JP2015529974A - オプトエレクトロニクス半導体ボディ及びオプトエレクトロニクス半導体チップ - Google Patents

Abstract

本発明は、放射発生のために設けられた活性領域（２０）を含む半導体積層体（２）と、第１のバリア領域（２１）と、第２のバリア領域（２２）とを有する、オプトエレクトロニクス半導体ボディ（１）に関する。活性領域（２０）は、第１のバリア領域（２１）と第２のバリア領域（２２）との間に配置されている。第１のバリア領域（２１）内に、引張応力が与えられた少なくとも１つの電荷キャリアバリア層（３）が配置されている。さらに本発明は、このような半導体ボディを備えた半導体チップ（１０）に関する。

Description

本発明は、オプトエレクトロニクス半導体ボディ及びオプトエレクトロニクス半導体チップに関する。

発光ダイオードのような放射発光素子においては漏れ電流が、素子の効率に制限を与えてしまう重要な損失メカニズムを成す可能性がある。ＩｎＧａＡｌｐをベースとする発光ダイオードについて判明したのは、このような損失メカニズムは波長が短くなるにつれて目立って発生するようになり、しかも動作温度が高くなるにつれて著しく強まることである。

本発明の課題は、放射発光効率を向上させることにある。

この課題は、請求項１記載の特徴を備えたオプトエレクトロニクス半導体ボディ、及びこの種の半導体ボディを備えた半導体チップによって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が示されている。

オプトエレクトロニクス半導体ボディは、電磁放射発生のために設けられた活性領域と、第１のバリア領域と、第２のバリア領域とを含む半導体積層体を有している。活性領域は、第１のバリア領域と第２のバリア領域との間に配置されている。好適であるのは、第１のバリア領域と第２のバリア領域とが、導電型に関して互いに異なっていることである。例えば、第１のバリア領域をｐ型で形成し、第２のバリア領域をｎ型で形成することができ、又はその逆で形成することができる。第１のバリア領域内に、引張応力が与えられた少なくとも１つの電荷キャリアバリア層が配置されている。

引張応力が与えられた電荷キャリアバリア層を用いることで、オプトエレクトロニクス半導体ボディの動作中、漏れ電流を効率的に低減できる、ということが判明した。したがってこれにより、オプトエレクトロニクス半導体ボディの効率が高められる。

引張応力が与えられた層の場合には、層の主延在面に沿った層の格子定数が、層の材料に固有の本来の格子定数よりも大きくなる。同様に、層固有の本来の格子定数よりも小さい格子定数を有する半導体層については、圧縮応力が与えられた、と呼ばれる。

１つの有利な実施形態によれば、電荷キャリアバリア層の相対的な格子不整合率は、０．２％以上１％以下であり、特に有利には０．３％以上０．７％以下である。相対的な格子不整合率とは、層の格子定数ｇと本来の格子定数ｇ０の差と、本来の格子定数との比のことであり、つまり（ｇ−ｇ０）／ｇ０のことである。

電荷キャリアバリア層が漏れ電流を効率的に低減させるように、かつ、この層が高い結晶品質を有することができるように、特に応力を減少させる緩和が生じないように、電荷キャリアバリア層を形成する目的で、上述のような相対的な格子不整合率が殊に適している、ということが判明した。

電荷キャリアバリア層を、特に電子バリアとしてｐ型の第１のバリア領域内に形成することができる。ただし別の選択肢として、又はこれに加えて、電荷キャリアバリアをホールバリアとして、ｎ型の第１のバリア領域内又は第２のバリア領域内に形成することもできる。

１つの有利な実施形態によれば、活性領域は化合物半導体の材料系Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＰをベースとし、ただし０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつｘ＋ｙ≦１である。以下ではリン化物半導体材料とも称するこの材料系は、黄色から赤色のスペクトル範囲で放射を発生させるために殊に適している。

ただし活性領域を、他の半導体材料例えば別のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料をベースとしてもよい。紫外線から青色そして緑色のスペクトル範囲までの放射を発生させるためには、例えば窒化物半導体材料（Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ）が適しており、赤色から赤外線のスペクトル範囲のためにはヒ化物の化合物半導体材料（Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＡｓ）が適している。ただしこの場合、０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつｘ＋ｙ≦１がそれぞれ適用される。

１つの有利な実施形態によれば、電荷キャリアバリア層のアルミニウム含有率は、電荷キャリアバリア層の少なくとも一方の面格別有利には電荷キャリアバリア層の両面に接する材料よりも高い。

さらに有利であるのは、電荷キャリアバリア層に接する材料は、ヒ化ガリウムに対して格子整合されていることであり、又は実質的に格子整合されていることである。本明細書において、実質的に格子整合されている、とは、相対的な格子不整合率が絶対値でみた場合に最大で０．１５％である、ということを意味する。

さらに別の実施形態によれば、電荷キャリアバリア層のアルミニウム含有率ｘは、０．５２以上０．７以下である。したがって燐化物半導体材料がヒ化ガリウムの上に堆積されると、ヒ化ガリウムに関連して電荷キャリアバリア層に対し引張応力が与えられる。

さらに別の実施形態によれば、電荷キャリアバリア層の厚さは、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、特に有利には３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

電荷キャリアバリア層をこの厚さの範囲内にすることで、特に前述の相対的な格子不整合率と関連して、漏れ電流を効率的に低減しかつクリティカルな層厚よりも薄い厚さの電荷キャリアバリア層を形成することができる。半導体層に関してクリティカルな層厚とは、引張応力が与えられた半導体層の成長に対する材料固有の上限のことである。クリティカルな層厚を超えたときに典型的であるのは、結晶品質を劣化させる引張応力の減少が転位により発生することである。一般的に、相対的な格子不整合率が小さくなるにつれて、クリティカルな層厚が厚くなる。

１つの実施形態によれば、第１のバリア領域は少なくとも１つの別の電荷キャリアバリア層を有している。電荷キャリアバリア層と別の電荷キャリアバリア層は、同種の電荷に対しバリアを構成し、例えばｐ型の第１のバリア領域における電子に対しバリアを構成する。

電荷キャリアバリア層と別の電荷キャリアバリア層とは、有利には相互に３ｎｍ以上２００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されている、特に、第１の電荷キャリアバリア層と別の電荷キャリアバリア層とは、相互に５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の間隔をおいて配置することができる。

好適であるのは、この別の電荷キャリアバリア層にも引張応力を与えることである。例えばこの別の電荷キャリアバリア層は、電荷キャリアバリア層に関して挙げた既述の特徴のうち１つ又は複数の特徴を有することができる。

電荷キャリアバリア層と別の電荷キャリアバリア層との間の半導体材料は、応力を加えずに形成することができる。別の選択肢として、電荷キャリアバリア層と別の電荷キャリアバリア層との間に、圧縮応力が与えられた中間層を配置することができる。

圧縮応力が与えられた中間層によって、電荷キャリアバリア層の応力を少なくとも部分的に補償調整することができる。このような応力の補償調整によって、半導体材料の応力全体が合わさって転位を生じさせてしまうのを回避することができる。

１つの有利な実施形態によれば、別の電荷キャリアバリア層は、電荷キャリアバリア層よりも活性領域から広い間隔をおいて配置されており、かつ電荷キャリアバリア層よりも高いアルミニウム含有率を有している。したがってこの別の電荷キャリアバリア層には、電荷キャリアバリア層よりも強く引張応力が与えられており、かつこの別の電荷キャリアバリア層は、電荷キャリアバリア層よりも大きい電荷キャリアバリアを成している。引張応力が強まると、緩和のリスクひいては緩和により引き起こされるバリア効果低減のリスクが高まる。ただしこのような緩和が発生したとしても、アルミニウム含有率の低い電荷キャリア層がその手前に配置されていることで、電荷キャリアに対するバリア効果を維持することができる。

有利には活性領域は、少なくとも１つの量子層を含む量子構造を有している。ここで用いた量子構造という表現は、量子化の次元数に関して何ら制約がないことを含意しており、例えば量子井戸（quantum well）、量子ワイヤ（quantum rod）、量子ドット（quantum dot）を含むものである。

電荷キャリアバリア層は、電荷キャリアバリア層の最も近くに位置する量子構造の量子層から、有利には１０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されており、殊に有利には１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されている。

量子層からこの間隔をおいて電荷キャリアバリア層を配置することにより、殊に効率的なバリア効果を達成することができる。

オプトエレクトロニクス半導体チップが、既述の特徴を備えた半導体ボディと支持体を有しており、この場合、支持体の上に半導体ボディが配置されている。

この支持体を例えば、半導体ボディの半導体積層体のための成長基板とすることができる。例えばリン化物の化合物半導体材料のためには、成長基板としてヒ化ガリウムが適している。

別の選択肢として、支持体を半導体積層体のための成長基板とは異なるものとしてもよい。この場合、支持体は、半導体ボディと材料相互間の結合力ないしは粘着力で接合されている。材料相互間の結合ないしは粘着力による結合により、有利には予め製造されていた接合相手それぞれが、原子及び／又は分子の力によって１つにまとめられる。材料相互間の結合を、例えば接着剤又ははんだなどの接合手段を利用して達成することができる。一般に、このような結合が分離された場合には、それに付随して接合手段の破壊及び／又は接合相手の少なくとも一方の破壊が生じる。

支持体は、例えば半導体積層体の機械的安定化の役割を果たす。このためには成長基板はもはや不要であり、したがって除去することができる。

半導体積層体のための成長基板が除去された半導体チップは、薄膜半導体チップとも呼ばれる。さらに有利であるのは、半導体ボディと支持体との間に、例えば金属のミラー層を配置することである。活性領域で生成され支持体方向に発せられた放射を、このミラー層で反射させて、半導体チップにおいて支持体とは反対側の放射出射面から出射させることができる。

その他の特徴及び実施形態並びに利便性については、図面を参照した以下の説明を参照されたい。

半導体ボディを含む半導体チップの実施例を略示した断面図 半導体ボディを含む半導体チップの実施例を略示した断面図 １つの実施例による堆積方向ｚに沿ったバンドギャップＥ_Gの特性を示す図 １つの実施例について伝導帯端特性Ｅ_Cの一部分の抜粋図 １つの実施例について伝導帯端特性Ｅ_Cの一部分の抜粋図 １つの実施例について伝導帯端特性Ｅ_Cの一部分の抜粋図 電荷キャリアバリア層が設けられているものと、電荷キャリアバリア層が設けられていないものとについて、発光波長λで発光する種々の半導体チップの発光放射出力の測定結果を示す図 電荷キャリアバリア層が設けられていない半導体ボディについて、所定の動作温度のときの堆積方向ｚに沿った電流密度ｊをシミュレートした経過特性を示す図 電荷キャリアバリア層が設けられた半導体ボディについて、所定の動作温度のときの堆積方向ｚに沿った電流密度ｊをシミュレートした経過特性を示す図 電荷キャリアバリア層が設けられていない半導体ボディについて、所定の動作温度のときの堆積方向ｚに沿った電流密度ｊをシミュレートした経過特性を示す図 電荷キャリアバリア層が設けられた半導体ボディについて、所定の動作温度のときの堆積方向ｚに沿った電流密度ｊをシミュレートした経過特性を示す図

図中、同じ部材、同種の部材、或いは同等の機能を果たす部材には、同じ参照符号が付されている。

また、図面および図面に描かれている部材相互間のサイズの比率は、縮尺どおりにみなされるものではない。つまり個々の部材及び特に層厚は、見やすくするため及び／又は理解しやすくするため、誇張したサイズで描かれている場合もある。

図１には、半導体ボディ１を含む半導体チップ１０の第１の実施例が略示されている。以下では一例として、ルミネッセンスダイオード例えば、リン化物の化合物半導体材料をベースに、放射生成のために設けられた活性領域を備えた発光ダイオードに基づき説明を行う。ただし、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を使用してもよく、例えば窒化物の化合物半導体材料又はヒ化物の化合物半導体材料を使用してもよい。半導体チップ１０は、支持体５の上に配置された半導体ボディ１を有している。この実施例では支持体は、例えばＭＯＣＶＤ又はＭＢＥを用いて有利にはエピタキシャル成長により半導体ボディ１の半導体積層体２を堆積させるための成長基板である。成長基板として適しているのは、例えばヒ化ガリウムである。

半導体積層体２は垂直方向に拡がっており、つまり半導体積層体２の半導体層の主延在面に対し垂直に延びる方向で、第１の主面２３と第２の主面２４との間に拡がっており、それによって半導体ボディ１が形成されている。

半導体積層体２には、放射生成のために設けられた活性領域２０が含まれている。活性領域２０は、複数の量子層２０１を含む量子構造を有しており、隣り合う量子層の間にそれぞれ１つの量子バリア２０２が配置されている。図面を簡単にするため、図中には３つの量子層だけしか示されていないが、量子層の個数を広い範囲で変更することができる。例えば活性領域が、１以上２００以下の個数の量子層を含むようにすることができる。

半導体積層体２はさらに、第１のバリア領域２１と第２のバリア領域２２を含んでいる。活性領域２０は、第１のバリア領域と第２のバリア領域との間に配置されている。以下の説明においては、第１のバリア領域２１はｐ型で形成されており、第２のバリア領域２２はｎ型で形成されている。第１のバリア領域２１は、活性領域と第１の主面２３との間に拡がっており、第２のバリア領域２２は、活性領域と第２の主面２４との間に拡がっている。なお、導電型に関して、半導体ボディ１を逆にして形成してもよい。

半導体チップ１０にはさらに、第１のコンタクト６１と第２のコンタクト６２が含まれている。これらのコンタクト間に電圧を加えることで、互いに向き合った各側から活性領域２０へ電荷キャリアを注入し、そこにおいてそれらを再結合させて放射を発光させることができる。

第１のバリア領域２１は、電荷キャリアバリア層３を有している。電荷キャリアバリア層３は、引張応力が与えられて形成されている。これに対し、電荷キャリアバリア層の両側に接している第１のバリア領域の材料は、引張応力が与えられずに形成されている。ヒ化ガリウムの成長基板の場合には、例えばリン化物の化合物半導体材料が適しており、４８％〜５１％のアルミニウム含有率及びこれに応じて５２％〜４９％のインジウム含有率を有するリン化物の化合物半導体材料が特に適している。

特に、電荷キャリアバリア層３に接する材料をガリウム不含とすることができ、又は実質的にガリウム不含とすることができ、つまりこの場合、ガリウム含有率は最大で５％である。

図示の実施例では、第１のバリア領域２１には主領域２１２とコンタクト領域２１１が含まれている。コンタクト領域２１１により第１の主面２３が形成される。電荷キャリアバリア層３は、主領域２１２内に配置されている。

コンタクト領域２１１は、ヒ化物の化合物半導体材料をベースとすることができる。コンタクト領域２１１を多層で形成してもよい。特に主面２３に接する材料を、ｐ型のヒ化ガリウムから成るようにすることができる。

第１のコンタクト６１に対するオーミックコンタクトを、簡単に達成することができる。ただしこれとは異なるが、ヒ化物の化合物半導体材料から成るこの種のコンタクト領域を省いてもよい。

主領域２１２の垂直方向の長さが、コンタクト領域２１１の垂直方向の長さの少なくとも２倍であると有利である。

引張応力が与えられた電荷キャリアバリア層３の相対的な格子不整合率は、有利には０．２％以上１％以下であり、特に０．３％以上０．７％以下である。

電荷キャリアバリア層の厚さは、有利には１ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、特に３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

有利には、電荷キャリアバリア層３の相対的な格子不整合率と電荷キャリアバリア層の厚さは、電荷キャリアバリア層がクリティカルな層厚を超えないよう、互いに調整されている。相対的な格子不整合率が低くなるにつれて、電荷キャリアバリア層の厚さを厚くすることができ、その逆も成り立つ。

活性領域２０においてバリア領域２１に最も近い量子層２０１と、電荷キャリアバリア層３との間隔ｄは、有利には１０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり、殊に有利には１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。

第１のバリア領域２１の半導体材料は、必ずしも一貫してｐ型にドーピングして堆積させなくてもよい。例えば一部の領域特に電荷キャリアバリア層３を公称上、ドーピングなしで成長させてもよい。公称上はドーピングなしで堆積させた層のドーピングを、あとから堆積させた半導体材料の逆拡散によって生じさせることができる。

第１のバリア領域２１のｐ型ドーピングを、例えばマグネシウム及び／又は炭素によって行うことができる。特に、主領域２１２をマグネシウムでドーピングし、コンタクト領域２１１を炭素でドーピングすることができる。ｎ型ドーピングに適しているのは、例えばテルル又はケイ素である。

電荷キャリアバリア層３は有利には、電荷キャリアバリアの両方の面に接する材料よりも高いアルミニウム含有率を有する。特にアルミニウム含有率を、０．５２以上０．７以下とすることができる。アルミニウム含有率が上がるにつれて、一般に材料のバンドギャップＥ_Gが拡がる。

ｐ型である第１のバリア領域２１の場合、電荷キャリアバリア層３は電子バリアとして形成されている。電子バリアを用いることで、活性領域２０内で再結合して放射することなく活性領域を横切って第１のコンタクト６１に至る電子の割合を低減することができる。

既述のように引張応力が与えられた電荷キャリアバリア層によって、引張応力がバリア効果にいくらか反作用を及ぼす可能性があるにしても、効率的な電子バリアを形成できることが判明した。

さらに判明したことは、高濃度例えば少なくとも１*１０¹⁸ｃｍ^-3でドーピングされている領域内に電荷キャリアバリア層３を配置すると、小数電荷キャリアつまりｐ型領域内の電子に対し比較的大きいバリアとなり、かつ多数電荷キャリアつまりｐ型領域内の正孔に対し比較的小さいバリアとなる、ということである。したがって、電荷キャリアバリア層と、この層に接する第１のバリア領域２１の材料との接合部におけるバンド不連続性は、もっぱら伝導帯において発生する。

さらに、電荷キャリアバリア層３に接する第１のバリア領域２１の材料において比較的高濃度のドーピングを行うことによって、バンド不連続性領域における空乏領域が小さくなり、バンド端部付近にフェルミ準位が存在するようになる。

これまで述べてきた実施形態とは異なるが、第１のバリア領域２１をｎ型で形成してもよい。このケースでは、第１のバリア領域に形成される電荷キャリアバリア層３は正孔バリアである。しかもこの場合、第１のバリア領域２１内の電荷キャリアバリア層に加えて、第２のバリア領域２２にも電荷キャリアバリア層を形成することができる。この場合には、半導体ボディは電子バリアも正孔バリアも含むことができる。

図２に示されている第２の実施例は基本的には、図１を参照しながら説明した実施例に相応する。ただし図１との相違点として支持体５は、半導体積層体２のための成長基板とは異なるものである。この場合、支持体５は特に、半導体積層体２の機械的安定化のために用いられ、したがってこのためには成長基板はもはや不要であり、除去することができる。つまりこの場合、半導体チップ１０は、薄膜半導体チップとして実現されている。

半導体積層体２は接合層７１を利用することで、材料間の結合力ないしは粘着力によって支持体５に取り付けられており、例えばはんだ層、導電性接着層などによって取り付けられている。

半導体積層体２の第１の主面２３にはミラー層７２が配置されており、この層は、活性領域２０で発生し支持体５の方向に発せられた放射を反射する。半導体チップの放射は主として、有利には少なくともその７０％は、支持体５とは反対側にある半導体ボディ１の第２の主面２４を通して行われる。

さらに第１の実施例とは異なり第２のバリア領域２２は、第２の主面２４と接するコンタクト領域２２１を有している。コンタクト領域２２１は、ヒ化物の化合物半導体材料をベースとすることができる。ただし、このようなコンタクト領域を省くことも可能である。

図３には、堆積方向ｚ即ち垂直方向に沿ったバンドギャップＥ_Gの特性が、概略的に示されている。図示の実施例の場合、活性領域２０は多数の量子層例えば１００個の量子層を有しているので、個々の量子層について図面に個別に示すことはできない。

電荷キャリアバリア層３は、両面で電荷キャリアバリア層３に接している半導体材料よりも高いアルミニウム含有率を有しており、したがってその半導体材料よりも大きいバンドギャップを有している。

両面で電荷キャリアバリア層３に接している第１のバリア領域２１の半導体材料は、活性領域２０の量子バリア２０２よりも高いアルミニウム含有率を有しており、したがって量子バリア２０２よりも大きいバンドギャップを有している。

つまり第１のバリア領域２１自体が既に電荷キャリアバリア層を成しており、引張応力が与えられた電荷キャリアバリア層３によって、バリア効果が大きく高められている。したがってこの場合、電荷キャリアバリア層３がクリティカルな層厚よりも薄く形成されていることから、緩和に起因して材料品質を劣化させることなく、ｐ型の第１のバリア領域２１において電子に対するバリア効果を改善することができる。

図４Ａ〜図４Ｃには、活性領域２０の一部分と電荷キャリアバリア層３とをそれぞれ示す抜粋図として、伝導帯のバンド端特性Ｅ_Cが概略的に示されている。

図４Ａに示されている実施例の場合、第１のバリア領域２１は、電荷キャリアバリア層３に加えて、さらに２つの別の電荷キャリアバリア層３５を有している。これらの電荷キャリアバリア層の間隔は、有利には３ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、殊に有利には５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

電荷キャリアバリア層３と別の電荷キャリアバリア層３５は、この実施例ではそれぞれ同じ形態のものとして形成されており、殊にアルミニウム含有率及びそれらの引張応力に関して同様に形成されている。電荷キャリアバリア層の個数の増加により、バリア効果が向上する。

図４Ｂに示されている実施例の場合には同じ形態ではなく、活性領域２０からの間隔が広がるにつれて、電荷キャリアバリア層のアルミニウム含有率が高まり、ひいては引張応力の度合いが大きくなる。

アルミニウム含有率が高まるにつれて、電荷キャリアバリア層３もしくは別の電荷キャリアバリア層３５は、電子バリアの機能をいっそう強く果たすことができるようになる。ただしその場合、製造時にクリティカルな層厚を超えてしまい、それにより引張応力が緩和して減少してしまうリスクも高まる。したがって有利であるのは、プロセス変動があっても電荷キャリアバリア層のクリティカルな層厚を超えてしまわないよう、最小のアルミニウム含有率で電荷キャリアバリア層３を形成することである。活性領域からいっそう離れた電荷キャリアバリア層３５が、いっそう高いアルミニウム含有率によって緩和した場合には少なくとも、活性領域に最も近い電荷キャリアバリア層３によって、電荷キャリアバリア効果が確保される。

図４Ｃに示されている実施例によれば、隣り合う電荷キャリアバリア層３，３５の間に、それぞれ１つの中間層３１が配置されており、これらの中間層にはそれぞれ圧縮応力が与えられている。これらの中間層が設けられている理由は、電荷キャリアバリア３，３５の層厚合計がクリティカルな層厚を超えてもいいように、引張応力が与えられている電荷キャリアバリア層３，３５の引張応力を補償調整するためである。中間層３１の厚さは、つまりは隣り合う電荷キャリアバリア層の間隔は、有利には１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、殊に有利には３ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。しかも中間層３１の厚さが最大で１０ｎｍであれば、量子効果を利用することができる。

図５には、それぞれ異なる半導体チップに関する放射出力Ｐの測定結果が示されている。この場合、測定値８０はそれぞれ、電荷キャリアバリア層を備えた半導体ボディに関するものであり、測定値９０はそれぞれ、電荷キャリアバリア層を備えていない半導体ボディに関するものである。電荷キャリアバリア層の厚さは、それぞれ１５ｎｍである。

この測定は、１００℃の温度で実施された。放射出力Ｐは発光波長λにも依存するので、測定値ごとにそれぞれ波長に依存する直線が、上限８２もしくは９２、下限８３もしくは９３、及び平均値８１もしくは９１として書き込まれている。矢印９５で表されている平均値相互間の比較結果によれば、放射出力の上昇率は２３％となっている。矢印９６で表されている上限相互間の比較結果によれば、放射出力の上昇率は１４％となっている。電荷キャリアバリア層が設けられた４つの半導体ボディの平均値を、電荷キャリアバリア層が設けられていない半導体ボディの上限９２と比較したとしても、なお１０％の上昇率がある。つまりこの測定によって裏付けられたのは、電荷キャリアバリア層３によって半導体チップの効率を格段に高めることができる、ということである。

図６Ａ〜図６Ｄには、堆積方向ｚに沿った電流密度ｊの経過特性に対するシミュレーション結果が示されている。これらのシミュレーションは、２０個の量子井戸を備えた活性領域を含み６００ｎｍの発光波長を有する半導体積層体に基づき行われた。さらにこれらのシミュレーションはそれぞれ、１００℃の温度の場合（図６Ａ及び図６Ｂ）と２０℃の温度の場合（図６Ｃ及び図６Ｄ）における２００Ａ／ｃｍ²の電流密度に関するものである。

図６Ａ及び図６Ｃはそれぞれ、電荷キャリアバリア層が設けられていない比較対象構造に関するものである。図６Ｂ及び図６Ｄは、引張応力が与えられた１０ｎｍの厚さの電荷キャリアバリア層が設けられた構造に関するものであり、この場合、電荷キャリアバリア層は、隣接する第１のバリア領域の材料のバンドギャップよりも４０ｍｅＶ大きいバンドギャップを有する電子バリアとして形成されている。

曲線９７及び９８はそれぞれ、正孔もしくは電子の電流密度を表している。ｚ＝０のとき、基礎とする電流密度である２００Ａ／ｃｍ²で除算した曲線９８の値は、再結合することなく活性領域を通過する、つまりは放射発光に寄与しない電子の割合をそれぞれ表している。これらの値の比較からわかるのは、電荷キャリアバリア層３によって温度が１００℃のときには、この割合を２３．３％から２０．９％に低減でき、温度が２０℃のときには、この割合を３．８％から３．２％に低減できることである。したがって、効率上昇が漏れ電流の低減に正比例するとしたならば、１００℃のときに約３％上昇することになる。ただし実際に予期される発光放射出力の上昇に関しては、いわゆる光子再循環係数（photon recycling factor）を考慮しなければならない。この係数は、光子が半導体材料から離れる前に吸収されて再発光させられる頻度を表す。したがって損失が２３．３％から２０．９％に減少し、代表的な光子再循環係数がおおよそ５であるならば、シミュレーションに基づき、((1 - 0.209) / (1 - 0.233)) ∧5 = 1.17つまり約１７％、効率の上昇を予期することができる。

よって、図５に示した測定と同じく、このシミュレーションにより裏付けられたのは、引張応力が与えられた電荷キャリアバリア層を設けることで、放射発生の効率を著しく向上させることができる、ということである。しかも、半導体チップのこの部分以外の製造方法に実質的に変更を加える必要なく、このような向上を達成することができる。

本願は、ドイツ連邦共和国特許出願10 2012 107 795.9の優先権を主張するものであり、ここで上記特許出願を参照したことにより、その開示内容が本願にも含まれるものとする。

本発明は、実施例に基づく上述の説明に限定されるものではない。むしろ本発明は、個々の新たな特徴並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、そのような組み合わせには殊に、特許請求の範囲に記載された特徴のあらゆる組み合わせが含まれ、このことは、それらの特徴又はそれらの組み合わせ自体が、特許請求の範囲或いは実施例に明示的には挙げられていないにせよ、該当するものである。

Claims (15)

1. 放射発生のために設けられた活性領域（２０）と、第１のバリア領域（２１）と、第２のバリア領域（２２）と含む半導体積層体（２）を有する、
   オプトエレクトロニクス半導体ボディ（１）において、
   前記活性領域は、前記第１のバリア領域と前記第２のバリア領域との間に配置されており、
   前記第１のバリア領域内に、引張応力が与えられた少なくとも１つの電荷キャリアバリア層（３）が配置されている
   ことを特徴とする、オプトエレクトロニクス半導体ボディ。
2. 前記電荷キャリアバリア層の相対的な格子不整合率は、０．２％以上１％以下である、
   請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
3. 前記活性領域は、材料系Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＰをベースとし、ただし０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつｘ＋ｙ≦１であり、前記電荷キャリアバリア層は、０．５２≦ｘ≦０．７のアルミニウム含有率ｘを有する、
   請求項１又は２記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
4. 前記電荷キャリアバリア層は、該電荷キャリアバリア層の両面に接する材料よりも高いアルミニウム含有率を有する、
   請求項１から３のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
5. 前記電荷キャリアバリア層に接する材料はガリウム不含である、又は最大で５％のガリウム含有率を有する、
   請求項１から４のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
6. 前記電荷キャリアバリア層は、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下の厚さを有する、
   請求項１から５のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
7. 前記第１のバリア領域は、引張応力が与えられた少なくとも１つの別の電荷キャリアバリア層（３５）を含む、
   請求項１から６のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
8. 第１の電荷キャリアバリア層と前記別の電荷キャリアバリア層とは、相互に３ｎｍ以上２００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されている、
   請求項７記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
9. 第１の電荷キャリアバリア層と前記別の電荷キャリアバリア層とは、相互に５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されている、
   請求項７記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
10. 第１の電荷キャリアバリア層と前記別の電荷キャリアバリア層とは、相互に３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されている、
    請求項７記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
11. 前記別の電荷キャリアバリア層は、前記活性領域から、前記電荷キャリアバリア層の場合よりもさらに離されて配置されており、かつ前記電荷キャリアバリア層よりも高いアルミニウム含有率を有する、
    請求項７から１０のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
12. 前記電荷キャリアバリア層と前記別の電荷キャリアバリア層との間に、圧縮応力が与えられた中間層（３１）が配置されている、
    請求項７から１１のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
13. 前記活性領域は、少なくとも１つの量子層（２０１）を含む量子構造を有しており、前記電荷キャリアバリア層は、該電荷キャリアバリア層に最も近い前記量子構造の量子層から、１０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の間隔をおいて配置されている、
    請求項１から１２のいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体ボディ。
14. 請求項１から１３のいずれか１項記載の半導体ボディを備えたオプトエレクトロニクス半導体チップにおいて、
    前記半導体ボディは支持体（５）の上に配置されている
    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。
15. 前記半導体ボディと前記支持体との間に金属のミラー層（７２）が配置されている、
    請求項１４記載のオプトエレクトロニクス半導体チップ。

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