JP2018522405A - オプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法およびオプトエレクトロニクス半導体装置 - Google Patents
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Abstract
半導体積層体（１）を設ける工程であって、半導体積層体（１）は発光および／または吸光活性領域（１２）と、半導体積層体（１）の延在主面に対して垂直に延びる積層方向（ｚ）において活性領域（１２）の後に配置された被覆面（１ａ）とを有する工程と、被覆面（１ａ）に積層体（２）を載置する工程であって、積層体（２）はインジウム含有酸化物層（２０）と、積層方向（ｚ）において被覆面（１ａ）の後に配置された中間面（２ａ）とを有する工程と、酸化インジウムスズで形成されるコンタクト層（３）を中間面（２ａ）に設ける工程とを含み、積層体（２）は製造上の許容範囲内で錫を含有しない、オプトエレクトロニクス半導体部品を製造するための方法を示す。
Description
特許文献１は、オプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法およびオプトエレクトロニクス半導体装置を記述している。
達成すべき目的の１つは、電気コンタクトの改善したオプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法を提供することである。さらに、電気コンタクトの改善したオプトエレクトロニクス半導体装置を提供することを意図している。
オプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法が提供される。オプトエレクトロニクス半導体装置は、動作時に光を出射および／または吸収するように設計されうる。オプトエレクトロニクス半導体装置は、例えば発光ダイオード、フォトダイオード、および／または半導体レーザダイオードである。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、半導体積層体が設けられる。半導体積層体は、側方に延在する延在主面を有する。半導体積層体の積層方向は、延在主面に対して垂直に延びる。積層方向に沿った半導体積層体の厚さは、半導積層体の側方における最大寸法と比較して小さい。半導体積層体の主面は、半導体積層体の上面を形成する。
半導体積層体は成長キャリア上に、特に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によって、エピタキシャルに成長されうる。ここで成長に続く工程において、成長キャリアは半導体積層体から取り除かれうる。半導体積層体は、積層方向に上下に配置された多数の半導体層を含みうる。各半導体層は延在主面に沿って広がりうる。半導体層は半導体材料で形成されうる。特に、半導体積層体は窒化物化合物半導体材料系でありうる。
「窒化物化合物半導体材料系」とは、以下明細書において半導体積層体、あるいは半導体積層体の少なくとも１つの半導体層、好ましくは半導体積層体の各半導体層がＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物半導体材料、好ましくはＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含むことを意味している。ここで、この材料は必ずしも上記式に一致する数学的に正確な組成である必要はない。代わりに、ＡｌｙＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮ材料の特徴的な物性を実質的に変性しない、１つ以上のドーパントおよび追加の構成成分を含有しうる。しかしながら簡素化のため、たとえ少量の追加物質で置換されていたとしても、上記式は結晶格子の基本構成成分（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ，Ｎ）のみを含む。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、半導体積層体は発光および／または吸光活性領域を含む。半導体積層体の上面は、積層方向における活性領域の下流にある。特に、活性領域は、電磁スペクトルの可視および／または紫外領域の光を出射または吸収する。出射光の波長、特にピーク波長は、２００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下、好ましくは４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、特に好ましくは４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下である。
半導体積層体は、例えば第１の半導体層、活性領域、第２の半導体層、および高ドープ半導体層を含む。高ドープ半導体層は、例えばｐ型ドープされうる。活性領域は、第１および第２の半導体層の間に配置されうる。ここで活性領域は、例えば層または積層体の形態をとり、半導体材料で形成されうる。高ドープ半導体層は、積層方向において第２の半導体層上に配置されうる。とりわけ、第２の半導体層と高ドープ半導体層とが互いに直に接し、特に互いに導電接続されていることが可能である。高ドープ半導体層の外面が、上面を構成しうる。
高ドープ半導体層は、特にマグネシウムでドープされうる。高ドープ半導体層におけるマグネシウムドーパントの濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０２０／ｃｍ３以上、特に好ましくは１．２×１０２０／ｃｍ３以上、かつ９×１０２０／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０２０／ｃｍ３以下、特に好ましくは２×１０２０／ｃｍ３以下である。高ドープ半導体層は、例えば酸素含有ガスによって活性化されうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、積層体が上面に載置される。積層体は、例えばエピタキシャル堆積および／またはスパッタリングによって上面に載置されうる。積層体は、積層方向において上下に配置された複数の層を含み、それぞれ延在主面に沿って広がりうる。
積層体は、インジウムを含有する酸化物層を含む。とりわけ酸化物層は、酸化インジウム、好ましくはＩｎ２Ｏ３を含みうる、または製造上の許容範囲内でこれらからなりうる。「製造上の許容範囲内で」ある種の材料からなる層とは以下明細書において、製造に関連したさらなる材料の不純物がこの層に存在しうることを意味する。
積層体は、さらに積層方向における上面の下流に中間面を有する。中間面は、半導体積層体から隔たった積層体の外面でありうる。特に、中間面は酸化物層の外面で構成されうる。
積層体、特に酸化物層は光透過性でありうる。以下明細書において層または積層体が「光透過性」であるとは、層または積層体の、オプトエレクトロニクス半導体装置の動作時に活性領域によって出射または吸収される光の透過係数が８０％以上、好ましくは９０％以上、特に好ましくは９５％以上である場合である。
さらに積層体が導電性であることも可能である。特に、積層体は半導体積層体と導電接続されうる。例えば積層体は、高ドープ半導体層と直接電気コンタクトしている。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、コンタクト層が中間面に載置される。コンタクト層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で形成されている。特にコンタクト層は、製造上の許容範囲内で酸化インジウムスズからなりうる。例えばコンタクト層は、０．７５≦ａ≦０．９９，好ましくはａ≦０．９８であるＩｎａＳｎ１−ａＯで形成されている。
コンタクト層は、特にプラズマの発生しない堆積方法、例えばＭＯＶＰＥによって載置されうる。この結果、結晶粒界のない単結晶のコンタクト層が得られうる。対照的に、例えばスパッタリングによって載置されたコンタクト層が結晶粒界を有することもありうる。
コンタクト層は光透過性でありうる。例えば、積層体から隔たったコンタクト層の外面は、オプトエレクトロニクス半導体装置の光通過面を形成しうる。光は、光通過面を通ってオプトエレクトロニクス半導体装置から出射または注入されうる。
特に、コンタクト層は導電性である。コンタクト層は、半導体積層体を電気コンタクトするように機能しうる。特にコンタクト層は、積層体を介して半導体積層体と導電接続されうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、積層体は製造上の許容範囲内で錫を含有しない。製造上の許容範囲内である種の元素および／または材料を含有しない層および／または積層体とは、以下明細書において、製造に関連した混入物質が原因で、層または積層体に微量のある種の元素および／または材料が存在するだけにすぎないことを意味しうる。隣接する層からこれらの層または積層体への、ある種の元素および／または材料の拡散は、同様に製造に関連した混入物質であると明細書において考えられるべきである。このように積層体は、製造上の許容範囲内で錫、特に酸化インジウムスズを含有しない。とりわけ、積層体における錫原子の数は、積層体におけるインジウム原子の数に対して１％以下、好ましくは０．５％以下、特に好ましくは０．１％以下でありうる、または錫は積層体において検出されない。
オプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法の少なくとも一態様によれば、半導体積層体を設ける工程であって、半導体積層体は発光および／または吸光活性領域と、半導体積層体の延在主面に対して垂直に延びる積層方向における活性領域の下流に上面とを有する工程と、上面に積層体を載置する工程であって、積層体はインジウムを含有する酸化物層と、積層方向における上面の下流に中間面とを有する工程と、酸化インジウムスズで形成されるコンタクト層を中間面に設ける工程とを含み、積層体は製造上の許容範囲内で錫を含有しない。
製造工程は前記の順序で行われうる。
上記オプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法において、半導体積層体の電気コンタクトを改善するために、半導体積層体上に直接コンタクト層を載置することを避けることが、本発明の意図である。この目的で、積層体が半導体積層体とコンタクト層との間に配置される。積層体によって、コンタクト層が直接半導体積層体に隣接することを防止することができ、特に半導体積層体の上面がコンタクト層の堆積前から保護されうる。
例えばスパッタリングによって半導体積層体の上面にコンタクト層が直接載置される、従って積層体が存在しない代替の半導体装置においては、半導体積層体および／またはコンタクト層におけるクラック、混入物質、および／または欠陥は、コンタクト層と半導体積層体との間の代替境界領域において発生しうる。この結果、代替の半導体装置において、コンタクト層と半導体積層体との間の電気コンタクトが阻害され、特に代替境界領域における電圧降下が大きくなりうる。
積層体の導入により半導体装置における電圧降下は、代替の半導体装置と比べて最大１００ｍＶまで低減されうる。驚くべきことにこの積層体によって、半導体積層体と積層体との間の第１の境界領域および／または積層体とコンタクト層との間の第２の境界領域における、例えば結晶構造の特性および／または損傷が無いことなどの材料品質を改善することが可能となることが見出された。特にここでは、インジウムを含有する酸化物層が、結晶特性の向上および／または半導体積層体の上面の結晶構造の保護に貢献しうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、酸化物層の載置においてまずインジウムを含有する窒化物層が設けられる。窒化物層は、例えばＭＯＶＰＥ、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、またはスパッタリングなどの成長方法によって設けられうる。
窒化物層は、特に窒化インジウム、好ましくはＩｎＮで形成されうる、またはこれらからなりうる。窒化物層は不透明でありうる。以下明細書において「不透明」であるとは、オプトエレクトロニクス半導体装置の動作時に活性領域によって出射または吸収される光の、層における透過係数が６０％以下、好ましくは５０％以下、特に好ましくは４０％以下である場合である。特に不透明層は、活性領域によって出射および／または吸収される光の光子のエネルギーよりも小さいエネルギーバンドギャップを有しうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、酸化工程において窒化物層は少なくとも部分的に酸化され酸化物層を生じる。酸化工程は、窒化物層の堆積に引き続く製造工程で行われうる。酸化工程は、例えば堆積のすぐ後に行われうる。あるいは、またはさらに、早ければ堆積中に酸化工程を行うことが可能である。
酸化のために、少なくとも酸化工程が行われる反応室に酸素含有ガスが通される。窒化物層の酸化時に、窒化物層に存在する窒素が酸素と置換される。
酸化工程の後、積層体は所々にのみ窒素を含有しうる。あるいは、またはさらに積層体は酸化後に光透過性でありうる。さらに、窒化物層が酸化工程において完全に酸化され酸化物層を生じることも可能である。特に酸化工程の後、酸化物層は製造上の許容範囲内で窒素を含有しないこともありうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、酸化物層の載置は、インジウムを含有する窒化物層を設ける工程と、酸化工程において少なくとも部分的に窒化物層を酸化して酸化物層を生じる工程と、を含む。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、窒化物層は、エピタキシャル堆積によって設けられる。特に窒化物層は、先行する工程で設けられた製造される半導体装置の層上にエピタキシャルに成長されうる。
酸化物層の直接の堆積とは対照的に、窒化物層の堆積には酸素を供給する必要がない。酸化に必要な酸素は、酸化工程でのみ供給されうる。このためエピタキシャル成長室の外でも進行しうる。酸化工程は、特に窒化物層の不透明性が見込まれるので必要でありうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、酸化工程はコンタクト層の載置の後に行われる。このように、コンタクト層がまず積層体の中間面に堆積され、その後、酸化工程が行われる。このように、窒化物層はコンタクト層を介して酸化される。ここでは、コンタクト層も同様に部分的に酸化されうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、少なくとも酸化工程は反応室で行われる。さらなる製造工程を反応室で行うことも可能である。反応室は、特にＭＯＶＰＥによるエピタキシャル堆積に用いられる反応室でありうる。
酸化工程時に、反応室での反応温度は４６０Ｃ°以上、好ましくは４８０°Ｃ以上、特に好ましくは５００°Ｃ以上である。さらに、反応温度は７２０°Ｃ以下、好ましくは７００°Ｃ以下、特に好ましくは６５０°Ｃ以下である。このように窒化物層は熱処理される。さらに、酸素と酸素含有ガスが酸化工程時に反応室に導入されうる。窒化物層の酸化は、酸素を供給すると同時に反応温度を達成することで可能となる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、酸化物層は、酸化インジウムのエピタキシャル堆積によって載置される。特に酸化物層は、先行する工程で設けられた製造される半導体装置の層上に、例えばＭＯＶＰＥによってエピタキシャルに成長する。ここでは、特に、製造する方法が窒化物層を酸化するための別個の酸化工程を含まないことが可能である。
例えば、半導体積層体がまず成長キャリア上にエピタキシャルに成長されうる。半導体積層体は、例えばＩｎＧａ１−ｎＮで形成される。反応室におけるガリウムおよび／または窒素を徐々に減らし、酸素含量を高めることで、酸化インジウムまたは任意に窒化インジウムのエピタキシャル成長に切り替えることが可能である。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、窒化物層は三次元成長条件下でエピタキシャルに堆積される。さらに、酸化物層も三次元成長条件下で堆積されうる。また、積層体全体が三次元成長条件下でエピタキシャルに堆積されることも可能である。
三次元成長は、フォルマー・ウェーバー（Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒ）成長モデルまたはストランスキー・クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モデルで説明されうる。三次元成長には、例えば反応装置の温度の降下、反応装置の圧力の上昇、および／またはＶ族／ＩＩＩ族比の低下などの特別な成長条件がとりわけ必要である。三次元成長の場合、積層方向における成長率が、少なくとも側方の１つにおける成長率と比べて上昇しうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、窒化物層が、互いにつながっていない多数の多層の島（２００）を有する。あるいは、酸化物層が互いにつながっていない多層の島を有するように、三次元成長条件下で酸化物層がエピタキシャルに成長することも可能である。特に、島は側方において互いにつながっていない。つまり、窒化物層および／または酸化物層は連なっていない。特に、中間面が連なっていないこともありうる。例えば、島は積層方向において台形および／または三角形の断面を有する。島は錐台および／または角錐台でありうる。以下明細書において「多層」とは、上下に成長された複数の単分子膜を島が含むことを意味する。以下明細書において「単分子膜」とは、層の高さが１原子または１分子分のみである、原子または分子の連続する層を意味すると考えるべきである。特に、単分子膜において同一の原子または分子が上下に位置することはない。
三次元成長条件下のエピタキシャル堆積によって、窒化物層、従って酸化物層による上面の不完全な被覆が生じる。つまり、酸化物層の島の間の領域において、上面には窒化物層が存在しない。酸化物層または任意に窒化物層は、例えば上面に直接成長されうる。この場合、酸化物層または窒化物層の島の間の領域において、酸化物層または窒化物層の成長の直後に上面は自由にアクセス可能でありうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、窒化物層は、互いにつながっていない多数の多層の島を有するように、三次元成長条件下でエピタキシャルに堆積される。
さらに、互いにつながっていない多数の多層の島を有するように、三次元成長条件下で酸化物層をエピタキシャルに堆積させることも可能である。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、エピタキシャル堆積は二次元成長条件下で進行する。特に酸化物層または窒化物層は、二次元成長条件下でエピタキシャルに堆積される。また、積層体全体が二次元成長条件下でエピタキシャルに堆積されることも可能である。
二次元成長において、酸化物層の原子層は単分子膜ずつ成長する。例えば、二次元に成長した酸化物層および／または窒化物層は、積層方向に１以上３以下、好ましくは２以下の単分子膜を含む。二次元成長は、例えばフランク・ファデルメルヴェ（Ｆｒａｎｋ−ｖａｎ−ｄｅｒ−Ｍｅｒｖｅ）成長モデルまたはストランスキー・クラスタノフ成長モデルで説明されうる。二次元成長において、少なくとも側方の１つにおける成長率が、積層方向における成長率よりも高い、または同等である。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、酸化物層は連なっている。つまり、酸化物層はひとかたまりの構成である。特に、中間面がただつながっているだけでありうる。とりわけ、酸化物層は上面を完全に被覆しうる。つまり、ひとたび窒化物層または酸化物層が堆積されれば、上面はアクセス可能でなくなる。さらに、積層体全体が連なっていることも可能である。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、酸化物層が連なるように、エピタキシャル堆積が二次元成長条件下で進行する。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、積層体は第１の中間層を含む。第１の中間層は酸化インジウムガリウム、好ましくはＩｎＧａＯ３で形成される。第１の中間層は、製造上の許容範囲内で、酸化インジウムガリウムからなる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、第１の中間層の載置において、窒化インジウムガリウムで形成された窒化物中間層がまずエピタキシャルに堆積される。窒化物中間層は、例えば上面に直接エピタキシャルに堆積されうる。特に窒化物中間層は、窒化物層が堆積される前に堆積される。このように窒化物中間層は、積層方向において窒化物層の上流に配置されうる。窒化物中間層は、その後、酸化工程において少なくとも部分的に酸化され第１の中間層を生じる。特に、窒化物層が酸化され酸化物層を生じるのと同じ工程で、窒化物中間層が酸化され第１の中間層を生じる。酸化工程の後、第１の中間層は、半導体積層体と酸化物層との間に配置されている。特に第１の中間層は、酸化物層に直接隣接しうる。
あるいは第１の中間層は、特に上面への酸化インジウムガリウムのエピタキシャル堆積によって設けられうる。
製造する方法の少なくとも一態様によれば、上面に直接載置する場合にコンタクト層の結晶構造として（１００）配向が得られるような成長条件下で、コンタクト層は中間面に載置され、コンタクト層の結晶構造は（１１１）配向である。ここで、カッコ内の数字は上面に最も近い格子面のミラー指数を示す。（１００）配向において、結晶の外面は単位格子の立方体面の１つと平行である。（１１１）配向において、結晶の外面はその単位格子の対角線上に位置する。ここでは驚くべきことに、（１００）配向のための成長条件を選択しているにも関わらず、コンタクト層の結晶構造として（１１１）配向が得られることが見出された。このような（１１１）配向は、例えばその下にある層との特に良好な電気コンタクトに優れている。
コンタクト層が上面に直接載置されている代替の半導体装置において、（１００）配向のための成長条件が選択されるのは、コンタクト層と上面との間の境界領域でより良好な接合および／またはより良好な結晶特性が得られるからである。
さらに、オプトエレクトロニクス半導体装置が提供される。オプトエレクトロニクス半導体装置は、上記の方法の１つで製造されることが好ましい。つまり、製造する方法で開示した特徴の全ては半導体装置にも開示されており、その逆も同様である。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、オプトエレクトロニクス半導体装置は、発光および／または吸光活性領域と、半導体積層体の延在主面に対して垂直に延びる積層方向における活性領域の下流にある上面とを有する半導体積層体を備える。オプトエレクトロニクス半導体装置は、上面に載置され、インジウムを含有する酸化物層と、積層方向における上面の下流に中間面とを有する積層体をさらに備える。また、オプトエレクトロニクス半導体装置は、酸化インジウムスズで形成され、中間面に載置されているコンタクト層を備える。積層体は、製造上の許容範囲内で錫を含有しない。
積層体が製造上の許容範囲内で錫を含有しないことの証明は、例えば完成した半導体装置のエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）分析によって得られる。特にＥＤＸ分析を利用することで、オプトエレクトロニクス半導体装置の個々の層の元素組成を調べることが可能である。特に、ＥＤＸ分析によって、調査する層の積層方向における位置の関数として、半導体装置における化学元素のＥＤＸスペクトルが提供されうる。例えば、ＥＤＸスペクトルにおける酸素含有量は、積層方向においてまず半導体積層体の上面から増加する。ＥＤＸスペクトルにおける錫含有量は、例えば中間面から増加しうる。
例えば酸化物層は、窒化物層の少なくとも部分的な酸化によって生成されうる。このような酸化は、例えば酸化物層における窒素の存在によって検出可能である。あるいは、酸化物層は酸化インジウムのエピタキシャル堆積によって生成されうる。酸化物層のエピタキシャル堆積の場合には、個々の層における結晶構造および／または化学組成の連続的な変化が、特に複数の単分子膜にわたって積層方向に得られる。結晶の構造が変化する遷移領域が、連続して成長する個々の層の間、特に任意に存在する第１の中間層と酸化物層との間に形成される。遷移領域は、積層方向において１から２の単分子膜分の厚さでありうる。エピタキシャル堆積法の使用は、完成した半導体装置においてこのような遷移領域の存在に基づいて検出可能である。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、酸化物層は製造上の許容範囲内でガリウムを含有しない。つまり、酸化物層は酸化インジウムガリウムから構成されていない。ここで、製造に関連したガリウム不純物は、酸化物層に存在しうる。例えば、酸化物層におけるガリウム原子の数は、酸化物層におけるインジウム原子の数に対して、１％以下、好ましくは０．５％以下、特に好ましくは０．１％以下である。ＥＤＸ分析によって同様に、酸化物層が製造上の許容範囲内でガリウムを含有しないことを検出可能である。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、積層体は酸化インジウムガリウムで形成される第１の中間層を含む。第１の中間層は、半導体積層体と酸化物層との間に配置されている。第１の中間層は酸化物層に直接隣接する。第１の中間層は、さらに半導体積層体の上面にも直接隣接しうる。あるいは、第２の中間層が、第１の中間層と半導体積層体との間に配置されうる。
例えば、第１の中間層は、窒化物中間層の少なくとも部分的な酸化によって生成しうる。このような酸化は、例えば第１の中間層における窒素の存在によって検出可能である。あるいは、第１の中間層が酸化インジウムガリウムのエピタキシャル堆積によって、例えば上面に生成されうる。特に、半導体積層体の半導体層のエピタキシャル成長は、半導体積層体の成長時に用いる窒素を連続的に酸素で置き換えることによって、第１の中間層のエピタキシャル成長へと連続的に移行しうる。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、積層体は第２の中間層を含む。第２の中間層は、窒化インジウムガリウムで形成されている。第２の中間層は、製造上の許容範囲内で窒化インジウムガリウムからなる。第２の中間層は、半導体積層体と第１の中間層との間に配置されている。第２の中間層は、さらに上面に直接隣接している。第２の中間層は、製造上の許容範囲内で酸素を含有しない。
特に積層体は、第１の中間層と、第２の中間層と、酸化物層とからのみなることが可能である。特に積層体は、積層方向に沿って、まず第２の中間層、次に第１の中間層、続いて酸化物層を含みうる。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、積層体は窒化インジウムを含有する。酸化物層の生成方法は、完成した半導体装置において窒化インジウムの存在に基づいて検出可能である。したがって特に、酸化物層が窒化物層の堆積と、引き続く酸化工程における窒化物層の酸化とによって生成されることが可能である。窒化物層の不完全な酸化の場合には、窒化インジウムの残渣が積層体に存在し続ける。このような残渣は、例えばＥＤＸ分析、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、および／または分光分析によって検出されうる。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、コンタクト層の結晶構造は（１１１）配向である。コンタクト層の結晶構造は、例えばＸ線法および／または電子顕微鏡回折法によって測定されうる。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、酸化物層は、互いにつながっていない多数の多層の島を有する。つまり、酸化物層は三次元成長によって成長されている。島の側方における寸法は、特に活性領域によって出射および／または吸収される光の波長以下でありうる。島は、例えば活性領域によって酸化物層の方向に出射される光の出射構造として機能する。あるいは、またはさらに、島は酸化物層の方向から入射し活性領域によって吸収される光の注入構造として機能しうる。以下明細書において、出射または注入構造とは、島と積層方向において直接隣接する層との間の界面において出射および／または吸収される光の透過を改善する構造でありうる。特に、この目的で島の側方における平均寸法は、光の波長以下に相当しうる。つまり、前記界面にぶつかる光の反射が抑制される。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、酸化物層は連なっている。つまり、酸化物層は穴および／または窪みを有さない。特に、酸化物層はひとかたまりの構成である。連なった酸化物層は、二次元成長条件下で成長されうる。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、積層方向に沿った酸化物層の平均厚さは０．５以上３以下の単分子膜分である。ここで、酸化物層の平均厚さとは数学的に平均した厚さである。したがって特に、酸化物層の厚さが局所的に３を超える単分子膜分または０．５未満の単分子膜分となる領域を酸化物層が有することもありうる。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、積層方向に沿った島の平均高さは５０以上、好ましくは１００以上、かつ２００以下、好ましくは１６０以下の単分子膜分である。特に、島の平均高さは２５ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上、かつ１００ｎｍ以下、好ましくは８０ｎｍ以下である。ここで島の高さは、島における単分子膜の数で定義される。島の平均高さは、全ての島の単分子膜の数を島の数で平均したものである。したがって特に、少なくとも１つの島が５０未満の数の単分子膜、好ましくは１００未満の数の単分子膜、または２００を上回る数の単分子膜、好ましくは１６０を上回る数の単分子膜を有することもありうる。
オプトエレクトロニクス半導体装置の少なくとも一態様によれば、半導体積層体と積層体との間の第１の境界領域および／または積層体とコンタクト層との間の第２の境界領域は、コンタクト層が半導体積層体に直接載置されている代替の半導体装置の半導体積層体とコンタクト層との間の代替境界領域よりも欠陥密度が低い。特に代替境界領域は、第１および／または第２の境界領域よりも混入物質、欠陥、および／または損傷の発生が多いこともありうる。
代替境界領域において、コンタクト層の半導体積層体への堆積によって半導体積層体の上面に損傷が生じる。特に、コンタクト層と半導体積層体とが極めて異なる材料で形成されているので、製造に関連した混入物質および／または欠陥が生じる。半導体積層体とコンタクト層との間に積層体を導入することで、結晶構造および／または材料の段階的な適合が可能となる。
上記製造する方法および上記オプトエレクトロニクス半導体装置を、例示的な実施形態および関連する各図を参照しながら以下にさらに詳細に説明する。
同一の要素、類似の要素、または同一に作用する要素には、各図において同じ参照番号が付与されている。各図に示されている要素の形状および寸法比は、互いに縮尺通りであると考えるべきではない。むしろ、描写のさらなる容易さおよび／またはさらなる理解のために、個々の要素が誇張され拡大されて図示されていてもよい。
ここで上記オプトエレクトロニクス半導体装置の例示的な実施形態を、図１の概略的な断面図を参照しながらさらに詳しく説明する。半導体装置は、半導体積層体１と、積層体２と、コンタクト層３とを備える。
半導体積層体１は、延在主面に沿って広がる。積層方向ｚは、延在主面に対して垂直に延びる。
半導体積層体１は、第１の半導体層１１と、活性領域１２と、第２の半導体層１３と、高ドープ半導体層１４とを積層方向に連続して含む。第１の半導体層１１は、例えばｎ導電型の半導体層でありうる。第２の半導体層１３は、ｐ導電型でありうる。活性領域１２は、光を出射および／または検出するために設けられている。高ドープ半導体層１４の外面は、半導体積層体１の上面１ａを構成する。上面１ａは、積層方向ｚにおいて半導体積層体１の活性領域の後に来る。
高ドープ半導体層１４はｐ導電型であり、マグネシウムでドープされうる。高ドープ半導体層１４は、例えば酸素を用いる、特に酸素含有ガスを用いる工程において活性化されうる。この目的で、反応室での高ドープ半導体層１４のエピタキシャル堆積に続いて、反応室の温度はおよそ６１５°Ｃに降下されうる。酸素含有ガスの添加で、高ドープ半導体層のｐ導電型材料はさらなる工程において活性化されうる。
積層体２は、上面１ａに載置されている。積層体２は、第２の中間層２２と、第１の中間層２１と、酸化物層２０とを含む。第２の中間層２２は、半導体積層体１の上面１ａに載置されている。第２の中間層２２は、例えば窒化インジウムガリウムで形成されうる。第１の中間層２１は、例えば酸化インジウムガリウムで形成されうる。さらに、酸化物層２０は、酸化インジウムで形成されうる、または酸化インジウムからなりうる。半導体積層体１から隔たった酸化物層２０の外面は積層体２の中間面２ａを構成している。
図１とは異なり、第２の中間層２２が存在せず、第１の中間層２１が上面１ａに直接載置されることも可能である。また、積層体２が酸化物層２０のみ含むことも可能である。
コンタクト層３は、中間面２ａに載置されている。コンタクト層３は、例えば酸化インジウムスズで形成されている。特にコンタクト層３は、光透過性である。コンタクト層３の外面は、オプトエレクトロニクス半導体装置の光通過面３ａを形成している。
第１の境界領域３２が、半導体積層体１と積層体２との間に配置され、第２の境界領域３３が積層体２とコンタクト層３との間に配置されている。第１の境界領域３２および／または第２の境界領域３３は、コンタクト層３が上面１ａに直接載置されている代替境界領域３１（図１には図示されていない）よりも欠陥密度が低い。
上記オプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法の一工程を、図２の概略的な断面図に基づいてさらに詳細に説明する。図示の工程では、窒化物中間層２０２が上面１ａに載置され、積層方向において続いて窒化物層２０１が窒化物中間層２０２に載置されている。しかしながら、図２とは異なり、窒化物中間層２０２が存在しないこともありうる。
窒化物中間層２０２および窒化物層２０１は、窒化物を含有する。窒化物中間層２０２は、窒化インジウムガリウムで形成されうる。窒化物層２０２は、窒化インジウムで形成されうる。
図示の工程では、酸素含有ガス５１が供給される。酸素含有ガス５１によって、窒化物層２０１は酸化され酸化物層２０を生じる。ここで窒化物層２０１は、部分的にのみ酸化され酸化物層２０を生じることもありうる。さらに窒化物層２０１は、完全に酸化され酸化物層２０を生じることも可能である。
また、窒化物中間層２０２も酸化され第１の中間層２１を生じうる。さらに、窒化物中間層２０２が部分的にのみ酸化されることもありうる。特に、窒化物中間層２０２の一部が酸化され第１の中間層２１を生じる一方で、窒化物中間層２０２の別の部分が酸化されずに第２の中間層２２を形成することもありうる。
図３は、代替の半導体装置を概略的な断面図で示す。代替の半導体装置は、図１のオプトエレクトロニクス半導体装置の半導体積層体１と同じ構成である半導体積層体１を備える。コンタクト層３は、半導体積層体１の上面１ａに載置されている。この結果、代替境界領域３１が半導体積層体１とコンタクト層３との間に得られる。半導体積層体１とコンタクト層３との間に積層体２が存在しないので、代替境界領域３１には欠陥、混入物質、および／または損傷の発生がさらに多い。代替の半導体装置のコンタクト層３は、代替境界領域内での損傷を最小限に抑えるために、例えば蒸着などの温和な堆積方法によって堆積されうる。あるいは、またはさらに、コンタクト層３はスパッタリングによっても載置しうる。
上記オプトエレクトロニクス半導体装置のさらなる例示的な実施形態を、図４の概略的な断面図を参照しながらさらに詳細に説明する。図１の例示的な実施形態とは対照的に、第１の半導体層１１の一領域は被覆されておらす、ここに半導体積層体のさらなる上面１ａ’が形成されている。さらなるコンタクト層３’が、さらなる上面１ａ’に載置されている。さらなるコンタクト層３’は、コンタクト層３と同じ構成、特に同じ結晶配向である。特にコンタクト層３およびさらなるコンタクト層３’の双方が結晶構造として（１１１）配向を有することが可能である。さらなるコンタクト層３’と直接接しているコンタクト部４が、さらなるコンタクト層３’に配置されている。コンタクト部４は、例えば白金などの金属で形成されうる。
上記半導体装置および上記製造する方法のさらなる例示的な実施形態を、図５の断面図を参照しながらさらに詳細に説明する。積層体２は半導体積層体１の上面１ａに載置されている。積層体２はここでは、三次元成長条件を用いて成長されている。この結果、積層体２は、島２００に細分化されている。島２００は、上面１ａで互いに間隔をあけて配置されている。特に、島２００は側方において互いにつながっていない。島２００は、台形および／または三角形の断面を有する。
コンタクト層３は、中間面２ａ、および積層体２または酸化物層２０で被覆されていない上面１ａの領域に載置されている。コンタクト層３の形状は積層体２の形状に追従している。特に放射通過面３ａは、それぞれ下の層から一様な距離にある。つまり、コンタクト層３は追従層（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｌａｙｅｒ）であり、製造上の許容範囲内で均一な厚さである。
図６は、エネルギーバンドギャップＥＢの関数である仕事関数Ｗに基づいて、上記オプトエレクトロニクス半導体装置の実施形態をさらに詳細に説明する。第２の半導体層１３および／または高ドープ半導体層１４は、例えば仕事関数が約７．５ｅＶであるｐ導電型窒化ガリウムで形成されている。同様に仕事関数の高い材料が高ドープ半導体層１４および／または第２の半導体層１３の電気コンタクトには好ましい。この目的で、例えば白金（仕事関数：５．６５ｅＶ）またはニッケル（仕事関数：５．１５ｅＶ）が好適である。しかしながら、白金およびニッケルは不透明なため半導体装置の前面コンタクトとしては好ましくない。同様に、酸化ガリウムインジウムは５．４ｅＶと仕事関数が高い。しかしながら、酸化ガリウムインジウムと対比して、酸化インジウムスズ（仕事関数：４．７〜４．８ｅＶ）が公知の材料である。さらに、酸化ガリウムインジウムは活性領域で発する光の吸収がより高い。
Ｘ線回折スペクトル（ＸＲＤ）に基づいて、図７は上記製造する方法の実施形態をさらに詳細に説明する。秒当たりカウント（ｃｐｓ）による信号強度Ｉが、平面上での反射角の２倍（２θ（°））の関数として示されている。ここでは、酸化工程前のスペクトル７１、酸化工程後のスペクトル７２、および酸化工程が行われなかった比較スペクトル７３が示されている。
酸化工程前のスペクトル７１は、第１の極大７０１と第２の極大７０３とを有している。第１の極大７０１は、窒化物層２０１に存在する窒化インジウムに対応する。第２の極大７０３は、半導体積層体１に存在する窒化ガリウムに対応する。
酸化工程後のスペクトル７２は、第２の極大７０２を有する。第２の極大７０２は、酸化物層２０のための酸化で生成した酸化インジウムに対応する。さらに、窒化インジウムに対応する第１の極大はもはや見られない。窒化インジウムは酸化され酸化インジウムが生じている。第３の極大７０３は、測定精度の範囲内で変化がない。半導体積層体１の材料はこのように、酸化によって酸化しなかった、および／または変化がなかった。比較スペクトル７３は、代替の半導体装置のＸ線回折スペクトルを示す。比較スペクトル７３は、測定精度の範囲内で第３の極大７０３のみを有する。
上記オプトエレクトロニクス半導体装置を、図８のＥＤＸスペクトルの略図に基づいてさらに詳細に説明する。正規化ＥＤＸ信号Ｓが、積層方向ｚにおける位置の関数として示されている。酸化物含有量８１は上面１ａの領域で増加している。錫含有量８２は、中間面２ａの領域で増加している。酸化物含有量８１と錫含有量８２のＥＤＸ信号の上昇面は、積層方向ｚにおいて互いにずれている。これらの上昇面の異なる位置に基づいて、完成した半導体装置において半導体積層体１とコンタクト層３との間の積層体２の存在を検出することが可能である。
本発明は例示的な実施形態を用いた説明に限定されない。むしろ本発明はいかなる新たな特徴およびいかなる特徴の組み合わせを包含し、たとえこれらの特徴またはその組み合わせ自体が本願特許請求項または例示的な実施形態に明示的に記述されていなくても、本発明は特に本願特許請求項におけるいかなる特徴の組み合わせも包含する。
本出願は、独国特許出願第１０２０１５１０９７８６．９号の優先権を主張するものであり、この文書の開示内容は参照により本明細書に援用される。
１ 半導体積層体
１ａ 上面
１ａ’ さらなる上面
１１ 第１の半導体層
１２ 活性領域
１３ 第２の半導体層
１４ 高ドープ半導体層
２ 積層体
２ａ 中間面
２０ 酸化物層
２１ 第１の中間層
２２ 第２の中間層
２００ 島
２０１ 窒化物層
２０２ 窒化物中間層
３ コンタクト層
３’ さらなるコンタクト層
３ａ 放射通過面
３１ 代替境界領域
３２ 第１の境界領域
３３ 第２の境界領域
４ コンタクト部
５１ 酸素含有ガス
７１ 酸化前のスペクトル
７２ 酸化後のスペクトル
７３ 比較スペクトル
７０１ 第１の極大
７０２ 第２の極大
７０３ 第３の極大
８１ 酸化物含有量
８２ 錫含有量
Ｉ ＸＲＤ強度
θ ＸＲＤ角
Ｓ 正規化ＥＤＸ信号
ｚ 積層方向
１ａ 上面
１ａ’ さらなる上面
１１ 第１の半導体層
１２ 活性領域
１３ 第２の半導体層
１４ 高ドープ半導体層
２ 積層体
２ａ 中間面
２０ 酸化物層
２１ 第１の中間層
２２ 第２の中間層
２００ 島
２０１ 窒化物層
２０２ 窒化物中間層
３ コンタクト層
３’ さらなるコンタクト層
３ａ 放射通過面
３１ 代替境界領域
３２ 第１の境界領域
３３ 第２の境界領域
４ コンタクト部
５１ 酸素含有ガス
７１ 酸化前のスペクトル
７２ 酸化後のスペクトル
７３ 比較スペクトル
７０１ 第１の極大
７０２ 第２の極大
７０３ 第３の極大
８１ 酸化物含有量
８２ 錫含有量
Ｉ ＸＲＤ強度
θ ＸＲＤ角
Ｓ 正規化ＥＤＸ信号
ｚ 積層方向
Claims (20)
- 半導体積層体（１）を設ける工程であって、前記半導体積層体（１）は、発光および／または吸光活性領域（１２）と、前記半導体積層体（１）の延在主面に対して垂直に延びる積層方向（ｚ）における前記活性領域（１２）の下流に上面（１ａ）とを有する工程と、
前記上面（１ａ）に積層体（２）を載置する工程であって、前記積層体（２）はインジウムを含有する酸化物層（２０）と、前記積層方向（ｚ）における前記上面（１ａ）の下流に中間面（２ａ）とを有する工程と、
酸化インジウムスズで形成されるコンタクト層（３）を前記中間面（２ａ）に設ける工程とを含み、
前記積層体（２）は製造上の許容範囲内で錫を含有しない、オプトエレクトロニクス半導体装置を製造する方法。 - 前記酸化物層（２０）の載置は、
インジウムを含有する窒化物層（２０１）を、特にエピタキシャルに堆積して設ける工程と、
酸化工程において少なくとも部分的に前記窒化物層（２０１）を酸化して前記酸化物層（２０）を生じる工程とを含む、請求項１に記載の方法。 - 前記酸化工程は、前記コンタクト層（３）の載置後に行われる、請求項２に記載の方法。
- 少なくとも前記酸化工程は反応室で行われ、
前記酸化工程時に前記反応室での反応温度は４６０°Ｃ以上７２０°Ｃ以下である、請求項１から３の一項に記載の方法。 - 前記酸化物層（２０）は酸化インジウムのエピタキシャル堆積によって載置される、請求項１から４の一項に記載の方法。
- 前記窒化物層（２０１）は、前記窒化物層（２０１）が互いにつながっていない多数の多層の島（２００）を有するように、三次元成長条件下でエピタキシャルに堆積される、請求項１から５の一項に記載の方法。
- 前記酸化物層（２０）が連なるように、エピタキシャル堆積が二次元成長条件下で進行する、請求項１から６の一項に記載の方法。
- 前記積層体（２）は、酸化インジウムガリウムで形成される第１の中間層（２１）を含み、前記第１の中間層の載置は、
窒化インジウムガリウムで形成される窒化物中間層をエピタキシャルに堆積する工程と、
前記酸化工程において前記窒化物中間層を少なくとも部分的に酸化して前記第１の中間層（２１）を生じる工程とを含む、請求項１から７の一項に記載の方法。 - 前記上面（１ａ）に直接載置する場合に前記コンタクト層（３）の結晶構造として（１００）配向が得られるような成長条件下で前記コンタクト層（３）は前記中間面（２ａ）に載置され、前記コンタクト層（３）の結晶構造は（１１１）配向である、請求項１から８の一項に記載の方法。
- 半導体積層体（１）であって、発光および／または吸光活性領域（１２）と、前記半導体積層体（１）の延在主面に対して垂直に延びる積層方向（ｚ）における前記活性領域（１２）の下流に上面（１ａ）とを有する半導体積層体（１）と、
前記上面（１ａ）に載置されている積層体（２）であって、インジウムを含有する酸化物層（２０）と、前記積層方向（ｚ）における前記上面（１ａ）の下流に中間面（２ａ）とを有する積層体（２）と、
酸化インジウムスズで形成されており、前記中間面（２ａ）に載置されているコンタクト層（３）とを備え、
前記積層体（２）は製造上の許容範囲内で錫を含有しない、オプトエレクトロニクス半導体装置。 - 前記酸化物層（２０）は製造上の許容範囲内でガリウムを含有しない、請求項１０に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記積層体（２）は、さらに酸化インジウムガリウムで形成された第１の中間層（２１）を含み、前記第１の中間層（２１）は前記半導体積層体（１）と前記酸化物層（２０）との間に配置されており、かつ前記酸化物層（２０）に直接隣接している、請求項１０または１１に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記積層体（２）は、さらに窒化インジウムガリウムで形成された第２の中間層（２２）を含み、
前記第２の中間層（２２）は、前記半導体積層体（１）と前記第１の中間層（２１）との間に配置されており、かつ前記上面（１ａ）に直接隣接しており、
前記第２の中間層（２２）は、製造上の許容範囲内で酸素を含有しない、請求項１０から１２の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。 - 前記積層体（２）は窒化インジウムを含有する、請求項１０から１３の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記コンタクト層（３）の結晶構造が（１１１）配向である、請求項１０から１４の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記酸化物層（２０）は、互いにつながっていない多数の多層の島（２００）を有する、請求項１０から１５の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記酸化物層（２０）は連なっている、請求項１０から１６の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記積層方向（ｚ）に沿った前記酸化物層（２０）の平均厚さは０．５以上３以下の単分子膜分である、請求項１０から１７の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記積層方向（ｚ）に沿った前記島（２００）の平均高さは５０以上２００以下の単分子膜分である、請求項１０から１８の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
- 前記半導体積層体（１）と前記積層体（２）との間の第１の境界領域（３２）および／または前記積層体（２）と前記コンタクト層（３）との間の第２の境界領域（３３）は、コンタクト層（３）が半導体積層体（１）に直接載置されている代替の半導体装置の半導体積層体（１）とコンタクト層（３）との間の代替境界領域（３１）よりも欠陥密度が低い、請求項１０から１９の一項に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
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