(57)【要約】本発明は、オプトエレクトロニクス半導体ボディであって、第１の成分と、第１の成分とは異なる第２の成分とからなる半導体材料、を含んでいる、オプトエレクトロニクス半導体ボディ、を開示する。この半導体ボディは、ｎ型導電層（１）とｐ型導電層（５）との間に配置されている量子井戸構造を有する。量子井戸構造は、１層の量子井戸層（３１）または積層体（３）（積層体（３）は複数の量子井戸層（３１）と少なくとも１層のバリア層（３２）とを備えており、バリア層（３２）が２層の連続する量子井戸層（３１）の間に配置されており、これら２層の量子井戸層（３１）に隣接している）と、ｎ型導電層（１）と１層の量子井戸層（３１）または積層体（３）とに隣接しているｎ側終端層（２）と、ｐ型導電層（５）と１層の量子井戸層（３１）または積層体（３）との間に配置されており、かつ積層体（３）または１層の量子井戸層（３１）に隣接しているｐ側終端層（４）と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オプトエレクトロニクス半導体ボディであって、第１の成分と、前記第１の成分とは異なる第２の成分とからなる半導体材料、を含んでおり、ｎ型導電層（１）とｐ型導電層（５）との間に配置されている多重量子井戸構造を備えており、前記多重量子井戸構造が、
−  複数の量子井戸層（３１）と少なくとも１層のバリア層（３２）とからなる積層体（３）であって、連続する量子井戸層（３１）の各対の間に１層のバリア層（３２）が配置されており、前記バリア層（３２）が両方の量子井戸層（３１）に隣接している、積層体（３）と、
−  前記積層体（３）と前記ｎ型導電層（１）とに隣接しているｎ側終端層（２）と、
−  前記積層体（３）と前記ｐ型導電層（５）との間に配置されており、かつ前記積層体（３）に隣接しているｐ側終端層（４）と、
を備えており、
前記半導体材料の前記第１の成分のモル比率（ｘ）が、
−  前記ｎ側終端層（２）と、前記少なくとも１層のバリア層（３２）と、前記ｐ側終端層（４）とにおけるよりも、前記量子井戸層（３１）のそれぞれにおいて高く、
−  前記ｎ型導電層（１）におけるよりも前記ｎ側終端層（２）において高く、前記ｐ型導電層（５）におけるよりも前記ｐ側終端層（４）において高い、
オプトエレクトロニクス半導体ボディ。
【請求項２】
前記ｎ型導電層（１）がｐ側境界領域（１１）を備えており、前記ｐ側境界領域（１１）が、前記ｎ側終端層（２）のｎ側境界領域（２２）に隣接しており、前記ｎ型導電層（１）の前記ｐ側境界領域（１１）と、前記ｎ側終端層（２）の前記ｎ側境界領域（２２）とが、ｎ型ドーパントによってドープされており、
前記ｎ側終端層（２）がｐ側境界領域（２１）を備えており、前記ｐ側境界領域（２１）が、特に、前記積層体（３）に直接隣接しており、かつ公称的にはドープされていない、
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。
【請求項３】
前記少なくとも１層のバリア層（３２）における前記半導体材料の前記第１の成分の前記モル比率（ｘ）が、前記ｎ側終端層（２）における前記モル比率と少なくとも同じ大きさである、
請求項１または請求項２に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
【請求項４】
前記少なくとも１層のバリア層（３２）における前記半導体材料の前記第１の成分の前記モル比率（ｘ）が、前記ｐ側終端層（４）における前記モル比率と少なくとも同じ大きさである、
請求項１から請求項３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。
【請求項５】
前記ｎ側終端層（２）と、前記少なくとも１層のバリア層（３２）と、前記ｐ側終端層（４）とにおける前記半導体材料の前記第１の成分の前記モル比率（ｘ）が、同じ大きさである、
請求項１から請求項４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。
【請求項６】
オプトエレクトロニクス半導体ボディであって、第１の成分と、前記第１の成分とは異なる第２の成分とからなる半導体材料、を含んでおり、ｎ型導電層（１）とｐ型導電層（５）との間に配置されている単一量子井戸構造を備えており、前記単一量子井戸構造が、
−  １層の単一量子井戸層（３１）と、
−  前記量子井戸層（３１）と前記ｎ型導電層（１）とに隣接しているｎ側終端層（２）と、
−  前記量子井戸層（３１）と前記ｐ型導電層（５）との間に配置されており、かつ前記量子井戸層（３１）に隣接しているｐ側終端層（４）と、
を備えており、
前記半導体材料の前記第１の成分のモル比率（ｘ）が、
−  前記ｎ側終端層（２）と、前記ｐ側終端層（４）とにおけるよりも、前記量子井戸層（３１）において高く、
−  前記ｎ型導電層（１）におけるよりも前記ｎ側終端層（２）において高く、前記ｐ型導電層（５）におけるよりも前記ｐ側終端層（４）において高い、
オプトエレクトロニクス半導体ボディ。
【請求項７】
前記ｎ型導電層（１）がｐ側境界領域（１１）を備えており、前記ｐ側境界領域（１１）が、前記ｎ側終端層（２）のｎ側境界領域（２２）に隣接しており、前記ｎ型導電層（１）の前記ｐ側境界領域（１１）と、前記ｎ側終端層（２）の前記ｎ側境界領域（２２）とが、ｎ型ドーパントによってドープされている、
請求項１から請求項６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。
【請求項８】
前記ｎ側終端層（２）がｐ側境界領域（２１）を備えており、前記ｐ側境界領域（２１）が、特に、前記積層体（３）または前記単一量子井戸層（３１）に直接隣接しており、かつ公称的にはドープされていない、
請求項１から請求項７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。
【請求項９】
前記ｎ側終端層（２）が、１０ｎｍに等しいかそれより大きい層厚さ（ｄ）、特に、５０ｎｍに等しいかそれより大きい層厚さ（ｄ）を有する、
請求項１から請求項８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。
【請求項１０】
前記ｎ側終端層（２）の前記ｐ側境界領域（２１）が、１０ｎｍに等しいかそれより大きい層厚さを有する、
請求項７に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
【請求項１１】
前記半導体材料の前記第１の成分がＩｎからなり、前記半導体材料の前記第２の成分が、ＡｌおよびＧａからなる群からの少なくとも１種類の材料と、窒素とを含んでいる、
請求項１から請求項１０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。
【請求項１２】
前記半導体材料がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であり、Ｉｎからなる前記第１の成分が、前記ｎ側終端層において比率ｘ≧０．０５を有する、
請求項１１に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
【請求項１３】
前記ｎ型導電層（１）が前記半導体材料の前記第１の成分を含んでいない、
請求項１から請求項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。
【請求項１４】
前記ｎ型導電層（１）の前記ｐ側境界領域（１１）と、前記ｎ側終端層（２）の前記ｎ側境界領域（２２）とにおけるｎ型ドーパントが、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に等しいかそれより大きい濃度で存在する、
請求項２または請求項７、あるいは請求項７を参照する請求項８から請求項１３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。
【請求項１５】
前記第１の成分の前記モル比率（ｘ）が、前記ｎ側終端層（２）の中で、特に、前記ｎ側終端層（２）の前記ｎ側境界領域（２２）の中で、前記ｎ型導電層から遠ざかる方向に、連続的に、または段階的に、高くなっている、
請求項１から請求項１４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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、量子井戸構造を有するオプトエレクトロニクス半導体ボディに関する。
【発明の概要】
【０００２】
本出願の目的は、特に低い順方向電圧を有する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。
【０００３】
この目的は、独立請求項によるオプトエレクトロニクス半導体ボディによって達成される。本オプトエレクトロニクス半導体ボディの有利な構造形態およびさらなる発展形態は、従属請求項に記載されている。請求項の開示内容は、参照によって本明細書に明示的に組み込まれている。
【０００４】
オプトエレクトロニクス半導体ボディを提供する。本オプトエレクトロニクス半導体ボディは、例えば、発光ダイオードまたはレーザダイオードである。この半導体ボディは、ｎ型導電層およびｐ型導電層を備えており、これらの層の間に量子井戸構造が配置されている。量子井戸構造は、特に、紫外スペクトル領域、可視スペクトル領域、赤外スペクトル領域のうちの１つまたは複数における電磁放射を生成もしくは受光またはその両方を行うように設けられていることが好ましい。
【０００５】
量子井戸構造は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造とすることができる。単一量子井戸構造は、特に、１層の量子井戸層と、ｎ側終端層（n-side terminating layer）と、ｐ側終端層とからなる。多重量子井戸構造は、特に、積層体と、ｎ側終端層と、ｐ側終端層とからなり、積層体は、複数の量子井戸層と、少なくとも１層のバリア層とからなる。
【０００６】
積層体においては、連続する２層の量子井戸層の間それぞれにバリア層が配置されており、これら２層の量子井戸層に隣接している。言い換えれば、積層体は、量子井戸層とバリア層が交互に並んだものであり、積層体の両側の最終層はいずれも量子井戸層である。したがって、積層体は、ｎ層の量子井戸層とｎ−１層のバリア層とを含んでおり、ｎは２以上の自然数である。さらなる発展形態においては、量子井戸層の数ｎは、１０以下である。
【０００７】
各バリア層は、特に、均一な材料組成を有する。言い換えれば、各バリア層の材料組成は、特に、隣接する量子井戸層の一方から、隣接する他方の量子井戸層まで、変化していない。均一な材料組成のバリア層は、特に、材料組成の異なる一連の部分を含んでいない。
【０００８】
半導体ボディが多重量子井戸構造を備えている場合、ｎ側終端層は、積層体およびｎ型導電層に隣接している。ｐ側終端層は、積層体とｐ型導電層との間に配置されており、積層体に隣接している。ｐ側終端層は、ｐ型導電層にも隣接していることが好ましい。
【０００９】
言い換えれば、多重量子井戸構造を有する半導体ボディにおいては、積層体はｎ側終端層とｐ側終端層との間に配置されており、半導体ボディのｎ側から見たとき、ｎ側終端層が積層体の最初の量子井戸層に隣接しており、ｐ側終端層が積層体の最後の量子井戸層に隣接している。
【００１０】
半導体ボディが単一量子井戸構造を備えている場合、ｎ側終端層は、単一量子井戸層およびｎ型導電層に隣接している。ｐ側終端層は、単一量子井戸層とｐ型導電層との間に配置されており、単一量子井戸層に隣接している。ｐ側終端層は、ｐ型導電層にも隣接していることが好ましい。
【００１１】
本オプトエレクトロニクス半導体ボディ、特に、少なくとも量子井戸構造、ｎ型導電層、およびｐ型導電層は、第１の成分と、第１の成分とは異なる第２の成分とからなる半導体材料、を含んでいる。この場合、半導体ボディのすべての層が半導体材料の第１の成分を含んでいる必要はない。しかしながら、少なくとも、（１層または複数の）量子井戸層と、１層または複数のバリア層（存在時）と、ｎ側終端層と、ｐ側終端層には、第１の成分が含まれていることが好ましい。第２の成分の組成は、半導体ボディのすべての層において同じである必要はない。例えば、第２の成分は複数の元素を含んでいることができ、これらの元素は、半導体ボディの複数の異なる層において第２の成分中の異なるモル比率で存在している。
【００１２】
半導体材料は、例えば、六方晶化合物半導体材料である。六方晶化合物半導体材料は、六角形の格子構造を有する。六方晶化合物半導体材料は、例えば、化学元素の周期表のＩＩ族およびＶＩ族の元素の二元化合物、三元化合物、四元化合物のうちの少なくとも１種類である。六方晶化合物半導体材料は、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＣｄＳ、ＺｎＣｄＳ、ＭｇＢｅＯのいずれかの化合物とすることができる。あるいは、六方晶化合物半導体材料は、ＩＩＩ族およびＶ族の元素の二元化合物、三元化合物、四元化合物のうちの少なくとも１種類、例えば、窒化物化合物半導体材料とすることができる。六方晶化合物半導体材料は、例えば、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのいずれかの半導体構造とすることができる。
【００１３】
この場合、半導体材料は、上記の化学式のいずれかに従った数学的に正確な組成を有する必要はない。そうではなく、半導体材料は、１種類または複数種類のドーパントと、追加の構成成分を含んでいることができる。しかしながら、説明を簡潔にする目的で、上の化学式は、結晶格子の本質的な構成成分のみを含んでおり、これらの構成成分は、その一部分を比較的少量のさらなる物質によって置き換えることができる。
【００１４】
半導体材料の第１の成分のモル比率は、ｎ側終端層、ｐ側終端層、および積層体の１層または複数のバリア層（存在時）よりも、量子井戸層それぞれの方が高い。このようにすることで、特に、量子井戸構造のバンド構造であって、量子井戸層の領域におけるバンドギャップが、ｎ側終端層、ｐ側終端層、および（１層または複数の）バリア層（存在時）の領域におけるバンドギャップよりも小さいバンド構造、が達成される。一構造形態においては、第１の成分のモル比率は、すべての量子井戸層において同じ大きさである。
【００１５】
第１の成分のモル比率は、ｎ型導電層におけるよりもｎ側終端層において大きい。第１の成分のモル比率は、ｐ型導電層におけるよりもｐ側終端層において大きいことが好ましい。
【００１６】
例えば、六方晶化合物半導体材料を含んでいる半導体ボディの場合、例えば、ＩＩＩ／Ｖ族半導体材料系ＩｎＡｌＧａＮすなわち、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）をベースとする半導体ボディの場合、量子井戸構造にピエゾ電界が発生する。ピエゾ電界は、量子井戸構造内で移動する電荷キャリアに対するエネルギ障壁を構成する。
【００１７】
これらの電荷キャリア障壁は、第１の成分のモル比率が変化する場合（すなわちこの場合にはＩｎの比率が変化する場合）に半導体材料中に歪みが生じると、特に、極性ウルツ鉱型結晶構造（polar wurtzite crystal structure）に起因して生じる。
【００１８】
発明者は、本出願による半導体ボディにおいては、これらの障壁が特に低く、したがって半導体ボディの順方向電圧が特に低いことを見出した。例えば、ｎ側終端層もしくはｐ側終端層またはその両方において半導体ボディの第１の成分が含まれていない半導体ボディよりも、順方向電圧が下がる。さらに、例えばｎ側終端層と、積層体の最初の量子井戸層または単一量子井戸層との間に配置されているさらなる層に、半導体材料の第１の成分がｎ側終端層よりも小さいモル比率で含まれている半導体ボディよりも、順方向電圧が下がる。
【００１９】
一構造形態においては、半導体ボディは、４４０ｎｍ以上、好ましくは４６０ｎｍ以上、特に好ましくは４８０ｎｍ以上の波長において発光極大（emission maximum）を有する。発光極大は、例えば緑色のスペクトル領域にある。一構造形態においては、発光極大の波長は１４００ｎｍ以下である。
【００２０】
発光極大の波長が長くなると、（１層または複数の）量子井戸層のバンドギャップが小さくなり、これにより、原理的には順方向電圧も下がるはずである。しかしながら、バンドギャップを小さくする目的で、量子井戸層または単一量子井戸層における半導体材料の第１の成分のモル比率を高める。ＩｎＡｌＧａＮの従来の発光ダイオードの場合、これにより、順方向電圧が実質的に放出波長とは無関係である程度まで電荷キャリア障壁が大きくなる。
【００２１】
これとは異なり、本出願による半導体ボディの場合には、ｎ型導電層とｎ側終端層との間の接合面と、ｎ側終端層と単一量子井戸層または最初の量子井戸層との間の接合面とに、電荷キャリア障壁が分散しており、このことは、１層または複数の量子井戸層における第１の成分のモル比率が高い場合、特に有利な効果を持つ。したがって、本出願による半導体ボディによって達成可能な順方向電圧の低下は、より長い波長において特に顕著である。
【００２２】
別の構造形態によると、１層または複数のバリア層における半導体材料の第１の成分のモル比率は、ｎ側終端層におけるモル比率と少なくとも同じ大きさである。さらなる構造形態によると、これに代えて、またはこれに加えて、１層または複数のバリア層における半導体材料の第１の成分のモル比率は、ｐ側終端層におけるモル比率と少なくとも同じ大きさである。
【００２３】
第１の成分のモル比率は、ｎ側終端層とｐ側終端層とにおいて同じ大きさとすることができる。ｎ側終端層における第１の成分のモル比率の値が、ｐ側終端層における値とは異なることも可能である。１層または複数のバリア層における半導体材料の第１の成分のモル比率は、ｎ側終端層およびｐ側終端層における第１の成分のモル比率と少なくとも同じであるかまたはそれより大きいことが好ましい。
【００２４】
例えば、１層または複数のバリア層における半導体材料の第１の成分のモル比率の値は、量子井戸層における第１の成分のモル比率と、ｎ側終端層およびｐ側終端層における第１の成分のモル比率との間であり、後者のモル比率よりも大きい。別の構造形態においては、半導体材料の第１の成分のモル比率は、ｎ側終端層、１層または複数のバリア層、およびｐ側終端層において、等しい大きさである。
【００２５】
この場合、２つの層における第１の成分の「モル比率が等しい大きさである」とは、これらの層における第１の成分のモル比率（特に、それぞれの層の厚さ全体にわたって平均したモル比率）の差が５％以下であることを意味するものと理解されたい。言い換えれば、２つの層のうちの第２の層におけるモル比率は、２つの層のうちの第１の層におけるモル比率×０．９５から、第１の層におけるモル比率×１．０５までの範囲である。モル比率の差は、好ましくは１％以下、特に好ましくは０．５％以下である。
【００２６】
このようにすることで、順方向電圧をさらに下げることができ、これは有利である。例えば、（１層または複数の）バリア層に半導体ボディの第１の成分が含まれていない半導体ボディ、または、２層の連続する量子井戸層の間に、第１の成分の比率が異なる複数のバリア層を備えた半導体ボディ、よりも、順方向電圧を下げることができる。
【００２７】
一構造形態によると、ｎ型導電層がｐ側境界領域を備えており、ｎ側終端層がｎ側境界領域を備えている。ｎ型導電層のｐ側境界領域と、ｎ側終端層のｎ側境界領域は、互いに隣接している。特に、これらは共通の界面を有する。ｎ型導電層のｐ側境界領域と、ｎ側終端層のｎ側境界領域は、例えば、ｎ型ドーパントによってドープされている。ｎ型ドーパントは、例えばシリコンである。ｎ側終端層のｎ側境界領域の下のｎ型導電層のｐ側境界領域には、ｎ型ドーパントが例えば５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度で存在する。ｎ型ドーパントの濃度は、例えば５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲内（両端値を含む）である。特に、ｎ型導電層とｎ側終端層との間に形成されるピエゾ障壁が、ｎ型ドーパントによって小さくなり、したがって半導体ボディの順方向電圧がさらに下がり、これは有利である。
【００２８】
さらなる構造形態においては、ｎ側終端層がｐ側境界領域を備えており、このｐ側境界領域が、単一量子井戸層または積層体に隣接しており、特に、最初の量子井戸層との共通の境界面を有し、公称的にはドープされていない。これにより、量子井戸構造の発光特性もしくは受光特性またはその両方がｎ型ドーパントによって損なわれる危険性が減少する。
【００２９】
境界領域が「公称的にはドープされていない」とは、本発明においては、境界領域がドープされていない、またはわずかにｎ型にドープされていることを意味するものと理解されたい。この場合、「わずかにｎ型にドープされている」とは、ｎ型ドーパントの濃度が、ｎ型にドープされた領域、特に、ｎ側終端層のｎ型にドープされた境界領域におけるｎ型ドーパントの濃度の、最大で０．１倍、好ましくは最大で０．０５倍、特に最大で０．０１倍であることを意味する。公称的にはドープされていない領域におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、特に、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００３０】
一構造形態においては、ｎ側終端層は、１０ｎｍ以上、例えば５０ｎｍ以上の層厚さを有する。さらなる発展形態においては、ｐ側境界領域は、１０ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上の層厚さを有する。このような層厚さは、順方向電圧を低下させるうえで特に有利である。
【００３１】
さらなる一発展形態においては、ｎ側終端層は、１２０ｎｍ以下の層厚さを有する。ｎ側終端層の層厚さが大きいと、量子井戸構造の形成時に十分に良好な結晶品質が達成されない危険性が増大する。
【００３２】
一構造形態においては、半導体材料の第１の成分は、Ｉｎからなる。半導体材料の第２の成分は、例えば、ＡｌおよびＧａからなる群からの少なくとも１種類の材料と、窒素とからなる。半導体材料は、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮである。Ｉｎからなる第１の成分は、ｎ側終端層には、例えば比率ｘ≧０．０５で存在する。比率ｘは、特に、Ｉｎのモル比率に一致する、または少なくともモル比率に比例する。
【００３３】
一構造形態においては、ｎ型導電層は、半導体材料の第１の成分を含んでいない。さらなる構造形態においては、ｐ型導電層は、半導体材料の第１の成分を含んでいない。これらの構造形態においては、特に、ｎ型導電層もしくはｐ型導電層またはその両方は、半導体材料の第２の成分からなる。
【００３４】
さらなる構造形態においては、ｎ側終端層のｎ側境界領域の中で、半導体材料の第１の成分のモル比率が、ｎ型導電層から積層体の方向に（または単一量子井戸構造の場合には単一量子井戸層の方向に）、連続的に、または段階的に、高くなっている。このようにすることで、形成されるピエゾ障壁が特に弱く、したがって達成され得る順方向電圧が特に低い。
【００３５】
本オプトエレクトロニクス半導体ボディのさらなる利点、有利な構造形態、およびさらなる発展形態は、以下に図面を参照しながら説明する例示的な実施形態から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１Ａは、第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図であり、図１Ｂは、図１Ａの例示的な実施形態による半導体ボディにおける半導体材料の第１の成分の比率を概略的に示している。
【図２】図２Ａは、第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図であり、図２Ｂは、図２Ａによるオプトエレクトロニクス半導体ボディにおける半導体材料の第１の成分の比率を概略的に示している。
【図３】第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの順方向電圧を、ｎ側終端層の層厚さの関数として示している。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
例示的な実施形態および図面において、同一または類似する要素または類似する機能の要素には、同じ参照数字を付してある。図面は正しい縮尺ではないものとみなされたい。図面を理解しやすいように、または便宜上、個々の要素（例えば層）を誇張した大きさで（特に誇張した厚さで）描いてある。
【００３８】
図１Ａは、第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図を示している。
【００３９】
本オプトエレクトロニクス半導体ボディは、半導体材料ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなる。この半導体ボディはｎ型導電層１を含んでおり、ｎ型導電層１は、この実施形態では、ｎ型ドーパントとしてのシリコンによってドープされたＧａＮ層である。この半導体ボディは、ｎ型導電層１の反対側にｐ型導電層５を備えている。
【００４０】
この例示的な実施形態においては、ｐ型導電層５は多層構造を有する。この多層構造は、ｎ型導電層１から遠ざかる方向に、最初に、ドープされていないＧａＮ層５１を備えている。この層に、ｐ型にドープされたＡｌＧａＮ層５２が隣接している。ｐ型にドープされたＡｌＧａＮ層５２の、ｎ型導電層１とは反対側の面に、ｐ型にドープされたＧａＮ層５３が形成されている。ｐ型にドープされたＡｌＧａＮ層５２もしくはｐ型にドープされたＧａＮ層５３またはその両方は、例えば、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムによってドープされている。しかしながら、ｐ型導電層５の構造は、この多層構造に限定されない。
【００４１】
ｎ型導電層１とｐ型導電層５との間には、多重量子井戸構造が配置されている。多重量子井戸構造は、ｎ側終端層２と、積層体３と、ｐ側終端層４とからなる。
【００４２】
ｎ側終端層２は、積層体３とは反対側の面においてｎ型導電層１に隣接している。ｐ側終端層４は、積層体３とは反対側の面において、ｐ型導電層５（この場合にはＧａＮ層５１）に隣接している。
【００４３】
積層体３は、この実施形態の場合、３層の量子井戸層３１と２層のバリア層３２とからなる。しかしながら、積層体は、別の数ｎ（すなわちｎ＝２またはｎ≧４）の量子井戸層３１を含んでいることもできる。その場合、積層体はｎ−１層のバリア層３２を含んでいる。
【００４４】
量子井戸層３１およびバリア層３２は、ｎ型導電層１からｐ型導電層５の方向に交互に並んでいる。積層体３は、ｎ型導電層１およびｐ型導電層５の各方向の終端層として、量子井戸層３１を有する。
【００４５】
このようにして、連続する量子井戸層３１の各対の間に正確に１層のバリア層３２が配置されている。このバリア層３２は、ｎ側（すなわちｎ型導電層１の方向）において、２層の連続する量子井戸層３１のうちの第１の層に隣接している。バリア層３２は、ｐ側（すなわちｐ型導電層５の方向）において、２層の連続する量子井戸層３１のうちの第２の層に隣接している。ｎ側終端層２は、ｐ側において積層体３の最初の量子井戸層３１に隣接している。ｐ側終端層４は、ｎ側において積層体３の最後の量子井戸層３１に隣接している。
【００４６】
本オプトエレクトロニクス半導体ボディは、積層体３の代わりに１層の単一量子井戸層３１を含んでいることも可能である。この場合、単一量子井戸層は、例えば５ｎｍ以上、好ましくは１０ｎｍ以上の層厚さを有する。半導体ボディが単一量子井戸層３１を含んでいる場合、特に、ｎ側終端層２はそのｐ側において単一量子井戸層３１に隣接しており、ｐ側終端層４はそのｎ側において単一量子井戸層３１に隣接している。この場合、半導体ボディは、特に、終端層２，４と単一量子井戸層３１との間にバリア層３２を含んでいない。
【００４７】
図１Ｂは、半導体ボディの半導体材料の第１の成分（Ｉｎからなる）の比率ｘを、半導体ボディにおける位置Ｈの関数として示している。この場合、位置Ｈは、特に、ｎ型導電層１からｐ型導電層５の方向に見たときの、ｎ型導電層１のｎ側の主面からの距離を示している。図１Ａおよび図１Ｂは、位置Ｈに関して同じ縮尺で描かれており、図１ＢにおけるＨ軸上の各位置は、図１の多層構造における同じ高さの水平面に対応している。
【００４８】
半導体材料の、Ｉｎからなる第１の成分の比率ｘは、バリア層３２、ｎ側終端層２、およびｐ側終端層４よりも量子井戸層３１において高い。この場合、ｎ型導電層１およびｐ型導電層５は、少なくとも公称的にはインジウムを含んでいない。
【００４９】
半導体材料の、Ｉｎからなる第１の成分の比率ｘは、ｎ側終端層２、バリア層３２、およびｐ側終端層４において、同じ大きさである。比率ｘは、例えば０．０５≦ｘ≦０．２５、例えばｘ＝０．０５である。
【００５０】
ｎ型導電層１とｎ側終端層２との間の境界面においてインジウムの比率ｘが変化していることにより、ピエゾ電界の結果として、電荷キャリアに対する最初のエネルギ障壁が生じる。同様に、ｎ側終端層２と最初の量子井戸層３１との間の境界面に、第２のエネルギ障壁が生じる。
【００５１】
従来のオプトエレクトロニクス半導体ボディとは異なり、インジウムの比率は、最初の量子井戸層３１のｎ側において、ｎ側終端層２によってすでに高くなっている。この比率は、ｎ側終端層２と最初の量子井戸層との間で再び下がることもない。したがって、この半導体ボディでは、ｎ側終端層２と最初の量子井戸層３１との間のインジウム比率の変化が比較的小さい。
【００５２】
ｎ型導電層１から最初の量子井戸層３１までに電荷キャリアが越えるべき障壁全体が、ｎ型導電層１とｎ側終端層２の間の境界面における第１の障壁と、ｎ側終端層２と最初の量子井戸層３１の間の境界面における第２の障壁とに、空間的に分かれていることによって、特に低い。このことは、積層体３のｐ側における電荷キャリア障壁についても同様であり、ｐ側終端層４に隣接している最後の量子井戸層３１との間の境界面と、ｐ側終端層４とｐ型導電層５の間の境界面とに分かれている。
【００５３】
この例示的な実施形態の１つのバリエーションにおいては、バリア層３２における比率ｘが、ｎ側終端層２におけるよりも高く、かつ、ｐ側終端層４におけるよりも高い。このことは、図１Ｂにおいて破線７によって示してある。このようにすることで、個々の量子井戸層３１の間の、特に有利な、具体的には特に均一な電荷キャリア分布を達成することができる。具体的には、個々の量子井戸層３１の間の特に低いピエゾ障壁を達成することができる。
【００５４】
発明者は、バリア層３２におけるインジウムの比率ｘが、ｎ側終端層２およびｐ側終端層４における比率と少なくとも同じ大きさであるならば（例えば、ｎ側終端層２と、ｐ側終端層４と、バリア層３２とにおいて、インジウム比率ｘが同じ大きさであるならば）、達成可能な順方向電圧が特に低いことを見出した。連続する量子井戸層３１の間に、例えばインジウムの含有量がより少ない、またはインジウムを含んでいないさらなるバリア層が存在すると、半導体ボディの順方向電圧が上がり、これは不利である。
【００５５】
発明者は、ｎ側終端層２の厚さｄが増大すると順方向電圧Ｕｆが下がることを見出した。図３は、一例として、発光極大の波長が４８０ｎｍである電磁放射を放出するオプトエレクトロニクス半導体ボディの場合について、このことを示している。
【００５６】
順方向電圧Ｕｆは、ｎ側終端層２の層厚さｄが２０ｎｍのときの２．８８Ｖから、層厚さｄが約１１５ｎｍのときの２．８０Ｖに下がる。発光極大の波長が同じである従来のＩｎＡｌＧａＮ半導体ボディの順方向電圧は、約３．０Ｖ〜３．３Ｖである。
【００５７】
層厚さｄは、好ましくは１２０ｎｍ以下、特に好ましくは１００ｎｍ以下である。発明者は、ｎ側終端層２の層厚さｄが大きいと、多重量子井戸構造の結晶品質が低下する危険性が高まることを見出した。
【００５８】
図２Ａおよび図２Ｂは、第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図と、半導体ボディにおける位置Ｈの関数としてのインジウムの比率ｘを、図１Ａおよび図１Ｂの第１の例示的な実施形態の図と同様に示している。
【００５９】
第２の例示的な実施形態による半導体ボディは、第１の例示的な実施形態の半導体ボディと異なる点として、ｎ側終端層２が、ｎ型ドーパント（例えばシリコン）によってドープされているｎ側境界領域２２と、公称的にはドープされていないｐ側境界領域２１とを備えている。
【００６０】
公称的にはドープされていないｐ側境界領域２１は、積層体３の最初の量子井戸層３１に隣接している。ｎ側境界領域２２は、積層体３とは反対側のｎ側終端層２の面に配置されており、ｎ型導電層１のｐ側境界領域１１に隣接している。
【００６１】
ｎ型導電層１のｐ側境界領域１１は、同様にｎ型ドーパント（例えばシリコン）によってｎ型にドープされている。この場合、第１の例示的な実施形態と同様に、ｎ型導電層１全体が、ｎ型ドーパントとしてのシリコンによってドープされている。
【００６２】
ｎ型導電層１のｐ側境界領域１１と、ｎ側終端層２のｎ側境界領域２２には、ｎ型ドーパントが、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲内（両端値を含む）の濃度で存在している。
【００６３】
発明者は、ｎ側終端層２のｎ側境界領域２２をｎ型にドープすることによって、ｎ型導電層１とｎ側終端層２との間の境界面（すなわちこの場合、ｎ型導電層１のｐ側境界領域１１と、ｎ側終端層２のｎ側境界領域２２との間の境界面）における電荷キャリアエネルギ障壁を、さらに減少させることができることを見出し、これは有利である。例えば、ｎ側終端層２の層厚さｄが２０ｎｍであり、発光極大の波長が４８０ｎｍである（２．５８電子ボルトのエネルギギャップに相当する）オプトエレクトロニクス半導体ボディの場合、順方向電圧Ｕｆを、第１の例示的な実施形態と比較して、２．８８Ｖから例えば２．８３Ｖに下げることができる。
【００６４】
この例示的な実施形態のバリエーションにおいては、インジウムの比率ｘは、図２Ｂにおいて破線６によって示したように、ｎ側終端層２のｎ型にドープされたｎ側境界領域２２の中で、ｎ型導電層１から積層体３の方向に連続的に増大している。このようにすることで、電荷キャリアに対するエネルギ障壁をさらに減少させることができる。
【００６５】
本特許出願は、独国特許出願第１０２００９０３４５８８．４号および独国特許出願第１０２００９０４０４３８．４号の優先権を主張し、これらの文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。
【００６６】
ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が例示的な実施形態あるいは請求項に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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