
【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
2019165236.tif 000010
【図４Ｂ】
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