JP2009545865A - Ｌｅｄ半導体基体 - Google Patents

Abstract

半導体層列を備えたＬＥＤ半導体基体であって、該半導体層列は放射を生成するために設定されている量子構造を含んでおり、該量子構造は少なくとも１つの量子層および少なくとも１つのバリヤ層を備え、量子層およびバリヤ層は相互に反対の極性によって応力が加わっているＬＥＤ半導体基体が提供される。

Description

本発明は、放射を生成するように設定されているＬＥＤ半導体基体に関する。

本願は、独国出願第１０２００６０３５６２７．６号明細書の優先権を主張するものであり、その開示内容は参照により本願に含まれる。

ＬＥＤ半導体基体において内部の量子効率、すなわち半導体基体において生成されたフォトンの、半導体基体に注入される電子−ホール対に対する比はしばしば理想値１より著しく下方にある。

本発明の課題は、改善された特性を有するＬＥＤ半導体基体を提供することである。殊に、内部量子効率が高められかつＬＥＤ半導体基体の作動中に放射される放射のスペクトル幅が低減されるようにしたい。更に、作動電流が高い場合の作動電流に関して放射される放射の出力の線形性が改善されるようにしたい。

この課題は、請求項１の特徴を備えたＬＥＤ半導体基体によって解決される。

本発明のＬＥＤ半導体基体の実施形態において、ＬＥＤ半導体基体はノンコヒーレントな放射を生成するように設定されている、少なくとも１つの量子層および少なくとも１つのバリヤ層を備えた量子構造を含んでいる半導体層列を有している。その際量子層およびバリヤ層は相互に反対の極性を以て応力がかけられている。

バリヤ層は、量子層の応力とは反対の極性を有している応力を有しているので、量子層の応力はバリヤ層の応力を用いて補償することができる。このために、半導体層列の結晶品質を改善することができる。強く応力をかけられた量子層に増大的に形成される転位をこうして有利にも低減することができる。

半導体の真性格子（イントリンシックゲッテリング）定数は通例、半導体の材料組成に依存している。半導体層が十分薄い場合に、半導体層の格子定数は半導体材料の相応する真性格子定数とは異なっている可能性がある。

半導体層は本発明の枠内において殊に、参照層に例えばエピタキシャルに析出された場合、ラテラル方向において、すなわち析出の方向に対して垂直である方向において半導体層の真性格子定数とは異なっている格子定数を有する半導体層が生じるときに応力が加わっていると見なされる。その際応力が加わっている半導体層の格子定数は参照層の格子定数に等しい。

参照層は殊に、半導体層の析出が行われた成長基板、またはその格子定数が半導体緩衝層の真性格子定数とは異なっていないまたは殆ど異なっていない半導体層緩衝層であってよい。

上で説明したように、ラテラルな方向において参照層の格子定数を有しておりかつ応力が転位の形において低減されないまたは非常に僅かな部分しか低減されない応力が加わっている半導体層はソードモルフィックとも称される。

格子定数がその真性格子定数より小さい半導体層は圧縮応力が加わっているまたは正方向に（ポジティブ）応力が加わっていると称される。

これに類似して、格子定数がその真性格子定数より大きい半導体層は引っ張り緊張されたまたはマイナス方向に（ネガティブ）緊張されたと称される。

従って圧縮応力が加わっている、すなわち正方向に応力が加わっている半導体層および引っ張り応力が加わっている、すなわち反対方向に応力が加わっている半導体層は相互に反対の極性を有する応力を有している。

半導体層の累加された応力は反対の極性を有する応力をもったその上またはその下に存在している半導体層によって部分的にまたは完全に補償することができるので、このことは応力補償とも称される。ｎ個の上下に配置されて応力が加わっている半導体層の応力に対する尺度は、次式

によって与えられている所謂平均応力であり、ここでｆｉは１番目の半導体層の応力でありかつｄｉは１番目の半導体層の厚さである。積ｆ１・ｄ１は１番目の半導体層の応力および層厚の積である。その際応力ｆ１は次式

によって与えられており、ここでｇｉは１番目の半導体層の真性格子定数でありかつｇｏは参照層の格子定数であり、従って応力が加わっている半導体層の実際の格子定数である。

層厚および応力が適当に選定されていれば、応力が加わっている半導体層の平均応力を部分的にまたは完全に、すなわち簡単に０の値に補償することができる。

この応力補償を用いて、高い結晶品質を有する比較的厚い半導体層スタックを析出することが可能である。こうして強く応力が加わっている層においてより多く発生する転位のような結晶欠陥を有利にも低減することができる。

有利な実施形態において、量子構造は少なくとも１つの別の量子層および少なくとも１つの別のバリヤ層を有しており、その際別の量子層およびバリヤ層は相互に反対の極性で応力が加わっている。

有利には、ＬＥＤ半導体基体は４つの量子層またはそれ以上、特別有利には１０の量子層またはそれ以上、例えば１５の量子層を有している。

このように高い数の量子層は、ＬＥＤ半導体基体が作動中高い電流において、殊に０．５Ａより上の電流において改善された線形性によって特徴付けられるという利点を有している。このことは、ＬＥＤ半導体基体において生成される放射の放射出力が作動電流が上昇する際の高い電流においても作動電流とともに上昇することを意味している。量子層の数が高くなればなるほど、作動電流の値は高く、その値まで、ＬＥＤ半導体基体において生成される放射の放射出力は作動電流とともに上昇する。

有利な形態において量子構造は含む７５０ｎｍ乃至含む１０５０ｎｍの波長領域にあるピーク波長を有する放射を生成するように設定されている。このスペクトル領域、殊に人間の目の感度外のその成分は例えば、送信機および受信機を有するセンサシステムに対して有利である。というのは、人間の目は送信機の放射によって妨害されないからである。

有利な実施形態において量子構造は、量子構造によって生成される放射の放出スペクトルの半値幅が７０ｎｍまたはそれ以下、有利には６０ｎｍまたはそれ以下、特別有利には５０ｎｍまたはそれ以下、例えば含む４０および含む４５ｎｍの間にあるように実現されている。この場合半値幅とは、最大値に関連した１／２の放射出力（ＦＨＭ＝full width at half maximum）において放出される放射の完全なスペクトル幅の謂いである。

送信機としての狭帯域放出形ＬＥＤにより、送信機および受信機を有するセンサシステムを簡単に実現することができる。更に、赤外線近傍におけるできるだけ僅かなスペクトル幅を有する放出スペクトルが有利である。というのは、可視光のスペクトル領域にあるスペクトルの異常値を低減することができるからである。人間の目が幻惑されるのをこうして簡単に回避することができる。

有利な実施形態において、少なくとも１つの量子層は圧縮応力がかかっておりかつバリヤ層は引っ張り応力が加わっている。引っ張り応力が加わっているバリヤ層を用いて、量子層の圧縮応力を完全にまたは少なくとも部分的に補償することができる。量子層の応力および層厚の積の絶対値がバリヤ層の応力および層厚の積の絶対値に等しく、これら積が異なっている極性を有していれば、応力の完全な補償が行われる。これにより有利にも、ＬＥＤ半導体基体の高い結晶品質を実現することができる。転位のような結晶欠陥の形成を低減することができる。

殊に、応力補償が、量子層の厚さの合計が量子層に対する臨界層厚の上方にある半導体層列の製造を可能にする。その際半導体層の臨界層厚は半導体層のソードモルフィック成長に対する材料固有の上限である。臨界層厚の上方では、結晶品質を低減する、転位の形の応力の低下が典型的である。量子層の応力が補償されていない半導体層列に対して、応力補償により量子層の数を高めることができる。

別の有利な実施形態において、少なくとも１つのバリヤ層の応力は量子層の応力より絶対値でみて小さい。有利にはバリヤ層の応力の絶対値は含む０．２および含む０．６７の値、有利には含む０．３３および量子層の応力の絶対値の含む０．５の間にある。この場合バリヤ層は量子層の応力の補償のために有利には量子層より相応に厚い。

有利な発展形態において、バリヤ層の厚さの、量子層の厚さに対する比は１より大きいかまたは１に等しく、有利には１．５より大きいかまたは１．５に等しく、特別有利には２．５より大きいかまたは２．５に等しく、例えば３までである。

２つの隣接する量子層の間に配置されているバリヤ層の厚さが量子層の個別厚さより大きい量子構造において、量子層に形成される量子化されたキャリアの状態が、隣接した量子層の状態から簡単に減結合されるようにすることができる。この減結合により、スペクトル的に狭帯域の放射の生成は量子構造を用いて容易になる。

有利な発展形態において、バリヤ層の厚さは５ｎｍまたはそれ以上、有利には１０ｎｍまたはそれ以上、特別有利には２０ｎｍまたはそれ以上である。バリヤ層の厚さが増大するに従って、バリヤ層を用いて相互に分離されている２つの量子層が相互に特別良好に減結合されるようにすることができる。

有利な実施形態において、量子層およびバリヤ層は量子構造において交番する順序で上下に配置されている。その際バリヤ層は有利にはそれぞれ、量子層の応力および層厚の積がそれぞれ、後続のバリヤ層の応力および層厚の積によって完全にまたは実質的に完全に補償されるように実現されている。このことにより、量子構造の平均応力は低減されることになる。こうして有利にも、応力補償されていない半導体層列に比べて比較的厚い、高い結晶品質を有している量子構造を実現することができる。

殊に、量子構造において生じる転位の数を低減することができる。これにより、量子構造においてこの種の転位に非放射再結合するキャリアの数を低減することができる。このことで結果的に有利にも、半導体基体の作動中の内部量子効率が高められることになる。

有利な発展形態において、ＬＥＤ半導体基体はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、例えばＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ、ただし０≦ｙ≦１、有利にはｙ≠０を含んでいる。有利には少なくとも１つの量子層はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ、ただし０≦ｙ≦０．５、有利には０．０５≦ｙ≦０．３、特別有利には０．１≦ｙ≦０．２を含んでいる。Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳの場合、真性格子定数はインジウム含有量が増えるに従って大きくなる。従って、ＧａＡｓに関連したＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ半導体層の圧縮応力は同様に、インジウム含有量が増加するに従って増加する。その際圧縮応力が加わっているＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ半導体層は析出方向においてラテラルな方向におけるよりも大きな格子定数を有している。

Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ含有量子層を有するＬＥＤ半導体基体は、含む７５０ｎｍ乃至含む１０５０ｎｍの波長領域において殊に、高い量子効率によって特徴付けられていると言える。

バリヤ層は例えば、ＡＩ_ｙＧａ_１−ｘＡＳ_１−ｚＰ_ｚ、ただし０≦ｘ≦１および０≦ｚ≦１、有利にはｚ≠０を含んでいることができる。この形式の半導体層の真性格子定数は燐含有量が増えるに従って低下し、その際引っ張り応力のかかっているＡＩ_ｙＧａ_１−ｘＡＳ_１−ｚＰ_ｚ半導体の場合、析出方向における格子定数はラテラルな方向における格子定数より小さい。ＧａＡｓに関連して、引っ張り応力は燐含有量が増えるに従って増大するので、燐含有量の変化を介して、圧縮応力が加わっているＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ含有の半導体層の応力をＡＩ_ｙＧａ_１−ｘＡＳ_１−ｚＰ_ｚ半導体層を用いて補償することができる。更に、ＡＩ_ｙＧａ_１−ｘＡＳ_１−ｚＰ_ｚ半導体層のバンドギャップをアルミニウム含有量を介して調整することができる。１つのＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ量子層および２つのＡＩ_ｙＧａ_１−ｘＡＳ_１−ｚＰ_ｚバリヤ層を用いて形成されている量子井戸の場合、アルミニウム含有量を変えることで、量子井戸のエネルギー深度を簡単に調整することができる。

例えばＭＢＥまたはＭＯＶＰＥを用いて半導体層を例えばエピタキシャルに析出するための成長基板として、ＧａＡｓ基板を使用することができる。

勿論、多数の量子層および多数のバリヤ層を有しているＬＥＤ半導体基体では、複数の量子層および／またはバリヤ層またはすべての量子層および／またはバリヤ層も上に説明した有利な実施形態で示した特徴を有していることができる。

有利な実施形態において、量子層は２つの被覆層の間に埋め込まれており、その際被覆層の１つが参照層を形成することができる。特別有利には、一方の被覆層はｐド−ピングされてかつ他方の被覆層はｎドーピングされて実現されている。すなわち、ＬＥＤ半導体基体はＰＩＮダイオード構造の形に実現されていてよく、その際量子構造は有利には真性に実現されている。

少なくとも１つの被覆層は有利には、バリヤ層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有している。従って量子構造に存在しているキャリアに対して、被覆層は電位障壁を表すことになる。電位障壁のために、キャリアはそこで、量子層から被覆層に達することが妨げられることになる。こうして量子構造内のキャリアの放射再結合は促進される。

別の有利な実施形態において、量子構造の平均応力は２０００ｐｐｍ（parts per million）またはそれ以下であり、有利には１０００ｐｐｍまたはそれ以下、特別有利には５００ｐｐｍまたはそれ以下である。量子構造の平均応力が低ければ低いほど、量子構造の結晶品質はますます高くなることになる。

特別有利な実施形態において、ＬＥＤ半導体基体は薄膜半導体基体として実現されている。薄膜半導体基体では従来の半導体基体に比べて、半導体基体の半導体層列が例えばエピタキシャルに析出されている成長基板は完全にまたは領域的に薄膜化されておりまたは完全にまたは領域的に除去されている。このことは例えば機械的におよび／または化学的におこなうことができる。このためにレーザ分離法もまたはレーザ剥離法も適している。

薄膜半導体チップは薄膜半導体基体および支持体を含んでいることができ、その際半導体基体は支持体に配置されておりかつ有利には固定されている。支持体は殊に、半導体基体の成長基板とは異なっている。支持体は半導体基体の機械的な安定化のために用いることができる。このために成長基板はもはや必要ではなくかつ半導体基体を損傷させるおそれもほとんどなく薄膜化または除去することができる。

有利には支持体は成長基板に比べて、結晶純度に関する高度な要求を充足する必要はなく、むしろ例えば機械的な安定性、光学的、熱的または電気的な特性のような別の判断基準に関連して選択することができる。

薄膜半導体チップ、例えば薄膜ＬＥＤチップは更に、次の特徴の少なくとも１つによって特徴付けられていてよい：
− 活性ゾーンを含んでいる半導体層列、殊にエピタキシャル層列の、支持体エレメントの方を向いている第１の主要面に、ミラー層が被着されているかまたは、例えばブラグミラーとして半導体層列に集積されて形成されており、該ミラーは半導体層列において生成される放射の少なくとも部分を該半導体層列に戻し反射し、
− 半導体層列は２０μｍまたはそれ以下の領域、殊に１０μｍの領域における厚さを有している、および／または
− 半導体層列は理想の場合には、半導体層列における光の近似的にエルゴード的分布を招来する混合構造を有している少なくとも１つの面を有している少なくとも１つの半導体層を含んでおり、すなわち半導体層列はできるだけエルゴード的なストイキオ散乱特性を有している。

薄膜発光ダイオードチップの基本原理は例えば、I. Schnitzer et al.,Appl. Phys. Lett. 63 (16), （１９９３年１０月１８日第２１７４〜２１７６頁）に記載されており、その開示内容はこれを持って本発明に参照により取り込まれる。

有利な実施形態において、半導体基体にミラー層が配置されている。特別有利にはミラー層は、支持体と半導体基体との間に実現されている。ミラー層は更に有には、金属性に実現されている。例えばミラー層は金属性のミラー層Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｐｔまたはこれら材料の少なくとも１つを有している合金を含んでいることができる。例えばＡｕは赤色および赤外線スペクトル領域における特別高い反射性によって特徴付けられている。

量子構造において生成されかつ支持体の方向に延在している放射はミラー層において反射されかつ該ミラー層とは反対の側の、出射面を形成している、半導体チップの上表面で半導体チップから出力結合されるようになっている。だから出射面を通って出力結合される放射成分は有利には高められる。更に、ミラー層は支持体材料による放射の吸収を事前に防ぐことができる。こうして支持体材料の選択に際する自由度は大幅に高められている。

本発明の別の特徴、有利な形態および好適例は図と関連した実施例の以下の説明から明らかである。

本発明のＬＥＤ半導体基体を備えたＬＥＤ半導体チップの断面略図 本発明のＬＥＤ半導体基体の実施例に対するバンドギャップおよび材料組成の特性経過をＬＥＤ半導体基体周辺の部分について略示する線図

同じ、同じ形式および同じ作用をするエレメントには各図において同じ参照符号が付されている。

図１には、本発明の半導体基体１を備えたＬＥＤ半導体チップ１１の構成が断面にて示されてる。ＬＥＤ半導体基体１は、量子構造２を含んでる半導体層列によって形成されている。この量子構造は例えば４つの量子層を有しており、その際それぞれ２つの隣接する量子層の間にそれぞれバリヤ層が配置されている。量子層の数がｎの場合、バリヤ層の数は通例はｎ−１である。しかし図１の実施例とは異なって、バリヤ層の数がｎ＋１であっても構わない。

量子構造２は第１の被覆層５０と第２の被覆層５１との間に配置されている。放射出力結合面１０は第１の被覆層５０の上表面を用いて形成されている。

ＬＥＤ半導体チップ１１は薄膜半導体チップとして実現されている。その際ＬＥＤ半導体基体１はＬＥＤ半導体チップ１１の支持体７０に配置されている。この支持体７０は半導体基体１、殊に半導体層列に対する成長基板とは異なっている。半導体基体を製造する際の成長基板への半導体層列の析出は有利にはエピタキシャルに、例えばＭＢＥまたはＭＯＶＰＥを用いて行われる。従って支持体は結晶の純度に関して成長基板に対する高い要求を充足している必要はなく、例えば熱放出特性および／または導電性に関して最適に実現されていればよい。それ故に半導体基体に対する成長基板が製造期間中解離されている薄膜半導体チップは、半導体チップに生じる損失熱が比較的高い高出力ＬＥＤ半導体チップに特別適している。

更に、支持体は成長基板の除去後の半導体層列の機械的な安定のために用いられる。その際成長基板の除去は例えば機械的および／または化学的に完全にまたは領域的に除去されるまたは薄膜化されるようにすることができる。このためにレーザ分離法またはレーザ剥離法を使用することができる。有利には、成長基板は完全に除去されている。それ故に図１には成長基板は図示されていない。

有利には支持体は比較的高い熱伝導率を有している。例えば、支持体はゲルマニウムを含んでいてよいし、ゲルマニウムから成っていてもよい。ＧａＡｓ支持体も使用することができる。支持体が半導体材料を含んでいるまたは支持体が半導体材料から成っているのであれば、支持体は有利には導電性を高めるために適当にドーピングされている。

半導体基体１と支持体７０との間にミラー層７２が配置されている。これは有利には半導体基体上に被着されている。量子構造にＬＥＤ半導体基体の作動中生成されかつ支持体７０の方向に放射される放射はミラー層によって反射されるようにすることができる。これにより、量子構造から見てミラー層に後設されている構造、例えば支持体での吸収が回避される。ミラー層は金属または金属合金を含んでいるかまたは金属性に実現されていてよい。例えばミラー層は金、銀、アルミニウム、白金またはこれら材料の少なくとも１つを有する合金を含んでいることができるかまたはこの種の材料またはこの種の合金から成っていてよい。例えば金は、黄色、オレンジ、赤乃至赤外線のスペクトル領域において特別高い反射性によって特徴付けられている。半導体基体に集積されていることができるブラグミラーと比べて、メタルベースまたは金属性の合金ベースのミラー層は比較的幅広のスペクトル領域における高い反射性によって特徴付けられている。反射の、放射がミラー層に衝突する角度に対する依存性も、メタルベースまたは金属性の合金ベースのミラー層の場合、ブラグミラーと比較して有利にも低減させることができる。それ故に金属層または合金層として実現されているミラー層はブラグミラーに対して有利である。量子構造２において生成されかつミラー層に衝突する放射をこうして効率よく反射層によって反射させることができる。その結果、放射出力結合面１０から出射する放射出力を有利にも高めることができる。

ＬＥＤ半導体チップ１１の作製の際に、金属の析出またはミラー層の合金の形成は予め作製された半導体基体１に、殊に半導体基体の析出の終了後に行われる。ミラー層７２を製造する適当な方法は例えばスパッタリングまたは蒸着である。

更に、ミラー層７２と支持体７０との間に接続層７１が形成されている。この接続層は半導体基体１を支持体に固定するために用いられる。接続層は有利には導電性に実現されておりかつ例えばはんだ層として実現されていてよい。

更に、支持体７０の、ＬＥＤ半導体チップとは反対の方の側にコンタクト７５が配置されている。このコンタクト並びに放射出力結合面１０に配置されているコンタクト７６を用いて、ＬＥＤ半導体基体１は電気的に接続可能である。こうしてＬＥＤ半導体基体の作動中、これらコンタクトを用いて、放射の生成のために設けられている量子構造２にキャリアを注入することができる。コンタクト７５および／またはコンタクト７６は有利には金属性または金属合金として実現されている。例えばコンタクトは材料Ａｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｌ，Ａｇの１つまたはこれら材料の少なくとも１つを有する合金を含んでいてよいしまたはこれらから成っていてもよい。勿論、コンタクト７５および／またはコンタクト７６は場合によっては多層に実現されていてもよい。

択一的にまたは補足的に、コンタクトは少なくとも１つの放射透過性であって導電性の金属酸化物（ＴＣＯ＝Trance Conductive Oxide）材料、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を含んでいるかまたはこれらから成っていてよい。

コンタクト７５および７６の製造は例えばスパッタリングまたは蒸着を用いて、有利には予め作製された半導体基体１に対して行うことができる。

ＬＥＤ半導体基体は例えば、ＰＩＮダイオード構造として実現されていてよい。その際例えば、第１の被覆層５０はｐ導電性にドーピングされかつ第２の被覆層５１はｎ導電性にドーピングされていてよいが、その逆であってもよい。量子構造２の半導体層、量子構造と第１の金属層５０との間に有利には配置されている中間層並びに量子構造と第２の金属層５０との間に有利には配置されている中間層６１は有利にはドーピングされずに実現されている。ＬＥＤ半導体チップの作動中、量子構造に注入されたキャリアの再結合により、ノンコヒーレントな放射の自然放出が行われる。この場合キャリアの放射性再結合は有利には量子層において行われる。

量子層３およびバリヤ層４は相互に反対の極性に応力が加わっている。例えば量子層は圧縮応力が、すなわち正方向に応力が加わっており、かつバリヤ層は引っ張り応力が、すなわち負方向に応力が加わっているとしてよい。応力が加わっている量子層３を有するＬＥＤ半導体基体１において、結晶欠陥、例えば転位の拡散が低減されるようにすることができる。ＬＥＤ半導体基体の劣化、ひいてはこれに結びついている、作動持続時間が増大するに従って半導体基体から放射される放射出力の低下を有利にも低減することができる。つまり、応力が加わっている量子層を有するＬＥＤ半導体基体は改善された光エージング特性によって特徴付けられていると言える。

量子層３の応力とは反対の極性を有するバリヤ層４の応力により、半導体層列の平均応力が低減されるようにすることができる。その際バリヤ層は有利には、バリヤ層に対する応力および層厚の積および量子層に対する応力および層厚の積の絶対値はそれぞれ同じであるかまたは実質的に同じ値を有しているように実現されている。半導体基体１、殊に量子構造２の高度な結晶品質はこうして簡単に実現可能である。結晶品質を低下させる、例えば転位のような結晶欠陥の形の応力が加わっている半導体層の応力の除去が有利にも低減される。この種の結晶欠陥で非放射再結合する、量子構造２におけるキャリアの成分を結晶欠陥の密度が下げられている場合には低下するので、結果的に量子構造における放射再結合は増加し、ひいてはＬＥＤ半導体基体の内部量子効率は上昇することになる。

バリヤ層４を用いた量子層３の応力の補償により、比較的大きな数の量子層３およびバリヤ層４を良好な結晶品質で製造可能である、その際応力が加わっている量子層およびバリヤ層は有利には相互に交番する順序で上下に配置されている。

量子構造２は４つより多くの量子層３、有利には１０の量子層またはそれ以上、例えば１５の量子層またはそれ以上を含んでいることができる。量子層の数が増えるに従って、作動電流に関して素子の線形性を、殊に０．５以上の高い電流の場合に一段と高めることができる。

更に、量子層の数を高めるとスペクトル幅を低減させることができる。

殊に、ＬＥＤ半導体基体は有利には、量子構造によって生成される放射のスペクトルが７０ｎｍまたはそれ以下、有利には６０ｎｍまたはそれ以下、特別有利には５０ｎｍまたはそれ以下、例えば４０乃至４５ｎｍの半値幅であるように実現されている。

バリヤ層４の応力の絶対値は有利には、含む０．２および含む０．６７の間、特別有利には含む０．３３および隣接している量子層３の応力の値の含む１／２の間の値を有している。この形式のバリヤ層の場合、バリヤ層の厚さは、所属の量子層の応力を補償するために量子層より相応に厚く選択することができる。つまり、間にバリヤ層４が配置されている２つの隣接する量子層３は比較的大きく相互に離間しているようにすることができる。すなわち、量子層に形成されるエネルギー状態は有利にも、隣接する量子層のエネルギー状態とは減結合されているようにすることができる。スペクトル的に比較的狭帯域の放出を有するＬＥＤ半導体基体はこうして簡単に製造可能である。

バリヤ層４の厚さの、量子層３の厚さに対する比を、１より大きいまたは１に等しい、有利には１．５より大きいまたは１．５に等しい、特別有利には２．５または２．５に等しい、例えば３に選択すると特別有利であることが認められている。バリヤ層の厚さは５ｎｍまたはそれ以上、有利には１０ｎｍまたはそれ以上、特別有利には２０ｎｍまたはそれ以上であってよい。その際量子層の厚さは典型的には、含む３ｎｍおよび含む１０ｎｍの間、例えば５ｎｍとすることができる。

図２の曲線２００には、本発明のＬＥＤ半導体基体の実施例に対するバンドギャップＥ_Ｇの経過特性が量子構造２の周辺の断面にて示されている。その際中間層６０および６１並びに第１の中間層６０に隣接している第１の被覆層５０の部分および第２の中間層６１に隣接している第２の被覆層５１の部分も示されている。バンドギャップＥ_Ｇの経過特性は、９４０ｎｍのピークは長を有する放射の放出に対して実現されている半導体基体を例として示されているだけである。

図２の実施例において量子構造２は１５の量子層を含んでおり、その際２つの隣接する量子層３の間にそれぞれ、それぞれ１つのバリヤ層４が配置されている。量子層はそれぞれ７ｎｍの厚さを有しておりかつバリヤ層は２１ｎｍの厚さを有している。量子層はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓを用いて形成されており、その際インジウム含有量は９４０ｎｍの放出波長に対して１５％である。バリヤ層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｚＰ_ｚにより形成されており、その際アルミニウム含有量は３０％および燐含有量は１０％である。図２においてアルミニウム含有量の特性経過は曲線２０１によって示され、インジウム含有量の特性経過は曲線２０２によって示されかつ燐含有量の特性経過は曲線２０３によって示されている。

インジウム含有量が１５％の場合、ＧａＡｓ成長基板に対するＩｎＧａＡｓの応力は約１０７５４ｐｐｍである。その際ＩｎＧａＡｓ量子層３はＧａＡｓに対して圧縮応力が加わっている。

ｘ＝３０％のアルミニウム含有量およびｚ＝１０％の燐含有量を有するＡｌＧａＡｓＰバリヤ層４はＧａＡｓに対して３５０３ｐｐｍの応力の値でもって引っ張り応力が加わっている。従ってバリヤ層の応力の値は量子層３の応力の値のほぼ１／３である。相応に、量子層３のほぼ３倍の厚さであるバリヤ層４を用いて、これら量子層の応力をこれらバリヤ層４の応力によって補償することができる。というのは、バリヤ層に対するおよび量子層に対する応力および層厚の積は相互に反対の極性を有する同じ絶対値を有していることができるからである。

典型的には量子構造の平均応力は殊に２０００ｐｐｍまたはそれ以下、有利には１０００ｐｐｍまたはそれ以下、特別有利には５００ｐｐｍまたはそれ以下である。こうして量子構造の良好な結晶品質を実現することができる。

勿論上に示された材料組成は例示にすぎない。材料組成および／または層厚の変形により、量子構造２から一層長いまたは一層短いピーク波長を有する、殊に含む７５０ｎｍ乃至含む１０５０ｎｍの波長領域における放射も実現することができる。例えば、インジウム含有量を上げることによって、バンドギャップを低減することができ、これにより一層長いピーク波長が生じるようにすることができる。

量子層を拡張しても、電子とホールとの再結合の際の遷移エネルギーを低減し、ひいては一層長いピーク波長を有する放射の放出を実現することができる。というのは、量子層におけるキャリアの基本状態エネルギーは量子層が拡張されると低下するからである。その際インジウム含有量は０より大および含む１００％の間、有利には含む５％および含む３０％の間、特別有利には含む１０％および含む２０％の間とすることができる。インジウム含有量の増加によりＩｎＧａＡｓのバンドギャップが低下するのみならず、ＧａＡｓに対する応力も増加するので、バリヤ層４の組成を相応に量子層３の組成に整合すると好適である。その際量子層の比較的高い応力の補償は例えば、バリヤ層における燐含有量を高めることによりまたはバリヤ層の拡張により実現することができる。

類似して、量子層３におけるインジウム含有量を下げた場合に、より長いピークは長を有する放射の放出を実現することができる。インジウム含有量を上げることで低下する、ＩｎＧａＡｓ量子層の応力に基づいて、量子層の応力を比較的薄いバリヤ層４によってまたは低減された燐含有量を有するバリヤ層によって補償することができる。

ＩｎＧａＡｓを用いて形成されている圧縮応力が加わっている量子層３の応力を補償するために、ＡｌＧａＡｓＰを含んでいる引っ張り応力が加わっているバリヤ層４が特別適している。というのは、バリヤ層の応力は燐含有量を介して、応力補償に適している値に調整することができるからである。

更に、ＡｌＧａＡｓＰのバンドギャップはアルミニウム含有量を介して調整することができる。この場合バリヤ層は量子層に対して比較的高いバンドギャップを有していることができる。これにより相応に高いアルミニウム含有量を有する２つのＡｌＧａＡｓＰバリヤ層の間に埋め込まれているＩｎＧａＡｓ量子層を用いて比較的エネルギーレベルの低い量子井戸が形成されるようにすることができる。量子井戸が低ければ低いほど、キャリアが量子層の量子化された状態において熱的に励起されて量子層からバリヤ層に達する確率は低い。その結果量子層におけるキャリアが放射再結合する確率は有利にも高められることになり、量子構造２の内部量子効率は上昇する。

第１の中間層６０および第２の中間層６１は有利には、バリヤ層４と同じかまたは実質的に同じバンドギャップを有している。しかし量子構造２におけるバリヤ層４とは異なって、第１および第２の中間層は有利には応力が加わっていないかまたはさほど応力が加わっていない。図２に図示の実施例において、中間層６０および６１はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体層として実現されておりかつバリヤ層４における３０％のアルミニウム含有量に対して高められているアルミニウム含有量、例えば４０％のアルミニウム含有量を有している。ＡｌＧａＡｓ半導体層として中間層を実現することにより、これらはＧａＡｓに関連して比較的僅かに応力が加わっている。半導体基体１の半導体層列の付加的な応力はこうして有利にも回避される。

それぞれＡｌＧａＡｓを用いて形成されている第１の被覆層５０および第２の被覆層５１のアルミニウム含有量は有利には中間層６０および６１のアルミニウム含有量に対して高められている。こうして第１の中間層６０から第１の被覆層５０および第２の中間層６１から第２の被覆層５１への接合部にそれぞれ電位の跳躍的変化が生じる。この電位の跳躍的変化は好適には、キャリアの、中間層から第１の被覆層５０および第２の被覆層５１への熱的な励起が十分に低い確率によって行われるような大きさである。電位の跳躍的変化の個所でのバンドギャップの差が著しい、例えば半導体基体の作動温度におけるキャリアの平均熱エネルギーより例えばほぼ５倍乃至１０倍大きいとき、十分に低い確率が実現される。図２に図示の実施例において電位の跳躍的変化は約２００ｍｅＶであり、これは室温におけるキャリアの大体８倍の平均熱エネルギーに相応する。こうして、放射の放出下で量子構造２の量子層３に再結合されるキャリアの成分を高めることができる。このために、ＬＥＤ半導体チップの内部量子効率が高まることにもなる。

被覆層５０および５１は有利には量子構造２と比べて比較的厚く実現されている。例えば厚さはそれぞれ、量子構造２の厚さの少なくとも２倍である。従って被覆層は、殊に半導体基体１の成長基板の解離後、量子構造の機械的安定化のために用いられる。量子層およびバリヤ層の応力は必ずしも成長基板に関連付けられる必要はない。例えば応力は量子構造に比べて厚い被覆層５０または５１に関連付けるようにしてもよい。これにより量子層３およびバリヤ層４の応力は基板の解離後も維持される。こうして、転位の形の応力の低下およびこれに関連した、成長基板の解離後の量子構造２の結晶品質の劣化を有利にも回避することができる。

勿論、半導体基体１に対しておよび成長基板に対して別の半導体材料、殊にＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を使用することができる。例えば、半導体基体および殊に量子構造２はＩｎＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰまたはＧａＰまたはこれら半導体を用いて形成可能である３元または４元の半導体材料を含んでいてよい。

本発明は実施例に基づいた説明に制限されていない。むしろ本発明は、いずれか新しい特徴並びに特徴のいずれかの組み合わせを含んでおり、このことは殊に、この特徴またはこの組み合わせ自体が特許請求の範囲または実施例に明示的に示されていなくとも、特許請求の範囲における特徴のいずれかの組み合わせを包含するものである。

Claims (20)

1. 半導体層列を備えたＬＥＤ半導体基体（１）であって、該半導体層列はノンコヒーレントな放射を生成するように設定されている量子構造（２）を含んでおり、該量子構造は少なくとも１つの量子層（３）および少なくとも１つのバリヤ層（４）を備え、
   前記量子層（３）およびバリヤ層（４）は相互に反対の極性によって応力が加わっている
   ＬＥＤ半導体基体。
2. 当該ＬＥＤ半導体基体（１）は薄膜半導体基体として実現されている
   請求項１記載のＬＥＤ半導体基体。
3. 前記量子層（３）は圧縮応力が加わっておりかつ前記バリヤ層（４）は引っ張り応力が加わっている
   請求項１または２記載のＬＥＤ半導体基体。
4. 前記バリヤ層（４）の応力は前記量子層（３）の応力より絶対値でみて小さい
   請求項１から３までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
5. 前記バリヤ層（４）の応力の値は含む０．２および含む０．６７の値、有利には含む０．３３および前記量子層（３）の応力の絶対値の含む１／２の間の値を有している
   請求項４記載のＬＥＤ半導体基体。
6. 前記バリヤ層（４）の厚さの、前記量子層（３）の厚さに対する比は１より大きいかまたは１に等しく、有利には１．５より大きいかまたは１．５に等しく、特別有利には２．５より大きいかまたは２．５に等しい
   請求項１から５までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
7. 前記バリヤ層（４）の厚さは５ｎｍまたはそれ以上、有利には１０ｎｍまたはそれ以上、特別有利には２０ｎｍまたはそれ以上である
   請求項１から６までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
8. 前記量子層（３）はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡＳ、ただし０≦ｙ≦０．５、有利には０．０５≦ｙ≦０．３、特別有利には０．１≦ｙ≦０．２を含んでいる
   請求項１から７までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
9. 前記応力がかけられている層（４）はＡＩ_ｙＧａ_１−ｘＡＳ_１−ｚＰ_ｚ、ただし０．０１≦ｘ≦１、有利には０．１≦ｘ≦０．６、特別有利には０．２≦ｘ≦０．４および／またはただし０．０１≦ｚ≦０．５、有利には０．０３≦ｚ≦０．３、有利には０．０５≦ｚ≦０．２を含んでいる
   請求項１から８までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
10. 前記量子構造（２）は１つの別の量子層（３）および１つの別のバリヤ層（４）を有しておりかつこれら別の量子層（３）および別のバリヤ層（４）は同様に相互に反対の極性によって応力がかけられている
    請求項１から９までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
11. 前記別の量子層（３）および／または別のバリヤ層（４）は請求項３から９までのいずれか１項記載の特徴に従って実現されている
    請求項１０記載のＬＥＤ半導体基体。
12. 前記応力が加わっている量子層（３）および前記応力が加わっているバリヤ層（４）は前記量子構造において交番する順序で上下に配置されている
    請求項１０または１１記載のＬＥＤ半導体基体。
13. 前記量子構造（２）の平均応力は２０００ｐｐｍまたはそれ以下、有利には１０００ｐｐｍまたはそれ以下、特別有利には５００ｐｐｍまたはそれ以下である
    請求項１から１２までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
14. 前記半導体基体（１）は支持体（７０）に配置されている
    請求項１から１３までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
15. 前記支持体（７０）は前記半導体基体（１）の成長基板とは異なっている
    請求項１４記載のＬＥＤ半導体基体。
16. 前記支持体（７０）と前記半導体基体（１）との間にミラー層（７２）が配置されている
    請求項１４または１５記載のＬＥＤ半導体基体。
17. 前記ミラー層（７２）は金属性に実現されている
    請求項１６記載のＬＥＤ半導体基体。
18. 前記量子構造（２）は、含む７５０ｎｍないし含む１０５０ｎｍの波長領域にあるピークは長を有する放射を生成するように設定されている
    請求項１から１７までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
19. 前記量子構造は、該量子構造（２）によって生成される放射のスペクトルの半値幅が７０ｎｍまたはそれ以下、有利には６０ｎｍまたはそれ以下、特別有利には５０ｎｍまたはそれ以下であるように実現されている
    請求項１から１８までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。
20. 前記量子構造（２）は、４つの量子層（３）またはそれ以上、有利には１０の量子層またはそれ以上を有している
    請求項１から１９までのいずれか１項記載のＬＥＤ半導体基体。

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