JP2007013164A - 発光光電半導体チップ - Google Patents

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Abstract

【課題】改善された拡散バリアを備えた発光光電半導体チップを提供し、p型ドーパントの活性層への拡散を効率よく低減する。
【解決手段】第1の非ドープ層および第2の非ドープ層はアルミニウムを含み、第1の非ドープ層はアルミニウム成分y1を有し、第2の非ドープ層はアルミニウム成分y2を有し、第1の非ドープ層のアルミニウム成分y1は第2の非ドープ層のアルミニウム成分y2よりも大きい。
【選択図】図1

Description

本発明は、活性層、少なくとも1つのp型ドープ層、および活性層とp型ドープ層とのあいだに配置される複数の非ドープ層から成る非ドープ層列を有しており、この非ドープ層列は少なくとも、活性層から見て後方に存在する第1の非ドープ層とこれに接する第2の非ドープ層とを含む、発光光電半導体チップに関する。
本願は、独国出願の優先権番号第102005030152.5号および第102005037022.5号の優先権を主張し、これらの明細書の内容を含む。
p型ドープされた半導体層を成長させる際に、望ましくないドーパント、例えばMgまたはZnの下方層への拡散がしばしば発生する。こうしたドーパントの拡散は特にMOVPEによりエピタキシャルに製造されるInAlGaP層で観察されていた。
特にLEDまたは半導体レーザーなどの光電素子では、半導体チップ内でのp型ドーパントの拡散は欠点となる。なぜなら、MgまたはZnが光電素子の活性層に存在すると非発光プロセスが生じ、光形成の効率が低下してしまうからである。また光電素子の活性層内でこうしたドーパントの濃度が高くなると素子の経時劣化も加速されてしまう。
p型ドープ層から活性層へのp型ドーパントの拡散を低減するには、一般に、1つまたは複数の非ドープ層を活性層とp型ドープ層とのあいだに挿入する。ただしこのような非ドープ層は厚さが増すにつれて半導体チップの光特性および電気特性を損なう。
さらに、独国公開第10306311号明細書および日本国出願第10209573号明細書からは、p型ドープ層と活性層とのあいだに拡散バリアとして超格子構造体を挿入することが知られる。また日本国出願第11068150号明細書では、p型ドープ層と活性層とのあいだに格子障壁を備えた層をp型ドーパントに対する拡散バリアとして挿入することが提案されている。
独国公開第10306311号明細書 日本国公開第10209573号明細書 日本国公開第11068150号明細書
本発明の課題は、改善された拡散バリアを備えた発光光電半導体チップを提供し、p型ドーパントの活性層への拡散を効率よく低減することである。
この課題は、第1の非ドープ層および第2の非ドープ層はアルミニウムを含み、第1の非ドープ層はアルミニウム成分y1を有し、第2の非ドープ層はアルミニウム成分y2を有し、第1の非ドープ層のアルミニウム成分y1は第2の非ドープ層のアルミニウム成分y2よりも大きい構成により解決される。
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。
本発明は特に、第1の非ドープ層と第2の非ドープ層との界面が第2の非ドープ層よりも多くのアルミニウム成分を含み、これをp型ドープ層から活性層のほうへ拡散するp型ドーパントに対する拡散バリアとするという着想に基づいている。このようにすれば、p型ドーパント、例えばMg,Znなどの発光光電半導体チップの活性層での濃厚化が効率的に低減される。特に有利には、活性層での非発光プロセスによる電荷担体の結合が低減され、光形成の効率も向上する。
本発明の第1の実施形態では、第1の非ドープ層はInx1Aly1Ga1−x1−y1P[0≦x1≦1,0<y1≦1,x1+y1≦1]を有し、第2の非ドープ層はInx2Aly2Ga1−x2−y2P[0≦x2≦1,0<y2≦1,x2+y2≦1]を有する。
このとき、第1の非ドープ層のアルミニウム成分y1についてy1≧0.2が相当する。有利には、第1の非ドープ層5は僅かなガリウム成分しか含まず、ここで第1の非ドープ層のガリウム成分1−x1−y1について1−x1−y1≦0.3が相当する。特に有利には、第1の非ドープ層はガリウムを含まず、つまり1−x1−y1=0が相当する。例えば第1の非ドープ層がIn0.5Al0.5Pである場合、x1=0.5,y1=0.5,1−x1−y1=0である。
この第1の実施形態では、第2の非ドープ層のアルミニウム成分y2についてy2≦0.4が相当する。また有利には、第2の非ドープ層のガリウム成分1−x2−y2について1−x2−y2≧0.1が相当する。例えば第1の非ドープ層がIn0.5Al0.25Ga0.25Pである場合、x2=0.5,y2=0.25,1−x1−y1=0.25である。
本発明の第2の実施形態では、第1の非ドープ層はInx1Aly1Ga1−x1−y1N[0≦x1≦1,0<y1≦1,x1+y1≦1]を有し、第2の非ドープ層はInx2Aly2Ga1−x2−y2N[0≦x2≦1,0<y2≦1,x2+y2≦1]を有する。
このとき、第1の非ドープ層のアルミニウム成分y1についてy1≧0.1が相当する。有利には、第1の非ドープ層のガリウム成分1−x1−y1について1−x1−y1≦0.9が相当する。特に有利には、第1の非ドープ層はガリウムを含まず、つまり1−x1−y1=0が相当する。例えば第1の非ドープ層がIn0.5Al0.5Nである場合、x1=0.5,y1=0.5,1−x1−y1=0である。
この第2の実施形態では、第2の非ドープ層のアルミニウム成分y2についてy2<0.3が相当する。また有利には、第2の非ドープ層のガリウム成分1−x2−y2について1−x2−y2≧0.7が相当する。
前述の実施形態において、第1の非ドープ層はインジウム成分x1>0を有し、第2の非ドープ層はインジウム成分x2>0を有する。特に有利には、第1の非ドープ層および第2の非ドープ層は等しいインジウム成分x1=x2を有する。
さらに、光電半導体チップの別の半導体層、例えば活性層またはp型ドープ層を、窒化物半導体、特にInAlGa1−x−yN[0≦x≦1,0<y≦1,x+y≦1]またはリン化物半導体、特にInAlGa1−x−yP[0≦x≦1,0<y≦1,x+y≦1]から形成することができる。この場合、半導体材料は必ずしも上述の式で表される数学的に厳密な組成を有さなくてもよく、例えば半導体材料の特徴的な物理特性がほぼ変更されない範囲において付加的な成分を含みうる。簡単化のために、上述の式は結晶格子の主要成分Al,Ga,In,NまたはPしか含んでいないが、これらを部分的に少量の他の物質で置換することもできる。
有利には、p型ドープ層はドーパントとしてMgまたはZnを含む。またこれに代えて他のp型ドーパントを使用してもよい。
有利には、p型ドーパントの濃度は、拡散バリアとして作用する第2の非ドープ層と第1の非ドープ層との界面により、この界面に直に接する第1の非ドープ層の部分領域で大幅に低下する。したがって、高いアルミニウム成分を有する第1の非ドープ層へのp型ドーパントの平均浸透深度が小さくなる。このため第1の非ドープ層が薄くてもp型ドーパントに対する効果的な拡散バリアとなる。第1の非ドープ層の厚さは50nm以上1μm以下、特に有利には20nm以上200nm以下である。
本発明の有利な実施形態では、p型ドープ層と活性層とのあいだに配置される非ドープ層列の全厚さは50nm以上1μm以下である。
このように非ドープ層列の全厚さが小さいため、発光半導体チップの光特性および電気特性に対する影響も小さくなる。特に活性層とp型ドープ層とのあいだに配置される非ドープ層列の厚さが小さいことにより、吸収損失およびリーク電流が低減される。
活性層から見て第2の非ドープ層の後方には、少なくとも1つの別の非ドープ層が設けられており、この別の非ドープ層は前方の非ドープ層よりも低いアルミニウム成分を有する。
特に、活性層とp型ドープ層とのあいだに配置される非ドープ層は前方の層よりも小さなアルミニウム成分を含む。例えば第2の非ドープ層の後方にこれよりも低いアルミニウム成分を含む第3の非ドープ層を配置し、この第3の非ドープ層の後方にさらに低いアルミニウム成分を含む第4の非ドープ層を配置する。p型ドープ層から活性層へ拡散していくp型ドーパントは、この実施形態では、非ドープ層を移動するあいだにアルミニウム成分の高い界面を幾つも横断しなければならなくなる。これにより各界面が拡散バリアとして働くので、拡散抑圧効果は、p型ドープ層から活性層へ向かう方向でアルミニウム成分を増大した1つの界面を設ける場合よりも大きくなる。
本発明の別の実施形態では、第2の非ドープ層は、活性層から見て、アルミニウム成分の高い層と低い層とを交互に層列として有する。このようにすれば、p型ドープ層から活性層のほうへ拡散していくp型ドーパントは、非ドープ層を移動するあいだにアルミニウム成分の高くなっている界面を幾つも横断しなければならないことになる。また前述の実施形態とは異なって、1つおきの界面ごとにアルミニウム成分が高くなるように構成することもできる。
本発明は特に、エピタキシャル層列を有する発光半導体チップに適している。エピタキシャル層では、比較的高温で堆積プロセスが行われるために、p型ドーパントが高温での成長中に活性層へ拡散してしまうおそれがあるからである。この危険は特にMOVPEで製造されるエピタキシャル層列で顕著である。
本発明を以下に図1〜図3に関連する3つの実施例に則して詳細に説明する。
図中、同様の機能を有する素子には相応する参照番号を付してある。図示は縮尺通りではなく、理解しやすくするために大きめに描いてあることに注意されたい。
図1には本発明の第1の実施例の発光光電半導体チップの断面概略図が示されており、この半導体チップは基板1上に被着された半導体層列13を有する。半導体層列13は、有利にはエピタキシャルに、特に有機金属気相エピタキシすなわちMOVPEにより基板1上に堆積される。発光光電半導体チップはルミネセンスダイオードチップおよびレーザーダイオードチップのいずれであってもよい。
発光光電半導体チップはさらに活性層3を含み、この活性層から電磁放射12,例えば紫外、可視または赤外のスペクトル領域の光が放出される。活性層3は、有利には、Inx3Aly3Ga1−x3−y3PまたはInx3Aly3Ga1−x3−y3N[0≦x3≦1,0≦y3≦1,x3+y3≦1]を有する。活性層3は例えばヘテロ構造、ダブルへテロ構造または量子井戸構造の構造体として形成される。量子井戸構造とは電荷担体の閉じ込め(コンファインメント)によりエネルギ状態の量子化を生じさせる構造のことである。ここでは量子化の設計は制限されない。量子トラフ(Quantentroege)、量子ワイヤおよび量子ドット、またはこれらの構造の組み合わせなどが含まれる。
活性層3へ電流を印加するために、例えば2つの電気コンタクト10,11が設けられている。第1の電気コンタクト11は半導体チップの放射出射面14に配置されており、第2の電気コンタクト10は基板のうち半導体層列13から遠いほうの側に配置されている。
半導体層列13は少なくとも1つのp型ドープ層9を含み、このp型ドープ層は例えば第1の電気コンタクト11と活性層3とのあいだに配置されている。p型ドープ層9には有利にはMgおよび/またはZnがドープされている。
活性層3とp型ドープ層9とのあいだには複数の非ドープ層4〜7から成る非ドープ層列8が設けられている。
第1の形態では、非ドープ層列8は、Inx1Aly1Ga1−x1−y1P[0≦x1≦1,0<y1≦1,x1+y1≦1]から成る第1の非ドープ層5と、これに接してInx2Aly2Ga1−x2−y2P[0≦x2≦1,0<y2≦1,x2+y2≦1]から成る第2の非ドープ層6とを有する。このとき有利には、第1の非ドープ層5のアルミニウム成分y1についてy1≧0.2が相当し、第2の非ドープ層6のアルミニウム成分y2についてy2≦0.4が相当する。
第2の形態では、非ドープ層列8は、Inx1Aly1Ga1−x1−y1N[0≦x1≦1,0<y1≦1,x1+y1≦1]から成る第1の非ドープ層5と、これに接してInx2Aly2Ga1−x2−y2N[0≦x2≦1,0<y2≦1,x2+y2≦1]から成る第2の非ドープ層6とを有する。このとき有利には、第1の非ドープ層5のアルミニウム成分y1についてy1≧0.1が相当し、第2の非ドープ層6のアルミニウム成分y2についてy2<0.3が相当する。
いずれの形態においても、第1の非ドープ層5のアルミニウム成分y1は、活性層3から見て後方に存在する第2の非ドープ層6のアルミニウム成分y2よりも大きい。
p型ドープ層9から活性層3へ向かう途中、第2の非ドープ層6と第1の非ドープ層5との界面でアルミニウム成分は増大している。p型ドープ層9から第2の非ドープ層6を通って活性層3のほうへ拡散するp型ドーパントに対して、第2の非ドープ層6と第1の非ドープ層5との界面は拡散バリアとして働く。これはp型ドーパントが有利には第1の非ドープ層5へ僅かしか侵入せず、少なくとも僅かな量しかここを横断しないことを意味する。このようにしてp型ドーパントの活性層3への拡散は効率的に低減される。
第1の非ドープ層5の作用は、そのガリウム成分1−x1−y1が第2の非ドープ層6のガリウム成分1−x2−y2よりも小さいことにより、さらに向上する。第1の非ドープ層5がInx1Aly1Ga1−x1−y1Pから成る場合には1−x1−y1≦0.3であり、Inx1Aly1Ga1−x1−y1Nから成る場合1−x1−y1≦0.9である。特に有利に、第1の非ドープ層5がガリウム成分を含まず、1−x1−y1=0であってもよい。
第2の非ドープ層6は有利には第1の非ドープ層5よりも大きなガリウム成分を有する。第2の非ドープ層6がInx2Aly2Ga1−x2−y2Pから成る場合には1−x2−y2≧0.1であり、Inx2Aly2Ga1−x2−y2Nから成る場合には1−x2−y2≧0.7である。
第1の非ドープ層5および第2の非ドープ層6に加えて、非ドープ層列8はさらなる非ドープ層を有していてもよい。非ドープ層列8は例えば活性層3と第1の非ドープ層5とのあいだに第3の非ドープ層4を有し、第2の非ドープ層6とp型ドープ層9とのあいだに第4の非ドープ層7を有する。p型ドープ層に接する第4の非ドープ層7は、第2の非ドープ層6よりも大きなアルミニウム成分を有する。第3の非ドープ層4は例えば第2の非ドープ層6と等しいアルミニウム成分を有する。
第1の非ドープ層5は、厚さが小さくても拡散バリアとして充分に作用する。有利には第1の非ドープ層5の厚さは10nm以上1000nm以下である。
特に、活性層3とp型ドープ層9とのあいだに配置される非ドープ層4〜7から成る非ドープ層列8の全厚さは、第1の非ドープ層5を拡散バリアとして機能させることができるため、従来技術よりも小さくすることができる。非ドープ層列8の全厚さは、有利には、50nm以上1μm以下である。非ドープ層列8の全厚さが小さいことにより、光電半導体チップの効率も良好となる。なぜならリーク電流および吸収損失が低減されるからである。
さらに半導体層列13は、有利には、少なくとも1つのn型層2を基板1と活性層3とのあいだに有する。図1に示されている基板1と活性層3とのあいだのn型層2に代えて、例えば非ドープ層を含む複数の層から成る層列を基板1と活性層3とのあいだに設けてもよい。
図2には本発明の第2の実施例の発光光電半導体チップが示されており、これは活性層から見て第2の非ドープ層6の後方にさらに第5,第6の非ドープ層6a,6bが設けられている点で、第1の実施例と異なる。この2つの非ドープ層6a,6bは前方の層よりも低いアルミニウム成分を有する。第2の非ドープ層6の後方の第5の非ドープ層6aは第2の非ドープ層6よりも低いアルミニウム成分を有し、第5の非ドープ層6aの後方の第6の非ドープ層6bはさらに低いアルミニウム成分を有する。
この実施例では、p型ドープ層9と活性層3とのあいだに複数の界面が形成され、p型ドープ層9から見るとこれらの界面でアルミニウム成分が高くなっている。このようにすれば拡散阻止作用が有利に増幅される。例えば図2に示されている実施例では、非ドープ層6a,6b間の界面、非ドープ層6a,6間の界面、および非ドープ層6,5間の界面がそれぞれp型ドープ層9から活性層3へ拡散するp型ドーパントに対する拡散バリアとして働くことになる。
これに代えて、活性層3から見て第2の非ドープ層6の後方に、高いアルミニウム成分および低いアルミニウム成分を交互に含む層列を設けてもよい。例えば、第2の非ドープ層6の後方の第5の非ドープ層6aは第2の非ドープ層6よりも高いアルミニウム成分を有し、その後方の第6の非ドープ層6bは第5の非ドープ層6aよりも低いアルミニウム成分を有するようにする。この場合、p型ドープ層9から活性層3のほうへ拡散するp型ドーパントは、アルミニウム成分の高くなった2つの界面を横断しなければならない。
それ以外の点では第2の実施例は前述の第1の実施例に相応する。特に第1の実施例に関連して説明した有利な2つの形態は第2の実施例にも通用する。
図3には、本発明の第3の実施例でのドーパント物質であるマグネシウムの濃度Dが対数表示で座標zに対して示されている。つまりp型ドープ層9から2つの非ドープ層6,5へのマグネシウムの濃度のプロフィルである。この実施例では、第1の非ドープ層5はAl0.5In0.5Pであり、これに接する第2の非ドープ層6はAl0.25Ga0.25In0.5Pである。第2の非ドープ層6にはマグネシウムをドープされたAl0.5In0.5Pから成るp型ドープ層9が接している。
ドーパント物質であるマグネシウムの濃度Dは、拡散の結果、第2の非ドープ層6においてはp型ドープ層9に比べて僅かしか低下していないが、第1の非ドープ層5においては第2の非ドープ層6との界面からの距離が増大するにつれて大きく低下している。第2の非ドープ層6よりも大きなアルミニウム成分を含む第1の非ドープ層5はドーパント物質であるマグネシウムに対して拡散バリアとして働いていることがわかる。
本発明は前述した実施例のみに限定されない。特許請求の範囲に示されている特徴はもちろん、実施例の説明に非明示的に示されている特徴も、単独でまたは任意に組み合わせて本発明の対象となりうる。
本発明の第1の実施例の発光光電半導体チップの断面概略図である。 本発明の第2の実施例の発光光電半導体チップの断面概略図である。 本発明の実施例の発光光電半導体チップのドーパント濃度D[対数表示]と位置座標zとの関係を表すグラフである。
符号の説明
1 基板、 2 n型層、 3 活性層、 4〜7,6a,6b 非ドープ層、 8 非ドープ層列、 9 p型ドープ層、 10,11 電気コンタクト、 12 電磁放射、 13 半導体層列、 14 放射出射面

Claims (20)

  1. 活性層(3)、少なくとも1つのp型ドープ層(9)、および該活性層と該p型ドープ層とのあいだに配置される複数の非ドープ層(4〜7)から成る非ドープ層列(8)を有しており、該非ドープ層列は少なくとも、前記活性層から見て後方に存在する第1の非ドープ層(5)とこれに接する第2の非ドープ層(6)とを含む、
    発光光電半導体チップにおいて、
    第1の非ドープ層(5)および第2の非ドープ層(6)はアルミニウムを含み、
    第1の非ドープ層(5)はアルミニウム成分y1を有し、第2の非ドープ層(5)はアルミニウム成分y2を有し、第1の非ドープ層のアルミニウム成分y1は第2の非ドープ層のアルミニウム成分y2よりも大きい
    ことを特徴とする発光光電半導体チップ。
  2. 前記第1の非ドープ層(5)はInx1Aly1Ga1−x1−y1P[0≦x1≦1,0<y1≦1,x1+y1≦1]を有し、前記第2の非ドープ層(6)はInx2Aly2Ga1−x2−y2P[0≦x2≦1,0<y2≦1,x2+y2≦1]を有する、請求項1記載のチップ。
  3. 前記第1の非ドープ層(5)のアルミニウム成分y1についてy1≧0.2が相当する、請求項2記載のチップ。
  4. 前記第1の非ドープ層(5)のガリウム成分1−x1−y1について1−x1−y1≦0.3が相当する、請求項2または3記載のチップ。
  5. 前記第1の非ドープ層(5)はガリウムを含まない、請求項4記載のチップ。
  6. 前記第2の非ドープ層(6)のアルミニウム成分y2についてy2≦0.4が相当する、請求項2から5までのいずれか1項記載のチップ。
  7. 前記第2の非ドープ層(6)のガリウム成分1−x2−y2について1−x2−y2≧0.1が相当する、請求項2から6までのいずれか1項記載のチップ。
  8. 前記第1の非ドープ層(5)はInx1Aly1Ga1−x1−y1N[0≦x1≦1,0<y1≦1,x1+y1≦1]を有し、前記第2の非ドープ層(6)はInx2Aly2Ga1−x2−y2N[0≦x2≦1,0<y2≦1,x2+y2≦1]を有する、請求項1記載のチップ。
  9. 前記第1の非ドープ層(5)のアルミニウム成分y1についてy1≧0.1が相当する、請求項8記載のチップ。
  10. 前記第1の非ドープ層(5)のガリウム成分1−x1−y1について1−x1−y1≦0.9が相当する、請求項8または9記載のチップ。
  11. 前記第1の非ドープ層(5)はガリウムを含まない、請求項10記載のチップ。
  12. 前記第2の非ドープ層(6)のアルミニウム成分y2についてy2<0.3が相当する、請求項8から11までのいずれか1項記載のチップ。
  13. 前記第2の非ドープ層(6)のガリウム成分1−x2−y2について1−x2−y2≧0.7が相当する、請求項8から12までのいずれか1項記載のチップ。
  14. 前記第1の非ドープ層(5)はインジウム成分x1>0を有し、前記第2の非ドープ層(6)はインジウム成分x2>0を有し、有利にはx1=x2である、請求項2から13までのいずれか1項記載のチップ。
  15. 前記活性層(3)はInx3Aly3Ga1−x3−y3PまたはInx3Aly3Ga1−x3−y3N[0≦x3≦1,0≦y3≦1,x3+y3≦1]を有する、請求項1から14までのいずれか1項記載のチップ。
  16. 前記p型ドープ層(9)はドーパントとしてMgまたはZnを含む、請求項1から15までのいずれか1項記載のチップ。
  17. 前記第1の非ドープ層(5)は10nm以上1000nm以下の厚さを有する、請求項1から16までのいずれか1項記載のチップ。
  18. 前記p型ドープ層(9)と前記活性層(3)とのあいだに配置される複数の非ドープ層(4〜7)から成る前記非ドープ層列(8)の全厚さは50nm以上1μm以下である、請求項1から17までのいずれか1項記載のチップ。
  19. 前記活性層(3)から見て前記第2の非ドープ層(6)の後方に少なくとも1つの別の非ドープ層(6a,6b)が設けられており、該別の非ドープ層は前方の非ドープ層よりも低いアルミニウム成分を有する、請求項1から18までのいずれか1項記載のチップ。
  20. MOVPEにより製造されるエピタキシャル層列(13)を有する、請求項1から19までのいずれか1項記載のチップ。
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