(57)【要約】  活性領域、ｐ型窒化III族元素層、ｎ型窒化III族元素層、ｐ側金属コンタクト層、ｎ側金属コンタクト層及びアンドープトンネリング強化層を有する光電子発光半導体デバイスが提供される。ｐ側金属コンタクト層の特徴は関係式：Ｗ≦ｅ−AFF ±０.０２５ｅＶを満たす仕事関数Ｗであり、ここでｅ−AFF はアンドープトンネリング強化層の電子親和力である。アンドープトンネリング強化層及びｐ型窒化III族元素層は伝導エネルギー帯及び価電子エネルギー帯を有する。アンドープトンネリング強化層の価電子帯の上端Ｖ１はバンドオフセット界面において、バンドオフセット界面におけるアンドープトンネリング強化層内の比較的高い正孔濃度に対する容量を生じさせるため、ｐ型窒化III族元素層の価電子帯の上端Ｖ２より上にある。実施形態がさらに開示され、特許請求される。
2013504211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子発光半導体デバイスであって、活性領域、ｐ型窒化III族元素層、ｎ型窒化III族元素層、ｐ側金属コンタクト層、ｎ側金属コンタクト層及びアンドープトンネリング強化層を有する光電子半導体デバイスにおいて、
前記活性領域は、前記ｐ型窒化III族元素層と前記ｎ型窒化III族元素層の間に挟み込まれ、前記活性領域への電子の注入に応答して発光するように構成され、
前記アンドープトンネリング強化層は、前記ｐ型窒化III族元素層と前記ｐ側金属コンタクト層の間に挟み込まれて、前記金属コンタクト層と前記アンドープトンネリング強化層の間の金属-半導体界面及び前記アンドープトンネリング強化層と前記ｐ型窒化III族元素層の間のバンドオフセット界面を形成し、
前記ｐ側金属コンタクト層の特徴は、前記金属−半導体界面における前記アンドープトンネリング強化層内の比較的高いキャリア電子濃度に対する容量を生じさせるために下の関係式：
Ｗ≦ｅ−AFF ±０.０２５ｅＶ
を満たす仕事関数Ｗであり、
−ここでｅ−AFF は前記アンドープトンネリング強化層の電子親和力であり、
前記アンドープトンネリング強化層及び前記ｐ型窒化III族元素層は伝導エネルギー帯及び価電子エネルギー帯を有し、
前記アンドープトンネリング強化層の前記価電子帯の上端Ｖ１は前記バンドオフセット界面において、前記バンドオフセット界面における前記アンドープトンネリング強化層内の比較的高い正孔濃度に対する容量を生じさせるために前記ｐ型窒化III族元素層の価電子帯の上端Ｖ２より上にある、
ことを特徴とする光電子発光半導体デバイス。
【請求項２】
前記ｐ側金属コンタクト層の特徴は、平衡条件下の前記金属-半導体界面における前記アンドープトンネリング強化層の前記伝導エネルギー帯の下端より上にあるフェルミレベルであり、
前記アンドープトンネリング強化層の前記電子親和力ｅ−AFF は、ほぼ３.８ｅＶとほぼ５ｅＶの間にあり、
前記ｐ側金属コンタクト層の前記仕事関数Ｗはほぼ４.５ｅＶより小さく、
前記アンドープトンネリング強化層はほぼ２０ｎｍより薄い厚さを有し、
前記金属-半導体界面において前記アンドープトンネリング強化層内に発生される前記比較的高いキャリア電子濃度及び前記バンドオフセット界面において前記アンドープトンネリング強化層内に発生される前記比較的高い正孔濃度が、前記アンドープトンネリング強化層における対応する実効トンネリング長を前記アンドープトンネリング強化層の前記厚さより小さな値まで下げる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光電子発光半導体デバイス。
【請求項３】
前記ｐ側金属コンタクト層の特徴が、平衡条件下の前記金属-半導体界面における前記アンドープトンネリング強化層の前記伝導エネルギー帯の下端のほぼ１ｅＶの範囲内にあるフェルミレベルであることを特徴とする請求項１に記載の光電子発光半導体デバイス。
【請求項４】
前記アンドープトンネリング強化層の前記電子親和力ｅ−AFF 及び前記ｐ側金属コンタクト層の前記仕事関数Ｗの値は、前記金属−半導体界面がショットキー障壁を維持しないような値であることを特徴とする請求項１に記載の光電子発光半導体デバイス。
【請求項５】
前記アンドープトンネリング強化層のエネルギーバンドギャップが前記ｐ型窒化III族元素層のエネルギーバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光電子発光半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００９年９月３日に出願された米国特許出願第１２/５５３２８８号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は光電子発光半導体デバイスに関し、さらに詳しくは、そのようなデバイスのための強化ｐ型コンタクトに関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明の発明者等は、ＬＥＤ及びレーザダイオードを含むがこれらには限定されない、発光光電子半導体デバイスに、窒化III族元素材料が良く適していることを認識した。発明者等は、そのようなタイプの発光デバイスには、特に表面がｃ面以外の結晶面である場合のような、問題が生じ得る表面結晶面をもつウエハが多く用いられるため、デバイスへの有効なオーミックｐ型コンタクトの形成が困難な場合が多いことも認識した。さらに、ｐ型コンタクトとその下の窒化III族元素の界面における正孔の輸送に対するショットキー障壁の発生を回避するためには、関係する窒化III族元素材料のバンドギャップ及び電子親和力の和に近いかまたはさらに大きい仕事関数をもつｐ型コンタクト金属を選ぶ必要があろう。例えば、ｐ型コンタクトがＧａＮに形成される場合、ＧａＮのバンドギャップは３.４ｅＶであり、電子親和力は４.１ｅＶであるから、仕事関数が７ｅＶをこえるｐ型コンタクト金属が必要になるであろう−これは、金属の仕事関数が一般に＜５.２ｅＶであるという事実からすれば、過大な要求である。
【０００４】
ｃ面ＧａＮの場合には、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｐｔ及びＡｕのような、仕事関数が大きい金属をｐ型コンタクト金属として用いることができる。しかし、発明者等は、異なる結晶方位は異なる表面特性、例えば、異なる表面化学結合、異なる表面電子状態、等をもたらし、表面特性が変わることでｐ型コンタクト界面におけるショットキー障壁の特性の制御が困難になるから、このタイプの金属がｃ面以外の場合にはうまくはたらかないことを認識した。この結果、コンタクト抵抗率は、材料の表面結晶面に依存して変わり得る、ＧａＮ材料の表面特性の関数となる。本開示は、この変数を排除することができ、強められたトンネリング過程を用いる改善されたｐ型コンタクトを得ることができる、発光構造を紹介する。この結果は、下層の窒化III族元素材料のいかなる結晶面にも適用できるｐ型コンタクトである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の様々な実施形態にしたがえば、活性領域、ｐ型窒化III族元素層、ｎ形窒化III族元素層、ｐ側金属コンタクト層、ｎ側金属コンタクト層及びアンドープトンネリング強化層を有する、光電子発光半導体デバイスが提供される。活性領域はｐ型窒化III族元素層とｎ形窒化III族元素層の間に挟み込まれ、活性領域への電子の注入に応答して発光するように構成される。アンドープトンネリング強化層はｐ型窒化III族元素層とｐ側金属コンタクト層の間に挟み込まれて、金属コンタクト層とアンドープトンネリング強化層の間の金属-半導体界面及びアンドープトンネリング強化層とｐ型窒化III族元素層の間のバンドオフセット界面を形成する。ｐ側金属コンタクト層の特徴は、金属-半導体界面におけるアンドープトンネリング強化層内の比較的高いキャリア電子濃度に対する容量を生じさせるために、下の関係式：
Ｗ＜ｅ−AFF ±０.０２５ｅＶ
を満たす仕事関数Ｗである。ここでｅ−AFF はアンドープトンネリング強化層の電子親和力である。アンドープトンネリング強化層及びｐ型窒化III族元素層は伝導エネルギー帯及び価電子エネルギー帯を有する。アンドープトンネリング強化層の価電子帯の上端Ｖ１はバンドオフセット界面において、バンドオフセット界面におけるアンドープトンネリング強化層内の比較的高い正孔濃度に対する容量を生じさせるために、ｐ型窒化III族元素層の価電子帯の上端Ｖ２より上にある。
【０００６】
本開示の特定の実施形態にしたがえば、
ｐ側金属コンタクト層の特徴は、平衡条件下の金属-半導体界面におけるアンドープトンネリング強化層の伝導エネルギー帯の下端からほぼ０.０２５ｅＶの範囲内ないしさらに上にある、フェルミレベルである、
アンドープトンネリング強化層の電子親和力ｅ−AFF はほぼ３.８ｅＶとほぼ５ｅＶの間にある、
ｐ側金属コンタクト層の仕事関数Ｗはほぼ４.５ｅＶより小さい、
ｐ型窒化III族元素層の価電子帯の上端はバンドオフセット界面においてアンドープトンネリング強化層の価電子帯の上端より下にある、
アンドープトンネリング強化層はほぼ２０ｎｍより薄い厚さを有する、及び
金属-半導体界面においてアンドープトンネリング強化層内に発生される比較的高いキャリア電子濃度及びバンドオフセット界面においてアンドープトンネリング強化層内に発生される比較的高い正孔濃度が、アンドープトンネリング強化層における対応する実効トンネリング長をアンドープトンネリング強化層の厚さより小さな値まで下げる。
【０００７】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読むと、最善に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の強化ｐ型コンタクトを導入している、光電子発光半導体デバイスの一タイプの略図である。
【図２】図２は、本開示の強化ｐ型コンタクトの一タイプの特徴を示す、バンド図である。
【図３】図３は、本開示の強化ｐ型コンタクトを導入している、光電子発光半導体デバイスのアンドープトンネリング強化層内のキャリア電子及び正孔の分布の図式表示である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は本開示にしたがう強化ｐ型コンタクトを用いている光電子発光半導体デバイスの一タイプを示す。さらに詳しくは、図１は、多重量子井戸活性領域１０，ｐ型窒化III族元素層２０，ｎ型窒化III族元素層３０，ｐ側金属コンタクト層４０，ｎ側金属コンタクト層５０及びアンドープトンネリング強化層６０を有する、レーザダイオードウエハ１００の場合における強化ｐ型コンタクトを示す。本明細書に開示される技術に実地に携わっている当業者には理解されるであろうように、本開示のコンセプトは、レーザダイオード及び発光ダイオードに対する従来の構成及びこれから開発される構成を含むがこれらには限定されない、様々な発光半導体デバイスに適用され得るであろう。
【００１０】
図１に示されるように、活性領域１０はｐ型窒化III族元素層２０とｎ型窒化III族元素層３０の間に挟み込まれ、活性領域１０への電子の注入に応答して発光するように構成される。アンドープトンネリング強化層６０はｐ型窒化III族元素層２０とｐ側金属コンタクト層４０の間に挟み込まれて、金属コンタクト層４０とアンドープトンネリング強化層６０の間の金属-半導体界面４５及びアンドープトンネリング強化層６０とｐ型窒化III族元素層２０の間のバンドオフセット界面２５を形成する。
【００１１】
金属-半導体界面４５におけるアンドープトンネリング強化層６０内の比較的高濃度のキャリア電子に対する容量を生じさせるため、ｐ側金属コンタクト層４０の仕事関数Ｗは下の関係式：
Ｗ≦ｅ−AFF ±０.０２５ｅＶ
を満たすべきである。ここでｅ−AFF はアンドープトンネリング強化層６０の電子親和力である。本明細書に開示される技術に実地に携わっている当業者にはアンドープトンネリング強化層６０の電子親和力ｅ−AFF がほぼ３.８ｅＶとほぼ５ｅＶの間であり、ｐ側金属コンタクト層４０の仕事関数Ｗがほぼ４.５ｅＶより小さいことを保証するために上式が有用であることが分かるであろう。アンドープトンネリング強化層６０の電子親和力ｅ−AFF及びｐ側金属コンタクト層４０の仕事関数Ｗの値は、金属−半導体界面がショットキー障壁を維持しないような値である。
【００１２】
ｐ側金属コンタクト層４０は様々な導電性材料で形成することができるが、説明目的のため、Ｔｉ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｍｇまたはこれらの合金が適する候補であることが注記される。酸化インジウムスズのような導電性金属酸化物も考えられる。一般に、ｐ側金属コンタクト層の仕事関数Ｗはほぼ４.５ｅＶより小さい。さらに一般的に言えば、ｐ側金属コンタクト層の仕事関数Ｗは、Ｐｄ，Ｎｉ，Ｐｔ及びＡｕのような金属に対する仕事関数ＷよりもＴｉ，Ｉｎ，Ｚｎ及びＭｇのような金属に対する仕事関数Ｗに近くするべきである。
【００１３】
さらに、バンドオフセット界面２５におけるアンドープトンネリング強化層６０内の比較的高い正孔濃度に対する容量を生成する。図２を参照すれば、アンドープトンネリング強化層６０及びｐ型窒化III族元素層２０はそれぞれ、対応する上端／下端がそれぞれＣ１，Ｖ１，Ｃ２，Ｖ２として示される、伝導エネルギー帯及び価電子エネルギー帯を有する。これらのエネルギー帯は対応するバンドギャップＢＧ１，ＢＧ２をそれらの間に定める。このバンドオフセット界面におけるアンドープトンネリング強化層内の比較的高い正孔濃度に対する容量の生成に役立たせるため、バンドオフセット界面において、アンドープトンネリング強化層の価電子帯の上端Ｖ１はｐ型窒化III族元素層の価電子帯の上端Ｖ２より上にある。実際上、ｐ型窒化III族元素層２０のアクセプタを活性化するため、ｐ型窒化III族元素層２０の価電子帯の上端Ｖ２がアンドープトンネリング強化層６０の価電子帯の上端Ｖ１より少なくともほぼ１００ｍＶは低いことの保証が望ましい場合が多いであろうが、別の障壁が発生されるほどｐ型窒化III族元素層２０の価電子帯の上端Ｖ２が低くはないことを保証するために注意が払われるべきである。
【００１４】
図２に示される実施形態において、アンドープトンネリング強化層６０のエネルギーバンドギャップＢＧ１はｐ型窒化III族元素層２０のエネルギーバンドギャップＢＧ２内に完全に収まる。いくつかの場合に、アンドープトンネリング強化層のエネルギーバンドギャップが窒化III族元素層エネルギーバンドギャップより小さいことの保証は望ましいだけであり得る。
【００１５】
アンドープトンネリング強化層６０の対向する２つの界面におけるキャリア電子及び正孔の上述した比較的高い濃度が、図１に簡略に、また図３に図式的に、示される。金属-半導体界面４５においてアンドープトンネリング強化層６０内に発生される比較的高い濃度のキャリア電子及びバンドオフセット界面２５においてアンドープトンネリング強化層６０内に発生される比較的高い濃度の正孔は、アンドープトンネリング強化層６０内の対応する実効トンネリング長をアンドープトンネリング強化層６０の厚さより小さな値まで下げる。この結果、本開示の強化ｐ型コンタクトを用いて、金属-半導体界面４５がショットキー障壁を維持しないことを保証することができる。
【００１６】
広い範囲の厚さがｐ型コンタクトを強化するに適し得ると考えられるが、アンドープトンネリング強化層６０はほぼ２０ｎｍより薄い厚さ、さらに狭くは、ほぼ５０Åより薄い厚さを有することに注意されたい。本開示の特定の実施形態において、アンドープトンネリング強化層６０は窒化III族元素を含む。適する窒化III族元素には、ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，等のような、Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌまたはこれらの組合せの窒化物があるが、これらには限定されない。
【００１７】
図２に示されるように、ｐ側金属コンタクト層４０の特徴は、平衡条件下の金属-半導体界面４５におけるアンドープトンネリング強化層６０の伝導エネルギー帯の下端にほぼ等しいかまたはそれよりほぼ２ｅＶまで高い、フェルミレベルＥＦである。いくつかの場合、フェルミレベルが伝導エネルギー帯の下端からほぼ１ｅＶの範囲内にあることを保証するだけで十分であり得る。
【００１８】
特定の特性または特定の機能を特定の態様で具現化するように「構成」されている、本開示のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述とは対照的である、構造的叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成」される態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造特性の明確に限定された叙述としてとられるべきである。
【００１９】
「好ましい」、「普通は」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定するため、あるいはある特徴が特許請求される本発明の構造または機能に肝要であるか、本質的であるかまたは重要であることさえも意味するために用いられてはいないことに注意されたい。むしろ、これらの語句は、本開示のある実施形態の特定の態様の識別、あるいは本開示の特定の実施形態に用いられても用いられなくても差し支えない別のまたは追加の特徴の強調が目的とされているに過ぎない。
【００２０】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「ほぼ」は本明細書において、いずれかの量的比較、値、測定値またはその他の表現に寄与し得る、固有の不確定度を表現するために用いられていることに注意されたい。
【００２１】
本開示の主題を詳細に、本発明の特定の実施形態を参照して、説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様が本明細書において好ましいかまたは特に有利であるとして特定されるが、本開示はそれらの態様に限定される必要はないと考えられる。
【００２２】
添付される特許請求項の１つないしさらに多くにおいて「〜を特徴とする(wherein)」が転換句として用いられていることに注意されたい。本発明を定める目的のため、この語句は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる制約の無い転換句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる制約の無い前置句「含む」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
【符号の説明】
【００２３】
１０    多重量子井戸活性領域
２０    ｐ型窒化III族元素層
２５    バンドオフセット界面
３０    ｎ型窒化III族元素層
４０    ｐ側金属コンタクト層
４５    金属-半導体界面
５０    ｎ側金属コンタクト層
６０    アンドープトンネリング強化層
１００    レーザダイオードウエハ
【図１】
2013504211.tif 000003
【図２】
2013504211.tif 000004
【図３】
2013504211.tif 000005
【国際調査報告】
2013504211.tif 000006
2013504211.tif 000007
2013504211.tif 000008