JP2008034851A - 超格子を有する半導体層構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電気特性および光学特性が改善された超格子を有する半導体層構造を提供すること、およびこのような半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスを提供すること。
【解決手段】超格子内の異なるタイプの隣接する層は、少なくとも１つの元素の組成において異なっており、超格子内で、同じタイプの少なくとも２つの層は少なくとも１つの元素の異なる含有量を有しており、該少なくとも１つの元素の含有量は超格子の層内で勾配状であり、超格子の層は所定の濃度でドーピング材料を含んでおり、当該超格子は、異なるドーピング材料でドープされた層を有している半導体層構造、およびこのような半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイス。
【選択図】図１

Description

本特許出願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０ ２００６ ０３４ ８２０．６号および第１０ ２００６ ０４６ ２３７．８号の優先権を主張するものであり、これらの文献の開示内容は参照により本明細書に含まれる。

本発明は、第１のタイプの積層された層および少なくとも１つの第２のタイプの積層された層から成る超格子を有する半導体層構造に関する。ここで第１のタイプの層および少なくとも１つの第２のタイプの層はIII−Ｖ族化合物半導体であり、超格子内の、タイプが異なる隣接している層は少なくとも１つの元素の組成において異なっている。本発明はさらに、このような半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスに関する。

１つの組成の材料だけから成る、同じ厚さを有する層と比較すると、異なるタイプの積層された層を備えた超格子は異なる、電気特性、光学特性およびエピタキシャル特性を有する。特に、組成及びドーピングが適切な場合には、交互に積層された、ｐ−ドープされた窒化ガリウム（ＧａＮ）層とｐ−ドープされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ)層からなる超格子は、同じ厚さを有する、ｐ−ドープされた単純なＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層よりも高い導電性を有する。このような特性の故に、超格子は電子デバイス及びオプトエレクトロニクスデバイスにおいて多用されている。

本発明の課題は、電気特性および光学特性が改善された、冒頭に記載した形式の超格子を有する半導体層構造を提供することである。本発明のさらなる課題は、このような半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスを提供することである。

上述の課題は、請求項１に相応して、冒頭に記載した形式の半導体層構造によって解決される。ここでは超格子内で同じタイプの少なくとも２つの層は少なくとも１つの元素の異なる含有量を有しており、少なくとも１つの元素の含有量は超格子の層内で勾配状であり、超格子の層は所定の濃度でドーピング材料を含んでいる。ここで超格子は、異なるドーピング材料でドープされた層を有している。

本発明では、少なくとも１つの元素の含有量は、同じタイプの２つの層において異なっている。ここでこの元素によって、異なるタイプの隣接する層が組成において異なっている。少なくとも１つの元素の含有量は超格子の層内で勾配状であり、超格子の層は所定の濃度でドーピング材料を含んでいる。ここで超格子は、異なるドーピング材料でドープされた層を有している。

このようにして前記超格子の電気特性、光学特性及びエピタキシャル特性をできる限り、所与の要求に適合させることができる。これは殊に、超格子が適合されるエピタキシャル周囲条件に対してあてはまる。 超格子に対する所与の要求はしばしば、超格子の全厚みにわたって異なる。なぜなら、例えばこれらの要求に影響を与える電界強度または光学場強度等の物理的な量も同じように、超格子の厚さにわたって一定ではないからである。

例えば1つのタイプの層内の組成は、屈折率、ひいては光学的導波（Wellenfuehrung）にも、バンドギャップの寸法、ひいては光学的吸収損失にも、格子構造および／または格子定数、ひいては超格子が接している層に及ぼす歪み（Verspannungen）にも影響を与える。ここで元素の含有量に対するこれらの量の依存性は、超格子の所望の特性に関して例えば次のように対抗している。すなわち、高い含有量は超格子を通る導波に有利に影響を与える、および／または有利には光学的吸収損失を低減させるが、欠点として、接している層の歪みを高めてしまう。

１つのタイプの全ての層に対して組成が等しい場合には、せいぜい、可能な利点の間での妥協と甘受されるべき欠点が生じるくらいである。これとは異なり、層タイプ内で変化する組成、少なくとも１つの元素の勾配状含有量および異なるドーピング材料によって、超格子に対する空間的に異なる要求が考慮され、例えば、接している層への歪みに関して深く関与している超格子の縁部領域の層に対しては、超格子の中央領域内の層とは異なる組成および／または異なるドーピング材料が設定される。これらの中央領域内の層は、中央領域が空間的により大きく伸張するので、導波に対して深く関与している。

基本的に超格子とは周期性を有する構造のことであり、その周期の長さは使用された材料の格子定数よりも長い。本願では、次のような積層された層の列を超格子とする。すなわち、層の間の境界面に対して垂直な方向で（例えば層の成長方向で）、異なるタイプの少なくとも２つの層を含む積層順序が繰り返される層列である。このような超格子は例えば、異なるタイプの交互に積層された層の列によって得られる。ここで「交互」とは、２つまたはそれ以上の数の層が交互に現れることである。この場合、前記の繰り返される積層順序内では、１つのタイプは１つの層よりも多くの層で出現することができる。この種の超格子の例は、次の層列によって表される：「ａｂ｜ａｂ｜ａｂ｜…」、「ａｂｃ｜ａｂｃ｜ａｂｃ｜…」、「ａｂｃｂ｜ａｂｃｂ｜…」及び「ａｂａｂａｂａｂｃ｜ａｂａｂａｂａｂｃ｜…」、その際、ａ、ｂ及びｃはそれぞれ１つのタイプの層を表し、繰り返される積層順序は区切記号「｜」によって明示されている。

本発明の範囲内で、１つの層の組成は、層内に含有されている元素並びに前記元素の名目上（すなわち成長プロセスの間又はその後の成分観察の精度の範囲内で）の化学量論によって定義され、この場合に、ドーピング材料と不純物は考慮されない。この化学量論は、層内の個々の元素の含有量（割合）によって表される。本発明の範囲内で、１つの層の元素の数に関して制限はない。超格子の層は例えば元素状（すなわち、１つの元素だけからなる）であるか、又は二成分、三成分、四成分等であってもよい。

層のタイプは層の組成によってあらわされるが、１つのタイプの全ての層が同じ組成を有しているとは限らない。１つのタイプの層の組成を、超格子内で予め定められたように変えることができる。例えば１つのタイプの層の１つの元素の濃度を、このタイプの層を追って増大させることによって組成を変えることができる。しかし、超格子内の異なるタイプの隣接する層は、少なくとも１つの元素の組成において異なる。

半導体層構造の有利な構成では、超格子は交互に積層されたＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層とＩｎ_wＡｌ_zＧａ_1-w-zＮ層を有する。式中０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１、及びｘ＋ｙ≦１及びｗ＋ｚ≦１である。または超格子は交互に積層されたＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＰ層とＩｎ_wＡｌ_zＧａ_1-w-zＰ層を有する。式中０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１及びｘ＋ｙ≦１及びｗ＋ｚ≦１である。または超格子は交互に積層されたＩｎ_xＡｌ_zＧａ_1-x-yＡｓ層とＩｎ_wＡｌ_zＧａ_1-w-zＡｓ層を有する。式中０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１及びｘ＋ｙ≦１及びｗ＋ｚ≦１である。このような材料システムは一方では技術的に非常に重要であり、他方ではこのシステムにおいて、超格子を使用することによって、殊に正孔伝導の有利な伝導性上昇が観察される。

半導体層構造の別の有利な構成では、超格子の個々の層に半導体層構造内の垂直な位置が割り当てられ、層内の少なくとも１つの元素の含有量は予め定められているように、半導体層構造内での自身の垂直な位置に依存する。このように超格子およびその特性を可能な限り、超格子に対する空間的に異なっている要求に適合させることができる。

別の有利な構成では、垂直な位置に対する少なくとも１つの元素の含有量の依存性は全ての層に対して１つの共通の関数によって定められているか、または第１のタイプの層に対しては第１の関数によって定められており、第２のタイプの層に対しては少なくとも１つの第２の関数によって定められている。ここで特に有利には、この第１の関数および／または少なくとも１つの第２の関数および／または共通の関数は、階段関数または単調増加関数／減少関数または一次関数または多項式関数または冪関数または指数関数または対数関数または周期関数またはこれらの関数を重ね合わせたものであるか、またはこれらの関数の一部を有している。

別の有利な構成では、超格子の全ての層は同じ厚さを有している。別の有利な構成では異なるタイプの層は異なる厚さを有している。

前述の課題はさらに、上述した形式の半導体層構造を有しているオプトエレクトロニクスデバイスによって解決される。ここでこのオプトエレクトロニクスデバイス内では超格子の特定の特性に対する要求はしばしば空間的に一定ではない。超格子内で層のタイプが同じ場合には異なる組成を有する半導体層構造によって、超格子の電気特性、光学特性およびエピタキシャル特性ができる限り、所与の要求に適合される。

オプトエレクトロニクスデバイスの有利な構成ではこれは光学的な活性層を有しており、少なくとも１つの元素はＡｌであり、この元素の含有量が同じタイプの少なくとも２つの層内で異なる。ここで、半導体層構造の超格子内のＡｌ含有量は、この光学活性層からの距離が増す程、増大する、または低減する。光学活性層を有するオプトエレクトロニクスデバイスでは、超格子の、活性層に直接的または間接的に接している層の高いＡｌ含有量によって、活性層内に不利な歪みが生じてしまう。この歪みによって、この層の量子効果が低減されてしまう。超格子内の、活性層の方に向かって下降するＡｌ含有量によって、低い量子効果による損失が低減される。これに対して高いＡｌ含有量によって、バンドギャップは大きくなり、ひいては層の光学的吸収が低減する。活性層の方向において、活性層によって生成された放射の強度が上昇するので、超格子内の、活性層の方に向かって上昇するＡｌ含有量は光学的吸収に関して有利である。

別の有利な構成では、オプトエレクトロニクスデバイスは、発光ダイオードまたはレーザーダイオードである。

本発明の別の有利な構成を以下で、図示された実施例に関連して説明する。

図１には、超格子を有するオプトエレクトロニクスデバイスの半導体層構造の層列が断面図で図示的に示されている。基板１上には、整合層２および後続のｎ−ドープされたコンタクト層３が成長させられている。わかりやすく示すために、各層のドーピング型は以後ｎ又はｐの文字を記載することにより、つまり例えばｎ−コンタクト層３のように表す。

ｎ−コンタクト層３上には、ｎ−ジャケット層４およびｎ−導波体層５が設けられている。これらの層上に活性層６が設けられている。続いて、バリア層７並びにｐ−導波体層８が設けられている。これに、超格子９として構成されているｐ−ジャケット層が続く。
この超格子９は、交互に積み重ねられた、第１のタイプａの層９ａと第２のタイプｂの層９ｂとを有する。

この超格子９上にｐ−コンタクト層１０が成長されている。右側の領域では、前記層列は、ｎ−コンタクト層３の基板側ではない面に達するまで除去エッチングにより取り去られているか、あるいはこの領域内でマスキングにより層列が全く構築されていない。ｎ−コンタクト層３の露出面上にｎ−コンタクト１１が設けられている。ｐ−コンタクト層１０上にはｐ−コンタクト１２が存在している。

図１は略図として解釈することができる。特に、図示された層厚は寸法通りではない。

図示された実施例は例えば、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＡｓ、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＰまたはＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_ｙＮ_1-yの材料システムに基づいて実現される。式中０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。もちろん本発明はこの材料システムに限定されるものではなく、所望の波長に応じて、又はその他の要求に応じて別の材料システムに基づき実現することができる。

図１に示したデバイスはダブルへテロ構造のレーザーダイオードを表す。以後、例示的にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの材料システムでの実現を詳細に記載する。このような場合には、基板１としてサファイアを使用することができ、かつｎ−コンタクト層３としてｎ−ドープされたＧａＮを使用することができる。ＧａＮ層のｎ−ドーピングのために、有利にシリコン（Ｓｉ）を使用する。整合層２として、一般に、前記サファイア基板１とＧａＮのｎ−コンタクト層３との間に、これらの層の異なる格子定数を整合させるために、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が設けられている。

同様に、ｐ−コンタクト層１０はマグネシウム（Ｍｇ）でｐ−ドープされたＧａＮ層により実現することができ、この場合、マグネシウム不純物により誘導された正孔伝導は前記層の成長の後で公知のように、例えば電子照射又は熱処理により活性化される。ｎ−又はｐ−コンタクト１１もしくは１２として、例えばアルミニウム又はニッケルからなる電極が、対応するｎ−又はｐ−コンタクト層３もしくは１０上に蒸着される。このために必要なｎ−コンタクト層３の露出は、例えば塩素ガス中でのドライエッチングプロセスによるか又はアルゴンイオンスパッタリングにより行うことができる。

これとは別に、非導電性の基板１の代わりに、導電性の基板、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用することができる。このような場合には、ｎ−コンタクト層３及び場合により、例えばＧａＮの使用の場合に、整合層２を使用しなくてもよい。ｎ−コンタクト１１を、その後にｐ−コンタクト１２に対峙して、基板の半導体層構造とは反対側に設けることができるため、垂直伝導型（vertikal leitend）の半導体層構造が形成される。

これに限定されるものではないが、図１にはまずｎ−ドープされた層が基板１上に設けられている実施例が示されている。ｐ−ドープされた層が、ｎ−ドープされた層よりも基板１の近くに配置されている構成も可能である。この両方の構成は、半導体層構造内への電荷キャリア注入に関して異なる特性を有することができる。所望の特性に応じて、個々の場合で、前記の構成のそれぞれが有利であることが判明している。

活性層６は例えば単一又は多重量子層構造（Mehrfach-Quantenschichtstruktur）であることができ、この場合、インジウム−窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）量子層がＡｌＧａＮバリア層と交互に積層されている。

本発明の範囲内で、量子層とは、放射線生成のために重要な電荷キャリアエネルギーレベルの量子化が、例えば閉じ込め（confinement）により生じるように寸法決定及び構造化されている層であると解釈される。特にこの量子層という用語には、量子化の次元の数に関する規定又は限定は含まれない。この量子層は二次元の量子井戸を形成するか又はより低い次元の数を有する構造的素子、例えば量子ワイヤ又は量子ドット又はこれらの構造の組合せを含むことができる。

更に、活性層６として、フォトルミネッセンス活性層、例えば異種原子ドープされたＩｎＧａＮ層の使用も考えられる。

この活性層６を取り囲む層（ｎ−及びｐ−導波体層５もしくは８、ｎ−ジャケット層４、ｐ−ジャケット層としての超格子９及びバリア層７）は、前記活性層６よりも大きなバンドギャップを有する。これは、活性層６に関して電荷キャリアおよび／または電界の濃縮又は限定（閉じ込めとも言われる）を生じさせる。このために設けられた層の数は、図面に示された５層の数に限定されず、原則として任意である。

更に、前記活性層６を取り囲む層は、前記活性層６内で生じる放射線のための導波体を形成する。良好な導波特性は、屈折率が活性層６に対して垂直方向で前記活性層６から外側に向かって低下する場合に達成される。ＧａＮはＡｌＧａＮよりも高い屈折率を有するため、実施例の場合には、活性層６の比較的近くに配置されたｎ−及びｐ−導波体層５もしくは８がＧａＮ層として構成されている。ｎ−ジャケット層４及びｐ−ジャケット層としての超格子９は有利にアルミニウム含有である。

活性層６の、基板１に向かう側（ｎ−ドープされた側）で導波体層５を例えばＳｉドープされたＧａＮ層として構成することができ、かつジャケット層４をＳｉドープされたＡｌＧａＮ層として構成することができる。活性層６の、基板１とは反対側（ｐ−ドープされた側）では同様にマグネシウム（Ｍｇ）ドープされたＧａＮ層が導波体層８として使用される。活性層６から導波体層８中へ拡散する電子と、そこに存在する正孔との直接的な再結合を妨げるために、両方の層の間に付加的にバリア層７が配置されている。この層は有利には高濃度でｐドープされたＡｌＧａＮ層により実現することができ、前記層は一般的にｎ−及びｐ−導波体層５もしくは８、ｎ−ジャケット層４又は超格子９よりも明らかに薄く構成されている。

ｐ側のジャケット層は、超格子９によって実現される。

図１の実施例の場合には、この超格子９は、交互に配置された第１のタイプａの層９ａと第２のタイプｂの層９ｂとによって形成されている。例示的に、かつわかりやすく示すために、この図中には２種の異なるタイプａ及びｂのそれぞれ３層だけが示されている。本発明を実際に適用する場合には、超格子９は一般に、より多くの層を有し、例えばそれぞれのタイプの数十〜数百の層を有する。超格子９の個別の層についての一般的な層厚は数ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内、例えば２ｎｍ〜５０ｎｍ、有利に３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内にある。同じタイプの層は、名目的に（つまり成長プロセスの間又はその後の層厚制御の精度の範囲内で）同じ層厚を有する。しかしながら、第１のタイプａの層９ａと第２のタイプｂの層９ｂとは、その厚さの点で相互に異なる（非対称な超格子）か又は同じ（対称な超格子）であることもできる。

ＧａＮ系の材料システムにおいて、ｐ−ジャケット層としての超格子９は、例えば交互にＭｇドープされたＧａＮ層とＭｇドープされたＡｌＧａＮ層とから構成されていてもよい。Ｍｇドーパント原子の高い活性化エネルギーに基づき、ｐ−ドープされた層の導電性は低い。更に、ＡｌＧａＮ層はＧａＮよりも広いバンドギャップを有し、かつより低いドーピング効率に基づき比較的低い導電性を示す。このドーピング効率は、どの程度の濃度でドーパントが一般に材料に導入されるか、及び導入されたドーパント原子のどの程度の割合が原則として（つまり、わずかな温度に依存する占有効果（Besetzungseffekte）で）一般に導電性に寄与できるかを表す。このドーピング効率は、特に、ドーパント原子がどの格子位置又は格子間位置を取るかに依存する。

本発明では超格子９の層９ａ、９ｂは所定の濃度でドーピング材料を含んでいる。ここで超格子９は、異なるドーピング材料でドープされた層９ａ、９ｂを有している。

より高くかつより効率的にドーピング可能な、従ってより導電性のＧａＮ層を使用することにより、前記超格子９は単にｐ−ドープされたＡｌＧａＮジャケット層と比べて、実際に同じ屈折率でより高い導電性を示す。実際に同じ屈折率は、単純なＡｌＧａＮジャケット層と比べて、超格子９中で使用されたＡｌＧａＮ層の高められたアルミニウム含有量により達成することができる。

ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子９の代わりに、同様に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ／Ａｌ_yＧａ_1-yＮ層（式中、０≦ｘ、ｙ≦１及びｘ≠ｙ）が交互に積層されている超格子９も考えられる。同じように、超格子９の全ての層または幾つかの層内で、Ａｌの代わりにＩｎを使用することが可能である。３つまたはそれより多くの異なる層タイプが交互に積み重ねられている超格子９も可能である。

更に、ｎ−ドープされたＡｌＧａＮジャケット層４について超格子の使用も考えられる。ｎ−ドープされた層は一般に比較的高い導電性であるために、この場合、高められた垂直方向の導電性の点であまり有利ではない。しかしながら、活性層６中で生じる歪みを低減できるという利点が生じる。特に側面で電流供給する場合に効果が発揮される他の利点は、超格子の高められた側方の電流伝導性（lateralen Stromleitfaehigkeit）に基づく。

超格子９は例えば、そのＡｌ含有量に基づいて、活性層６内に歪みを生じさせてしまう恐れがある。この歪みは、超格子９と活性層６の間に位置するＧａＮ導波体層８によって弱められるが、充分な程度には弱められない。これは特に、ＧａＮ導波体層８の厚さが光学的導波体特性への要求に基づいて設定されているので、特に当てはまる。このＧａＮ導波体層の厚さに、生じる歪みの低減が依存する。

本発明では、同じように活性層６内で生じる歪みに作用するＡｌ含有量およびＩｎ含有量は、超格子９内の少なくとも１つのタイプの層内で一定ではない。これによって超格子９は可能な限り、導波が良好であるおよび生じる歪みが僅かであるという対抗する要求に適合される。超格子内の１つまたは複数のタイプの層内の少なくとも１つの元素（ここではＡｌおよび／またはＩｎ）の含有量が変化する相応の超格子を、以下で、図２〜５の実施例に関連して説明する。

図２〜５にはそれぞれ、超格子の異なる実施例に対してそれぞれ１つのダイヤグラムが示されている。ここではＡｌ含有量Ｃ_Ａｌおよび場合によってはＩｎ含有量Ｃ_Ｉｎが％で（縦座標）、半導体層構造の超格子内の垂直位置ｚ（横座標）に依存して示されている。超格子内の垂直位置ｚの零点として、超格子の、活性層に向かう側が選択されている。従って垂直位置ｚの値が負の場合には、活性層は超格子の示された領域の左に位置する。

超格子はそれぞれ異なるタイプａ、ｂおよび場合によってはｃ、ｄの交互に積み重ねられた多数の層によって形成される。ここで定義として、ｚ＝０で始まる、活性層に最も近い超格子の層はタイプａである。

図２ａでは半導体層構造の超格子が示されている。ここでは２つの異なるタイプａ、ｂの層が交互に積み重ねられている。各層タイプａ、ｂによって、それぞれ７．５ｎｍの層厚を有する３０の層が設けられている。従って、超格子は全体で４５０ｎｍの厚さである。タイプａの層はＧａＮ層である。タイプｂの層はＡｌＧａＮ層であり、ここでこの層のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌは約５％〜２０％まで、層を追って線形に上昇し、個々のＡｌＧａＮ層内のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌは勾配状である。従って、ＡｌＧａＮ層の中間Ａｌ含有量は１２．５％になる。ここで活性層を向いている層は、最も低いＡｌ含有量Ｃ_Ａｌを有している。ＡｌＧａＮ層が１２．５％の中間Ａｌ含有量を有しているＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子とは異なって、図２ａの超格子が活性層内に生じさせる歪みは少ない。なぜなら、活性層の方に向かって下降するＡｌ含有量を有する超格子内で格子構造および格子定数が有利に変化するからである。活性層の方へ向かって下降するＡｌ含有量はさらに有利である。なぜなら、活性層に対する移行バリアが低減され、ヘテロ構造移行がそれほど強くはなくなるからである。層内での勾配状のＡｌ含有量は、超格子の導電性上昇作用を支持する。

Ａｌ含有量Ｃ_Ａｌが、線形にまたは一般的にその逆も可能に、超格子内で層の位置とともに明確に変化する場合には、デバイスの製造プロセスにおいて超格子の別の利点が生じる。コンタクトを設けるために、または導波のために、しばしば半導体構造内に溝（リッジ）を設ける必要がある。溝の所定の深さを保証するために、多くの材料システムにおいて、いわゆるエッチングストップ層と関連してウェットケミカルエッチングが用いられる。しかし、ウエットケミカルエッチングプロセスに対して抵抗するＡｌＧａＮ材料システムでは、通常は、低材料選択性のドライエッチングのみが使用される。エッチングプロセスの間に、除去された材料のＡｌ含有量が測定される場合、超格子内の層のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌと超格子内のその位置との間の関係を介して現場での深さ特定を行うことができる。除去された材料のＡｌ含有量の測定は例えば質量スペクトル分析によって行われる。

図２ｂは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子の実施例を示している。ここで、超格子内のＡｌＧａＮ層内のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌは、約１７％の最大値を有しており、２つの側へ向かって減少する。このようにして、超格子の２つの側への歪みが低減される。ここで図示された例では、最大値は、超格子のちょうど真ん中で得られるのではなく、活性層の隣に位置している層は、活性層から最も離れている層よりも少ないＡｌ含有量Ｃ_Ａｌを有している。

超格子内のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌの特性を、層の位置に依存してＡｌ含有量Ｃ_Ａｌを示す（エンベロープ）関数によって一般化してあらわすことができる。ここで１つの共通の関数が全ての層タイプａ、ｂ等に対して設定されるか、または各層タイプに対して固有の関数が設定される。この場合には基本的には各関数は任意であり、例えば非線形の関数特性も可能である。

図３には、半導体層構造の超格子の実施例が示されており、ここでは、３つの異なるタイプａ、ｂおよびｃの層が交互に積み重ねられている。

タイプａの層は、図３ａの例では、超格子にわたって一定の組成を有するＧａＮ層である。層タイプｂおよびｃの層は、超格子内で変化するＡｌ含有量Ｃ_Ａｌを有するＡｌＧａＮ層である。タイプｂの層に対しても、タイプｃの層に対しても、Ａｌ含有量Ｃ_Ａｌは線形に、層の垂直位置ｚが大きくなるにつれて上昇する。しかしタイプｃの層は、自身に直に接しているタイプｂの層よりも、それぞれ２％多いＡｌを有している。さらにタイプｂおよびｃの層は、タイプａの層と比べて半分の厚さしか有していない。
この構造をある程度、２つの層タイプのみを有するＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子としてみることもできる。ここではＡｌＧａＮ層は階段関数によって勾配状にされている。前述したように、１つの層内の勾配状のＡｌ含有量は超格子の導電性を高める効果を支持している。

図３ｂ〜ｄにおいて示された例では、タイプｂおよびｃのＡｌＧａＮ層は、図３ａに示された例と同じように構成されている。しかしタイプａの層として、変化するＩｎ含有量Ｃ_Ｉｎを有するＩｎＧａＮ層が設けられている。図３ｂおよび３ｃの例では、Ｉｎ含有量Ｃ_Ｉｎは階段関数に従い、第１の場合には層内で一定のＩｎ含有量を有し、第２の場合には勾配状のＩｎ含有量を有している。図３ｄの例では、Ｉｎ含有量Ｃ_Ｉｎは６つの層内で線形に低減し、残りの層に対してはゼロである。単純なＧａＮ層の代わりにＩｎＧａＮ層を使用することによって、一方では活性層内で生じる歪みが低減されるが、他方では超格子を通る導波が悪くなる。なぜなら、より高いＩｎ含有量は超格子の屈折率を高め、これによって、接している導波体層に対して、低い屈折率コントラストが生じてしまうからである。一定ではない、活性層の方へ向かって大きくなるＩｎ含有量Ｃ_Ｉｎによって、超格子内のＩｎＧａＮ層のポジティブな作用が、不利な作用に比べて増強される。

図４は、半導体層構造の超格子の実施例を示しており、ここでは４つの異なるタイプａ、ｂ、ｃおよびｄの層が交互に積み重ねられている。ｃおよびｄの層は、図３の層ｂおよびｃのようにＡｌＧａＮ層であり、この層のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌは超格子内で、１つのタイプの層内で、線形に上昇している。ここでタイプｂの層のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌは、隣接しているタイプｃの層よりも、それぞれ約２％高い。タイプａおよびｂの層は、組成Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}を有する層である。式中、ｙ＞０の場合にはＸ＝０であり、ｘ＞０の場合にはｙ＝０である。従ってこの実施例では、ＩｎおよびＡｌが同時に１つの層内に現れることはない。基本的に、当然ながら、ＩｎおよびＡｌを含有している層の使用が可能である。Ｉｎ含有量ＣＩｎ、すなわち係数ｘはまず、（活性層から計算して）タイプａの最初の９つの層内およびタイプｂの最初の８つの層内で線形に下降し、以降の層ではゼロである。Ａｌ含有量Ｃ_Ａｌ、すなわち係数ｙはこれに反して、この最初の８ないし９つの層内でゼロであり（ｚが０〜１３０ｎｍの間）、その後、以降の中間層（ｚが１３０ｎｍ〜２７０ｎｍの間）に対して線形に上昇し、残りの層（ｚ＞２７０ｎｍ）に対しては一定のレベルで保たれる。ここでタイプａの各層に対してはＩｎ含有量Ｃ_Ｉｎは各隣接するタイプｂの層のそれよりも大きく、Ａｌ含有量Ｃ_Ａｌは各隣接するタイプｂの層のそれよりも小さい。この構造をある程度、２つの層タイプのみを有する超格子としてみることもできる。ここではＡｌＧａＮ層は階段関数によって勾配状にされている。直接的または間接的に活性層に隣接している層においてＡｌ含有量Ｃ_Ａｌが低く、Ｉｎ含有量Ｃ_Ｉｎが高いことの、誘起される歪みに関する利点は、この実施例において、超格子の導電性に与えられる（段階的）勾配状のＡｌ含有量のポジティブな作用と組み合わされる。

図５には、半導体層構造のＡｌＧａＮ／ＡＧａＮ超格子の実施例が示されている。２つのタイプａおよびｂの層は、超格子内で変化するＡｌ含有量Ｃ_Ａｌを有するＡｌＧａＮ層である。タイプａの層の垂直位置ｚに依存するＡｌ含有量Ｃ_Ａｌは第１の関数によって表され、タイプｂの層のＡｌ含有量Ｃ_Ａｌは第２の関数によってあらわされる。図５に示された２つの例の場合には、この第１の関数と第２の関数は異なる。従って、直接的に隣接する層はそのＡｌ含有量Ｃ_Ａｌ、ひいてはその組成において異なる。しかしこれは、タイプａの層がタイプｂの層と同じ組成を有することがない、ということを意味するのではない。

図５ａの例１では、第１の関数は、垂直位置ｚとともに線形に上昇する関数である。第２の関数はまずは約ｚ＝３５０ｎｍの最大値まで線形に上昇し、ｚの値が大きくなると、再び線形に下降する。図５ｂに示された例では２つの関数は線形に上昇する領域と、線形に下降する領域を有している。ここで関数の上昇と、Ａｌ含有量Ｃ_Ａｌの最大値の位置（タイプｂ）と、最小値の位置（タイプａ）は２つの関数において異なっている。

図５の実施例では、２つの層タイプａおよびｂによって変化するＡｌ含有量Ｃ_Ａｌが超格子を構成している。この超格子は、高い平均Ａｌ含有量によって、良好な導波を可能にしており、それにもかかわらず、活性層に向かって低減するＡｌ含有量Ｃ_Ａｌによって、活性層上の歪みを是認できる程度に低く保っている。

上記の実施例に基づく本発明の説明は、本発明をこれに制限するものであるとはみなすべきでない。むしろ本発明には実施例およびその他の説明で述べた全ての別の特徴との組み合わせも含まれており、たとえその組み合わせが特許請求項の範囲の構成要件でないとしても含まれている。

超格子を備えた本発明の半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスの断面図である。 超格子内の垂直位置に依存した１つまたは異なる元素の含有量の概略図である。 超格子内の垂直位置に依存した１つまたは異なる元素の含有量の概略図である。 超格子内の垂直位置に依存した１つまたは異なる元素の含有量の概略図である。 超格子内の垂直位置に依存した１つまたは異なる元素の含有量の概略図である。 超格子内の垂直位置に依存した１つまたは異なる元素の含有量の概略図である。 超格子内の垂直位置に依存した１つまたは異なる元素の含有量の概略図である。 超格子内の垂直位置に依存した１つまたは異なる元素の含有量の概略図である。

符号の説明

１ 基板、 ２ 整合層、 ３ ｎ−ドープされたコンタクト層、 ４ ｎ−ジャケット層、 ５ ｎ−導波体層、 ６ 活性層、 ７ バリア層、 ８ ｐ−導波体層、 ９ 超格子、ｐ−ジャケット層、 ９ａ 第１のタイプａの層、 ９ｂ 第２のタイプｂの層、 １０ ｐ−コンタクト層、 １１ ｎ−コンタクト、 １２ ｐ−コンタクト

Claims (15)

1. 半導体層構造であって、
   該半導体層構造は超格子（９）を有しており、該超格子は、第１のタイプ（ａ）と少なくとも１つの第２のタイプ（ｂ）の積み重ねられた層（９ａ，９ｂ）から成り、
   ・前記第１のタイプ（ａ）と少なくとも１つの第２のタイプ（ｂ）の層（９ａ，９ｂ）はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、
   ・超格子（９）内の異なるタイプの隣接する層は、少なくとも１つの元素の組成において異なっており、
   ・超格子（９）内で、同じタイプの少なくとも２つの層は、少なくとも１つの元素の異なる含有量（Ｃ_Ａｌ，Ｃ_Iｎ）を有しており、
   ・該少なくとも１つの元素の含有量（Ｃ_Ａｌ，Ｃ_Iｎ）は、超格子（９）の層（９ａ，９ｂ）内で勾配状であり、
   ・超格子（９）の層（９ａ、９ｂ）は所定の濃度でドーピング材料を含んでおり、当該超格子（９）は、異なるドーピング材料でドープされた層(９ａ，９ｂ)を有している、
   ことを特徴とする半導体層構造。
2. 前記超格子（９）は、交互に積み重ねられたＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層及びＩｎ_wＡｌ_ｚＧａ_1-w-zＮ層を有しており、式中０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１及びｘ＋ｙ≦１およびｗ＋ｚ≦１である、請求項１記載の半導体層構造。
3. 前記超格子（９）は、交互に積み重ねられたＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＰ層及びＩｎ_wＡｌ_zＧａ_1-w-zＰ層を有しており、式中０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１であるか、または交互に積層されたＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＡｓ層及びＩｎ_wＡｌ_zＧａ_1-w-zＡｓ層を有しており、式中０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１及びｘ＋ｙ≦１及びｗ＋ｚ≦１である、請求項１記載の半導体層構造。
4. 前記超格子（９）の個々の層に半導体層構造内の垂直位置（ｚ）が割り当てられており、層内の前記少なくとも１つの元素の含有量（Ｃ_Ａｌ，Ｃ_Iｎ）は、所定のように、半導体層構造内の自身の垂直位置（ｚ）に依存している、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体層構造。
5. 前記垂直位置（ｚ）に対する少なくとも１つの元素の含有量（Ｃ_Ａｌ，Ｃ_Iｎ）の依存性は、超格子（９）の全ての層(９ａ，９ｂ)に対して、共通の関数によって設定されている、請求項４記載の半導体層構造。
6. 前記垂直位置（ｚ）に対する少なくとも１つの元素の含有量（Ｃ_Ａｌ，Ｃ_Iｎ）の依存性は、第１のタイプ（ａ）の層（９ａ）に対しては第１の関数によって設定されており、少なくとも１つの第２のタイプ（ｂ）の層（９ｂ）に対しては少なくとも１つの第２の関数によって定められている、請求項４記載の半導体層構造。
7. 前記第１の関数および／または少なくとも１つの第２の関数および／または共通の関数は、階段関数または単調増加関数／減少関数または一次関数または多項式関数または指数関数または対数関数または周期関数またはこれらの関数を重ね合わせたものであるか、またはこれらの関数の一部を有している、請求項５または６記載の半導体層構造。
8. 前記少なくとも１つの元素の含有量（Ｃ_Ａｌ，Ｃ_Iｎ）は、超格子（９）の１つの層（９ａ、９ｂ）内で一定である、請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体層構造。
9. 全ての層（９ａ、９ｂ）は同じ厚さを有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体層構造。
10. 異なるタイプ（ａ、ｂ）の層（９ａ、９ｂ）は異なる厚さを有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の半導体層構造。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載された半導体層構造を有している、
    ことを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス。
12. 光学活性層（６）を有しており、同じタイプの少なくとも２つの層において含有量（Ｃ_Ａｌ）が異なっている少なくとも１つの元素はＡｌであり、半導体層構造の超格子（９）内のＡｌ含有量（Ｃ_Ａｌ）は、当該光学活性層（６）からの距離が増すとともに上昇する、請求項１１記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
13. 光学活性層（６）を有しており、同じタイプの少なくとも２つの層において含有量（Ｃ_Ａｌ）が異なっている少なくとも１つの元素はＡｌであり、半導体層構造の超格子（９）内のＡｌ含有量（Ｃ_Ａｌ）は、当該光学活性層（６）からの距離が増すとともに低下する、請求項１１記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
14. 発光ダイオードである、請求項１１から１３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
15. レーザーダイオードである、請求項１１から１３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。

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