JP5112511B2 - 放射線放出半導体ボディ - Google Patents

Description

本発明は、放射線放出半導体ボディに関する。

本願は先行のドイツ出願第１０２００７０３１９２６．８号に基づく優先権を主張するものであり、その記載内容を本明細書の一部を構成するものとして援用する。

放射線を放出する従来の半導体ボディは、動作中に半導体ボディに印加される動作電流の電流密度が増加するのに従って、動作中に発せられる放射電力が飽和することを示す。その結果、動作電流密度が増加するのに従って効率（efficiency）が減少する。

本発明の目的は、高い動作電流密度で改善された効率を有する放射線放出半導体ボディを特定することである。

この目的は、本願請求項１の放射線放出半導体ボディによって達成される。この半導体ボディの有利な構成及び改良は、従属請求項において特定されており、その記載内容は詳細な説明中に付随して包含されている。

本発明の放射線放出半導体ボディは、活性領域（active zone）を備えている。この活性領域は、動作電流が半導体ボディに印加されたときに電磁放射線（electromagnetic）を発する２つ以上の活性層を含む多重量子井戸構造を有する。

この活性層は、例えば、六方晶系化合物（hexagonal compound）半導体材料に基づいている。本明細書において、“六方晶系化合物半導体材料に基づく”とは、活性領域又は活性領域の少なくとも１つの層、特に、活性層が、六方晶系化合物半導体材料からなることを意味する。すなわち、少なくとも１つの活性領域は、六方格子構造を有する。全体の半導体ボディは六方晶系化合物半導体材料に基づいており、この半導体ボディの半導体材料は六方格子構造を有することが好ましい。

六方晶系化合物半導体材料は、例えば、化学元素周期律表のＩＩ族−ＩＶ族の主族元素の２成分の、３成分の及び／又は４成分の化合物からなる半導体構造である。例として、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＣｄＳ、ＺｎＣｄＳ、ＭｇＢｅＯの化合物のうちの１つを含ませることができる。また、六方晶系化合物半導体材料は、ＩＩＩ族−Ｖ族の主族元素の２成分の、３成分の及び／又は４成分の化合物、例えば、窒化物からなる半導体構造である。例として、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮの半導体構造の１つを含ませることができる。

この場合、上記半導体材料は、上式の１つに従う組成と正確に一致する必要はなく、むしろ、１つ以上のドーピング材料または追加の物質を含ませることができる。然し、単純化のために、上式は結晶格子の主要な物質のみを表しており、これらの物質の一部を他の物質に少量置換することができる。

六方晶系化合物半導体の場合、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のＡｌＩｎＧａＮ、すなわち、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、且つ、ｘ＋ｙ≦１）系の半導体ボディの場合、例えば、活性領域内に極性ウルツ鉱結晶構造（polar wurtzite crystal structure）及び歪み（strain）を有しているため、ＩｎＧａＮ量子井戸構造を備えた活性領域内で、圧電場（piezoelectric fields）が生じる。

圧電場は成長方向に沿って配向する。この圧電場の極性は、半導体ボディが成長する成長モードに依存する。有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）を用いる場合、成長は、いわゆるＧａ−表面成長モードで起こすことが好ましい。ＧａＮ結晶に関しては、例えば、これは、ＧａＮ二重層から結晶が成長する場合、結晶の成長基板とは反対側の表面の方向にガリウム原子があることを意味する。Ｇａ−表面成長モードで成長し、その成長方向が結晶（結晶学上）のｃ軸（crystallographic c-axis）と平行である結晶の場合、結晶のｃ軸と電場は基板から離れて結晶表面を向く。

活性領域内の歪みによる圧電場の向きは、反対方向である。分極によって引き起こされた格子変化は、活性領域の結晶表面に面する側で消極的であり、基板と成長結晶の間の界面に面する活性領域の側で積極的である。上記ｃ軸の方向での圧電場の配向は、Ｇａ−表面成長モードにおいて影響を及ぼすことができる。

光電子半導体ボディの有利な構成では、ｐ−ドープト閉じ込め層、活性領域及びｎ−導電型閉じ込め層が、成長方向でこの記載した順に、すなわち、結晶のｃ軸と平行に相互に続く。これらｐ−ドープト閉じ込め層及びｎ−導電型閉じ込め層は、成長方向で活性領域の前後にある半導体層である。１つの発展では、ｐ−ドープト閉じ込め層及び／又はｎ−導電型閉じ込め層は、電荷キャリア閉じ込め層及び／又はクラッド層を構成する。特に、当業者に知られているように動作中に活性領域によって発せられた電磁放射線を導くために、例えば、クラッド層が配置される。

活性領域の周辺に、ｎ導電型閉じ込め層、活性領域及びｐ−ドープト閉じ込め層が、成長方向でこの記載した順に相互に続く場合、圧電場が、活性領域への電荷キャリアの注入をより困難にする好ましくないエネルギー障壁構造を導く。それゆえ、このような光電子半導体ボディは、電流密度が増加したときに、頻繁に不十分、特に、降下する内部量子井戸効率を有する。

本発明者らは、このような光電子ボディと比較し、ｐ−ドープト閉じ込め層、活性領域及びｎ−導電型閉じ込め層を成長方向でこの記載した順に相互に続くと、動作中に電子とホールの再結合が起こる領域が有利に拡がることを見出した。動作中に電子とホールの再結合が起こる領域、すなわち、再結合領域には、多重量子井戸構造の少なくとも２つの活性層が配置され、半導体ボディの動作中に電磁放射線を発する。

本発明の放射線放出半導体ボディは、コンタクト層を備える。このコンタクト層は、半導体ボディの半導体層であり、半導体ボディの動作中にこの層を通して動作電流が活性領域に流れる。コンタクト層は、良好な電気伝導性を有することが好ましく、良好な電気横断伝導性を有することが好ましい。１つの構成では、コンタクト層は、成長基板上にエピタキシャルに形成された半導体層である。代替的に、コンタクト層は、成長基板に含まれることもでき、後で形成することもできる。

１つの態様では、コンタクト層は、特に、成長基板と活性領域の間に配置されたｐ型コンタクト層である。この態様では、ｐ型コンタクト層、ｐ−ドープト閉じ込め層、活性領域、ｎ導電型閉じ込め層及び他のコンタクト層（ｎ型コンタクト層）が、成長方向で相互に続くことが好ましい。１つの変形例では、ｐ−ドープト半導体層は、同時にｐ型コンタクト層及びｐ−ドープト閉じ込め層を構成する。同様に、ｎ導電型半導体層は、同時にｎ型コンタクト層及びｎ導電型閉じ込め層を構成する。別の変形例では、成長基板とｐ型コンタクト層が一体的に形成される。

別の変形例では、成長基板は、非常に薄いか、半導体ボディから完全に除去される。この場合、成長方向は、半導体ボディ内の原子層の順番に基づいて徐々に決定することができる。結晶成長がＧａ−表面成長モードで行われた場合、成長方向でのＧａ−表面からＮ−表面までの距離は、Ｎ−表面からＧａ−表面までの距離の約３倍である。原理上は、Ｎ−表面成長モードで原料を生成すること、すなわち、格子構造の反対の方向又は順序にそれらを成長させることができる。この方向では、Ｎ−表面からＧａ−表面までの距離は、Ｇａ−表面からＮ−表面までの距離の約３倍である。しかしながら、Ｎ−表面成長モードで原料を成長させるためには、一般に特別な方法が必要である。

１つの変形例では、コンタクト層は、ｎ型コンタクト層である。例として、ｎ型コンタクト層は、成長基板の上に堆積されて、成長方向で活性領域の後にあるか、或いは、成長基板はｎ型コンタクト層を有する。

１つの好ましい構成では、半導体ボディは、ｎ型コンタクト層と活性領域の間にトンネル接合を有する。このトンネル接合により、半導体ボディの半導体層列が有利に得られる。ここで、成長方向、すなわち、結晶のｃ軸に平行な方向に、活性領域の前かつｎ型コンタクト層の後にｐ型閉じ込め層が配置され、ｎ型閉じ込め層が活性領域の後に配置される。

半導体ボディの１つの好ましい構成では、２つの活性層の間、特に、２つの隣接する活性層の間に、バリア層が配置される。１つの有利な発展では、バリア層の膜厚は９ｎｍ以下であり、好ましい膜厚は４ｎｍ以下である。活性領域とバリア層は相互に直接接することが好ましい。多重量子井戸構造の量子井戸は、特に、活性層、バリア層及び終端のバリア層によって形成される。

半導体ボディの他の構成では、活性領域は、３つ以上の活性層を有する。一変形例では、５つ以下の活性層を有する。

本発明者らは、そのような１つ又は複数のバリア層を備え、再結合領域に少なくとも２つの活性層を備えたものを確立した。例として、３つ以上、特に、５つ以下の多重量子井戸構造の活性層を再結合領域に配置した。

さらに、本発明者らは、そのような膜厚９ｎｍ以下、特に、４ｎｍ以下の１つ又は複数のバリア層を備え、各活性領域の間で電子を結合させたものを確立した。これにより、各活性領域の間で帯電キャリアの共鳴トンネル現象（resonant tunneling）が起こることを本発明者らは見出した。これは、特に、動作中に半導体ボディに印加される動作電流の電流密度が高い場合に、再結合領域に配置された個々の活性領域の間での帯電キャリア分布を有利に導き、結果として、高い効率が得られる。

トンネル接合を有する半導体ボディの場合、このトンネル接合は、活性領域におけるポテンシャルプロファイルに影響する。第１に、活性領域への注入用のエネルギーバリアは、電荷キャリアに対して低くなる。第２に、本発明者らは、多重量子井戸構造の量子井戸の有効厚さを小さくすることが有利であることを示すことができる。例として、この有効厚さは１ｎｍ以下である。

要約すると、成長方向に対する動作電流の逆特性と、小さな膜厚を有するバリア層を含む多重量子井戸構造とを組み合わせることによって、放射線の放出に寄与する少なくとも２つの、特に、少なくとも３つの活性層を有する多重量子井戸構造を備え、高い動作電流で特に高い効率を有する半導体ボディを実現することができる。この成長方向に対する動作電流の逆特性は、特に、トンネル接合によって得られる。

本発明の放射線放出半導体ボディにおいて、トンネル接合は、少なくとも１つのｎ型トンネル接合層と少なくとも１つのｐ型トンネル接合層を有する。さらに、これら少なくとも１つのｎ型トンネル接合層と少なくとも１つのｐ型トンネル接合層の間に、少なくとも１つのアンドープト中間層からなるアンドープト領域を備える。このアンドープト領域は、異なる組成を有する少なくとも２つのアンドープト中間層を有する。例として、活性領域から離れたＧａＮ層と活性領域に隣接したＡｌＧａＮ層である。トンネル接合において、このように構成されたｎ型トンネル接合層とｐ型トンネル接合層とは相互に直接的に接合されておらず、少なくとも１つのアンドープト中間層によって相互に離間している。この場合、“トンネル接合層”との表現は、半導体ボディの残りの半導体層とは区別するために用いられ、このように指定されたｎ型トンネル接合層又はｐ型トンネル接合層がトンネル接合に配置されることを意味する。

ｎ型トンネル接合層とｐ型トンネル接合層をアンドープト領域により相互に分離することによって、界面での異なる荷電キャリアの不利な相殺（compensation）が防止される。そうしなければ、界面を横切る荷電キャリア及び／又はドーパントの拡散が生じる。

ｎ型トンネル接合層とｐ型トンネル接合層との間へのアンドープト領域の挿入は、トンネル接合内で低い電荷キャリア密度を有する領域を形成しているが、本願に関して、この領域はトンネル接合の電気特性、特に、順電圧への不利な影響を少なくすることが認められた。特に、１つ以上のアンドープト中間層の形で挿入されたアンドープト領域は、ｎ型トンネル接合層とこれに直接接するｐ型トンネル接合層との界面で、この界面を拡散する電荷キャリア及び／又はドーパントが相互に相殺する領域に比べて不利な影響を少なくする。これは、半導体ボディの動作、特に、半導体ボディ内で高い電流密度を引き起こす動作電流で半導体ボディを動作させるときに重要である。

更に有利な構成では、少なくとも以下の半導体層が、成長方向に記載した順序で連続する：ｎ型コンタクト層；トンネル接合（好ましくは、成長方向において少なくとも１つのｐ型トンネル接合層がアンドープト領域に続き、アンドープト領域が少なくとも１つのｎ型トンネル接合層に続く）；ｐ−ドープト閉じ込め層；活性領域；及び他のｎ型コンタクト層。

アンドープト領域の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。このような厚さにすることで、アンドープト領域は、ｎ型トンネル接合とｐ型トンネル接合の中にそれぞれ存在する荷電キャリアに対するバリアを構成し、このバリアは、互いの電荷の相殺を防ぐ。他方、アンドープト領域は、トンネル接合の電子特性に不利な影響を与えないほど薄い。

更に有利な構成では、ｎ型トンネル接合層及び／又はｐ型トンネル接合層は、材料組成及び／又はドーパント濃度が異なる超格子を含む。

別の構成では、ｐ−ドープト層と活性領域の間に、ｐ−ドープト層のｐ型ドーパントの拡散バリアが配置される。１つの発展では、この拡散バリアは、超格子を含む。

別の構成では、放射線放射半導体ボディは、活性領域のトンネル接合とは反対側にアンドープト半導体層を含む。例として、このアンドープト半導体層は、ｎ導電型の閉じ込め層である。このアンドープト半導体層は、半導体ボディの活性領域と他のコンタクト層の間に配置されることが好ましい。

アンドープト半導体層は、例えば、３ｎｍ〜４０ｎｍの膜厚を有する。従来の半導体ボディと比較して、アンドープト半導体層は、半導体ボディの効率に影響しないか、僅かに影響する。そのため、この膜厚は、半導体ボディの製造中に所望の大きな許容範囲となるように有利に選択することができる。

１つの有利な構成では、半導体ボディは、１００Ａ／ｃｍ^２以上、特に、３００Ａ／ｃｍ^２以上の動作電流密度で動作させる。１つの発展では、半導体ボディは、より高い動作電流密度、例えば、５００Ａ／ｃｍ^２以上、１０００Ａ／ｃｍ^２又は２０００Ａ／ｃｍ^２以上の動作電流密度で動作させる。

半導体ボディは、動作中、最大強度のスペクトル分布を有する電磁放射線を発する。例として、最大強度は、赤外線の、可視の又は紫外のスペクトル範囲内の波長を有する。スペクトル分布の半値全幅は、動作電流の電流密度から実質的に独立している。数学的な定義では、半値全幅は、この場合、最大強度の波長から短波長側又は長波長側で強度が最大強度の半分に下がる２つの波長間の差を意味する。

半導体ボディは、発光ダイオードチップ又はレーザダイオードチップ、特に、端面発光レーザダイオードチップとすることができる。

他の構成では、半導体ボディは、少なくとも１つの他の活性領域を備えている。この構成では、成長方向で複数の活性領域が相互に続いている。例として、半導体ボディは、３乃至１０の活性領域を含んでいる。他のトンネル接合は、２つの隣接する活性領域の間に配置されることが好ましい。他の活性領域及び／又は他のトンネル接合は、活性領域又はトンネル接合層として上述した構成と同様に実現することが好ましい。

例として、半導体ボディは、以下の半導体層を記載した順番で備えている：ｐ型ドープト閉じ込め層、活性領域、ｎ導電型閉じ込め層、他のトンネル接合、他のｐ−ドープト閉じ込め層、他の活性領域、他のｎ導電型閉じ込め層。別の展開では、他のｎ型コンタクト層は、他のｎ導電型閉じ込め層に続く。他のｐ−ドープト閉じ込め層と他の活性領域との間に、他の拡散バリアを配置することができる。

更なる利点や有利な態様は、図１乃至図１１を参照して説明する以下の実施形態から明らかになる。

一実施形態の半導体ボディの模式的断面図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディのトンネル接合の模式的断面図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディの拡散バリアの模式的断面図。 他の実施形態に関連する半導体ボディの模式的断面図。 従来の多重量子井戸構造のバンド構造の模式図。 図１の実施形態に関連する多重量子井戸構造の模式図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディの放射電力の動作電力依存性を、他の半導体ボディと比較して示す図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディの場合に、バリア層の膜厚の関数としての放射電力の線形性を、他の半導体ボディと比較して示す図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディの場合に、動作電流の関数としてのスペクトル分布の半値全幅を、他の半導体ボディと比較して示す図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディの場合に、動作電流の関数としての最大発光波長を、他の半導体ボディと比較して示す図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディにより発せられる電磁放射線の強度の動作電流依存性を種々のバリア層の膜厚に対して示す図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディにより発せられる電磁放射線の放射電力の動作電流依存性を種々の活性層の数に対して示す図。 図１の実施形態に関連する半導体ボディの場合に、アンドープト半導体層の膜厚の関数としての電磁放射線の相対強度を、他の半導体ボディと比較して示す図。

実施形態及び図面において、同様の又は同様に作用する構成要素には同じ参照符号を付している。図面は、特に、図面に描かれた個々の構成要素の相対的な寸法は、縮尺通りに描かれたものではない。むしろ図面における個々の構成要素（例えば、層）は、より良い説明のために、及び／又は、より良い理解のために、誇張した大きさ又は厚さで描かれている。

図１は、半導体ボディの一実施形態を示す。この半導体ボディは、六方晶化合物半導体材料、特に、ＩＩＩ族窒化物半導体材料系の半導体層列を有することが好適である。ＩＩＩ族窒化物半導体材料は、特に好ましくは、ＡｌＩｎＧａＮ、すなわち、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、且つ、ｘ＋ｙ≦１）である。

半導体ボディは、基板１を備えている。この基板１は、特に、ＩＩＩ族窒化物半導体材料（例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ及び／又はサファイア）の成長に好適な材料、又は、それらの材料からなる。この基板は、ｎ導電型であり、例えば、ｎ−ＧａＮ、ｎ−ＳｉＣ及び／又はｎ−Ｓｉ（１１１）を含むか、又は、少なくともこれらの材料の少なくとも１つからなることが好ましい。

図１に示すように、基板１とそれに続く半導体層との間で格子定数を整合させるために、基板１上にバッファ層（緩衝層）２を配置できる。バッファ層は、例えば、ＧａＮ又はＡｌＧａＮ、すなわち、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１）からなる。特に、バッファ層の膜厚は、２０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。

ｎ型コンタクト層３、例えば、ｎ−導電性、特に、ｎ−ドープトＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層又はＡｌＩｎＧａＮ層は、基板１上に、又は、好適にはバッファ層２上に配置されている。この場合、ｎ型コンタクト層３は、Ｓｉが、１０^１８ｃｍ^−３以上１０^２０ｃｍ^−３以下の濃度、特に、２×１０^１８ｃｍ^−３以上１０^１９ｃｍ^−３以下の濃度でｎ型ドープされている。トンネル接合４は、このｎ型コンタクト層の後に続く。

トンネル接合４は、高濃度にドープされたｎ−ｐトンネル接合である。この場合、高度のドープは、１０^１９ｃｍ^−３以上、特に、１０^２０ｃｍ^−３以上のドープを意味すると理解できる。この場合、トンネル接合４のｎドープ側はｎ型コンタクト層３に接しており、ｐドープ側はｎ型コンタクト層３とは反対側である。

図２に示すように、本実施形態では、トンネル接合４は、ｎ型トンネル接合層４１と、成長方向でこのｎ型トンネル接合層４１に続くｐ型トンネル接合層４３とを含む。高濃度にドープされたｎ−ｐトンネル接合４の場合、ｐ型トンネル接合層４３及び／又はｎ型トンネル接合層４１は高濃度にドープされる。

本実施形態では、ｐ型トンネル接合層４３は多層膜として具体化される。ｐ型トンネル接合層４３は、層４３１、４３２を交互に積層してなる超格子を含んでいる。本実施形態では、この超格子は、１０組の層４３１、４３２を含んでいる。例として、超格子は、高濃度にドープされたｐ−ドープトＩｎＧａＮ層４３１とアンドープトＧａＮ層４３２を含んでいる。ここで、ＩｎＧａＮは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮで表される（式中、０≦ｘ≦１）。

超格子の各層４３１、４３２の膜厚は、好ましくは２ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以下である。本実施形態では、層４３１、４３２の膜厚は、それぞれ０．５ｎｍである。従って、ｐ型トンネル接合層４３は、好ましくは４０ｎｍ以下の膜厚を有し、より好ましくは２０ｎｍ以下の膜厚を有する。本実施形態では、トンネル接合層４３の膜厚は１０ｎｍである。

同様に、ｎ型トンネル接合層４１を多層膜として構成できる。例として、１つの構成では、ｎ型トンネル接合層４１は、高濃度のｎ−ドープト層とアンドープト層を交互に積層してなる超格子を有する。例として、ｎ−ドープト層がＩｎＧａＮ層であり、アンドープト層がＧａＮ層である。特に、短周期（１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、特に、２ｎｍ以下の周期）の超格子構造を含むことが好適である。超格子の各層の厚さは、例えば、０．５ｎｍである。周期の数は、好ましくは１５以下である。

超格子としてのｎ型トンネル接合層４１及び／又はｐ型トンネル接合層４３の実施形態は、高濃度の１つのドープト層の場合と比較して、結晶構造の形態（morphology）を改善できるため有利である。特に、超格子に含まれる多数の界面が、半導体ボディにおける転位（dislocations）の伝搬を低減する。

図２に示した実施形態のトンネル接合４では、ｎ型トンネル接合層４１とｐ型トンネル接合層４３の間に、アンドープト領域４２が配置されている。このアンドープト領域４２は、通常高濃度でドープされるｎ型トンネル接合層４１及びｐ型トンネル接合層４３が相互に直接接しないという利点を有する。これは、異なる荷電キャリアの種のそれぞれ反対の種の高濃度ドープト層への拡散、及び、荷電キャリアの濃度の減少を妨げる。

アンドープト領域４２は、トンネル接合４の電気特性を有利に向上させる。特に、比較的低い順電圧が得られる。例として、半導体ボディの順電圧は、５Ｖ以下である。

アンドープト領域４２は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１）又はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含むことが好ましい。０．０５≦ｘ≦０．３が、好適なアルミニウムの組成である。ｐ型トンネル接合層がｐ型ドーパントとしてマグネシウムを含む場合の拡散層として、ＡｌＧａＮ層が特に好ましい。ｎ型トンネル接合層４１のｎ型ドーパントとして、例えば、シリコンが好ましい。

アンドープト領域４２は、少なくとも２つのアンドープト中間層４２１、４２２を有する多層構造からなることが好ましい。例として、ｎ型トンネル接合層４１に接する最初の（第１の）アンドープト中間層４２１はＧａＮ層からなる。後者（アンドープト中間層４２１）の膜厚は、例えば、約２ｎｍである。この場合、第２のアンドープト中間層４２２は、成長方向で後にあり、ｐ型トンネル接合層４３に接している。第２のドープト中間層４２２は、例えば、アンドープトＡｌＧａＮ層である。この層の膜厚は、例えば、約１ｎｍ〜約８ｎｍである。

アンドープト領域４２の２層又は多層の構造は、トンネル接合層４１、４３にそれぞれ隣接するドーパントの拡散特性に対する材料及び膜厚に関し、アンドープト中間層４２１、４２２を有利に用いることができる。例として、ＡｌＧａＮ層４２２は、ｐ型トンネル接合層４３のｐ型ドーパント（特に、マグネシウム）の拡散バリアとして特に好ましい。ＧａＮ層４２１は、ｎ型トンネル接合層４１のｎ型ドーパント（特に、シリコン）の拡散バリアとして特に好ましい。それに加えて、２層又は多層の構造からなるアンドープト領域４２の場合、少なくとも１つの界面は、ｎ型及びｐ型トンネル接合層４１、４３のドーパントの拡散バリアとして機能する。

１つの変形例では、アンドープト領域４２は、アンドープト中間層４２１に加えて、１つ又は複数のｐ−ドープト中間層４２２を有する。１つの有利な構成では、少なくとも１つのｐ−ドープト中間層４２２が、２つのアンドープト中間層４２１の間に配置される。この変形例では、トンネル接合の位置を特に正確に設定することができる。

ｐ−ドープト閉じ込め層５が、成長方向でトンネル接合４の後にある。例として、ｐ−ドープト閉じ込め層は、電荷キャリア閉じ込め層及び／又はクラッド層で構成される。１つの構成では、ｐ−ドープト閉じ込め層５は、ｐ−ドープトＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（式中、０≦ｘ≦０．１）である。ｐ−ドープト閉じ込め層５の膜厚は、５０ｎｍ〜５００ｎｍであり、例えば、約１００ｎｍが好適である。１つの好ましい構成では、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを用いてｐ−ドープを行うことができ、例として、ｐ型ドーパントは、１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^２０ｃｍ^−３の濃度範囲で含まれ、好ましくは２×１０^１９ｃｍ^−３〜２×１０^２０ｃｍ^−３の濃度範囲で含まれる。

活性領域７が、成長方向でｐ−ドープト閉じ込め層５の後に配置される。１つの有利な展開では、拡散バリア６が、ｐ−ドープト閉じ込め層５と活性領域７との間に配置される。この拡散バリア６は、ｐ−ドープト閉じ込め層５のｐ型ドーパントが活性領域７に侵入するリスクを有利に低減する。

図３は、拡散バリア６の有利な実施形態を示す。図３の実施形態のように、拡散バリア６は、複数の拡散バリア層６１、６２、６３を配列してなる層である。

基板１に近い第１の拡散バリア層６１は、例えば、アンドープト層であり、特に、ＡｌＧａＮからなり、好ましくは、１０ｎｍ以下（例えば、５ｎｍ）の膜厚を有する。

第２の拡散バリア層６２は、成長方向で第１の拡散バリア層６１の後にある。第２の拡散バリア層６２は、好ましくはアンドープのものであり、特に、ＧａＮ系である。第２の拡散バリア層の膜厚は、例えば、約２０ｎｍである。

成長方向で第２の拡散バリア層６２の後にある第３の拡散バリア層６３として、拡散バリア６は第１の層６３１及び第２の層６３２を交互に積層してなる超格子を有する。例として、異なる材料の層、例えば、ＩｎＧａＮ層６３１とＧａＮ層６３２とが交互に積層される。超格子は、１０組以上の層６３１、６３２を有することが好ましく、３０組以上の第１及び第２の層６３１、６３２を有することが好ましい。

この場合、ＩｎＧａＮ層６３１のインジウムの比率は、成長方向において連続的に又はステップ状に減少する。第１及び／又は第２の層６３１、６３２の膜厚は、好ましくは２ｎｍ以下であり、特に好ましくは１ｎｍ以下である。本実施形態では、第１及び第２の層６３１、６３２の各膜厚は０．５ｎｍである。第３のバリア層６３の全体の膜厚は、好ましくは２ｎｍ〜１００ｎｍであり、本実施形態では３０ｎｍである。

活性領域７は、多重量子井戸構造を構成する。活性領域７は複数の活性層７１を備え、それら複数の活性層７１の間にバリア層７２が配置されている。成長方向で最初の活性層７１の前と、最後の活性層７１の後に、他のバリア層７２Ａがそれぞれ配置されている。

活性層７１は、例えば、ＩｎＧａＮを含むか、ＩｎＧａＮからなる。活性層７１の膜厚は、例えば、０．８ｎｍ以上であり、特に、１０ｎｍ以下であり、特に好ましくは、４ｎｍ以下である。

バリア層７２は、例えば、ＡｌＩｎＧａＮを含むか、ＡｌＩｎＧａＮからなる。バリア層７２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、好ましくは２ｎｍ以上１２ｎｍ以下である。バリア層７２は、好ましくはＧａＮ層である。特に、ＧａＮ層であるバリア層７２の膜厚は、好ましくは７ｎｍ以下であり、特に好ましくは４ｎｍ以下である。

ｎ導電型閉じ込め層（例えば、アンドープトＧａＮ層）８からなるアンドープト半導体層が、活性領域７の後に配置される。アンドープト半導体層の膜厚は、例えば、３ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、特に、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。

半導体ボディの基板とは反対側の上面には、ｎ型閉じ込め層に続いて他のｎ型コンタクト層９が配置されている。他のｎ型コンタクト層９は、例えば、活性領域７に面するｎ−ドープトＧａＮ層（例えば、膜厚が約１２０ｎｍ）と、活性領域とは反対側のｎ−ドープト（特に、高濃度でドープされた）ＩｎＧａＮ層（例えば、膜厚が約５ｎｍ）とからなる積層構造である。例として、ｎドープトＧａＮ層は、１０^１８ｃｍ^−３〜６×１０^１９ｃｍ^−３の濃度、好ましくは２×１０^１８ｃｍ^−３〜８×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でＳｉがドープされている。ｎ−ドープトＩｎＧａＮ層は、１０^１８ｃｍ^−３〜１０^２１ｃｍ^−３の濃度、好ましくは３×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度でＳｉがドープされている。

半導体ボディは、特に、発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）又はレーザダイオードチップであり、ｎ型コンタクト層３、９を両側に有する。半導体ボディとの電気的なコンタクトは、例えば、基板１の半導体層列とは反対側、及び、他のｎ型コンタクト層９の表面で行われる。このため、例えば、他のｎ型コンタクト層９は、パターン化されたコンタクトメタライゼーション、及び／又は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）やＺｎＯのような透明伝導酸化物からなる透明伝導層に適用される。

図５Ｂは、図２のトンネル接合４及び図３の拡散バリア６を備えた図１の半導体ボディにおける多重量子井戸構造７のエネルギーレベルを示す。これと比較して、図５Ａは、トンネル接合の無い半導体ボディにおける同様の多重量子井戸構造のものを示す。価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢのエネルギーＥ（ｅＶ）が、図の縦軸に沿ってプロットされている。

それぞれの場合の横軸は、半導体層列内の相対位置ｚ（ｎｍ）を特定する。基板１からの距離が増加するに従い、位置ｚの値も増加する。それゆえ、図５Ａの量子井戸構造の場合、成長基板はｎ側に位置する。このｎ側は、図中で文字ｎが付されており、量子井戸構造の左に位置する。図５Ｂにおいて、成長基板は、図中で文字ｐが付され、図中の右に位置する。

トンネル接合の無い半導体ボディの場合、荷電キャリアがｎ導電型閉じ込め層から活性領域内に遷移するとき、及び、ｐ−ドープト閉じ込め層から活性領域内に遷移するときに、高いエネルギーのポテンシャル障壁（potential barrier）に乗り越えなければならない。この障壁は、図５Ａの約−２０ｎｍ及び＋５ｎｍの位置での立ち上がりに対応する。トンネル接合４を備えた半導体ボディの場合、このようなポテンシャル障壁は生じない。

図５Ａと図５Ｂの比較において、トンネル接合４を備えた半導体ボディにおける活性領域の場合（図５Ｂ）、量子井戸の深さが僅かに減少し、それらの形状が図５Ａの量子井戸の形状と著しく異なる。このように、トンネル接合４を備えた半導体ボディにおける活性領域の場合、量子井戸間のポテンシャル障壁の実効的な厚さは減少する。このため、量子井戸間の荷電キャリアのトンネリングが促進され、個々の量子井戸に沿った荷電キャリアのより均一な分布が得られる。

電子密度を計算することで、図５Ａに示したトンネル接合の無い半導体ボディの場合、活性領域とｐ−ドープト閉じ込め層の界面（図５Ａの約０ｎｍの位置に対応する）付近で電子密度が最も高くなることを示すことができる。これは、ｐ側で非放射的に再結合する電子を許容する。

対照的に、図５Ｂに関連する半導体ボディの場合、図５Ｂにおいて約１５ｎｍ〜２０ｎｍの位置に対応する活性領域７とｎ導電型閉じ込め層８との間の界面付近で電子密度が最も高くなる。これにより、電子の非放射的な再結合のリスクは、有利に低減される。これは、高い動作電流での、特に、高い荷電キャリア濃度での半導体ボディの効率に有利に影響する。

図６は、動作電流Ｉの関数として半導体ボディから発せられる放射電力Φを示す。

曲線１１は、図１の実施形態に関連する半導体ボディの動作電流Ｉの関数としての放射電力Φを示す。これと比較して、曲線１２は、多重量子井戸構造を備えるがトンネル接合の無い半導体ボディの動作電流Ｉの関数としての放射電力Φを示し、曲線１３は、トンネル接合及び単一量子井戸構造を備えた半導体ボディの動作電流Ｉの関数としての放射電力Φを示す。これらの半導体ボディの場合、１００ｍＡの動作電流Ｉは、２００Ａ／ｃｍ^２の動作電流密度に本質的に対応する。このため、図６に示す０〜３５０ｍＡの動作電流の範囲は、０〜約７００Ａ／ｃｍ^２の動作電流密度の範囲に対応する。

多重量子井戸構造を備えるがトンネル接合の無い半導体ボディと、単一量子井戸構造及びトンネル接合を備えた半導体ボディは、約１５０ｍＡ以上の動作電流Ｉで、本発明の半導体ボディの効率を達成しない。

線１２及び１３の場合に強い飽和状態が起こる間、図１の実施形態に関する線１１は、高い動作電流Ｉでほぼ線形プロファイルを有する。

図６、特に、曲線１２及び１３の略同一のプロファイルから、トンネル接合が無く多重量子井戸構想を備えた半導体ボディの場合、多重量子井戸のうちの１つの量子井戸だけが放射に寄与することが明らかである。

小さい膜厚のバリア層７２結合と、半導体ボディのトンネル接合４の使用による多重量子井戸構造におけるポテンシャル障壁の低減と、活性層７１間で荷電キャリアの均一な分布を有する複数の量子井戸７１間の放射線の放射分布だけが、高い電流密度での発光強度効率の増加を導く。

図７は、動作電流密度Ｉの関数として半導体ボディによって発光された放射電力Φの略線形プロファイルが、十分に小さい膜厚のバリア層７２でも実際に達成されていることを示す。

多重量子井戸構造を備えるがトンネル接合の無い半導体ボディの場合、バリア層の膜厚ｄ_Ｂは、実用的に重要ではない（曲線１２）。動作電流４０ｍＡでの放射電力Φ（４０ｍＡ）に対する動作電流８０ｍＡでの放射電力Φ（８０ｍＡ）の比率は、全ての膜厚ｄ_Ｂに対して、約１．６の値で強く飽和（strong saturation）していることを示す。

これに対して、図１及び図５Ｂの実施形態に関連する半導体ボディの場合、上記放射電力の比率Φ（８０ｍＡ）／Φ（４０ｍＡ）は、バリア層７２の膜厚ｄ_Ｂが減少するに連れて大きく増加する。本実施形態で実現されるようにバリア層７２の膜厚ｄ_Ｂが４ｎｍ以下の場合、上記比率は約１．８以上となる。これは、直線性が改善され、これにより、高い動作電流Ｉでの半導体ボディの発光強度の効率が高くなることを示している。

これは、図１０において再度図示されている。この図は、図１の実施形態に関連してバリア層７２の膜厚ｄ_Ｂが２ｎｍ、４ｎｍ、７ｎｍ、１５ｎｍである半導体ボディの放射電力Φの動作電流Ｉ依存性を示す。バリア層７２の膜厚ｄＢが７ｎｍ以下、好ましくは４ｎｍ以下、特に、２ｎｍ以下の場合、高い動作電流Ｉでの効率が増加する。

図８は、種々の半導体ボディにより発せられる電磁放射線の半値全幅（ＦＷＨＭ）の値を示す。図６と同様に、曲線１１、１２、１３は、図１の実施形態に関連する半導体ボディ（曲線１１）、多重量子井戸構造を備えトンネル接合が無い半導体ボディ（曲線１２）、及びトンネル接合と単一量子井戸構造を備える半導体ボディ（曲線１３）に関連する。

他の半導体ボディの放射線の半値全幅（ＦＷＨＭ）の値とは対照的に、図１の実施形態に関連する半導体ボディの放射線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、実質的に動作電流Ｉから独立する。このため、上述した１つの構成の半導体ボディは、高電力（高パワー）レーザダイオードに特に適している。

図９は、種々の半導体ボディにより発せられる放射線の最大強度の波長Ｌ_ｄｏｍの動作電流Ｉ依存性を示す。多重量子井戸構造を備えるがトンネル接合が無い半導体ボディの場合（曲線１２）及びトンネル接合と単一量子井戸構造を備える半導体ボディの場合（曲線１３）には動作電流Ｉに応じて波長Ｌ_ｄｏｍが大きくシフトする。一方、図１の実施形態に関連する半導体ボディの場合（曲線１１）、動作電流Ｉに応じた波長Ｌ_ｄｏｍの変化がほとんど目立たないことが有利である。

高い動作電流Ｉでの半導体ボディの効率が量子井戸構造の量子井戸の数に依存することが図１１から判る。バリア層７２の膜厚ｄ_Ｂが４ｎｍのとき、図１の実施形態に関連する半導体ボディの場合、正確に３つの活性層７１を有する多重量子井戸構造を有する活性領域７は特に高効率である。３つの多重量子井戸を有する多重量子井戸構造の場合（３ｘＭＱＷ）、この半導体ボディにより発せられた電磁放射線の放射電力Φは、約４０ｍＡ以上の動作電流Ｉで最大となる。

活性層７１の数の更なる増加は、発せられた放射線の放射電力Φの更なる改善をもたらさない。例として、５つの活性層７１を有する多重量子井戸構造（５ｘＭＱＷ、曲線１１Ａ）を備えた半導体ボディの放射電力Φは、３つの活性層７１を有する多重量子井戸構造（曲線１１）を備えた半導体ボディのものよりも若干低い。

発明者らは、これは、荷電キャリアが再結合できる領域の幅よりも活性領域の幅が大きいという事実に起因すると見出した。量子井戸の数の増加は、動作中に放射線を発する活性層７１の数の増加を導かない。しかしながら、バリア層７２の膜厚ｄ_Ｂが、例えば、２ｎｍ以下と小さいとき、３つ以上の活性層７１、例えば、４つ又は５つの活性層７１を有する多重量子井戸構造を形成することが好ましい。成長方向で活性領域を小さく（薄く）すると、４つ又は５つの活性層７１の全てが、半導体ボディの動作中に電磁放射線を発することができるという結果となる。

単一量子井戸構造（ＳＱＷ）を有する半導体ボディは、約４０ｍＡ以上の動作電流で最小の放射電力Φ（曲線１３）で発光する。これは、多重量子井戸構造及びトンネル接合４を有する半導体ボディの場合、複数の活性層７１が放射線の発光に寄与することで再び実証される。

図１２は、図１の実施形態に関連する半導体ボディにより動作中に発せられた相対的な放射電力Φ_ｒｅｌのアンドープトｎ−導電型層の膜厚ｄ_ｎ依存性を示す（太棒）。これと比較するため、図１２は、多重量子井戸構造を備え、基板と活性領域の間にトンネル接合の無い半導体ボディの相対的な放射電力Φ_ｒｅｌを示す。

後者の場合、アンドープトｎ−導電型層の膜厚ｄ_ｎが増加するに連れて、発せられた電磁放射線の放射電力Φ_ｒｅｌが減少する。一方、図１の実施形態に関連する半導体ボディは、動作中に発せられた電磁放射線の放射電力Φ_ｒｅｌのアンドープトｎ−導電型層の膜厚ｄ_ｎの依存性は極小さい。

図４は、半導体ボディの他の実施形態を示す。この実施形態では、半導体ボディは、ｎ導電型閉じ込め層８とｎ型コンタクト層９との間に、他のトンネル接合４’、他のｐ−ドープト閉じ込め層５’、他の拡散バリア６’、他の活性領域７’及び他のｎ導電型閉じ込め層８’を、ｎ導電型閉じ込め層８からｎ型コンタクト層９に向かう方向でこの記載した順で相互に連続するように含む。

この場合、他のトンネル接合４’、他のｐ−ドープト閉じ込め層５’、他の拡散バリア６’、他の活性領域７’及び他のｎ導電型閉じ込め層８’は、トンネル接合４、ｐ−ドープト閉じ込め層５、拡散バリア６、活性領域７及びｎ導電型閉じ込め層８と同一に実現できる。個々の層の形態は、例えば、図１乃至図３の実施形態に関連して説明した構成に対応する。

本発明は、上記説明した実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、請求項に記述される各特徴の任意のあらゆる組み合わせを特に含む、新規な各特徴及びいくつかの特徴の各組み合わせにおいて、この特徴または特徴の組み合わせが請求項または実施形態に明示されていないとしても実現される。

Claims (15)

1. コンタクト層と活性領域とを備えた放射線放出半導体ボディにおいて、
   前記コンタクト層と前記活性領域との間にトンネル接合を備え、
   前記トンネル接合は、少なくとも１つのｎ型トンネル接合層と、少なくとも１つのｐ型トンネル接合層とを有し、前記少なくとも１つのｎ型トンネル接合層と前記少なくとも１つのｐ型トンネル接合層との間に、少なくとも１つのアンドープト中間層からなるアンドープト領域を含み、前記アンドープト領域は、異なる組成を有する少なくとも２つの中間層を含み、
   前記活性領域は、前記半導体ボディに動作電流が印加されたときに電磁放射線を放出する少なくとも２つの活性層を含む多重量子井戸構造を有することを特徴とする放射線放出半導体ボディ。
2. ２つの活性層の間に、厚さが９ｎｍ以下であるバリア層を配置したことを特徴とする請求項１記載の放射線放出半導体ボディ。
3. ３つ以上５つ以下の活性層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射線放出半導体ボディ。
4. 少なくとも前記活性領域は、ＩＩＩ族窒化物半導体材料に基づいていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
5. 前記アンドープト領域は、前記活性領域から離れたＧａＮ層と、前記活性領域に隣接したＡｌＧａＮ層とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
6. 前記アンドープト領域は、０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
7. 前記コンタクト層は、ｎ型コンタクト層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
8. 少なくとも前記ｎ型コンタクト層、前記トンネル接合、ｐ型ドープト閉じ込め層、前記活性領域及び他のｎ型コンタクト層が、成長方向でこの記載された順序で相互に続き、
   前記トンネル接合は、前記少なくとも１つのｎ型トンネル接合層と、成長方向でこのｎ型トンネル接合層の後にある前記アンドープト領域と、成長方向でこのアンドープト領域の後にある前記少なくとも１つのｐ型トンネル接合層とを含むことを特徴とする請求項７に記載の放射線放出半導体ボディ。
9. 前記ｎ型トンネル接合層及び前記ｐ型トンネル接合層の少なくとも何れか一方は、組成及びドーパント濃度の少なくとも何れか一方が異なる層を交互に積層してなる超格子を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
10. ｐ型ドープト閉じ込め層を備え、
    前記ｐ型ドープト閉じ込め層と前記活性領域との間に、前記ｐ型ドープト閉じ込め層のｐ型ドーパントに対する拡散バリアを配置し、この拡散バリアが超格子を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
11. 前記活性領域の前記トンネル接合とは反対側に、３ｎｍ〜４０ｎｍの厚さを有するアンドープト中間層を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
12. 前記半導体ボディの動作電流密度が１００Ａ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
13. 前記半導体ボディの動作電流密度が２００Ａ／ｃｍ ^２ 以上であることを特徴とする請求項１２に記載の放射線放出半導体ボディ。
14. 前記半導体ボディは、動作電流により動作している間、最大強度でスペクトル分布を有する電磁放射線を放出し、このスペクトル分布の半値全幅は、前記動作電流の電流強度から実質的に独立していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。
15. 成長方向で前記活性領域の後に、他のトンネル接合及び他の活性領域を備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の放射線放出半導体ボディ。

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