JP4681186B2 - 多重量子井戸構造を有する光半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、種々の半導体層から成るウェル層およびバリア層が交互に積層されている多重量子井戸構造を有する光半導体装置に関する。
【０００２】
この種の装置は例えばヨーロッパ特許第０６６６６２４号明細書または Journal of Crystal Growth 189/190 (1998) p.786-789 から公知である。
【０００３】
インジウム‐ガリウム‐窒化物ＩｎＧａＮをベースにしたＬＥＤないしレーザーダイオードの高い量子効率はインジウムに富んだアイランド（島状構造）が活性の量子井戸または量子ウェル内で自己組織化しながら成長することにより得られる。これにより誘導される電荷担体は空間的にこのアイランドに局在化し、格子欠陥での非発光性の再結合が阻止される。
【０００４】
当該の量子ドットの核形成は適切なバッファ層を介して導入しなければならない。特に本来の活性層前方のインジウムを含む構造体はバッファ層として適している。インジウムを含む窒化物半導体（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ半導体）は凝離してインジウムを含む相を形成しやすい。このことにより成長面で変動する歪みフィールドが生じ、これにより活性の量子井戸でのインジウムに富んだアイランドの形成が促進される。約１００ｎｍの厚さのＧａＩｎＮ層は活性領域の前方に堆積され、ＧａＩｎＮ量子ドット核形成が改善される。
【０００５】
これまで最適な効率は例えば２〜１０個の量子井戸構造で達成されていた。実験で示されているように、発光された光子は専ら最上部の２つの量子井戸（すなわち次の量子井戸のｐ側）に形成される。成長パラメータを適切に選択すれば、発光は主として量子井戸の最上部で行われる。これを省略してしまうと光出力は５０％以上落ち込んでしまう。ただしこうした量子井戸は順方向電圧の大幅な上昇をもたらす。順方向電圧は量子効率を犠牲にしたウェル数の低減によって改善することができる。このような順方向電圧の上昇に至るピエゾ電界は量子井戸領域での高いドーピングレベルによって補償することができる。しかしその場合には活性層の結晶品質は妨害され、注入特性も劣化して内部の量子効率が低下する。
【０００６】
本発明の課題は、冒頭で言及した形式の光半導体装置を相応に改善することである。
【０００７】
この課題は本発明の請求項１の特徴を有する装置により解決される。
【０００８】
本発明によれば、種々の半導体層から成るウェル層およびバリア層が交互に積層されている多重量子井戸構造を有する光半導体装置は、窒化物半導体材料をベースとした第１の組成のウェル層は第１の電子エネルギを有しており、窒化物半導体材料の第２の組成のバリア層は第１の電子エネルギよりも高い電子エネルギを有している。ビーム活性のウェル層として、成長方向で見て最後から２番目の量子井戸層または最後の量子井戸層が機能する。主として発光しない前方のウェル層およびバリア層は超格子を形成する。
【０００９】
特に有利な実施形態では、超格子のウェル層は薄いアルミニウム‐ガリウム‐インジウム‐窒化物層であり、バリア層はウェル層よりも厚いガリウム‐窒化物層またはアルミニウム‐ガリウム‐窒化物層である。
【００１０】
有利には、超格子の少なくとも１つのウェル層の内部ではインジウム含量が成長方向すなわちビーム活性の量子井戸層へ向かう方向で増大する。ここで有利には、インジウム含量はビーム活性の量子井戸層から離れると５％以下となる。
【００１１】
特に有利な別の実施形態では、超格子の少なくとも１つのウェル層は少なくとも１つの個別層対を有しており、個別層対のうち成長方向で見て第１の個別層は第２の個別層よりも低いインジウム含量を有している。有利にはウェル層は複数の個別層を有しており、これらの個別層のインジウム含量はビーム活性の量子井戸層から最も離れた位置にある個別層からビーム活性の量子井戸層に最も近い個別層へ向かって段階的に増大する。インジウム含量の増大幅は５％より小さい。また特に有利には、ビーム活性の量子井戸層から最も離れた位置にある個別層のインジウム含量は５％より小さい。有利には各個別層の厚さは数ＭＬ（単原子層）の範囲に相応するか、または約１ＭＬに相応する。
【００１２】
インジウム含量を段階的に増大させることの特別な利点は、三角ポテンシャルに似たポテンシャル特性が得られることである。これは特に個別層の厚さが１ＭＬを大きく越えない場合に達成される。これによりバリア層内のエネルギレベルとウェル層内で１つの電子に対して発生するエネルギレベルとの差は、段階づけられたウェル層の最上部の個別層よりも格段に小さなインジウム含量を有する矩形のウェル層よりも小さくなる。これにより全インジウム含量の低減による利点は維持され、しかも同時に最後の個別層のインジウム含量が高いことにより歪みの制御も達成される。したがってＩｎＧａＮに富んだ相での核形成が改善され、量子効率も上昇する。
【００１３】
他の利点は次のことから得られる。インジウムを含むＩＩＩ‐Ｖ族半導体（例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＮなど）のエピタキシャル成長はインジウムの原子径が比較的大きいことにより困難となる。したがってＩＩＩ族の成分が定常的に流動しているとインジウムの組み込みは遅延する。インジウム濃度は成長中増大し、指数的に平衡値へ接近する。増加フェーズ中、成長面には所定のインジウム被覆層が形成される。この被覆層が得られてはじめて多くのインジウムが結晶中に一様に組み込まれる。ただしあまりに多くのインジウムが供給されると、表面に存在するインジウムが金属滴を形成し、これにより堆積層の品質が劣化する。特にｐｎ接合部でのインジウム滴はシャントを生じさせ、量子効率だけでなく静電放電ＥＳＤに対する安定性まで低下させてしまう。こうした効果は、インジウムを含む層をまず僅かなインジウム含量（有利には５％以下の含量）で堆積し、その後これに続く層でインジウム含量を増大させることにより低減することができる。活性層自体では下方構造体がすでにウェル層により準備されており、これは高いインジウム含量のＩｎＧａＮ組成で堆積される。
【００１４】
インジウムに富んだ相の核形成は１つまたは複数のウェル層における高いインジウム含量により有利には改善される。インジウム滴の障害影響は少なくとも大幅に低減される。
【００１５】
本発明の別の有利な実施形態と実施態様とは従属請求項の対象となっている。
【００１６】
本発明を以下に実施例に則して図を用いながら詳細に説明する。図１のａ，ｂには本発明の装置の層構造の概略図が示されている。図２には図１の装置の量子井戸構造の概略図が示されている。図３には一般的な量子井戸構造の概略図が示されている。図４には本発明の特に有利な実施例の伝導帯特性の概略図が示されている。
【００１７】
図１のａによればシリコンカーバイドＳｉＣから成る基板１に第１のコンタクト電極２が接しており、基板上にはまずアルミニウム‐ガリウム‐窒化物（ＡｌＧａＮ）から成るバッファ層３が形成されている。その上方にはアルミニウム‐ガリウム‐窒化物から成る別の層４が接している。層４の上方にはシリコンをドープされたガリウム窒化物から成る別のバッファ層５が設けられ、さらに上方には後述する量子井戸構造６ａ，６ｂが設けられる。これらの構造に本来の活性層６ｃが接合されている。活性層６の上方にはアルミニウム‐ガリウム‐窒化物から成る別の層７が設けられ、この層は電子バリアとして用いられる。有利にはこの層７にはマグネシウムがドープされる。層６と層７との間には図示していないＧａＮ層を設けてもよい。層７の上方にはガリウム窒化物層８が設けられ、この層上に装置の第２のコンタクト電極９が設けられる。
【００１８】
層構造の右側には概略的に個々の層の価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップが示されている。
【００１９】
機能の点ではバッファ層３はシリコンカーバイド基板１上にＬＥＤ構造を成長させるのに必要な成長層として用いられる。層３と層５との間の別のアルミニウム‐ガリウム‐窒化物層４はガリウム窒化物層５へ向かって変化するアルミニウム含量を有している。ガリウム窒化物層５には有利にはシリコンがドープされている。アクティブ層６の上方に設けられマグネシウムをドープされたアルミニウム‐ガリウム‐窒化物層７は電子バリアとして用いられる。
【００２０】
こうした基本的な図１のａの構造は標準的にはガリウム‐アルミニウム‐インジウム‐窒化物（ＬＥＤ）にも使用可能である。
【００２１】
図１のｂには本発明の活性層６の拡大図が示されている。量子井戸構造を有する層６は個々のガリウム窒化物ＧａＮの層６ｂの間にガリウム‐インジウム‐窒化物ＧａＩｎＮから成る層６ａが配置されることにより構成される。本来の活性層すなわち発光層６ｃはガリウム‐インジウム‐窒化物ＧａＩｎＮから成り、最上部のガリウム窒化物層６ｂに接している。
【００２２】
図からわかるように、層６ａ，６ｂの厚さは種々に変化している。インジウム‐ガリウム‐窒化物から成る薄い層６ａとガリウム窒化物から成る厚い層６ｂとはここでは超格子を形成している。ここでウェル６ａは３ｎｍ以下の薄さであり、層６ｂは３ｎｍ以上である。これらの層の製造は気相エピタキシまたは分子線エピタキシにより行われる。その際に１〜１０ｎｍ／ｍｉｎ、有利には１〜２ｎｍ／ｍｉｎ程度の緩慢な成長が７００℃程度の低温で生じる。
【００２３】
インジウム含量は２４％以下、有利には２０％以下であり、したがって有利には通常に比べてインジウム含量が低減される。図には１個所しか示されていないが層６ａ，６ｂは相互に複数回配置してもよく、有利にはこの構造はｘ＝３回反復される。最上部のガリウム窒化物層６ｂにはインジウム‐ガリウム‐窒化物から成る本来の活性層すなわち発光層６ｃが接合されている。
【００２４】
有利には量子井戸構造６ａ，６ｂには濃度１０^１７ｃｍ^−３〜１０^１８ｃｍ^−３の濃度のシリコンがドープされるように構成されている。これによりドープしていない構造に比べて一段と明らかな改善が得られる。
【００２５】
図２には価電子帯ＶＢおよび伝導帯ＣＢのエネルギ比が示されている。縦軸方向に電子エネルギが示されており、横軸方向には層厚さに相応する幅を有する量子井戸が示されている。最上部のガリウム窒化物層６ｂには本来の活性層６ｃが接合されている。
【００２６】
図３にはこれに対して本発明の場合よりも厚いガリウム‐インジウム‐窒化物から成る量子井戸での価電子帯が示されている。斜線で示されているようにピエゾ電界の効果が生じており、これにより歪みが発生する。
【００２７】
本発明に従って図１の層構造での薄い井戸（約２ｎｍの量子井戸幅）を有するＧａＩｎＮ／ＧａＮ超格子と図２の量子井戸比とを使用することにより、順方向電圧を格段に低下させ、しかもインジウム‐ガリウム‐窒化物ベースの光半導体装置の内部量子効率を高いまま維持することができる。これ以外の場合で発生してしまうピエゾ電界は完全に回避されるか、または実際には作用しない程度まで抑圧される。従来の単一量子井戸構造で活性の井戸の前方にガリウム‐インジウム‐窒化物の超格子を堆積しないケースに比べて、本発明の装置の構造では２倍の変換効率が得られることが示されている。
【００２８】
超格子の下方は一般に数ＭＬ（単原子層）分の厚さの層の特に周期的なシーケンスになっていると解されたい。超格子は活性の井戸からＧａＮバリアまたはＡｌＧａＮバリアを介して分離されている（＞３ｎｍ）。量子井戸構造のシリコンドーピングはドープされない構造に比べて格段に改善される。
【００２９】
周知の超格子構造に比べて、本発明の装置の構造は＞０．５Ｖ低下した順方向電圧を有する。
【００３０】
活性の量子井戸の前方にＧａＩｎＮの超格子が堆積されていない単一量子井戸構造ＳＱＷに比べて、ここでは変換効率を２倍にすることができる。
【００３１】
インジウムが少なく光学的に不活性な薄い量子井戸（“プレウェル”）と、活性の量子井戸６ｃとを組み合わせることにより、従来周知の多重量子井戸構造での発光特性が維持され、さらに順方向電圧を低下させることができる。薄いＧａＩｎＮ量子井戸により活性の量子井戸の品質が改善され、一方で“プレウェル”の層厚さが小さくそのインジウム含量が低いことにより、障害となるピエゾ電界の発生は低減される。したがって順方向電圧は核形成層を介してＳＱＷ構造に対して上昇しない。
【００３２】
図４には２つのＧａＮバリア層間のＩｎＧａＮウェル層６ａにおける伝導帯の特性が示されており、ＧａＮウェル層６ａは全体で４つの個別層６０ａ〜６３ａから成っている。インジウム含量はビーム活性の量子井戸層６ｃから最も遠い位置にある個別層６０ａからビーム活性の量子井戸層６ｃに最も近い個別６３ａへ向かって段階的に増大している。インジウム含量の増大幅は５％より小さく、ビーム活性の量子井戸層６ｃから最も遠い位置にある個別層６０ａのインジウム含量は５％より小さい。各個別層６０ａ〜６３ａの層厚さは前記組成で数ＭＬ（原子層）の範囲にあるか、または約１ＭＬに相応する。
【００３３】
これにより三角ポテンシャルに似たポテンシャル特性が現れる。そのためバリア層でのエネルギレベルと段階づけされたウェル層で電子を発生するエネルギレベルとの差は（図の右側に示されている）矩形のウェル層の場合よりも大きくはならない。矩形のウェル層は段階づけされたウェル層の最上部の個別層よりも格段に小さいインジウム含量を有する。これにより全インジウム含量の低減による利点は維持され、しかも同時に最後の個別層のインジウム含量が高いことによって歪みが制御される。これによりＩｎＧａＮに富んだ相の核形成が改善され、量子効率が上昇する。
【００３４】
上述の実施例に則した本発明の説明はもちろん本発明を制限するものではないことを理解されたい。本発明は他の材料系による装置にも関しており、同じ問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の装置の層構造の概略図である。
【図２】 図１の装置の量子井戸構造の概略図である。
【図３】 一般的な量子井戸構造の概略図である。
【図４】 本発明の実施例の伝導帯特性の概略図である。

Claims (15)

1. 種々の半導体層から成るウェル層およびバリア層が交互に積層されている多重量子井戸構造を有する光半導体装置において、
   窒化物半導体材料をベースとした第１の組成のウェル層（６ａ）は第１の電子エネルギを有しており、窒化物半導体材料の第２の組成のバリア層（６ｂ）は第１の電子エネルギよりも高い第２の電子エネルギを有しており、
   前記バリア層の上にビーム活性の量子井戸層（６ｃ）が成長されており、発光しない前記ウェル層（６ａ）と前記バリア層（６ｂ）とが前記ビーム活性の量子井戸層に対して超格子を形成しており、
   該超格子の少なくとも１つのウェル層（６ａ）は少なくとも１つの個別層対（６０ａ，６１ａ）を有しており、該個別層対のうち第１の個別層（６０ａ）はその上に成長された第２の個別層（６１ａ）よりも低いインジウム含量を有している
   ことを特徴とする多重量子井戸構造を有する光半導体装置。
2. 前記ウェル層（６ａ）は薄いアルミニウム‐インジウム‐ガリウム‐窒化物層であり、前記バリア層（６ｂ）は前記ウェル層よりも厚いガリウム窒化物層またはアルミニウム‐ガリウム‐窒化物層であり、前記ビーム活性の量子井戸層（６ｃ）はインジウム‐ガリウム‐窒化物層である、請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記ビーム活性の量子井戸層（６ｃ）は最上部の前記バリア層（６ｂ）に接合されている、請求項１または２記載の光半導体装置。
4. 前記ビーム活性の量子井戸層（６ｃ）の層厚さは前記超格子の前記ウェル層（６ａ）の層厚さよりも大きい、請求項１から３までのいずれか１項記載の光半導体装置。
5. 前記ウェル層（６ａ）は２ｎｍより薄く、前記バリア層（６ｂ）は３ｎｍ以上の厚さである、請求項１から４までのいずれか１項記載の光半導体装置。
6. 前記ウェル層および前記バリア層（６ａ，６ｂ）にシリコンがドープされている、請求項２から５までのいずれか１項記載の光半導体装置。
7. ドーパント濃度は１０^１７ｃｍ^−３〜１０^１８ｃｍ^−３である、請求項６記載の光半導体装置。
8. 前記超格子の少なくとも１つの前記ウェル層（６ａ）の内部ではインジウム含量が成長方向すなわち前記ビーム活性の量子井戸層（６ｃ）へ向かう方向で増大する、請求項１から７までのいずれか１項記載の光半導体装置。
9. 前記ウェル層（６ａ）ではインジウム含量は前記ビーム活性の量子井戸層から離れると５％以下となる、請求項８記載の光半導体装置。
10. 前記第２の個別層（６１ａ）のインジウム含量と前記第１の個別層（６０ａ）のインジウム含量との差は５％以内である、請求項１から９までのいずれか１項記載の光半導体装置。
11. 前記ウェル層は複数の個別層（６０ａ，６１ａ，６２ａ，６３ａ）を有しており、該個別層のインジウム含量は前記ビーム活性の量子井戸層（６ｃ）から最も離れた位置にある個別層（６０ａ）から前記ビーム活性の量子井戸層（６ｃ）に最も近い個別層（６３ａ）へ向かって段階的に増大する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の光半導体装置。
12. インジウム含量の増大幅は５％より小さい、請求項１１記載の光半導体装置。
13. 前記超格子の少なくとも１つの前記ウェル層（６ａ）は４つの個別層（６０ａ，６１ａ，６２ａ，６３ａ）を有する、請求項１１または１２記載の光半導体装置。
14. 前記ビーム活性の量子井戸層（６ｃ）から最も離れた位置にある個別層（６０ａ）のインジウム含量は５％より小さい、請求項１から１３までのいずれか１項記載の光半導体装置。
15. 各個別層（６０ａ，６１ａ，６２ａ，６３ａ）の厚さは１ＭＬに相応する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の光半導体装置。

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