JP2012522390A - オプトエレクトロニクス半導体チップ - Google Patents

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Abstract

オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、該オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）は窒化物材料系をベースとし、少なくとも１つの活性量子井戸（２）を含む。前記少なくとも１つの活性量子井戸（２）は、動作中に電磁波を生成するように形成されている。さらに、前記少なくとも１つの活性量子井戸（２）は、半導体チップ（１）の成長方向ｚに対して平行な方向にＮ個の相互に重なったゾーン（Ａ）を含む。ここで、Ｎは２以上の自然数である。前記活性量子井戸（２）のゾーン（Ａ）のうち少なくとも２つのゾーンの各平均インジウム含有率ｃは相互に異なる。

Description

本発明はオプトエレクトロニクス半導体チップに関する。
ＵＳ６８４９８８１Ｂ１に、多重量子井戸構造を有するオプトエレクトロニクス半導体部品が記載されている。
本発明の解決すべき課題は、動作中に高い効率で光を生成する、量子井戸構造を含むオプトエレクトロニクス半導体チップを実現することである。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、オプトエレクトロニクス半導体チップは窒化物材料系をベースとする。換言すると、半導体チップを作製するために使用される半導体材料の一成分が窒素である。すなわちこの材料系は、たとえば第３族‐窒化物半導体材料であり、たとえば半導体チップは、ＡｌＧａＮ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮをベースとする。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップはエピタキシャル成長によって作製されている。このエピタキシャル成長によって、成長方向ｚが定義される。
本発明によるオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス半導体チップは少なくとも１つの活性量子井戸を含む。本願では、量子井戸という用語は量子化次元に関して特定の意味を持たないので、量子井戸は、０次元の量子点、１次元の量子線、より高次元の量子井戸、またはこれらの量子井戸構造の任意の組合せとすることができる。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、半導体チップの動作中、前記少なくとも１つの活性量子井戸において電磁波が生成される。この電磁波の波長は、有利には２００ｎｍ〜３０００ｎｍのスペクトル領域内であり、とりわけ、３６０ｎｍ〜５４０ｎｍのスペクトル領域内である。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記少なくとも１つの活性量子井戸は、該オプトエレクトロニクス半導体チップの成長方向ｚに対して平行な方向に相互に重なったＮ個のゾーンを有する。ここでＮは、２以上の自然数である。換言すると、前記少なくとも１つの量子井戸は、成長によって順次形成され相互に隣接する少なくとも２つのゾーンを含む。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記ゾーンのうち少なくとも２つは、相互に異なる平均インジウム含有率ｃを有する。すなわち、活性量子井戸内でインジウム含有率を所期のように異ならせる。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、活性量子井戸は以下の条件を満たす：
Figure 2012522390
 前記少なくとも１つの活性量子井戸が上掲の条件を満たすとは、活性量子井戸中のインジウム含有率ｃにわたって成長方向ｚに沿って積分したものから、ゾーン数Ｎの２．５倍と、成長方向ｚに対して平行な方向の該活性量子井戸の寸法の１．５倍とを減算して得られた値が４０〜８０であり、有利には５０〜７０であるように、該インジウム含有率ｃ、該ゾーン数Ｚ、成長方向ｚに対して平行な方向のゾーンの寸法、および成長方向ｚに対して平行な方向の活性量子井戸の寸法との各パラメータ値を選択することを意味する。
インジウム含有率とはここでは、非窒素格子位置の一部がインジウム原子に置換されていることを意味する。上述の条件に関しては、インジウム含有率ｃをパーセンテージで無次元で表される。すなわち、ｃは０〜１００の無次元数をとる。上記の条件では、ゾーン数Ｎも無次元で使用される。ｚも無次元であり、成長方向ｚに対して平行な方向の座標をｎｍで表したものに相当する。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、該オプトエレクトロニクス半導体チップは窒化物材料系をベースとし、少なくとも１つの活性量子井戸を含む。前記少なくとも１つの活性量子井戸は、動作中に電磁波を生成するように形成されている。さらに、前記少なくとも１つの活性量子井戸は、半導体チップの成長方向ｚに対して平行な方向にＮ個の相互に重なったゾーンを含む。ここで、Ｎは２以上の自然数である。前記活性量子井戸のゾーンのうち少なくとも２つのゾーンは、平均含有率が相互に異なる平均インジウム含有率ｃを含む。さらに、前記少なくとも１つの活性量子井戸は以下の条件を満たす。
Figure 2012522390
 とりわけ、前記少なくとも１つの活性量子井戸は以下の条件を満たす。
Figure 2012522390
このような活性量子井戸のインジウム含有率は、成長方向で見ると、少なくとも一区分において段階的および／またはランプ状の形を示す。活性量子井戸の構造をこのようにランプ状および／または段階的な構造にすることによって、価電子帯における波動関数と伝導帯における波動関数とが重なり合うオーバーラップ部分を大きくすることができる。波動関数のオーバーラップ部分がこのように大きくなることにより、半導体チップの効率を上昇させることができる。
さらに、キャリア捕獲率を上昇させることもできる。換言すると、たとえば電子等のキャリアを高い確率で活性量子井戸にトラップし、光放出再結合に寄与させることができる。バンドエッジの領域において１段または複数段でヘテロ境界が形成されることにより、境界面荷電を局在化して発生させることができる。この局在化した境界面荷電によって、さらに圧電場を低減することができ、このことによって、半導体チップの光生成効率を上昇させることもできる。
量子井戸のパラメータに関する上記条件、とりわけ、ゾーンの厚さと該ゾーンのインジウム含有率とに関する上記条件は、活性量子井戸を形成するためのパラメータ領域を表している。このパラメータ領域によって、驚くほど高い効率を実現することができ、半導体チップの光生成において特に高い効率を実現することができる。
項
Figure 2012522390
 がとることができる値の範囲には、ここでは原則的に制限がかからない。たとえば、従来の活性量子井戸に対応する項は２００上昇するか、または０未満になることができる。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記少なくとも１つの活性量子井戸は以下の条件を満たす：
Figure 2012522390
 有利には
Figure 2012522390
 上記式において、ｃｉはｉ番目のゾーンの平均インジウム含有率であり、ｗｉは、前記少なくとも１つの活性量子井戸のｉ番目のゾーンの幅である。ここでは、前記量子井戸の各ゾーンの番号は、半導体チップの成長方向ｚに対して平行な方向に連番で付与されている。したがって、各ゾーンの番号を成長方向に順番に付与するか、または成長方向と逆方向に順番に付与することができる。
たとえば、活性量子井戸の１つのゾーンは、成長方向ｚにおける局所的なインジウム含有率が、全ゾーンにおける平均インジウム含有率から最大３０％偏差する領域であり、有利には最大１５％偏差する領域である。換言するとたとえば、インジウム含有率が顕著に、段階的に上昇または下降する部分が、隣接するゾーン間の境界または境界領域を成す。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記少なくとも１つの活性量子井戸の各ゾーン中のインジウム含有率ｃは、製造公差を勘案すればそれぞれ一定である。「一定」とはたとえば、ゾーン中のインジウム含有率ｃと平均値との偏差が最大２パーセントポイントであり、とりわけ最大１パーセントポイントとなることを意味する。一定という用語はたとえば、成長方向に対して平行な方向のインジウム含有率の段階的な分布を示す曲線の階段のエッジが、丸みを帯びた形状を含むことを除くものではない。換言すると、インジウム含有率の分布を示す曲線は階段関数によって近似することができる。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記少なくとも１つの活性量子井戸は少なくとも３つのゾーンを有する。換言すると、Ｎ≧３である。とりわけ少なくとも３つのゾーンの各平均インジウム含有率、有利にはすべてのゾーンの各平均インジウム含有率が異なる。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、該オプトエレクトロニクス半導体チップはｐ端子側とｎ端子側とを有する。オプトエレクトロニクス半導体チップのｐ端子側にはたとえばｐドープ半導体材料が設けられており、ｎ端子側にはｎドープ半導体材料が設けられている。有利には、これら端子側を介して半導体チップの電気的コンタクトが行われる。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記ゾーンの少なくとも一部の平均インジウム含有率ｃに次式を適用する：
ｃｉ＜ｃｉ＋１ かつ ｃｉ＋１＞ｃｉ＋２
ここでは、成長方向に対して平行に、ｐ端子側からｎ端子側へ順番に連続番号が前記ゾーンに付与される。有利にはｉ＝１である。換言すると、活性量子井戸は中央に、インジウム含有率が高い中央ゾーンを有し、該中央ゾーンの両側に、それよりインジウム含有率が低いゾーンが設けられている。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態ではさらに、ｃｉ＜ｃｉ＋２が適用される。換言すると活性量子井戸は、インジウム含有率が高い中央ゾーンを有する。前記中央ゾーンよりｐ端子側に近いゾーンのインジウム含有率は、該中央ゾーンよりｎ端子側に近いゾーンのインジウム含有率より低い。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記ゾーンのうち少なくとも一部のゾーンの平均インジウム含有率について、ｐ端子側からｎ端子側への方向に以下の関係式が適用される：
ｃｉ＞ｃｉ＋１ かつ ｃｉ＋２＞ｃｉ＋１ かつ ｃｉ＞ｃｉ＋２
換言すると、ｉ＋１番目のゾーンは、インジウム含有率がより高い２つのゾーンに挟まれる。ｉ＋１番目のゾーンはたとえば、量子井戸の分布プロフィールにおいて中間バリアとなる。有利には、ｉ＝１またはｉ＝２である。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、インジウム含有率ｃは成長方向ｚに平行な方向に単調に増加していく。換言すると前記活性量子井戸は、最大インジウム含有率を有するゾーンを有し、該最大インジウム含有率を有するゾーンはとりわけｉ＝１番目のゾーンであり、該最大インジウム含有率を有するゾーンを出発点として、インジウム含有率は成長方向ｚに対して平行な方向に、製造公差内で単調に増加していく。つまり、たとえば各ゾーンｉごとに、ｃｉ≧ｃｉ＋１が適用され、有利にはｃｉ＞ｃｉ＋１が適用される。ただし、１≦ｉ≦Ｎ−１である。とりわけ、このような半導体チップは中間バリアを有さない。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記少なくとも１つの活性量子井戸は３〜１０個のゾーンを有する。換言すると３≦Ｎ≦１０が適用され、有利には３≦Ｎ≦６が適用される。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、活性量子井戸の全幅は０．２５ｎｍ〜１２ｎｍであり、とりわけ０．５ｎｍ〜１０ｎｍであり、有利には３．５ｎｍ〜８ｎｍである。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記少なくとも１つの活性量子井戸のゾーンのうち少なくとも一部のゾーンまたは全部のゾーンの幅ｗに、以下の関係式を適用する：
ｗｉ＞ｗｉ＋１ かつ ｗｉ＋２＞ｗｉ＋１
換言すると、幅が大きい２つのゾーン間に、幅がより小さいゾーンが設けられる。この実施例では、とりわけｉ＋１番目のゾーンは、活性量子井戸のゾーンのうち最大平均インジウム含有率を有するゾーンである。すなわち、有利にはｉ＝１またはｉ＝２である。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、活性量子井戸のゾーンのうち少なくとも一部のゾーンの幅ｗについて、以下の関係式が適用される：
ｗｉ＜ｗｉ＋１ かつ ｗｉ＜ｗｉ＋２
この実施形態では有利には、ｉ＋１番目のゾーンが、最大インジウム含有率を有するゾーンである。したがって、有利にはｉ＝１である。さらに、とりわけｗｉ＋１＞ｗｉ＋２を適用することができる。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、活性量子井戸の少なくとも１つの中間バリアの、成長方向ｚに対して平行な方向の幅は、該活性量子井戸の他のゾーンの最小幅より小さい。換言すると、中間バリアは薄く形成される。とりわけ、中間バリアの成長方向の厚さは、０．２５ｎｍ〜１．２５ｎｍである。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、ゾーンの厚さは１．５ｎｍ〜４ｎｍであり、とりわけ１．７５ｎｍ〜３ｎｍである。このゾーンの厚さの数値は、中間バリアが設けられる場合には中間バリアの厚さには適用されない。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、インジウム含有率が最も高いゾーンのインジウム含有率は１５％〜５０％である。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、最大インジウム含有率を有するゾーンに隣接する少なくとも１つのゾーンのインジウム含有率は、該最大インジウム含有率を有するゾーンの平均インジウム含有率の３０％〜８０％であり、とりわけ４０％〜６０％である。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つのｉ番目のゾーンの平均インジウム含有率に、
０．３５ｃｉ−１≦ｃｉ≦０．６５ｃｉ−１
を適用し、とりわけ、
０．４０ｃｉ−１≦ｃｉ≦０．６０ｃｉ−１
を適用する。上記両関係式では、有利にはｉ＝２またはｉ＞２である。
１つの実施形態ではオプトエレクトロニクス半導体チップは、成長方向ｚに対して平行な方向に、２〜５個の活性量子井戸を有する。換言すると、オプトエレクトロニクス半導体チップは多重量子井戸構造を有する。
本発明によるオプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス半導体チップは少なくとも１つの非活性量子井戸を含む。この非活性量子井戸の平均インジウム含有率は、少なくとも１つの活性量子井戸のゾーンのうち最大平均インジウム含有率を有するゾーンの平均インジウム含有率より低い。
非活性とはここではとりわけ、量子井戸が光生成のために構成されていないことを意味する。すなわち、オプトエレクトロニクス半導体チップの動作中、放出される光のうち非活性量子井戸において生成される割合は無いか、または無視できる程度の低い割合である。有利には、非活性量子井戸で生成される光の割合は１０％未満であり、とりわけ２％未満である。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、成長方向ｚに対して平行な方向の非活性量子井戸の厚さは、成長方向ｚに対して平行な方向の活性量子井戸の厚さより小さい。有利には、非活性量子井戸の厚さは最大で、活性量子井戸の厚さの７５％である。
少なくとも１つの実施形態では、オプトエレクトロニクス半導体チップは少なくとも２つの非活性量子井戸を有し、該少なくとも２つの非活性量子井戸は、前記少なくとも１つの活性量子井戸を挟む。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、２つの隣接する活性量子井戸間に少なくとも１つの非活性量子井戸が設けられ、とりわけ１〜５個の非活性量子井戸が設けられる。有利には、ｐ端子側と、該ｐ端子側に最も近い活性量子井戸との間にも、少なくとも１つの非活性量子井戸が設けられ、とりわけ１〜５個の非活性量子井戸が設けられる。有利には、ｎ端子側に最も近い活性量子井戸にも同等のことが適用される。
少なくとも１つの実施形態では、オプトエレクトロニクス半導体チップは少なくとも２つの導波層を有し、前記少なくとも１つの活性量子井戸、とりわけすべての活性量子井戸が、該導波層間に設けられる。換言すると、前記活性量子井戸は導波層によって挟まれる。
オプトエレクトロニクス半導体チップの少なくとも１つの実施形態では、前記導波層のうち少なくとも１つの導波層は、１つまたは複数のキャリア障壁層を有する。このキャリア障壁層はたとえば、ｐ端子側の導波層に挿入された電子障壁層である。前記キャリア障壁層には、含有率を増加させてアルミニウムを含有させ、該キャリア障壁層の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍと小さくすることができる。
少なくとも１つの実施形態では、オプトエレクトロニクス半導体チップはレーザ光を生成するように構成される。換言すると、オプトエレクトロニクス半導体チップはレーザチップである。
少なくとも１つの実施形態では、オプトエレクトロニクス半導体チップは４３０ｎｍ〜５４０ｎｍの電磁波を生成するように構成される。換言すると、オプトエレクトロニクス半導体チップは青色スペクトル領域および／または緑色スペクトル領域を放出する。
さらに本願では、少なくとも１つの活性量子井戸においてアルミニウム含有率が変動するオプトエレクトロニクス半導体チップを開示する。
少なくとも１つの実施形態では、オプトエレクトロニクス半導体チップは窒化物材料系をベースとし、少なくとも１つの活性量子井戸を有し、動作中には該少なくとも１つの活性量子井戸において電磁波が生成される。オプトエレクトロニクス半導体チップは、該オプトエレクトロニクス半導体チップの成長方向ｚに対して平行な方向に、相互に重ねられたＮ個のゾーンを有し、該Ｎ個のゾーンのうち少なくとも２つのゾーンの平均アルミニウム含有率ｋは相互に異なる。ここでは、Ｎは２以上の自然数である。ここでは、２８５ｎｍを上回りとりわけ３６０ｎｍ以下である波長の光の場合、前記少なくとも１つの活性量子井戸は、
Figure 2012522390
 を満たすか、または、２８５ｎｍ以下でありとりわけ２１０ｎｍ以上である波長の光の場合、前記少なくとも１つの活性量子井戸は、
Figure 2012522390
 を満たす。
活性量子井戸のゾーンの平均インジウム含有率が変動するオプトエレクトロニクス半導体チップの特徴は、アルミニウム含有率が変動する本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの開示内容でもあり、また、アルミニウム含有率が変動する本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップの特徴は、活性量子井戸のゾーンの平均インジウム含有率が変動するオプトエレクトロニクス半導体チップの開示内容でもある。インジウム含有率が上昇するとバンドギャップは減少し、アルミニウム含有率が上昇するとバンドギャップは増大するので、活性量子井戸のゾーンの変動する平均アルミニウム含有率の場合には、インジウム含有率で使用された不等号を逆にしなければならない。
本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップを使用することができる用途に、例えばディスプレイ又は表示装置のバックライトが含まれる。さらに、本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップは、プロジェクション用の照明装置、投光器又は光源、又は一般照明においても使用することができる。
以下、図面を参照して実施例に基づいて、本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップを詳細に説明する。なお、各図において、同じ要素には同じ参照記号を付してある。しかし、個々の要素間のサイズ比は実際の寸法通りではなく、理解し易いように過度に拡大表示されていることもある。
本発明の一実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略的な断面図（Ａ）と、該オプトエレクトロニクス半導体チップのバンド構造の概略図（Ｂ）である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 半導体部品の概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。 オプトエレクトロニクス半導体チップのパラメータの変動を示す概略図である。 オプトエレクトロニクス半導体チップのパラメータの変動を示す概略図である。 アルミニウム含有率が異なる複数のゾーンを含む、本発明の一実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップの概略図である。
図１Ａに、一実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップ１の成長方向ｚにおけるインジウム含有率ｃの分布プロフィールと、該成長方向ｚにおけるバンドギャップＥｇの分布プロフィールとを概略的に示す。活性量子井戸２のインジウム含有率ｃの方が、該活性量子井戸２を挟んでいるオプトエレクトロニクス半導体チップ１の領域のインジウム含有率ｃと比較して高い。活性量子井戸２は２つのゾーンＡ１，Ａ２を含み、活性量子井戸２の第１のゾーンＡ１のインジウム含有率ｃは、第２のゾーンＡ２のインジウム含有率より高い。オプトエレクトロニクス半導体チップ１の動作中、光生成は有利には、ほぼ排他的に第１のゾーンＡ１において行われる。
オプトエレクトロニクス半導体チップ１はたとえば、ＩｎＧａＮ材料系をベースとする。インジウム含有率ｘを単位％で表すと、バンドギャップＥｇを近似的に、
Ｅｇ（ｘ）＝ｘ・３．４２＋（１−ｘ）・０．７７−ｘ・（１−ｘ）・１．４３
によって表すことができる。ここでは、Applied Physics Letters, Vol. 80, Issue 25, ２００２年度、第４７４１〜４７４３頁を参照されたい。
ここでは、バンドギャップＥｇは単位ｅＶで表されている。インジウム含有率が増加するとバンドギャップＥｇは減少する。約４５０ｎｍの波長に相当するバンドギャップＥｇを実現するためには、インジウム含有率は有利には１７％〜２２％であり、約４９０ｎｍの波長に相当するバンドギャップＥｇを実現するためには、インジウム含有率は有利には２４％〜２９％である。
各ゾーンＡ１，Ａ２では、各インジウム含有率ｃは近似的に一定である。たとえば第１のゾーンＡ１のインジウム含有率ｃ１は２２％であり、第２のゾーンＡ２のインジウム含有率ｃ２は約１２％である。第１のゾーンＡ１の幅ｗ１は約２．５ｎｍであり、第２のゾーンＡ２の幅ｗ２は約２ｎｍである。したがって、活性量子井戸２の全幅Ｗは約４．５ｎｍになる。ゾーンＡ１，Ａ２の番号は、オプトエレクトロニクス半導体チップ１の成長方向ｚと逆方向に連番付与されている。したがってゾーンＡ１，Ａ２の連番は、オプトエレクトロニクス半導体チップ１のｐ端子側ｐからｎ端子側ｎの方向の順になる。
ゾーンＡ１，Ａ２のインジウム含有率ｃは一定であるから、項
Figure 2012522390
 は、項
Figure 2012522390
 によって表すことができる。ここでは、ｉ番目のゾーンのインジウム含有率ｃｉは無次元で単位％で表され、幅ｗｉは無次元で単位ｎｍで表される。ＮはゾーンＡ１，Ａ２の数に相当する。図１Ａの活性量子井戸２の場合、この項の値は、[22・2.5 + 12・2]−[2.5・2]−[1.5・(2.5 + 2)]≒67になる。
たとえば電子顕微鏡を使用して、とりわけ透過電子顕微鏡を使用して活性量子井戸２を測定することにより、該活性量子井戸２を表す項の値を求めることができる。
図１Ｂに、図１Ａのオプトエレクトロニクス半導体チップ１の価電子帯および伝導帯のエネルギーＥの成長方向ｚに沿った分布を概略的に示す。バンドギャップＥｇは価電子帯の成長方向ｚのエネルギーＥと伝導帯の成長方向ｚのエネルギーＥとの差に相当する。価電子帯の波動関数および伝導帯の波動関数はそれぞれ太線で示されており、価電子帯のエネルギーレベルおよび伝導帯のエネルギーレベルを細い横線で示している。価電子帯の基底状態の波動関数と伝導帯の基底状態の波動関数とが重なり合うオーバーラップ領域は比較的大きい。このことによってとりわけ、量子井戸２においてキャリアすなわち電子および正孔が再結合するときの再結合速度を高くすることができ、活性量子井戸２におけるキャリアの捕獲率を上昇させることもできる。
図２に、別の実施例の半導体チップ１を概略的に示す。成長方向ｚにおけるインジウム含有率ｃの分布プロフィールは、３つのゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３を含む。これら３つのゾーンによって活性量子井戸２が構成される。破線は、ゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３の平均インジウム含有率を近似したものを示す。インジウム含有率ｃの実際の分布プロフィールとこの平均インジウム含有率との間には偏差があり、とりわけこの偏差は、理論的な分布プロフィールの破線で示された階段形状のエッジ領域に存在する。しかし個々のゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３は、インジウム含有率ｃが大きく上昇する領域ないしは大きく下降する領域によって相互に明確に分かれている。
下記の各実施例では、階段形状によって近似された、成長方向ｚにおける理論的なインジウム含有率ｃを示している。すなわち、図２と同様に、インジウム含有率ｃが図中の分布プロフィールから偏差する場合がある。
図３Ａに示された半導体部品では、活性量子井戸２の幅Ｗは約６ｎｍであり、平均インジウム含有率ｃは約２２％である。したがって、項
Figure 2012522390
 の値は約１２０になる。このことにより、価電子帯における基底状態波動関数と、伝導帯における基底状態波動関数とが重なるオーバーラップ部分は、比較的小さくなる。図３Ｂおよび３Ｃを参照されたい。さらに、活性量子井戸２の領域における価電子帯のエネルギーの勾配および伝導帯のエネルギーの勾配は、圧電場によって比較的大きくなっている。これは、図３Ｃにおいて傾斜する破線によって示されている。
量子井戸２のエッジはランプ状の形状を示し、修正された活性量子井戸２′が得られる。この修正された活性量子井戸２′は、一点鎖線によって示されている。
図４に、本発明のオプトエレクトロニクス半導体チップ１の別の実施例が示されている。活性量子井戸２のうち最大インジウム含有率ｃ２を有するゾーンＡ２には、ｐ端子側ｐに向かう方向に、平均インジウム含有率ｃ１がより低いゾーンＡ１が隣接している。ゾーンＡ１はランプ状にすることができ、これは一点鎖線によって示されている。
図４Ｂに示されているように、図３Ｃと比較すると、ゾーンＡ１に起因して、最大インジウム含有率ｃ２を有するゾーンＡ２の領域における成長方向ｚのエネルギーＥの勾配が格段に減少する。このことは、図４Ｂにおいて太線で示されている。直接比較するため、図４Ｂにも、図３Ｃに示された活性量子井戸２のエネルギーＥの勾配を破線で示している。換言すると、ゾーンＡ１によってポテンシャル分布の勾配が減少する。このように勾配が減少することにより、活性量子井戸２における光生成効率が上昇する。
図５に示されたオプトエレクトロニクス半導体チップ１の実施例では、活性量子井戸２は３つのゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３を有する。最大インジウム含有率ｃ２を有するゾーンＡ２が最大幅ｗ２を有する。ｐ端子側のゾーンＡ１のインジウム含有率ｃ１は、ｎ端子側のゾーンＡ３のインジウム含有率ｃ３より低い。ゾーンＡ１，Ａ３の幅ｗ１，ｗ３にも同様のことが当てはまる。
図５Ｂから分かるように、活性量子井戸２は比較的大きな有効幅を有するので、該活性量子井戸２のキャリア捕獲率は高い。また、ポテンシャル分布の勾配も減少する。ゾーンＡ１，Ａ３と、活性量子井戸２より外側にあり該ゾーンＡ１，Ａ３を挟む周辺の半導体材料との間のヘテロ界面に局所的に存在する電荷により、圧電場が低減され、活性量子井戸２における光生成効率を特に高くすることができる。
図６に示されたオプトエレクトロニクス半導体チップ１の実施例では、活性量子井戸２は３つのゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３を有する。インジウム含有率ｃｉはゾーンＡ１から成長方向ｚと逆方向に単調に上昇していく。ゾーンＡ２，Ａ３間の階段状のエッジは点線で示されており、たとえば図６に示されたのと異なって、この階段状のエッジを丸めて形成することもできる。また、活性量子井戸２のゾーンＡ１，Ａ２，Ａ３の数を、図６と異なって、３より格段に増加させることもできる。
図７に示された実施例では、活性量子井戸２はｐ端子側のゾーンＡ１と、最大平均インジウム含有率ｃ２を有するゾーンＡ２を挟む、ｎ端子側の複数のゾーンＡ３，Ａ４とを有する。
図８のオプトエレクトロニクス半導体チップ１の実施例では、活性量子井戸２は、ゾーンＡ２，Ａ４によって形成された２つの中間バリアを有する。ゾーンＡ２，Ａ４のインジウム含有率ｃ２，ｃ４は、各ゾーンＡ２，Ａ４に隣接するゾーンと比較して低く、かつ／または、ゾーンＡ２，Ａ４のアルミニウム含有率は高い。図９ではさらに、インジウム含有率ｃ１が比較的低いｐ端子側のゾーンＡ１も設けられている。
図１０では、オプトエレクトロニクス半導体チップ１は２つの活性量子井戸２ａ，２ｂを有する。活性量子井戸２ａ，２ｂは２つのゾーンＡ１，Ａ２を含み、図１０に示されているのと異なり、活性量子井戸２ａ，２ｂ間に点線で示されているように、オプトエレクトロニクス半導体チップ１が有する活性量子井戸の数をたとえば３，４，５またはそれ以上にすることができる。
図１１では、オプトエレクトロニクス半導体チップ１は活性量子井戸２ａ，２ｂの他に非活性量子井戸３も含む。非活性量子井戸３のインジウム含有率はたとえば、活性量子井戸２ａ，２ｂのゾーンＡ１，Ａ２のインジウム含有率の間である。非活性量子井戸３は、オプトエレクトロニクス半導体チップ１のｐ端子側ｐに設けられている。図１１に示されているのと異なり、この非活性量子井戸３も、インジウム含有率および／またはアルミニウム含有率が異なる複数のゾーンを含むことができる。
図１２に、非活性量子井戸３をｎ端子側ｎに設けることも可能であることが示されている。また、最大５つの非活性量子井戸３を有するグループをｎ端子側ｎおよび／またはｐ端子側ｐに形成することも可能である。その際には、非活性量子井戸３の複数の各グループが有する非活性量子井戸３の数を等しくしなくてもよい。活性量子井戸２ａ，２ｂ間に存在する非活性量子井戸３が１つである場合、または、複数の非活性量子井戸３を有するグループが活性量子井戸２ａ，２ｂ間に存在する場合にも、同様のことが当てはまる。図１３を参照されたい。
図１４では、オプトエレクトロニクス半導体チップ１はさらに２つのクラッド層４ａ，４ｂを有し、両クラッド層４ａ，４ｂは活性量子井戸２ａ，２ｂを閉じ込めるかまたは挟み込む。
図１５の実施例では、オプトエレクトロニクス半導体チップ１は活性量子井戸２と各導波層４ａ，４ｂとの間にそれぞれバリア層６を有する。さらに、ｐ端子側の導波層４ａはキャリア障壁層５を含む。キャリア障壁層５はたとえば、アルミニウム含有率がより高い薄層によって形成される。
図１５に示されたのと異なり、オプトエレクトロニクス半導体チップ１は複数の活性量子井戸２を有することができ、またオプションとして、１つまたは複数の非活性量子井戸３も有することができる。
図１，２および４〜１５に示されたオプトエレクトロニクス半導体チップ１の実施例では、前記少なくとも１つの活性量子井戸２のゾーンＡの数、インジウム含有率ｃおよび幅ｗは、項
Figure 2012522390
 または
Figure 2012522390
 の値が４０〜８０となり、とりわけ５０〜７０となるように選択される。
図１６および１７に、オプトエレクトロニクス半導体チップの活性量子井戸２のゾーンＡのインジウム含有率ｃおよび幅ｗのパラメータの変動を概略的に示す。パラメータの各変動に対し、項
Figure 2012522390
 の値を横軸に沿ってプロットしている。ここでは、上記項の値を略してＦｏＭと称する。図１６では、各活性量子井戸がそれぞれ２つのゾーンＡを有する。ＦｏＭ値が４０〜８０である場合、とりわけ５０〜７０である場合に、オプトエレクトロニクス半導体チップの効率は高くなる。このオプトエレクトロニクス半導体チップの高効率は、たとえばレーザ性能に現れる。各活性量子井戸がそれぞれ３つのゾーンＡを有する、図１７のオプトエレクトロニクス半導体チップにも、同様のことが当てはまる。
たとえば、ＦｏＭ値が上記値範囲外にある場合より、上記値範囲内にある場合の方が、オプトエレクトロニクス半導体チップの効率は高い。このオプトエレクトロニクス半導体チップの効率は、放出光の出力パワーと、オプトエレクトロニクス半導体チップを動作させるための入力電力との商である。放出光の波長が約４４０ｎｍであり、光出力パワーが３０ｍＷである場合、ＦｏＭ値が上記範囲外にある場合の効率は６％未満となり、ＦｏＭ値がとりわけ５０〜７０である場合の効率は８％以上となる。波長が約４８０ｎｍであり、出力パワーが５ｍＷである場合、ＦｏＭ値が上記範囲外にある場合の効率は０．５％を下回り、ＦｏＭ値がとりわけ５０〜７０である場合の効率は少なくとも０．６％であり、有利には０．８％となる。
図１８に示された実施例のオプトエレクトロニクス半導体チップ１では、活性量子井戸２の成長方向ｚにおいて２つのゾーンＡ１，Ａ２におけるアルミニウム含有率ｋが異なるように調整されている。ゾーンＡ１，Ａ２のアルミニウム含有率ｋおよび厚さは、活性量子井戸２が以下の条件を満たすように選択される：
Figure 2012522390
図１８の実施例でも、たとえば図１５の実施例と同様に、非活性量子井戸を設けたり、活性量子井戸を複数設けたり、クラッド層およびバリア層を設けることができる。
また、活性量子井戸２のゾーンＡのアルミニウム含有率ｋの調整と、たとえば図１，２および４〜１５に示されたようなインジウム含有率ｃの調整とを併用することもできる。
上記の本発明は、実施例に基づく上記説明によって限定されることはない。むしろ、本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことはこのような特徴またはこのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていない場合であっても当てはまる。
本願は、独国特許出願第１０２００９０１５５６９．４号の優先権を主張するものであり、その開示内容は引用により本願に含まれる。

Claims (15)

  1. 窒化物材料系をベースとするオプトエレクトロニクス半導体チップであって、
    前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）は少なくとも１つの活性量子井戸（２）を有し、
    動作中、前記活性量子井戸（２）において電磁波が生成され、
    前記活性量子井戸（２）は、前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）の成長方向ｚに対して平行な方向に、相互に重なったＮ個のゾーン（Ａ）を有し、ただし、Ｎは２以上の自然数であり、
    前記ゾーン（Ａ）のうち少なくとも２つのゾーンの平均インジウム含有率ｃは相互に異なり、
    前記活性量子井戸（２）は、条件
    Figure 2012522390
     を満たすことを特徴とする、オプトエレクトロニクス半導体チップ。
  2. 前記活性量子井戸（２）は、条件
    Figure 2012522390
     を満たし、ただし、前記成長方向ｚに対して平行な方向に順に前記ゾーン（Ａ）に連続番号を付与すると、
    ｃｉはｉ番目の前記ゾーン（Ａ）の平均インジウム含有率であり、
    ｗｉは前記ｉ番目のゾーン（Ａ）の幅である、
    請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  3. 前記活性量子井戸（２）の前記ゾーン（Ａ）の各インジウム含有率ｃは一定である、請求項１または２記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  4. Ｎ≧３であり、
    前記ゾーン（Ａ）に、前記成長方向ｚに平行な方向に順に連続番号を付した場合、該成長方向ｚに対して平行に前記半導体チップ（１）のｐ端子側（ｐ）からｎ端子側（ｎ）に向かう方向における前記ゾーン（Ａ）の少なくとも一部の平均インジウム含有率に、
    ｃｉ＜ｃｉ＋１ かつｃｉ＋１＞ｃｉ＋２
    が適用される、請求項１から３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  5. ｃｉ＜ｃｉ＋２である、請求項４記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  6. Ｎ≧３であり、
    前記ゾーン（Ａ）に、前記成長方向ｚに平行な方向に順に連続番号を付した場合、該成長方向ｚに対して平行に前記半導体チップ（１）のｐ端子側（ｐ）からｎ端子側（ｎ）に向かう方向における前記ゾーン（Ａ）の少なくとも一部の平均インジウム含有率に、
    ｃｉ＞ｃｉ＋１ かつｃｉ＋１＞ｃｉ＋２ かつｃｉ＞ｃｉ＋２
    が適用される、請求項１から５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  7. 前記活性量子井戸（２）の前記インジウム含有率ｃは、前記成長方向ｚに対して平行な方向に単調に増大していく、請求項１から３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  8. Ｎは３〜１０であり、
    前記活性量子井戸（２）の全幅（Ｗ）は０．２５ｎｍ〜１２ｎｍである、請求項１から７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  9. 前記活性量子井戸（２）は、前記成長方向ｚに対して平行な方向に２〜５個である、請求項１から８までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  10. 前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）は少なくとも２つの非活性量子井戸（３）を有し、
    前記非活性量子井戸（３）の各インジウム含有率は、前記活性量子井戸（２）の最大インジウム含有率より小さい、請求項１から９までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  11. 少なくとも２つの隣接する前記活性量子井戸（２）間に、前記非活性量子井戸（３）が少なくとも１つ設けられている、請求項９および１０記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  12. 前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）は少なくとも２つの導波層（４）を含み、前記活性量子井戸（２）は該導波層（４）間に設けられており、
    前記導波層（４）のうち少なくとも１つの導波層は、少なくとも１つのキャリア障壁層（５）を含む、請求項１から１１までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  13. 前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）はレーザ光を生成するために構成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。
  14. 前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）は、４３０ｎｍ〜５４０ｎｍの電磁波を生成するために構成されている、請求項１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半導体チップ。
  15. 窒化物材料系をベースとするオプトエレクトロニクス半導体チップであって、
    前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）は少なくとも１つの活性量子井戸（２）を有し、
    動作中、前記活性量子井戸（２）において電磁波が生成され、
    前記活性量子井戸（２）は、前記オプトエレクトロニクス半導体チップ（１）の成長方向ｚに対して平行な方向に、相互に重なったＮ個のゾーン（Ａ）を有し、ただし、Ｎは２以上の自然数であり、
    前記ゾーン（Ａ）には、前記成長方向ｚに対して平行な方向に順に連続番号が付されており、
    前記ゾーン（Ａ）のうち少なくとも２つのゾーンの平均アルミニウム含有率ｋは相互に異なり、
    前記活性量子井戸（２）は、
    Figure 2012522390
     を満たすことを特徴とする、オプトエレクトロニクス半導体チップ。
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