(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｌＰベースの放射形成半導体ボディにおいて電荷担体の閉じ込め度を改善する。【解決手段】閉じ込め層の少なくとも一方がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１］ベースの放射形成活性層（２）を有しており、
該活性層は第１の閉じ込め層（３）と第２の閉じ込め層（４）とのあいだに配置されている、
放射形成半導体ボディにおいて、
閉じ込め層の少なくとも一方がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む
ことを特徴とする放射形成半導体ボディ。
【請求項２】
閉じ込め層（３，４）は活性層に格子適合されている、請求項１記載の半導体ボディ。
【請求項３】
第１の閉じ込め層（３）および第２の閉じ込め層（４）が
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む、請求項１または２記載の半導体ボディ。
【請求項４】
第１の閉じ込め層（３）および第２の閉じ込め層（４）の組成は同じである、請求項１記載の半導体ボディ。
【請求項５】
活性層（２）は駆動中に注入される電荷担体の拡散長さを有しており、第１の閉じ込め層（３）および／または第２の閉じ込め層（４）から活性層（２）までの距離は当該の拡散長さよりも小さくなるように配置されている、請求項１記載の半導体ボディ。
【請求項６】
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１］ベースの放射形成活性層（２）を有しており、
該活性層は１つまたは複数のバリア層（６）を備えた量子井戸構造部（５）を有する、
放射形成半導体ボディにおいて、
少なくとも１つのバリア層（６）がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む
ことを特徴とする放射形成半導体ボディ。
【請求項７】
量子井戸構造部（５）は同じ組成の複数のバリア層（６）を有する、請求項６記載の半導体ボディ。
【請求項８】
活性層（２）は２つの閉じ込め層（３，４）のあいだに配置されている、請求項６記載の半導体ボディ。
【請求項９】
ＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料はＺｎｘＭｇ１−ｘＳｙＳｅ１−ｙ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１］である、請求項１または６記載の半導体ボディ。
【請求項１０】
ｘ＞０，ｙ＞０，ｘ＋ｙ＜１が相当する、請求項１または６記載の半導体ボディ。
【請求項１１】
ｕ＞０が相当する、請求項１０記載の半導体ボディ。
【請求項１２】
発光ダイオード、例えばＬＥＤまたはレーザーダイオードである、請求項１または６記載の半導体ボディ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射形成半導体ボディに関する。この半導体ボディはＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１］ベースの放射形成活性層を有している。活性層は第１の閉じ込め層と第２の閉じ込め層とのあいだに配置されているか、または１つまたは複数のバリア層を備えた量子井戸構造部を有する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書は先行の独国出願第１０３４５４１２．８号明細書および独国出願第１０３５５９６２．０号明細書の優先権に基づいており、これらの明細書に記載された内容は本発明に関連する。
【０００３】
冒頭に言及した形式の従来の半導体ボディはＩｎＧａＡｌＰベースの閉じ込め層のあいだに活性層を挟んだ形態のものが多い。閉じ込め層は駆動中に注入される電荷担体に対するバリアとなり、電荷担体の閉じ込め（Einschluss）および活性層内の電荷担体のライフタイムの増大に用いられる。
【０００４】
このとき電荷担体をできるだけ完全に閉じ込め、活性層でのライフタイムを長くすることが望ましい。なぜなら電荷担体は活性層の外側では放射形成にほとんど寄与しないからである。
【０００５】
閉じ込め層は通常、活性層に対して格子適合されて構成されている。格子適合が不充分であると機械的応力が閉じ込め層と活性層とのあいだにかかり、結晶格子に欠陥が発生するおそれが生じる。こうした欠陥は例えば放射を形成しない電荷担体の再結合にとって都合が良いため、放射効率を劣化させかねない。
【０００６】
ただし格子適合されたＩｎＧａＡｌＰベースの閉じ込め層では、達成可能なバリアレベルが小さくなってしまう。達成可能な最大のバリアレベルはＡｌＩｎＰ閉じ込め層を用いたときに得られる。バリアレベルが制限されるとこうした半導体ボディでは電荷担体によって放射形成に寄与しないいわゆるリーク電流が発生する。
【０００７】
電荷担体の閉じ込めについて、ＩｎＧａＡｌＰベースの放射形成量子井戸構造部においても密接に関連した問題が発生する。電荷担体の閉じ込めはここでは１つまたは複数の量子井戸そのものにおいて行われる。ＩｎＧａＡｌＰベースの量子井戸構造部は複数の連続する量子井戸層およびバリア層から成っている。既に閉じ込め層について説明したのと同様に、ここでも格子適合を考慮するとバリア層のレベルが制限されるという問題が発生する。
【特許文献１】独国出願第１０３４５４１２．８号明細書
【特許文献２】独国出願第１０３５５９６２．０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題はＩｎＧａＡｌＰベースの放射形成半導体ボディにおいて電荷担体の閉じ込め度を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、閉じ込め層の少なくとも一方がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む構成の半導体ボディにより解決される。
【００１０】
課題はまた、少なくとも１つのバリア層がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む構成の半導体ボディにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【００１２】
本発明の第１の実施態様では、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１］ベースの放射形成活性層を有しており、この活性層は第１の閉じ込め層と第２の閉じ込め層とのあいだに配置されている、放射形成半導体ボディにおいて、閉じ込め層の少なくとも一方がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む。有利には少なくとも１つの閉じ込め層はｘ＞０，ｙ＞０，ｘ＋ｙ＜１のＩＶ族化合物を含み、特に有利にはｕ＞０のＶ族化合物を含む。
【００１３】
前述の材料ＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮ、またはＺｎＭｇＳＳｅなどのＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料によりＩｎＧａＡｌＰベースの活性層に対する閉じ込め層が形成される。これは有利にはＩｎＧａＡｌＰ閉じ込め層（特にＡｌＩｎＰ層）として大きなバリアレベルを有している。
【００１４】
有利には１つまたは複数の閉じ込め層は格子適合されて構成されている。本発明では有利には前述の閉じ込め層用の材料により充分に高いバリアレベルと活性層への格子適合とが実現される。
【００１５】
本発明では閉じ込め層の格子適合を必ずしも要さないことに注意されたい。本発明によれば閉じ込め層のバリアレベルが有利に大きいため、格子適合を省略して、活性層と閉じ込め層とのあいだの応力（引っ張り力）を甘受することができるのである。この場合にも放射効率の増大は達成され、応力に起因する損失は電荷担体の閉じ込め度が改善されることにより充分に補償される。
【００１６】
有利には本発明では、２つの閉じ込め層はＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮ、またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含み、特に有利には第１の閉じ込め層の組成と第２の閉じ込め層の組成とは等しい。本発明をこのように構成すると活性層の両側に有利な大きいバリアレベルを有する閉じ込め層が設けられる。これにより電荷担体の閉じ込めの効率が増大し、リーク電流が低減される。
【００１７】
本発明の有利な実施形態では、第１の閉じ込め層および／または第２の閉じ込め層は活性層からの距離が拡散長さよりも小さくなるように配置されている。これにより活性層内へ注入される電荷担体の大部分が閉じ込め層によって閉じ込められる。全体では放射形成の効率が著しく増大する。
【００１８】
本発明の第２の実施態様では、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１］ベースの放射形成活性層を有しており、この活性層は１つまたは複数のバリア層を備えた量子井戸構造部を有する、放射形成半導体ボディにおいて、少なくとも１つのバリア層がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］および／またはＢｚＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０＜ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１および０≦ｕ＜１］またはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む。
【００１９】
前述の材料ＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮ、またはＺｎＭｇＳＳｅなどのＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料により、有利にはＩｎＧａＡｌＰバリア層よりも大きなバリアレベルが得られ、電荷担体の閉じ込めの効率が増大する。なお第１の実施態様とは異なり、電荷担体の閉じ込め度は活性層内の個々の量子井戸に関連する。
【００２０】
第１の実施態様と同様に、電荷担体の閉じ込めの効率が増大するという点で、第２の実施態様も有利である。１つまたは複数の量子井戸は両側をＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮ、またはＺｎＭｇＳＳｅなどのＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む同じ組成のバリア層によって包囲されている。
【００２１】
本発明の別の構成として、第１の実施態様と第２の実施態様との組み合わせが挙げられる。つまり、放射形成半導体ボディにおいて、活性層が第２の実施態様の量子井戸構造部を包囲し、また活性層が第１の実施態様の閉じ込め層の一方側または両側を包囲する。この構成では、活性層内に量子井戸構造部の１つまたは複数のバリア層が設けられ、さらに少なくとも１つの（有利には２つの）閉じ込め層がＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮ、またはＺｎＭｇＳＳｅなどのＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料から形成される。
【００２２】
有利には本発明の半導体ボディは例えばＬＥＤまたはレーザーダイオードとして構成されている。本発明によればこうしたモジュールにおいて著しい効率の増大が達成される。レーザーダイオードでは本発明によって電荷担体の閉じ込め度が改善され、閾値電流密度を低減することもできる。
【実施例】
【００２３】
本発明の他の特徴および利点は図１〜図３に関連して以下に説明する実施例に基づいて得られる。
【００２４】
図中、同様に機能を有する素子には相応する参照番号を付してある。
【００２５】
図１に示されている第１の実施例は基板１を備えた半導体ボディを有しており、基板上に半導体層列７が被着されている。この半導体層列７により例えばＬＥＤ構造体が実現される。
【００２６】
半導体層列７はＩｎＡｌＧａＰベースの放射形成活性層を有している。本発明の範囲では、これはＩｎＡｌＧａＰから成る活性層またはＩｎＡｌＧａＰを含む活性層であり、ここで後者の場合には活性層は他の材料を含んでいてもよい。有利にはその下方の活性層は窒化物半導体、例えばＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＰｕＮ１−ｕ［０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１および０≦ｕ＜１］を含まず、特には１つまたは複数のＩｎＡｌＧａＰ層から成る。
【００２７】
さらに活性層は多層に形成することができ、このために活性層の部分領域がＩｎＡｌＧａＰを含んでいてもよいし、および／または部分領域ごとに活性層のＩｎＡｌＧａＰ組成が異っていてもよい。これは特に量子井戸構造部にも相当する。これについては以下に詳述する。
【００２８】
活性層の両側には格子適合された閉じ込め層３，４が配置されている。これらの閉じ込め層は有利には直接に活性層２に接する。２つの閉じ込め層のうち少なくとも１つはＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮまたは例えばＺｎＭｇＳＳｅなどのＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む。できるだけ良好な電荷担体の閉じ込め度を得るために、有利には、２つの閉じ込め層は同じ組成のＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮまたは例えばＺｎＭｇＳＳｅなどのＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む。
【００２９】
従来技術のＩｎＧａＡｌＰ閉じ込め層とは異なり、本発明で用いられる前述の材料によれば、活性層２に関連するバリアレベルは高くなり、電荷担体の閉じ込め度も格段に改善される。これにより有利にはリーク電流が小さくなり、また放射形成の効率も向上する。
【００３０】
閉じ込め層３，４が直接に活性層に接している場合、本発明での閉じ込め層３，４から活性層２までの距離は、有利には、活性層内の電荷担体の拡散長さよりも小さくなる。
【００３１】
拡散長さとは平均的なライフタイム中に電荷担体が空間的に滞在する領域の尺度である。活性層からの距離が拡散長さよりも大きいと、活性層内へ注入される電荷担体の数は著しく低下してしまう。相応に閉じ込め層の影響または効率も低下する。この場合にも有利には、バリアレベルが高いという利点は、残留している電荷担体に関してさらにポジティブに作用する。
【００３２】
図２に示されている第２の実施例は第１の実施例と同様に基板１を有する半導体ボディであり、基板上に半導体層列７が被着されている。半導体層列７はＩｎＡｌＧａＰベースの放射形成活性層を含んでおり、例えばレーザー構造体として構成されている。
【００３３】
活性層２は、第２の実施例では、二重量子井戸ＤＱＷ（double quantum well）の形態の量子井戸構造部として構成されており、３つのバリア層６とそれぞれのバリア層の間に配置されたＩｎＧａＡｌＰベースの２つの量子井戸層８とから成っている。有利には量子井戸層８は純粋なＩｎＧａＰ層である。
【００３４】
本発明の範囲では他の量子井戸構造部を構成することもできる。例えば単一量子井戸構造部が設けられてもよいし、また２つ以上の量子井戸層を備えた多重量子井戸構造部が設けられてもよい。
【００３５】
バリア層６はＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮまたは例えばＺｎＭｇＳＳｅなどのＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む。これにより従来のＩｎＧａＡｌＰバリア層によって得られるものよりも大きなバリアレベルを得ることができる。したがって電荷担体の閉じ込め度ひいては放射形成の効率が有利に改善される。
【００３６】
図３に示されている第３の実施例は第１の実施例と第２の実施例との組み合わせに相応する。
【００３７】
前述の２つの実施例と同様に、半導体ボディは基板１とその上方に配置された半導体層列とを有する。半導体層列は、第１の実施例と同様に、ＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮまたはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む２つの閉じ込め層３，４を有し、これらの閉じ込め層のあいだにＩｎＧａＡｌＰベースの活性層２が配置されている。
【００３８】
活性層は、第２の実施例と同様に、バリア層６およびそのあいだに配置されたＩｎＧａＡｌＰベースの量子井戸層８を備えた量子井戸構造部５を有している。ここでバリア層６はＩｎＡｌＧａＰＮ、ＢＩｎＡｌＧａＰＮまたはＩＩ族‐ＶＩ族半導体材料を含む。
【００３９】
活性層２および個々の量子井戸層６内での電荷担体の閉じ込め度が全体として改善されることにより、素子の効率が格段に高まる。
【００４０】
第３の実施例での閉じ込め層３，４のバリアレベルはバリア層６のバリアレベルに相応させなくともよいことに注意されたい。特にこれらの層の組成を異ならせることにより、閉じ込め層３，４のバリアレベルはバリア層のみの場合のバリアレベルを凌駕する。このようにして段階的な２重の電荷担体の閉じ込めが実現される。
【００４１】
半導体層列７は本発明では他の層を含んでいてもよい。特に基板１と活性層２または第１の閉じ込め層３とのあいだにバッファ層を設けたり、または基板から遠いほうの活性層に１つまたは複数のコンタクト層を設けたりすることができる。さらに活性層または活性層および閉じ込め層を２つの外套層またはカバー層のあいだに配置してもよい。また特に本発明の半導体ボディを半導体レーザーとして構成する際に、専用の導波体または光閉じ込め層を設けることもできる。こうした導波体は前述の活性層または活性層および閉じ込め層を包囲する。
【００４２】
さらに本発明の半導体ボディでは基板は必須のものではなく、半導体ボディとなる半導体層列の薄膜素子を形成する際に剥離することができる。この場合、薄膜素子とは成長基板上にエピタキシャル成長された半導体層列を有する素子であると理解されたい。ここで成長基板は少なくとも部分的に半導体層列から懸隔されている。有利にはこの半導体層列は機械的安定のために支持体上に被着される。
【００４３】
本発明を実施例に則して説明したが、これは本発明を限定するものではない。本発明は特許請求の範囲の対象になっていないものも含め、実施例およびその他の記述に現れた新規な特徴の全てまたはその組み合わせである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の半導体ボディの第１の実施例を示す図である。
【００４５】
【図２】本発明の半導体ボディの第２の実施例を示す図である。
【００４６】
【図３】本発明の半導体ボディの第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  基板
２  活性層
３，４  閉じ込め層
５  量子井戸構造部
６  バリア層
７  半導体層列
８  量子井戸層
【図１】
2005109495.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005109495.tif 000005