(57)【要約】  ある半導体基板上で成長したＩＩ−ＶＩ半導体素子の異常動作を認め、その異常動作は、インジウム原子が、成長中に、基板からＩＩ−ＶＩ層に移動した結果である可能性が高いと判断した。インジウムは、このようにして、基板上で成長したＩＩ−ＶＩ層、特に、成長基板に近接する層の１つ以上において、意図せぬドーパントとなり得、素子の性能に悪影響を及ぼし得る。良好な素子性能を維持するように、成長層において、短距離内で移動するインジウムを空乏させるか、又はインジウムが基板の外に移動することを実質的に防ぐか、又はそうでなければ、機能的ＩＩ−ＶＩ層を移動するインジウムから実質的に分離するために有効である、多様な半導体構造及び技術について説明する。
2012526391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウムを含有する、ＩＩＩ−Ｖ半導体基板と、
前記基板の上に形成される、少なくとも第１及び第２のＩＩ−ＶＩ半導体層であって、前記第１層が、前記第２層と前記基板との間に配置される、半導体層と、
前記基板と前記第１層との間に配置される、界面と、を備え、
前記基板及び／又は前記第１層が、前記基板から前記第２層へのインジウムの移動を制限するように適合される、半導体構造。
【請求項２】
前記基板が、リン化インジウム（ＩｎＰ）の基層を備える、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記基板が、インジウム（Ｉｎ）を含有する緩衝層を更に備える、請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記緩衝層が、ガリウムインジウムヒ化物（ＧａＩｎＡｓ）、アルミニウムインジウムヒ化物（ＡｌＩｎＡｓ）、及び／又はガリウムインジウムアルミニウムヒ化物（ＧａＩｎＡｌＡｓ）からなる、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記第１及び第２層が、ＩＩ−ＶＩ半導体層スタックに含まれ、前記層スタックが、第１波長λ１の光を第２波長λ２の光に変換するために有効である、請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記第１層が、前記基板から移動したインジウムを空乏させるために有効な量でドーパントを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記ドーパントが、塩素を含む、請求項６に記載の構造。
【請求項８】
前記塩素が、前記第１層において少なくとも１×１０１６ｃｍ−３のドーピング密度を有する、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記第１層が、その厚さを通して少なくとも１０倍のインジウム濃度勾配を呈する、請求項６に記載の構造。
【請求項１０】
前記第１層が、その厚さの一部分にわたって少なくとも１０倍のインジウム濃度勾配を呈し、前記厚さ部分が、１マイクロメートルを超えない、請求項６に記載の構造。
【請求項１１】
前記厚さ部分が、０．８マイクロメートルを超えない、請求項１０に記載の構造。
【請求項１２】
前記厚さ部分が、０．６マイクロメートルを超えない、請求項１１に記載の構造。
【請求項１３】
前記第１層が、移行するインジウムを空乏させるために有効なドーパントを含まないが、前記基板から移行するインジウムを空乏させるために十分な厚さを有する、請求項１に記載の構造。
【請求項１４】
前記第１層が、少なくとも０．５マイクロメートルであるが、１０マイクロメートル未満の厚さを有する、請求項１３に記載の構造。
【請求項１５】
前記第１層が、少なくとも１マイクロメートルであるが、５マイクロメートル未満の厚さを有する、請求項１４に記載の構造。
【請求項１６】
前記第１の層が、その厚さにわたって、少なくとも１０倍のインジウム濃度勾配を呈する、請求項１３に記載の構造。
【請求項１７】
前記基板が、基層及び緩衝層を備え、前記緩衝層が前記界面に対応する主面を有し、前記緩衝層が前記主面に近接する単層において、インジウムの急激な空乏を呈する、請求項１に記載の構造。
【請求項１８】
インジウムを含有する、ＩＩＩ−Ｖ半導体基板と、
前記基板の上に形成される、ＩＩ−ＶＩ半導体層と、を備え、
前記基板が基層及びその上に形成される緩衝層を含み、前記基層がマトリクス要素としてインジウムを含む、第１のＩＩＩ−Ｖ半導体材料で構成され、前記緩衝層がマトリクス要素としてインジウムを含まない、第２のＩＩＩ−Ｖ半導体材料で構成され、基層からＩＩ−ＶＩ層へのインジウムの移動が、実質的に回避されるようにする、半導体構造。
【請求項１９】
前記第２のＩＩＩ−Ｖ半導体材料が、ドープ又は非ドープＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、及びＡｌＧａＡｓＳｂからなる群から選択される、請求項１８に記載の構造。
【請求項２０】
前記第１のＩＩＩ−Ｖ半導体材料が、ドープ又は非ドープリン化インジウム（ＩｎＰ）である、請求項１８に記載の構造。
【請求項２１】
インジウムドーパント及び別のドーパントを含有する第１のＩＩ−ＶＩ半導体層であって、前記別のドーパントが、前記第１層の成長期中にインジウムドーパントの空乏を促進するために有効な量で存在する、第１のＩＩ−ＶＩ半導体層と、
前記第１層の上に形成される第２のＩＩ−ＶＩ半導体層と、を備え、
前記第２層が、前記第１層におけるインジウムの平均濃度よりも低い平均濃度のインジウムを含有する、半導体構造。
【請求項２２】
前記別のドーパントが、アルミニウム（Ａｌ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含む、請求項２１に記載の構造。
【請求項２３】
前記別のドーパントが、アルミニウム（Ａｌ）、塩素（Ｃｌ）、ガリウム（Ｇａ）、臭素（Ｂｒ）、及びヨード（Ｉ）からなる群から選択されるｎ型ドーパントを含む、請求項２１に記載の構造。
【請求項２４】
リン化インジウム（ＩｎＰ）に名目上格子整合し、インジウムドーパントを含有する第１のＩＩ−ＶＩ半導体層を備え、
前記インジウムドーパントが、前記第１の層の前記厚さ方向に沿って１マイクロメートルを超えない距離にわたって、少なくとも１０１７原子／ｃｍ３から１０１６原子／ｃｍ３未満に変化する濃度を呈する、半導体構造。
【請求項２５】
前記インジウムドーパントが、前記第１の層の前記厚さ方向に沿って０．５マイクロメートルを超えない距離にわたって、少なくとも１０１７原子／ｃｍ３から１０１６原子／ｃｍ３未満に変化する濃度を呈する、請求項２４に記載の構造。
【請求項２６】
層のスタックであって、各層が、リン化インジウム（ＩｎＰ）に名目上格子整合したＩＩ−ＶＩ半導体材料を含む、スタックを備え、
前記層のいずれも、１０１６原子／ｃｍ３を超えるインジウム濃度を呈しない、半導体構造。
【請求項２７】
前記層のいずれも１０１５原子／ｃｍ３を超えるインジウム濃度を呈しない、請求項２６に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、これと同日付けで出願され、参照により組み込まれる、以下の米国特許出願第６１／１７５，６４０号「Ｒｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  Ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」（代理人整理番号第６４７５９ＵＳ００２号）、及び米国出願第６１／１７５，６３６号「Ｒｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  Ｗｉｔｈ  ＬＥＤｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」（代理人整理番号第６５４３５ＵＳ００２号）に関する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、半導照明コンポーネントを含むが、それに限定されない個体半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
多種多様な半導体素子、及び半導体素子を形成する方法が知られている。これらの素子の一部は、可視又は近可視（例えば、紫外又は近赤外）光を発光するように設計される。例には、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザーダイオードが挙げられる。他の素子は、光を検出するように設計される。例には、半導体フォトダイオード及び電荷結合素子（ＣＣＤ）が挙げられる。更に他の素子は、光の検出も発光もしないが、電子信号の機能性を提供するように設計される。例には、半導体ダイオード、トランジスタ、及び集積回路素子が挙げられる。
【０００４】
再発光半導体構造（ＲＳＣ）は、発光するように設計された半導体素子の例である。ＬＥＤとは異なり、ＲＳＣは、発光するために、外部電子回路からの電気駆動電流を必要としない。代わりに、ＲＳＣは、ＲＳＣの活性領域における、第１波長λ１での光の吸収によって、電子正孔対を生成する。次に、これらの電子及び穴は、活性領域内のポテンシャル井戸において再結合し、第１波長λ１とは異なる、第２波長λ２で発光し、更にポテンシャル井戸の数及びそれらの設計特性に応じて、他の波長λ３、λ４等で任意に発光する。第１波長λ１での開始放射線又は「ポンプ光」は、通常、ＲＳＣに結合された青色、紫色、又は紫外線発光ＬＥＤによって提供される。例示的なＲＳＣ素子、それらの構造方法、並びに関連素子及び方法は、参照によりそれら全てが本明細書に組み込まれる、例えば、米国特許第７，４０２，８３１号（Ｍｉｌｌｅｒら）、米国特許出願公開第ＵＳ  ２００７／０２８４５６５号（Ｌｅａｔｈｅｒｄａｌｅら）号、及び同第ＵＳ  ２００７／０２９０１９０号（Ｈａａｓｅら）、ＰＣＴ公開第ＷＯ  ２００９／０４８７０４号（Ｋｅｌｌｅｙら）、並びに２００８年６月２６日に出願された、係属中の米国特許出願第６１／０７５，９１８号「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ」（代理人整理番号第６４３９５ＵＳ００２号）において見出され得る。
【０００５】
本明細書において、特定波長の光に関して言及される場合、読者は、その言及が、ピーク波長が特定波長においてであるスペクトルを有する光に関することを理解するであろう。
【０００６】
ＲＳＣは、通常、エピタキシャル成長技術を使用して、半導体基板の上に一連の半導体層を成長させる工程によって製造される。基板材料は、それが、成長される素子層の結晶格子に対して、少なくとも近接する格子整合を有する表面を提供し得るように選択される。この選択基準は、その結晶マトリックスがインジウムを組み込む、半導体基板を必要とし得る。ＲＳＣの製造に使用される１つの既知の基板は、リン化インジウム（ＩｎＰ）である。いくつかの例において、基板は、薄い基層の上に成長される、薄い緩衝層を含み、緩衝層は、基層とは異なる化学構造を有し、そこから素子層の成長が始まる原始表面を提供する。ＲＳＣの製造に使用される例示的な緩衝層は、ＩｎＰの基層の上に成長されるガリウムインジウムヒ化物（ＧａＩｎＡｓ）である。
【０００７】
ＲＳＣの一種であると考えられ得る、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、発光するように設計される、半導体素子の別の例である。ＶＣＳＥＬは、窒素を含むＩＩＩ−Ｖ系ポンプ光源等のポンプ光源によって発光される、第１波長光の少なくとも一部分を、第２波長の少なくとも部分的コヒーレント光に変換する。ＶＣＳＥＬは、第２波長の光のための光学キャビティを形成する第１ミラー及び第２ミラーを含む。第１ミラーは、第２波長において実質的に反射性であり、第１多層スタックを含む。第２ミラーは、第１波長において実質的に透過性であり、第２波長において部分的に反射性かつ部分的に透過性である。第２ミラーは、第２多層スタックを含む。ＶＣＳＥＬは、第１ミラーと第２ミラーとの間に配置され、かつ第１波長の少なくとも一部分を第２波長の光に変換する半導体多層スタックを更に含む。この半導体多層スタックは、Ｃｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を含む量子井戸を含む。参照により本明細書に組み込まれる、２００８年９月４日に出願された係属中の米国特許出願第６１／０９４，２７０号「Ｄｉｏｄｅ−Ｐｕｍｐｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ」（代理人整理番号第６４１１６ＵＳ００２号）を参照する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
我々は、ある半導体基板上で成長したＩＩ−ＶＩ半導体素子の異常動作を認め、その異常動作は、インジウム原子が、成長中に、基板からＩＩ−ＶＩ層に移動した結果である可能性が高いと判断した。したがって、インジウムは、基板上で成長したＩＩ−ＶＩ層、特に、成長基板に近接する層の１つ以上において、意図せぬドーパントとなり得、素子の性能に悪影響を及ぼし得る。意図せぬインジウムドーパントは、例えば、素子層において、１つ以上の他のドーパントの作用に対抗するか、又は中和し得るか、もしくは、少数キャリア用の暗い再結合パスを提供し得る。
【０００９】
したがって、本出願は、とりわけ、成長層において短距離内で移動するインジウムを空乏させるか、インジウムが基板の外に移動するのを実質的に防ぐか、又はそうでなければ機能的ＩＩ−ＶＩ層を移動するインジウムから実質的に分離するために有効な、種々の半導体構造及び技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
いくつかの実施形態において、半導体構造は、インジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ半導体基板、及び基板の上に形成される少なくとも第１及び第２  ＩＩ−ＶＩ半導体層を含み、第１層は、第２層と基板との間に配置される。構造は、基板と第１層との間に配置される界面も含む。基板及び／又は第１層は、基板から第２層へのインジウムの移動を制限するように適合される。第１層は、例えば、塩素等のドーパントを、基板から移動したインジウムを空乏させるために有効な量で含み得る。あるいは、第１層は、移動するインジウムを空乏させるために有効なドーパントを含まない場合があるが、むしろ、相当量のインジウムが第２  ＩＩ−ＶＩ層に到達しないように、基板から移動するインジウムを空乏させるために十分な厚さで提供されてもよい。他の例において、基板は、基層及び緩衝層を含んでもよく、緩衝層が界面に対応する主面を有し、緩衝層が主面に近接する単層において、インジウムの急激な空乏を呈し得る。
【００１１】
インジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ半導体基板を含む、半導体構造、及び基板の上に形成されるＩＩ−ＶＩ半導体層も開示する。基板が基層及びその上に形成される緩衝層を含み、基層がマトリックス要素としてインジウムを含む、第１のＩＩＩ−Ｖ半導体材料で構成され、緩衝層がマトリックス要素としてインジウムを含まない第２のＩＩＩ−Ｖ半導体材料で構成されて、基層からＩＩ−ＶＩ層へのインジウムの移動が実質的に回避されるようにする。第１のＩＩＩ−Ｖ半導体材料は、ドープ又は非ドープリン化インジウム（ＩｎＰ）であってもよく、第２のＩＩＩ−Ｖ半導体材料は、ドープ又は非ドープＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、及びＡｌＧａＡｓＳｂから選択されてもよい。
【００１２】
インジウムドーパント及び別のドーパントを含有する第１のＩＩ−ＶＩ半導体層、及び第１層の上に形成される第２のＩＩ−ＶＩ半導体層を含む、半導体構造も開示する。別のドーパントは、第１層の成長期中にインジウムドーパントの空乏を促進するために有効な量で存在してもよく、第２層は、第１層内の平均インジウム濃度よりも低い平均インジウム濃度を含有し得る。別のドーパントは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）及び／又はガリウム（Ｇａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）、塩素（Ｃｌ）、ガリウム（Ｇａ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）、及びフッ素（Ｆ）からなる群から選択されるｎ型ドーパントを含み得る。
【００１３】
リン化インジウム（ＩｎＰ）に名目上格子整合し、インジウムドーパントを含有する第１のＩＩ−ＶＩ半導体層を含む、半導体構造も開示する。名目格子整合は、第１のＩＩ−ＶＩ層が、ＩｎＰ基板上で成長した結果であり得、この基板は、後に除去された。インジウムドーパントは、第１層の厚さ方向に沿って１マイクロメートルを超えない距離にわたって、又は０．５マイクロメートルを超えない距離にわたって、少なくとも１０１７原子／ｃｍ３〜１０１６原子／ｃｍ３未満に変化する濃度を呈する。
【００１４】
層スタックを含む、半導体構造も開示し、各層は、リン化インジウム（ＩｎＰ）に名目上格子整合される、ＩＩ−ＶＩ半導体材料を含む。いずれの層も、１０１６原子／ｃｍ３を超えるインジウム濃度を呈しない。代替として、いずれの層も、１０１５原子／ｃｍ３を超えるインジウム濃度を呈しない。
【００１５】
関連する方法、システム、及び物品も述べられる。
【００１６】
本願のこれらの態様及び他の態様は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。しかし、決して、上記要約は、請求された主題に関する限定として解釈されるべきでなく、主題は、手続処理の間補正することができる添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体基板の上で成長した代表的な半導体素子を含む、半導体構造の概略部分側面図。
【図２】成長基板からの脱離後の作動中の図１の半導体素子の概略側面図。
【図３】素子層の成長中のインジウム原子の移動、及び素子層内の深さ又は位置の関数として得られるインジウムの濃度特性を概略的に説明する追加の図面要素を伴う、図１の構造の概略側面図。
【図４】リン化インジウム基板上で成長した種々のＩＩ−ＶＩ素子の深さ又は位置の関数としての測定インジウム濃度のグラフであり、塩素ドーピングが、インジウム移動の長さ又は深さを減少することにおいて有し得る効果を説明する。
【００１８】
図中、同様の参照数字は同様の構成要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１において、半導体構造１００は、半導体基板１０４の上に成長した半導体素子１０２を含む。本明細書で使用する、用語「の上に」は、局所環境の重力場に関する特定の配向に限定されないが、特に指示のない限り、単に別の要素の上に配置されている１つの要素を指し、その間に配置される１つ以上の中間体要素を任意に伴う。したがって、第１要素が、第２要素の「底」（重力の観点から）面に配置されるとしても、第１要素は、第２要素「の上に」あり得る。
【００２０】
基板１０４は、通常、自動操作及び処理を促進するように、ウエファー形態であるが、必ずしもそうではない。薄い平面形状のウエファーは、図示されるように、局所デカルト座標を定義し得、Ｚ軸（又は厚さ方向）は、ウエファーの主面に対して垂直であり、ｘ軸及びｙ軸は、水平又は面内方向に対応する。図示されるように、基板１０４は、実質的に単結晶である半導体基層１０６及び実質的に単結晶である半導体緩衝層１０８を含む。基層１０６は、通常、緩衝層１０８より少なくとも１００倍厚いため、基層１０６は、通常、基板１０４にそのバルク又は巨視的な機械特性を提供する。緩衝層１０８は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は任意の他の適切な技術を使用して、必要に応じて任意の天然オキシドを基層の表面から除去した後、基層１０６の上に成長させる。緩衝層１０８は、好ましくは、実質的に欠陥のない層に、そこから素子層が成長し得る、実質的に原始の表面１０８ａを提供する。緩衝層１０８は、任意の所望の厚さを有し得るが、通常、約１マイクロメートル（１ミクロン）以下である。
【００２１】
基層１０６及び緩衝層１０８は、半導体基材及び半導体緩衝材でそれぞれ構成される。以下の説明において、特に断りのない限り、それらの半導体材料は両方とも、材料の結晶マトリックスにインジウムを含むと推定する。例えば、半導体基材は、リン化インジウム（ＩｎＰ）であるか、又はそれを含んでもよく、半導体緩衝材は、ガリウムインジウムヒ化物（ＧａＩｎＡｓ）又はインジウムを組み込む別の半導体合金であるか、又はそれを含み得る。例示的な実施形態において、基層１０６及び緩衝層１０８は、それぞれインジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ半導体材料を含む。
【００２２】
成長基板１０４及び成長表面１０８ａが適切に調製された後、ＭＢＥ又は任意の他の適切な技術を使用して、半導体素子１０２を形成する、一連の実質的に単結晶である半導体層を成長させるか、又はそうでなければ形成する。図示される素子において、第１ウィンドー層１１０は、表面１０８ａ、続いて素子の活性領域１１２を形成する比較的薄い層の群、続いて第２ウィンドー層１１４の上に成長する。それぞれ個別の層の組成物、形態学、及び厚さは、半導体素子製造の技術分野における熟練者には明らかとなるように、成長チャンバに導入されるフラックス源、並びに時間及び温度等の他の処理パラメーターの適切な選択によって制御される。成長方向は、図示されるように、正のｚ方向に対応するものとして示される。
【００２３】
素子１０２は、上述されるように、種々の異なる半導体素子のいずれか１つを代表し得る。いくつかの実施形態において、素子１０２は、上述されるように、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であるか、又はそれを含み得る。いくつかの実施形態において、素子１０２は、再発光半導体構造（ＲＳＣ）であるか、又はそれを含み得る。
【００２４】
素子１０２が、ＲＳＣであるか、又はそれを含む場合、簡潔に言えば、活性領域１１２は、１つ以上のポテンシャル井戸、及び任意に１つ以上の吸収層を含む。活性領域において、第１波長λ１の光が吸収され、電子正孔対を生成する。電子正孔対は、ポテンシャル井戸（１つ又は複数）を再結合し、第１波長とは異なる第２波長λ２で発光する。例示的な実施形態において、第２波長λ２は、可視波長、例えば、緑、黄、琥珀、橙、又は赤色光に対応する波長であり、第１波長λ１よりも長い。第１波長λ１での開始放射線又は「ポンプ光」は、ＲＳＣに結合された青色、紫色、又は紫外線発光ＬＥＤによって提供され得る。ＲＳＣの活性領域は、１つのポテンシャル井戸のみを有し得るか、又は複数のポテンシャル井戸を含んでもよい。後者の場合において、複数のポテンシャル井戸は、同一波長で発光するように設計され得るか、又はそれらは、異なる波長で発光するように設計されてもよい。後者の場合において、第２波長λ２だけでなく、第３波長λ３、及び任意に第４波長λ４等も、異なるポテンシャル井戸によって生成され得る。吸収層（１つ又は複数）の組成物は、第１波長λ１での光の実質的な吸収を提供する、遷移エネルギーを提供するように選択される。ポテンシャル井戸（１つ又は複数）に対する吸収層の厚さ及び配置は、吸収層の吸収特性及び第１波長でのポンプ源のスペクトル分布に基づいて、最適性能のために設計され得る。ポテンシャル井戸層（１つ又は複数）の組成物は、吸収層（１つ又は複数）のそれよりも低い遷移エネルギーを提供するように選択される。いくつかの例において、量子化が、半導体材料のバルクバンドギャップエネルギーを超える遷移エネルギーを維持するように、既定のポテンシャル井戸層を、十分に薄くすることが望ましい場合がある。そのようなポテンシャル井戸は、量子井戸と見なされ得る。いくつかの例において、ポテンシャル井戸の付近の層構造は、ポテンシャル井戸の１つ以上、又は全てが、任意のｐｎ接合内に位置しないように設計され得る。
【００２５】
依然として、素子１０２がＲＳＣであるか、又はそれを含む場合を参照して、素子は、ウィンドー層１１０、１１４も含み得る。これらの層の１つ又は両方は、そのバンドギャップエネルギーが、活性領域内の吸収層（１つ又は複数）のそれよりも大きく、ポテンシャル井戸（１つ又は複数）の遷移エネルギーよりも大きい組成物によって成長し得る。したがって、ウィンドー層１１０、１１４の１つ又は両方は、発光波長λ２、λ３等の光に対して実質的に透明となるように形成され得る。そのような層（１つ又は複数）のバンドギャップエネルギーが十分に高い場合、それ又はそれらは、第１波長λ１のポンプ光に対して実質的に透明となるように形成することもできる。ウィンドー層１１０、１１４及び上述の活性領域１１２の薄い層の他に、ＲＳＣは、例えば、１つ以上のグレード化組成物層、光フィルタリング層、反射層、及び抗反射層等の他の機能層も含み得る。光フィルタリング層の例は、吸収層（１つ又は複数）によって吸収されないポンプ光源により供給される、短波長光の実質的に全てを吸収するが、ポテンシャル井戸（１つ又は複数）を起源とする再発光光を高度に透過する、層であり、この層は、「シアンブロッカー」と呼ばれる場合がある。そのような層は、ポンプ光源に面する側とは反対のＲＳＣ側に含まれてもよく、すなわち、活性領域、及び特に活性領域のポテンシャル井戸が、ポンプ光源と光フィルタリング層／シアンブロッカーとの間に配置されるようにする。光フィルタリング層の吸収特性は、そのバンドギャップエネルギーの適切な調整によって達成され得る。
【００２６】
例示的な実施形態において、素子１０２及びその構成層は、カドミウムセレン化亜鉛（ＣｄＺｎＳｅ）又はカドミウムマグネシウムセレン化亜鉛（ＣｄＭｇＺｎＳｅ）等のＩＩ−ＶＩ半導体材料で構成される。これらの材料のバンドギャップエネルギーは、例えば、米国特許第７，４０２，８３１（Ｍｉｌｌｅｒら）に記載されるように、結晶マトリックス内の構成要素の相対比の好適な調整によって調整することができる。必要に応じて、半導体は、任意の好適な方法によって、又は任意のドーパントの包含によって、ｎドープ又はｐドープされてもよい。例えば、ＣｄＭｇＺｎＳｅは、塩素（Ｃｌ）原子の包含によってｎドープされ得る。そのようなドーピングを使用して、欠陥関連であり得、放射線放射に寄与しない他の再結合機構に対して、電子正孔対の放射再結合を促進することができる。
【００２７】
多くの場合において、層成長手順が完了した後、半導体素子１０２を成長基板１０４から分離することが望ましい。ＩｎＰ基板は、可視及び紫外線光に対して実質的に不透明であるため、ＩｎＰ基板上で成長したＲＳＣは、そのような例の１つである。そのような場合において、成長基板は、研削、エッチング、又は素子１０２の機能的一体性を維持する任意の他の好適な技術によって、素子から除去されてもよい。図２は、基板１０４の除去後の図１の素子１０２を表す。素子の外側主面１０２ａ、１０２ｂは、本明細書において、それぞれ「終了表面」及び「開始表面」と呼ばれ、これらの用語は、素子の成長順序を示す。光源２１０は、素子の片側に提供され、検出器２１２は、素子の反対側に提供される。ＬＥＤであるか、又はそれを含み得る、光源２１０は、第１波長λ１で発光する。ポンプ光と呼ばれるこの光の少なくとも一部は、開始表面１０２ｂにおいてＲＳＣに入り、ウィンドー層１１０を横断して、活性領域１１２に吸収される。活性領域において、吸収光からのエネルギーは、ポテンシャル井戸によって、第２波長λ２の光として再発光される。この再発光光の少なくとも一部は、ウィンドー層１１４を横断し、終了表面１０２ａでＲＳＣを出て、検出器２１２において収集される。
【００２８】
上述されるように、我々は、インジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ半導体基板上で成長したＩＩ−ＶＩ半導体ＲＳＣ素子の異常動作を認めた。
【００２９】
異常動作が出現する１つの方法は、実質的に対称な素子における、著しく非対称の性能によってである。例えば、図２の素子１０２の実施形態は、ｘ−ｙ平面に平行であり、活性領域１１２を二等分する、基準平面に関して、実質的な鏡面対称を有するように設計され得る。そのような素子において、基準平面の片側に既定距離で配置される、任意の既定半導体層は、実質的に同一の組成物及び厚さを有する、実質的に同等の半導体層を有し、基準平面の反対側に実質的に同一の既定距離で配置される。そのような素子は、対称的な層構造を有すると言われる。当然のことながら、基準平面は、活性領域１１２だけでなく、素子１０２全体も二等分する。
【００３０】
実質的に対称な層構造を有するＲＳＣは、ＩｎＰ基板上で製造し、ポンプ光源として使用される、４４０ｎｍレーザーダイオードを用いて、積分球内で試験した。素子は、以下の表２に示されるものに類似する、ＣｄＭｇＺｎＳｅの層及びＣｄＺｎＳｅの層を含む、ＩＩ−Ｖｉ半導体層を、実質的に対称なスタック設計において使用した。これらの対称素子は、素子の開始表面（１０２ｂ）が光源に面するか否か、又は代わりに、終了表面１０２ａが光源に面するか否かにかかわらず、同一のフォトルミネセンス効率を付与することが予想される。この点において、「フォトルミネセンス効率」は、ＲＳＣにより再発光される、総光パワーを、光源２１０により発光され、ＲＳＣにより吸収される、総光パワーによって割られる比を指す。
【００３１】
しかしながら、対称ＲＳＣ素子の２つの配向に対する、実質的に同一のフォトルミネセンス効率を認める代わりに、想定外に著しく異なるフォトルミネセンス効率を認めた。終了表面１０２ａが光源に面する、１つの配向のフォトルミネセンス効率は、開始表面１０２ｂが光源に面する、反対の配向のフォトルミネセンス効率よりもはるかに高いことが認められた。前者のフォトルミネセンス効率は、後者のフォトルミネセンス効率の２倍以上であることが認められた。
【００３２】
意図せぬ異常動作は、対称ＲＳＣ素子の静電容量電圧測定にも示される。それらの測定値は、開始表面１０２ｂ付近（及びしたがってＩＩ−ＶＩ／ＩＩＩ−Ｖ界面付近）のＲＳＣ素子の層における低レベルの塩素ドーピングが、想定外の需要体によって完全に補完された。
【００３３】
以下で更に詳述される、更なる調査は、ＩＩＩ−Ｖ基板からのインジウム原子の実質的な数が、ＭＢＥ成長プロセス中に、半導体素子１０２のＩＩ−ＶＩ層への実質的な距離、例えば、約１マイクロメートル以上移動し、この著しいが（また高度に非対称であるが）、想定外のインジウムドーピングは、異常動作において起こり得る要素であることを明らかにした。インジウム移動は、図１からの半導体構造１００が複製される、図３において概略的に描写され、矢印３１０、３１２、３１４が図に加えられ、基板１０４からの素子１０２の種々の層に移動する、単純化様式のインジウム原子で表される。矢印３１０の幅は、矢印３１２の幅よりも大きく、順に、矢印３１４の幅よりも大きく、インジウム原子の濃度が、ＩＩ−ＶＩ／ＩＩＩ−Ｖ界面付近で最大であることを示し、濃度は、界面からの距離が増大するにつれて、実質的に単調に減少する。この動作は、差し込みグラフ３１６にも描写され、開始表面１０２ｂ（又は成長表面１０８ａ）から終了表面１０２ａまでの素子１０２におけるインジウム濃度の減少傾向を単純化様式で示す。開始表面１０２ｂ付近のインジウム濃度の増加は、開始表面１０２ｂが光源に向かって配向される場合、ＲＳＣにおいて認められるフォトルミネセンス効率の著しい減少と正の相関性がある。
【００３４】
本明細書において、移動するインジウム原子の有害作用を軽減するための種々の技術について説明する。例えば、良好な素子性能を維持するように、成長層において短距離内で移動するインジウムを空乏させるか、インジウムが基板の外に移動するのを実質的に防ぐか、又はそうでなければ機能的ＩＩ−ＶＩ層を移動するインジウムから実質的に分離するために有効な、種々の半導体構造及び技術について説明する。
【００３５】
移動するインジウムの有害作用を軽減するための１つのアプローチにおいて、ある追加のトーパント材料が、半導体素子の最初に成長した１つ以上の層に追加され、ＩＩＩ−Ｖ／ＩＩ−ＶＩ界面の比較的短い距離（厚さ）内で、移動するインジウムを空乏させ得ることを発見した。ＩＩ−ＶＩ材料の短い距離又は厚さ内で、インジウムを空乏させることによって、インジウム汚染の影響を受けやすい場合がある、後に形成されるＩＩ−ＶＩ材料層が、実質的にインジウムを含まないようにすることができる。したがって、最初に成長した素子層（１つ又は複数）に、ある追加のドーパント材料を含めることによって、それらの初期層（１つ又は複数）は、移動するインジウムをより効果的に捕捉し、分離することができ、後に成長する素子層が、実質的にインジウムを含まないようにすることができる。
【００３６】
この点において有効であることが判明している、そのような追加のドーピング材料の１つは、塩素である。これは、複数のＩＩ−ＶＩ半導体スタックを、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ基板上に製造することによって確認された。ＩＩ−ＶＩスタックのそれぞれは、ＩｎＰウエファー上のＧａＩｎＡｓ緩衝層の上に成長した、１つ以上のＣｄＭｇＺｎＳｅ層、及び１つ以上のＣｄＺｎＳｅ層を含んでいた。ＩＩ−ＶＩスタックの総厚は、それぞれの場合、少なくとも１．５マイクロメートルであった。各スタックは、特定の一定レベルの塩素ドーピングで製造したが、サンプル毎に異なる塩素ドーピングレベルを使用した。ＩＩ−ＶＩスタックを製造した後、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を使用して、各スタックの終了表面を評価し、終了表面に対するスタックの深さの関数として、インジウムの濃度を決定した。この情報は、各サンプルの深さの関数として、インジウム濃度のプロファイルをもたらす。７つのそのようなサンプルのインジウム濃度プロファイルは、図４にプロットされ、プロファイルは、水平軸に沿って移行し、それぞれの場合において、スタックの開始表面（すなわち、ＩＩＩ−Ｖ基板材料とＩＩ−ＶＩスタック材料との間の界面）が、図示されるように深さＤで起こるように、全体スタック厚のわずかな差異を説明する。サンプルは、以下の塩素ドーパント濃度を呈した（個別の走査においてＳＩＭＳ分析を使用して測定されるように）。
【００３７】
【表１】
2012526391.tif 000003
【００３８】
前記の表１において、塩素ドーピング密度は、１０１６原子／ｃｍ３の単位で表され、「インジウムの空乏までの距離」は、深さＤから、インジウム濃度がマイクロメートルで表される、１０１５原子／ｃｍ３のレベルの深さに空乏されるまでの距離又は厚さを指す。一般的な傾向は、ＩＩ−ＶＩ層スタックへのインジウムの移動の深さが、塩素ドーピングの増加に伴って減少するということである。この特性は、ＩＩＩ−Ｖ／ＩＩ−ＶＩ界面の比較的短距離内で、移動するインジウムを空乏させるために、開始表面に近接する１つ以上の最初に成長した層において、比較的高い塩素ドーピング密度を使用することによって、素子設計において、有利に使用することができ、インジウム汚染の有害作用の影響を受けやすい場合がある、後に形成されるＩＩ−ＶＩ材料層が、実質的にインジウムを含まないようにすることができるようにする。最初に成長した１つ以上の層は、高バンドギャップに起因する高透過率を有するウィンドー層の場合等において、光学的に不活性となるように設計されてもよく、又は例えば、成長後（及び基板の除去後）の除去によって犠牲にすることができる。
【００３９】
ＩＩ−ＶＩ材料で形成される２つのＲＳＣサンプルは、塩素ドーピングの作用を実証するように、ＩｎＰ基板上で製造される。ＲＳＣサンプルのそれぞれは、以下の層構造を有した（基板層を含む）。
【００４０】
【表２】
2012526391.tif 000004
【００４１】
これらのサンプルの開始表面は、層１４と１５との間の界面であり、終了表面は、層１の外部であった。活性領域は、本質的に、層３〜１１で構成された。比較的厚いウィンドー層は、活性領域の反対側に配置され、特に、比較的厚いウィンドー領域（層１２、１３、及び１４、集合厚１．２５マイクロメートル）は、開始表面と活性領域との間に配置されたことに留意されたい。
【００４２】
「ドープウィンドー素子」と呼ばれる、ＲＳＣ素子の１つは、ウィンドー層の全てにおいて、塩素ドーピングにより成長した。「非ドープウィンドー素子」と呼ばれる、他のＲＳＣ素子は、ウィンドー層のいずれかにおいて、塩素ドーピングなしで成長した。ドープ素子のウィンドー層における塩素ドーピングレベルは、Ｃ−Ｖによって測定されるように、１×１０１６原子／ｃｍ３であった、製造後、各素子の一部分を、透明な接着剤を用いて、個別のスライドガラスに取り付け、素子の終了表面をスライドガラスに向けた。次に、ＩｎＰ及びＧａＩｎＡｓ層（層１５及び１６）を化学的にエッチングで取り除き、素子の開始表面を暴露させた。
【００４３】
次に、フォトルミネセンス効率の測定を、構造されるように素子上で行い、各素子を２つの配向で試験した。１つの配向では、開始表面が光源に面し（以下の表において配向「ｓ」と呼ばれる）、他の配向では、終了表面が光源に面する（配向「ｅ」と呼ばれる）。結果を表３に示す。
【００４４】
【表３】
2012526391.tif 000005
【００４５】
ドープウィンドー素子は、明らかに非ドープウィンドー素子よりも多くの対称応答を呈する。ドープ素子の全体効率は、非ドープ素子のそれよりもはるかに高いが、存在する場合、このうちのどれだけが、ウィンドー層における塩素ドーピングに起因するかは明らかではない。しかしながら、既定の素子の「ｓ」及び「ｅ」配向のフォトルミネセンス効率の比、並びに非ドープウィンドー素子と比較したドープウィンドー素子の比の差は、上述の塩素ドーピング及びインジウム−塩素相互作用と相関すると考えられる。
【００４６】
要するに、ＩＩ−ＶＩウィンドー層の塩素ドーピングを利用する、ＲＳＣ素子は、インジウム含有基板と第２のＩＩ−ＶＩ層との間に配置され、移動するインジウムを効果的に空乏させ、移動するインジウムが、素子性能に悪影響を及ぼさないようにすることを実証した。
【００４７】
塩素以外のＮ型ドーパントは、類似の結果を提供することが予想される。したがって、最初に成長した１つ以上の層は、移動するインジウムを空乏させるために、塩素（Ｃｌ）以外の比較的高いドーピング密度のｎ型ドーパント、例えば、アルイミニウム（Ａｌ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含み得る。塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、フッ素（Ｆ）、及び／又はヨウ素（Ｉ）は、この点においても有用なドーパントであり得る。
【００４８】
非対称層設計を有するＲＳＣも製造した。そのような非対称ＲＳＣにおいて、ポテンシャル井戸の位置は、本明細書においてＲＳＣの「イルミネーション表面」と呼ばれる、ポンプ光源に面するように意図される、ＲＳＣの外面に近接するように傾斜又は偏向され得る。対称層設計を有するＲＳＣにおいて、ＲＳＣは、どの外面が選択されるかにかかわらず、等しく良好に実行するように設計されるため、イルミネーション表面として使用する外面の選択は（移動するインジウムの作用が扱われる限り）重要でない。しかし、非対称設計を有するＲＳＣにおいて、イルミネーション表面として使用する外面の選択は、素子性能に著しい影響を及ぼし得る。望ましくは、ポテンシャル井戸の位置は、指数関数的に多くの光生成キャリアが存在する、イルミネーション表面に向かって優先的に偏向される。
【００４９】
本明細書において標準配向と呼ばれる、非対称ＲＳＣ設計の一群では、イルミネーション表面は、ＲＳＣの終了表面、例えば、最後に成長した素子層の外面となるように選択される。そのようなＲＳＣが、シアンブロッカー層（上述）を含むように設計される場合、シアンブロッカー層は、比較的厚くなるように、例えば、約２マイクロメートル以上となるように形成することができ、ＲＳＣの開始表面と活性領域との間に配置される。要望に応じて、シアンブロッカーは、比較的厚くなるように、例えば、約２マイクロメートル以上となるように形成することができ、塩素のドーピング又は他の上述の要素は、ＲＳＣの活性領域を移動するインジウムから保護するために、必ずしもシアンブロッカー内（又はＲＳＣの任意の他の層内）になくてもよいようにする。そのような場合、シアンブロッカー、又は素子の活性領域の一部ではない、ウィンドー層等のいくつかの他の半導体層の厚さは、移動するインジウムが、素子の活性領域に到達し得る前に、通常の過程で空乏されるのに十分大きくなるように設計される。あるいは、塩素又は他の好適なドーパントは、シアンブロッカー又は他の好適な層において、より短い距離で移動するインジウム原子を空乏させるために有効な量で使用することができる。
【００５０】
本明細書において「変換配向」と呼ばれる、非対称ＲＳＣ設計の別の群では、イルミネーション表面は、ＲＳＣの開始表面、例えば、最初に成長した素子層の外面となるように選択される。（最初に成長したＩＩ−ＶＩ半導体層が、なんらかの設計目的でエッチングにより取り除かれる場合、二番目に成長したＩＩ−ＶＩ半導体層は、開始素子層として考慮され、二番目に成長した層の外面は、素子の開始表面として考慮されることを留意されたい。同様に、最後に成長した半導体素子層が、後でエッチングにより取り除かれる場合、最後から二番目に成長した半導体素子層は、終了素子層として考慮され、この層の外面は、素子の終了表面として考慮される。）変換配向の非対称ＲＳＣ設計は、素子の開始表面と活性領域との間に厚いシアンブロッカーを必要としない。しかしながら、そのようなＲＳＣ設計は、通常、以下の例示的な層設計によって示されるように、その位置に１つ以上のウィンドー層を含む。
【００５１】
【表４】
2012526391.tif 000006
【００５２】
表４の設計において、１マイクロメートル（１０００ｎｍ）厚のウィンドー層（層１３）が、開始表面と活性領域との間に使用される。しかしながら、このウィンドーの厚さを、例えば、０．１マイクロメートル以下に著しく減少させることが有利となり得る。活性領域をインジウムの有害作用から保護するために、塩素又は別の好適なドーパントをウィンドー層に含めて、インジウムの移動の深さを減少させるアプローチは、そのような望ましい厚さ減少を達成するように使用することができる。
【００５３】
考察
移動するインジウムの有害な作用を軽減するための更に他のアプローチも考慮される。開示されるアプローチのいずれも、個別に、又は任意の組み合わせで使用され得ることを留意されたい。１つの代替アプローチにおいて、基板の緩衝層部分をその成長中に修飾して、素子層に移動するインジウムイオンの集合を減少させるようにすることができる。特に、緩衝層の成長プロセスの最後付近で、その層の結晶マトリックスの最後のいくつかの単相が形成されているときに、インジウムを成長チャンバから排出して、最後のいくつかの層がインジウムを欠乏するようにする。２〜３以上の単層上でこの手順を実行することは、ＩＩＩ−Ｖ基板とＩＩ−ＶＩ素子層との間に界面を形成する、完了緩衝層の他の原始表面において、許容できない数の欠陥をもたらし得る。したがって、残りの単層が、実質的に移動を含まない限りにおいてのみ、インジウムを空乏させることが望ましい。厚さの観点から、このインジウム空乏は、緩衝層の表面の上部数ナノメートル、又は数十ナノメートルのみにおいて出現し得る。
【００５４】
関連アプローチにおいて、干渉層は、依然として適切な格子定数を維持しながら、結晶格子にインジウムを組み込まない、化学組成物で製造することができる。例えば、緩衝層は、依然として、ＩｎＰ基層に実質的に格子整合し得る。そのようなアプローチを使用して、インジウム含有基層からＩＩ−ＶＩ素子層へのインジウムの移動を実質的に回避することができる。基層は、ＩｎＰ等の第１のＩＩＩ−Ｖ半導体材料で構成されてもよく、緩衝層は、ドープ又は非ドープＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、及び／又はＡｌＧａＡｓＳｂ等の第２のＩＩＩ−Ｖ半導体材料で構成されてもよい。
【００５５】
上述されたアプローチの１つ以上を使用して、種々の半導体構造及び素子を製造することができる。
【００５６】
そのような半導体構造の１つは、インジウムドーパント及び別のドーパントを含有する第１のＩＩ−ＶＩ半導体層、及び第１層の上に形成される第２のＩＩ−ＶＩ半導体層を含む。別のドーパントは、第１層の成長期中にインジウムドーパントの空乏を促進するために有効な量で存在してもよく、第２層は、第１層内の平均インジウム濃度よりも低い平均インジウム濃度を含有し得る。別のドーパントは、アルミニウム（Ａｌ）又はガリウム（Ｇａ）等のｎ型ドーパント、もしくはアルミニウム（Ａｌ）、塩素（Ｃｌ）、ガリウム（Ｇａ）、臭素（Ｂｒ）、及びヨウ素（Ｉ）からなる群から選択されるドーパントを含み得る。
【００５７】
別のそのような半導体構造は、リン化インジウム（ＩｎＰ）に名目上格子整合し、インジウムドーパントを含有する第１のＩＩ−ＶＩ半導体層を含む。名目格子整合は、第１のＩＩ−ＶＩ層が、ＩｎＰ基板上から成長した結果であり得、この基板は、後に除去された。インジウムドーパントは、第１層の厚さ方向に沿って１マイクロメートルを超えない距離にわたって、又は０．５マイクロメートルを超えない距離にわたって、少なくとも１０１７原子／ｃｍ３〜１０１６原子／ｃｍ３未満に変化する濃度を呈する。
【００５８】
ＲＳＣ半導体素子と関連して上述された構造、システム、及び技術は、広くは、素子設計における差異に対して付与される適切な考慮とともに、ＶＣＳＥＬ半導体素子に等しく適用可能であると見なされるべきである。
【００５９】
特に指定されない限り、本明細書及び特許請求の範囲において使用する、数量、特性の測定値などを表す全ての数値は、「約」という語で修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、そうでない旨が指定されない限り、上記の明細書及び特許請求の範囲において記載された数値パラメーターは、本出願の教示を利用する当業者が得ようと求める望ましい特性に応じて変化しうる概算値である。均等論を「特許請求の範囲」の範疇に適用することを制限しようとする試みとしてではなく、各数値パラメーターは少なくとも、記録された有効数字の桁数を考慮して、又通常の四捨五入を適用することによって解釈されるべきである。本発明の広範な範囲を示す数値範囲及びパラメーターは近似であるにもかかわらず、いかなる数値も本明細書で述べられる具体的な例で示される程度に、これらは妥当に可能な限り精確に報告される。しかしながら、いかなる数値も試験及び測定の限界に関連する誤差を含み得る。
【００６０】
本発明のさまざまな修正及び変更が、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、当業者には明らかであり、また本発明は、本明細書に記載された例示的な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。例えば、読者は、開示される一実施形態の特徴が、特に指定されない限り、全ての他の開示される実施形態にも適用され得ると仮定すべきである。本明細書において参照された全ての米国特許、公開特許出願、並びに他の特許及び非特許文書は、それらが上述の開示に矛盾しない範囲において、それらが含有する全てが、参照として組み込まれるであることが理解されるべきである。
【図１】
2012526391.tif 000007
【図２】
2012526391.tif 000008
【図３】
2012526391.tif 000009
【図４】
2012526391.tif 000010
【国際調査報告】
2012526391.tif 000011
2012526391.tif 000012
2012526391.tif 000013