JP2011513960A - トンネル接合を有するオプトエレクトロニクス半導体ボディおよびそのような半導体ボディの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、トンネル接合（２）と、電磁放射を放出することを目的とする活性層（４）と、を有するエピタキシャル半導体積層体、を備えているオプトエレクトロニクス半導体ボディ、を開示する。トンネル接合は、ｎ型トンネル接合層（２１）とｐ型トンネル接合層（２２）との間の中間層（２３）を有する。一実施形態においては、中間層は、ｎ型トンネル接合層に面しているｎ型バリア層（２３１）と、ｐ型トンネル接合層に面しているｐ型バリア層（２３３）と、中央層（２３２）とを有する。中央層の材料組成は、ｎ型バリア層およびｐ型バリア層の材料組成とは異なる。別の実施形態においては、中央層に代えて、または中央層に加えて、中間層（２３）に欠陥（６）が意図的に設けられている。このようなオプトエレクトロニクス半導体ボディを製造する方法も開示する。
【選択図】図３

Description

本出願は、トンネル接合を有するオプトエレクトロニクス半導体ボディと、そのような半導体ボディを製造する方法とに関する。

関連出願

本特許出願は、独国特許出願第１０２００８０１１８４９．４号および独国特許出願第１０２００８０２８０３６．４号の優先権を主張し、これらの文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。

トンネル接合を有するオプトエレクトロニクス半導体ボディは、例えば、特許文献１から公知である。

国際公開第２００７／０１２３２７号パンフレット 国際公開第０１／３９２８２号パンフレット 米国特許第５，８３１，２７７号明細書 米国特許第６，１７２，３８２号明細書 米国特許第５，６８４，３０９号明細書

本出願の目的は、改良されたトンネル接合を有するオプトエレクトロニクス半導体ボディを開示することである。

この目的は、対応する独立請求項によるオプトエレクトロニクス半導体ボディおよびオプトエレクトロニクス半導体ボディの製造方法によって、達成される。本半導体ボディおよび本方法の有利な構造形態および発展形態は、各従属請求項に開示されている。請求項の開示内容は、参照によって本明細書に明示的に組み込まれている。

エピタキシャル半導体積層体を備えているオプトエレクトロニクス半導体ボディを開示する。本エピタキシャル半導体積層体は、トンネル接合と、電磁放射を放出するために設けられている活性層とを有する。トンネル接合は、ｎ型トンネル接合層とｐ型トンネル接合層との間の中間層を含んでいる。

この場合、用語「トンネル接合層」は、半導体ボディの残りの半導体層と区別するために使用しており、このように記載されているｎ型導電層またはｐ型導電層は、トンネル接合と記載されている半導体積層体の領域に含まれていることを意味する。特に、トンネル接合に含まれている半導体層によって、すなわち、少なくともｎ型トンネル接合層およびｐ型トンネル接合層と、本発明の場合にはさらに中間層とによって、電荷キャリアのトンネリングに適している電位プロファイルがもたらされる。

一実施形態においては、中間層は、ｎ型トンネル接合層に面しているｎ型バリア層と、ｐ型トンネル接合層に面しているｐ型バリア層と、中央層とを有する。中央層の材料組成は、ｎ型バリア層の材料組成およびｐ型バリア層の材料組成とは異なる。

一構造形態においては、中間層、すなわち、特に、ｎ型バリア層、中央層、およびｐ型バリア層は、第１の成分および第２の成分を含んでいる半導体材料を備えている。第１の成分の割合は、ｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方におけるよりも中央層において低いことが好ましい。一発展形態においては、第１の成分がアルミニウムを含んでいる、または第１の成分がアルミニウムから成る。別の発展形態においては、第２の成分が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ｐのうちの少なくとも１つの元素を含んでいる。一例として、中間層は半導体材料ＡｌＩｎＧａＮを備えており、第１の成分がアルミニウムであり、第２の成分がＩｎＧａＮである。

本文書において、「半導体材料ＡｌＩｎＧａＮを備えている」とは、中間層、好ましくは中間層および活性層が、窒化物化合物半導体材料、好ましくはＡｌ_ｎＩｎ_ｍＧａ_{１−ｎ−ｍ}Ｎ（０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１、ｎ＋ｍ≦１）を備えている、またはこのような材料から成ることを意味する。この場合、この材料は、上の化学式に従った数学的に正確な組成を有する必要はない。そうではなく、この材料は、例えば、１つまたは複数のドーパントと、追加の構成成分とを備えていることができる。しかしながら、説明を簡潔にする目的で、上の化学式は、結晶格子の本質的な構成成分（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ）のみを含んでおり、これらの構成成分は、その一部分をわずかな量のさらなる物質によって置き換える、またはさらなる物質によって補う、またはその両方を行うことができる。

さらなる構造形態においては、第１の成分の割合、すなわち、例えばアルミニウムの割合は、中央層において２０％以下である。ｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方においては、第１の成分の割合は、特に、２０％以上である。この構造形態において、一例として、材料がＡｌ_ｎＩｎ_ｍＧａ_{１−ｎ−ｍ}ＮまたはＡｌ_ｎＩｎ_ｍＧａ_{１−ｎ−ｍ}Ｐである場合におけるアルミニウムの割合ｎは、中央層においてｎ≦０．２であり、特に、ｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方においてｎ≧０．２である。

有利な一構造形態においては、ｎ型バリア層の層厚さもしくはｐ型バリア層の層厚さ、またはその両方は、２ｎｍ以下である。例えば、この層厚さは、０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲、特に０．５ｎｍ〜１ｎｍの範囲にある（いずれの場合も両端値を含む）。有利な一構造形態においては、中央層の層厚さの値は、１ｎｍ〜８ｎｍの範囲、好ましくは２ｎｍ〜４ｎｍの範囲にある（いずれの場合も両端値を含む）。

ｎ型バリア層、ｐ型バリア層、および中央層（その材料組成は、ｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方の材料組成とは異なる）を有する中間層によって、トンネル接合の改良された電子特性を得ることができる。

一例として、ｎ型トンネル接合層からのｎ型ドーパントがｐ型トンネル接合層の方向に拡散すること、もしくは、ｐ型トンネル接合層からのｐ型ドーパントがｎ型トンネル接合層の方向に拡散すること、またはその両方が、ｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方によって、減少する。結果として、アクセプタおよびドナーが中和される（トンネル特性に悪影響を及ぼす）の危険性が、ｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方によって減少する。中央層は、特に、（例えば、半導体材料の第１の成分の割合が小さいため）ｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方よりも、小さいバンドギャップを有する。このようにすることで、電荷キャリアが中間層をトンネルする確率が特に高くなり、これは有利である。

本発明者による計算によると、中間層がｎ型バリア層もしくはｐ型バリア層またはその両方（これらの層の厚さは、特に、２ｎｍ以下である）を備えており、かつ、異なる材料組成の中央層を備えている場合、強い分極電荷を発生させることができ、これによって、ｎ型トンネル接合層もしくはｐ型トンネル接合層またはその両方において、特に高い電荷キャリア密度をもたらし得ることが明らかになった。

このようにすることで、ｎ型トンネル接合層における高い電子濃度、もしくはｐ型トンネル接合層における高い正孔濃度、またはその両方を得ることができ、これは有利である。このようにすることで、ｎ型トンネル接合層もしくはｐ型トンネル接合層またはその両方は、特に高い横方向導電率（transverse conductivity）を有し、これは有利であり、その結果として、特に良好な横方向の電流拡散を得ることができる。このようにすることで、横方向における電荷キャリアの特に一様な分布を得ることができ、これは有利である。したがって、トンネル接合の電荷キャリアに利用可能な領域が、特に大きい。したがって、特に低い電気抵抗を有するトンネル接合と、特に低い順方向電圧を有するオプトエレクトロニクス半導体ボディとを、得ることができる。

さらなる実施形態においては、トンネル接合のｎ型トンネル接合層とｐ型トンネル接合層との間の中間層に、所定の方法で不完全構造（imperfections）が設けられている。中間層が、ｐ型バリア層、中央層、およびｎ型バリア層を有する場合、一構造形態においては、中間層の中央層の領域に、所定の方法で不完全構造が設けられている。

不完全構造が設けられている中間層の領域には、不完全構造によってバンドギャップの中にエネルギ状態が発生する。これらのさらなる状態によって、電荷キャリアがトンネル接合をトンネルする確率を高めることが可能であり、その結果として、電子もしくは正孔またはその両方が中間層を通過する輸送率（transfer rate）を高めることができる。さらなる状態は、特に、いわゆるトンネリング中心（tunneling centers）として機能する。

不完全構造は、例えば、中間層の半導体材料の欠陥によって、少なくとも一部が形成される。特に、欠陥密度、すなわち体積あたりの欠陥数は、不完全構造が意図的に設けられている中間層の領域において、不完全構造が意図的に設けられている領域に後続する中間層の領域と比較して、または、不完全構造が意図的に設けられている領域に先行する中間層の領域と比較して、増大する。不完全構造が設けられている領域における欠陥密度は、一例として、中間層に先行または後続する領域における欠陥密度の少なくとも２倍高い、好ましくは少なくとも５倍高い、特に少なくとも１０倍高い。一構造形態においては、不完全構造が設けられている領域における欠陥密度の値は、１０^１５ｃｍ^−３以上、好ましくは１０^１６ｃｍ^−３以上である。例えば、欠陥密度の値は１０^１７ｃｍ^−３以上である。この場合、一構造形態においては、所定の方法で不完全構造が設けられている領域と、その領域に後続する中間層の領域もしくは先行する領域またはその両方は、同じ材料組成を有する。一構造形態においては、所定の方法で不完全構造が設けられている領域に加えて、その領域に先行する中間層の領域、もしくはその領域に後続する中間層の領域、またはその両方（より低い欠陥密度を有する）も、ｎ型バリア層とｐ型バリア層との間の中央層に含まれる。

別の構造形態においては、不完全構造は、少なくとも一部分が不純物原子によって形成されている。本文書において、用語「不純物原子」とは、特に、中間層の半導体材料において、主構成成分（例えば、半導体材料ＡｌＩｎＧａＮにおいてはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、またはＮ）として、あるいはｐ型ドーパントもしくはｎ型ドーパントのいずれとしても、通常では使用されない原子もしくはイオンまたはその両方を意味する。

不完全構造によってもたらされるさらなる状態のエネルギ位置が、バンドギャップのほぼ中央に位置しているならば有利である。このような状態は、深い不完全構造（deep imperfections）、または「ミッドギャップ状態」（“midgap states”）とも称される。この目的には、不完全構造が不純物原子によって形成される場合、特に、金属、遷移金属、希土類金属のうちの１つまたは複数が不純物原子として適している。一例として、クロム原子、鉄原子、マンガン原子のうちの少なくとも１つを、不純物原子として使用することができる。例えば白金原子も不純物原子として適している。これとは対照的に、ｎ型ドーパント（例えばシリコン）およびｐ型ドーパント（例えばマグネシウム）では、一般的にはバンドギャップの中央ではなくバンド端付近に状態が発生する。

不純物原子は、中間層の半導体材料の結晶格子の中に、例えば置換原子として、もしくは格子間原子として、またはその両方として、組み込むことができる。これに代えて、またはこれに加えて、不純物原子を、中間層における層として含めることもできる。不純物原子の層は、下層を完全には覆っていない（not closed）ことが好ましい。そうではなく、不純物原子の層は、特に、中間層の半導体材料によって満たされた開口を有する。言い換えれば、中間層の半導体材料は、不純物原子の層における開口の中を、トンネル接合のｎ型側からトンネル接合のｐ型側まで延在している。

一構造形態においては、所定の方法で不完全構造が設けられている中間層の領域に含まれている不純物原子は、１０^１５１／ｃｍ^３〜１０^１９１／ｃｍ^３の範囲（両端値を含む）の濃度で存在している。不純物原子の濃度がこれより高いと、半導体材料の品質が低下する危険性がある。トンネリング電流は、特に、不純物原子の濃度に比例する以上に増大する。

一構造形態においては、ｎ型トンネル接合層に隣接している中間層の縁部領域、もしくは、ｐ型トンネル接合層に隣接している中間層の縁部領域、またはその両方には、対象方式において導入される不完全構造が存在しない。半導体ボディの中間層がｎ型バリア層、中央層、およびｐ型バリア層を含んでいる場合、特に、ｎ型バリア層に隣接している中央層の縁部領域、もしくは、ｐ型バリア層に隣接している中央層の縁部領域、またはその両方には、対象方式において導入される不完全構造が存在しない。さらなる構造形態においては、中間層には、ｎ型チャネル接合層とｐ型チャネル接合層との間のほぼ中央に、不完全構造が設けられている。不完全構造のこのような範囲および位置は、中間層の結晶品質にとって有利である。

半導体ボディの一構造形態においては、中間層は公称的にはドープされていない（nominally undoped）。別の構造形態においては、中間層は、少なくとも一部分がｐ型にドープされている。一発展形態においては、中央層がｐ型にドープされている。本発明の場合、「公称的にはドープされていない」とは、ｎ型ドーパントの濃度およびｐ型ドーパントの濃度が、それぞれ、ｎ型ドープ層におけるｎ型ドーパントの濃度およびｐ型ドープ層におけるｐ型ドーパントの濃度の、最大で０．１倍、好ましくは最大で０．０５倍、特に、最大で０．０１倍であることを意味するものと理解されたい。公称的にはドープされていない層におけるｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの濃度は、一例として、それぞれ、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、特に１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

一構造形態においては、ｎ型トンネル接合層もしくはｐ型トンネル接合層またはその両方は、交互層（alternating layer）の超格子として具体化されている。一例として、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子が含まれている。このような超格子を使用することで、ｎ型トンネル接合層もしくはｐ型トンネル接合層またはその両方における電荷キャリア濃度をさらに増大させることが可能である。したがって、横方向電流拡散と、トンネル接合を通過するトンネリング率とを、さらに高めることができる。

有利な一構造形態においては、オプトエレクトロニクス半導体ボディのエピタキシャル半導体積層体は、ｎ型導電層と、トンネル接合と、ｐ型導電層と、活性層と、さらなるｎ型導電層とを、この順序において有する。

別の構造形態においては、エピタキシャル半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（例えば、半導体材料ＡｌＩｎＧａＮ）をベースとしている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料は、第ＩＩＩ族からの少なくとも１つの元素（例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）と、第Ｖ族からの元素（例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ）とを備えている。特に、用語「ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料」は、第ＩＩＩ族からの少なくとも１つの元素と、第Ｖ族からの少なくとも１つの元素とを含んでいる、二元化合物、三元化合物、または四元化合物の群を包含している（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ）。このような二元化合物、三元化合物、または四元化合物は、例えば１つまたは複数のドーパントおよび追加の構成成分を、さらに備えていることができる。

トンネル接合と、電磁放射を放出するために設けられている活性層と、を有するエピタキシャル半導体積層体、を備えているオプトエレクトロニクス半導体ボディ、を製造する方法においては、トンネル接合が、ｎ型トンネル接合層と、中間層と、ｐ型トンネル接合層とを有し、中間層を形成するため、半導体材料をエピタキシャルに（特に、エピタキシャル炉の中で）堆積させる。中間層の半導体材料の少なくとも一部分に、所定の方法で不完全構造を設ける。

一構造形態においては、不完全構造を設ける工程は、半導体材料の中に欠陥を導入するステップを含んでいる。一例として、半導体材料をエピタキシャル炉の中で堆積させている間、欠陥を導入する目的で、水素ガスを少なくともときどきエピタキシャル炉の中に導入する。

一構造形態においては、導入する水素ガスの量は、エピタキシャル炉の中で前駆体としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の存在下でシリコンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｓｉ）を成長させる場合に供給する水素ガスの量の０．１％〜５０％（両端値を含む）である。前駆体としてのＴＭＧａの存在下でＧａＮ：Ｓｉを成長させる場合に供給する水素ガスの量は、一般的には、エピタキシャル炉の製造業者によって指定され、したがって、原理的には当業者に公知である。さらなる構造形態においては、水素ガスを、０．１ｓｌｐｍ（標準リットル／分）〜２０ｓｌｐｍの範囲、好ましくは１ｓｌｐｍ〜１０ｓｌｐｍの範囲、特に、２ｓｌｐｍ〜５ｓｌｐｍの範囲（いずれも両端値を含む）の量において、エピタキシャル炉の中に導入する。さらなる構造形態においては、水素ガスを、６標準立方センチメートル／分（６ｓｃｃｍ）以上の量においてエピタキシャル炉の中に導入する。水素ガスは、短時間内に、例えば、１０分以内、好ましくは２分以内、特に好ましくは１分以内に、導入することが好ましい。

本方法の別の形態においては、エピタキシャル炉の中で半導体材料を堆積させている間、欠陥を導入する目的で、エピタキシャル炉の中の工程温度もしくは圧力またはその両方を変化させる。一例として、温度を毎分６０℃以上の割合で変化させる、もしくは、圧力を毎分１００ｍｂａｒ以上の割合で変化させる、またはその両方を行う。変化は、いわゆる温度勾配もしくは圧力勾配またはその両方として段階的または連続的に、行うことができる。一発展形態においては、温度もしくは圧力またはその両方を変化させる時間長は、１２０秒以内である。

別の形態においては、上記ステップに代えて、または上記ステップに加えて、中間層に不純物原子を導入することによって、中間層に不完全構造を設ける。一例として、例えば、半導体材料を提供する供給源と不純物原子を提供する供給源とを断続的に同時に動作させることによって、不純物原子および半導体材料を同時に堆積させる。このようにすることで、一形態においては、不純物原子が半導体材料の結晶格子の中に組み込まれる。

代替形態として、最初に、半導体材料を堆積させて中間層の第１の部分を形成し、次いで、この第１の部分の上に不純物原子を層として堆積させ、最後に、半導体材料を再び堆積させて中間層の第２の部分を形成する。中間層の第２の部分は、特に、この部分が不純物原子の層と中間層の第１の部分とを実質的に完全に覆うように堆積させる。

不純物原子の層は、特に、この層が開口を有するように堆積させる。一例として、完全な層として堆積する前に、不純物原子の堆積を停止する。代替形態として、最初に、不純物原子の完全な層を形成することができ、次いで、完全な層の一部を、例えばエッチング法（例：反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））によって再び除去することができる。ある形態では、不純物原子の層は、特に開口を有する場合、層の厚さが０．１ｎｍから１０ｎｍの間、好ましくは０．１ｎｍから３ｎｍの間であることが望ましい。

中間層の第２の部分は、この部分が、不純物原子の層における開口の領域において中間層の第１の部分に隣接するように、堆積させることが好ましい。特に、不純物原子の層の層厚さは、第２の部分が不純物原子の層の中にエピタキシャル過成長するように選択する。

本オプトエレクトロニクス半導体ボディおよび本方法のさらなる利点および有利な構造形態は、以下に図面を参照しながら説明されている例示的な実施形態から明らかになるであろう。

第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図を示している。 第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図を示している。 第３の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図を示している。 第１の例示的な実施形態による半導体ボディの場合における、バンド構造および電荷キャリア密度の概略的な図を示している。 第２の例示的な実施形態による半導体ボディの場合における、バンド構造の概略的な図を示している。 第２の例示的な実施形態による半導体ボディの場合における、電荷キャリア密度の概略的な図を示している。 第３の例示的な実施形態による半導体ボディの場合における、バンド構造の概略的な図を示している。

図面において、類似する構成部分または類似する機能の構成部分には、同じ参照数字・記号を付してある。図面と、図面に示した要素の大きさの相互関係は、寸法の単位が明記されていない限りは正しい縮尺ではないものとみなされたい。むしろ、便宜上、あるいは深く理解できるようにする目的で、個々の要素（例えば層）を誇張した大きさで描いてある。バンド構造および電荷キャリア密度は、極めて概略的かつ単純化して示してある。

図１は、第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図を示している。この半導体ボディは、例えば半導体材料ＡｌＩｎＧａＮをベースとしている。

この実施形態の場合、オプトエレクトロニクス半導体ボディは、ｎ型導電層１と、トンネル接合２と、ｐ型導電層３と、活性層４と、さらなるｎ型導電層５とを有し、これらの層は互いにこの順序で連続している。

活性層４は、放射を発生させるためのｐｎ接合、ダブルへテロ構造、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有することができる。この場合、量子井戸構造という用語は、量子化の次元について何らかの指定を行うものではない。したがって、量子井戸構造は、特に、量子井戸、量子細線、量子ドットと、これらの構造の任意の組合せを包含する。多重量子井戸構造の例は、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５に記載されており、これらの文書の開示内容は、参照によって本文書に組み込まれている。

半導体ボディの成長の方向は、一例として、ｎ型導電層１からｐ型導電層３に向かう。この場合、さらなるｎ型導電層５が成長方向に活性層４の後ろに続き、ｐ型導電層３が活性層４に先行している。このようにすることで、オプトエレクトロニクス半導体ボディの極性は、トンネル接合２を備えていない半導体ボディと比較して逆になっている。このようにすることで、半導体材料におけるピエゾ電界の有利な方向が得られる。

トンネル接合は、ｎ型導電層１に面しているｎ型トンネル接合層２１を有する。トンネル接合は、ｐ型導電層３に面しているｐ型トンネル接合層２２をさらに有する。中間層２３は、ｎ型トンネル接合層２１とｐ型トンネル接合層２２との間に配置されている。

中間層２３は、ｎ型トンネル接合層２１からｐ型トンネル接合層２２の方向に、ｎ型バリア層２３１と、中央層２３２と、ｐ型バリア層２３３とを有する。

ｎ型導電層１は、一例として、シリコンによってｎ型にドープされたＧａＮ層である。シリコンは、例えば、ｎ型導電層の中に１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲の濃度で存在する。同様に、ｐ型導電層は、例えば、マグネシウムによってｐ型にドープされたＧａＮ層であり、マグネシウムは、特に、ｐ型導電層３の中に１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲のドーパント濃度で存在する。いずれの場合も、示した範囲にはその両端値が含まれる。

ｎ型トンネル接合層２１は、例えば、０〜１５％の範囲のインジウム含有量を有するＩｎＧａＮ層である（式Ａｌ_ｎＩｎ_ｍＧａ_{１−ｎ−ｍ}Ｎにおいて０≦ｍ≦０．１５）ことが好ましい。この層は、この場合にも１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲（両端値を含む）の濃度でシリコンによってｎ型にドープされている。この実施形態の場合、ｐ型トンネル接合層２２は、同様に、例えば、０〜３０％の範囲（両端値を含む）のインジウムを含んでいるＩｎＧａＮ層である。この実施形態の場合、ｐ型トンネル接合層２２は、例えば１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜３×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の濃度（両端値を含む）でマグネシウムによってｐ型にドープされている。

この実施形態の場合、中間層２３は、ＡｌＩｎＧａＮ層、特に、ＡｌＧａＮ層である。ｎ型バリア層２３１およびｐ型バリア層２３３におけるアルミニウム含有量は、例えば、２０％〜１００％の範囲（両端値を含む）である。この実施形態の場合、アルミニウム含有量は８０％である。中央層２３２におけるアルミニウム含有量は、ｎ型バリア層２３１におけるアルミニウム含有量よりも少なく、ｐ型バリア層２３３におけるアルミニウム含有量よりも少ない。特に、このアルミニウム含有量は、０％〜２０％の範囲（両端値を含む）である。

一実施形態においては、中間層２３は公称的にはドープされていない。代替形態として、中間層２３をｐ型にドープすることもできる。ｎ型バリア層２３１およびｐ型バリア層２３３のそれぞれは、一例として、特に、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲（両端値を含む）の濃度で備えている。一構造形態においては、中央層２３２は、０〜２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲（両端値を含む）の濃度で、マグネシウムによってｐ型にドープされている。ｎ型バリア層２３１およびｐ型バリア層２３３は、例えば、１ｎｍ以下の層厚さを有する。中央層２３２は、例えば、１ｎｍ〜８ｎｍの範囲（両端値を含む）の層厚さを有する。この実施形態の場合、ｎ型バリア層およびｐ型バリア層のそれぞれは、約８０％のアルミニウム含有量を有する。いずれの場合にも、ここに示した割合は、材料組成Ａｌ_ｎＩｎ_ｍＧａ_{１−ｎ−ｍ}Ｎにおけるｎの割合に関する。

図４は、図１によるオプトエレクトロニクス半導体ボディのバンド構造を概略的に示している。伝導帯Ｌおよび価電子帯Ｖのバンド端のエネルギＥを、半導体ボディにおける位置ｘの関数として示してある。ｘの値とオプトエレクトロニクス半導体ボディの層とを対応させるため、半導体ボディの層を図の上部に示してある。

ｎ型バリア層２３１およびｐ型バリア層２３３の領域では、それぞれに隣接する層と比較して、半導体ボディのバンドギャップが増大している。ｎ型バリア層２３１およびｐ型バリア層２３３に起因して、強い分極電荷が形成され、このことは、ｎ型トンネル接合層２１およびｐ型トンネル接合層２２における特に高い電荷キャリア密度と急峻な電荷キャリア密度プロファイルにつながっている。

図４には、電子ＤＥおよび正孔ＤＨの電荷キャリア密度Ｄも同様に概略的に示してある。高い電荷キャリア密度ＤＥ，ＤＨに起因して、ｎ型トンネル接合層２１およびｐ型トンネル接合層２２において特に高い横方向電流拡散性が得られる。さらには、中央層２３２の領域では、ｎ型バリア層２３１およびｐ型バリア層２３３の領域よりもバンドギャップが小さく、高い電荷キャリア密度ＤＥの領域と高い電荷キャリア密度ＤＨの領域との間の距離が比較的小さい。このようにすることで、トンネル接合は特に低い電気抵抗を有する。言い換えれば、バリア層２３１，２３３および中央層２３２によって、高い電荷キャリア密度と高いトンネリング確率とを同時に得ることができる。

図２は、第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図を示している。この第２の例示的な実施形態による半導体ボディは、第１の例示的な実施形態の半導体ボディとは異なる点として、ｎ型トンネル接合層２１およびｐ型トンネル接合層２２の両方が、材料組成もしくはドーパント濃度またはその両方が異なる交互層から成る超格子として具体化されている。超格子として具体化されているｎ型トンネル接合層２１およびｐ型トンネル接合層２２は、オプトエレクトロニクス半導体ボディのすべての構造形態に適している。

ｎ型トンネル接合層２１もしくはｐ型トンネル接合層２２またはその両方は、一例として、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの交互層の超格子として具体化されている。一発展形態においては、超格子は、ｐ型トンネル接合層２２の場合、高濃度にｐ型ドープされたＩｎＧａＮ層と、公称的にはドープされていないＧａＮ層とを含んでいる。

超格子の個々の層の層厚さは、好ましくは２ｎｍ以下、特に好ましくは１ｎｍ以下である。一例として、個々の層の層厚さは０．５ｎｍである。ｐ型トンネル接合層２２もしくはｎ型トンネル接合層２１またはその両方は、好ましくは４０ｎｍ以下、特に好ましくは２０ｎｍ以下の層厚さを有する。超格子は、一例として５〜１５（両端値を含む）組の層を含んでおり、例えば、超格子は１０組の層を含んでいる。

超格子として具体化されているトンネル接合層２１，２２は、特に良好な結晶構造形態を有し、これは有利である。特に、この結晶形態は、高濃度にドープされた個々の層と比較して改善されている。超格子の構造に含まれている極めて多数の界面によって、半導体ボディの中で転位が伝搬する危険性が減少する。

図５Ａは、図２の例示的な実施形態による半導体ボディのバンド構造を概略的に示している。図５Ａにおける記号・参照数字は図４に対応している。図５Ｂは、電子ＤＥおよび正孔ＤＨの対応する電荷キャリア密度Ｄを概略的に示している。

ｎ型トンネル接合層２１もしくはｐ型トンネル接合層２２またはその両方を超格子として具体化することによって、これらの層を対応する個々の層として具体化する場合と比較して、トンネル接合層における電荷キャリア濃度がさらに増大し、したがって、電流拡散性が向上する。

第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディと、第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディとのさらなる違いとして、中間層２３に所定の方法で不完全構造６が設けられている。この実施形態の場合、中間層２３には、第１の例示的な実施形態に関連して説明したようなｎ型バリア層およびｐ型バリア層が含まれていない。しかしながら、そのようなｎ型バリア層およびｐ型バリア層は、第２の例示的な実施形態においても適切である。

この実施形態の場合、中間層２３には、中央領域２３ｂに不完全構造６が設けられており、その一方で、ｎ型トンネル接合層２１に隣接している領域２３ａと、ｐ型トンネル接合層２２に隣接している中間層２３の領域２３ｃには、所定の方法での不完全構造６が設けられておらず、すなわち、不完全構造６が存在していない。

このオプトエレクトロニクス半導体ボディを製造するとき、特に、中間層２３は、半導体材料（特に、ＡｌＩｎＧａＮまたはＧａＮ）をエピタキシャル炉の中で堆積させることによって形成する。第１の形態によると、この場合、中央領域２３ｂの堆積時、エピタキシャル炉の中に水素ガスを導入する。中間層２３の中央領域２３ｂをエピタキシャルに堆積させている間、水素ガスによって半導体材料に所定の方法で欠陥が形成され、これらの欠陥が不完全構造６を構成する。

水素ガスは、一例として、６標準立方センチメートル／分の量においてエピタキシャル炉の中に導入する。水素ガスをエピタキシャル炉の中に導入する時間長は、好ましくは２分以内、特に好ましくは１分以内である。

代替形態においては、中央領域を堆積させている間、エピタキシャル炉の中の工程温度もしくは圧力またはその両方を、特定の時間長（例えば１２０秒以下）の間、大幅に変化させることによって、欠陥６を形成する。この場合、「大幅に変化させる」とは、例えば、圧力を毎分１００ミリバール以上変化させる、もしくは温度を毎分６０ケルビン以上変化させる、またはその両方を意味するものと理解されたい。これらの変化は、いわゆる温度勾配または圧力勾配として段階的または連続的に行うことができる。

さらなる代替形態として、中央領域２３ｂをエピタキシャル成長させるとき、半導体材料に加えて不純物原子を堆積させることによって不完全構造６を形成することもできる。不純物原子は、例えば、少なくとも１つの金属元素、少なくとも１つの遷移金属元素、少なくとも１つの希土類金属元素、のうちの１つまたは複数である。複数の金属、遷移金属、あるいは希土類金属を組み合わせて堆積させることも考えられる。一例として、臭素、鉄、マグネシウムのうちの１つまたは複数は、不純物原子として適している。

このような不純物原子では、従来のｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパント（例えば、マグネシウムあるいはシリコン）とは異なり、利点として、エネルギ的に中間層２３のバンドギャップのほぼ中央に配置される電子状態が生成される。このことは、図５Ａに概略的に示してある。トンネル接合２のトンネリング電流が、不純物原子６の濃度に比例する以上に増大し、これは有利である。

不純物原子は、例えば１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の濃度で存在する。この濃度は、１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが特に好ましく、なぜなら、この濃度を超えると、中間層２３の形態が阻害される危険性が増大するためである。半導体材料をエピタキシャル成長させるときに堆積させる不純物原子は、特に、半導体材料の結晶格子の中に組み込まれる。代替形態として、不純物原子および半導体材料を連続的に堆積させることもできる。この方法について、第３の例示的な実施形態に関連して以下に説明する。

不純物原子６によってもたらされる深い不完全構造または「ミッドギャップ状態」によって、電荷キャリアが、より容易に中間層２３をトンネルするようになる。このようにすることで、所定の方法で不完全構造が導入されないトンネル接合と比較して、トンネル接合２の効率が向上する。

図３は、第３の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディの概略的な断面図を示している。この第３の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディは、第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクス半導体ボディに対応している。しかしながら、中間層２３の中央層２３２には、第２の例示的な実施形態に関連して説明したように不完全構造６が所定の方法でさらに設けられている。この実施形態の場合、不完全構造６は、中央層２３２に層として導入されている不純物原子である。

この半導体ボディの製造時、第２の例示的な実施形態に関連して説明した製造方法とは異なり、最初に、中央層２３２の第１の部分２３２１をｎ型バリア層２３１の上に堆積させる。その後、不純物原子６の層を堆積させる。最後に、中間層の第２の部分２３２２を、不純物原子６および第１の部分２３２１の上に堆積させる。その後、ｐ型バリア層２３３を堆積させることによって、中間層２３を完成させる。

この場合、不純物原子６の層は、この層が開口を有するように形成する。言い換えれば、中央層２３２の第１の部分２３２１は、一部分が不純物原子６によって覆われ、一部分は不純物原子６によって覆われない。次いで、不純物原子６の層の開口の領域（すなわち第１の部分２３２１が不純物原子６によって覆われていない領域）において中央層２３２の第２の部分２３２２が第１の部分２３２１に隣接するように、この第２の部分を堆積させる。これを目的として、不純物原子６の層の層厚さは、不純物原子６の層をエピタキシャル過成長させることができるように選択することが好ましい。一構造形態においては、不純物原子６の層は、下層を完全には覆っていない単分子層である。しかしながら、より大きな層厚さも考えられる。一例として、不純物原子６の層は、０．１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲、好ましくは０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲（いずれの場合も両端値を含む）の層厚さを有する。

この例示的な実施形態においては、不完全構造６が設けられている中間層２３の中央領域２３ｂは、不純物原子６の層に対応する。バリア層２３１，２３３と、この実施形態の場合、中央領域２３ｂに先行および後続する中央層２３２の部分領域には不純物原子が存在しない。不完全構造６が設けられている中間層２３の中央領域２３ｂを形成する目的には、第２の例示的な実施形態に関連して説明した製造方法も適している。逆に、この例示的な実施形態に関連して説明した、不純物原子６の層および製造方法は、第２の例示的な実施形態の場合にも適している。

ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項および例示的な実施形態における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。

Claims (15)

1. トンネル接合（２）と、電磁放射を放出するために設けられている活性層（４）と、を有するエピタキシャル半導体積層体、を備えているオプトエレクトロニクス半導体ボディであって、
   前記トンネル接合が、ｎ型トンネル接合層（２１）とｐ型トンネル接合層（２２）との間の中間層（２３）を有し、前記中間層が、前記ｎ型トンネル接合層に面しているｎ型バリア層（２３１）と、前記ｐ型トンネル接合層に面しているｐ型バリア層（２３３）と、中央層（２３２）とを有し、前記中央層の材料組成が、前記ｎ型バリア層の材料組成および前記ｐ型バリア層の材料組成とは異なる、
   オプトエレクトロニクス半導体ボディ。
2. 前記ｎ型バリア層（２３１）、前記中央層（２３２）、および前記ｐ型バリア層（２３３）が、第１の成分および第２の成分を含んでいる半導体材料を備えており、前記第１の成分の割合が、前記ｎ型バリア層および前記ｐ型バリア層におけるよりも前記中央層において低い、
   請求項１に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
3. 前記第１の成分がアルミニウムを含んでいる、またはアルミニウムから成り、前記第２の成分が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ｐから成る群のうちの少なくとも１つの元素を含んでいる、
   請求項２に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
4. 前記第１の成分の前記割合が、前記中央層（２３２）において２０％以下であり、前記ｎ型バリア層（２３１）および前記ｐ型バリア層（２３３）において２０％以上である、
   請求項２または請求項３に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
5. 前記ｎ型バリア層（２３１）の層厚さもしくは前記ｐ型バリア層（２３３）の層厚さ、またはその両方が、２ｎｍ以下である、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
6. トンネル接合（２）と、電磁放射を放出するために設けられている活性層（４）と、を有するエピタキシャル半導体積層体、を備えているオプトエレクトロニクス半導体ボディであって、
   前記トンネル接合が、ｎ型トンネル接合層（２１）とｐ型トンネル接合層（２２）との間の中間層（２３）を有し、前記中間層に、所定の方法で不完全構造（６）が設けられている、
   オプトエレクトロニクス半導体ボディ。
7. 前記中間層（２３）の前記中央層（２３２）の領域に、所定の方法で不完全構造（６）が設けられている、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
8. 前記不完全構造（６）が、少なくとも部分的に、前記中間層（２３）の半導体材料の欠陥によって形成されている、
   請求項６または請求項７に記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
9. 前記不完全構造（６）が、少なくとも部分的に、前記中間層（２３）の半導体材料の結晶格子に組み込まれている不純物原子によって形成されている、もしくは、前記不純物原子（６）が前記中間層（２３）に層として含まれている、またはその両方である、
   請求項６から請求項８のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
10. 前記不完全構造（６）が、少なくとも部分的に、前記中間層に層として含まれている不純物原子によって形成されており、前記不純物原子の前記層（２３ｂ）が、前記半導体材料によって満たされている開口を有する、
    請求項６から請求項８のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
11. 前記ｎ型トンネル接合層（２１）もしくは前記ｐ型トンネル接合層（２２）またはその両方が、交互層の超格子として具体化されている、
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
12. トンネル接合（２）と、電磁放射を放出するために設けられている活性層（４）と、を有するエピタキシャル半導体積層体、を備えているオプトエレクトロニクス半導体ボディ、を製造する方法であって、
    前記トンネル接合が、ｎ型トンネル接合層（２１）と、中間層（２３）と、ｐ型トンネル接合層（２２）とを有し、前記中間層を形成するため、半導体材料をエピタキシャルに堆積させ、前記半導体材料の少なくとも一部分に所定の方法で不完全構造（６）を設ける、
    方法。
13. 前記不完全構造（６）を設ける前記工程が、前記半導体材料の中に欠陥を導入するステップを含んでおり、エピタキシャル炉の中で前記半導体材料を堆積させている間、前記欠陥（６）を導入する目的で、前記エピタキシャル炉の中に水素ガスを少なくともときどき導入する、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記不完全構造（６）を設ける前記工程が、前記半導体材料の中に欠陥を導入するステップを含んでおり、エピタキシャル炉の中で前記半導体材料を堆積させている間、前記欠陥（６）を導入する目的で、前記エピタキシャル炉の中の工程温度もしくは圧力またはその両方を変化させる、
    請求項１２に記載の方法。
15. 前記不完全構造（６）を設ける前記工程が、前記中間層（２３）の中に不純物原子を導入するステップを含んでいる、
    請求項１２に記載の方法。

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