JP6111250B2 - オプトエレクトロニクス部品 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物化合物半導体材料（特にＩｎＧａＮ）を備えた量子井戸構造を有する活性層を有するオプトエレクトロニクスデバイスに関する。

特にＩｎＧａＮを備えている窒化物化合物半導体から構成される量子井戸構造は、通常では青色スペクトル領域において放出するＬＥＤまたはレーザダイオードにおける活性層として頻繁に使用される。半導体材料の組成によっては、紫外線、緑色、黄色、または赤色のスペクトル領域における発光も可能である。ルミネセンス材料によるルミネセンス変換によって、短い波長の放射をより長い波長に変換することができる。このようにすることで、混合色の光（特に白色光）を生成することが可能である。したがって、窒化物化合物半導体系のＬＥＤは、ＬＥＤ照明システムにおいて極めて重要である。

ＩｎＧａＮ系の量子井戸構造を有するＬＥＤの効率は、高い電流密度において低下することが判明している（いわゆる効率低下効果（droop effect））。この効果は、例えば、非特許文献１に記載されている。このオージェ再結合（Auger-like recombination）は、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤにおける主要な損失メカニズムであるものと考えられる。この損失メカニズムは、一般的な動作電流密度よりかなり低い電流密度においてすでに発生し、ＬＥＤの効率の低下を引き起こす。高いオージェ損失は、フォノンによって支援されるオージェ再結合に起因するものと考えられる。このようなフォノン支援オージェ再結合は、特に、ＩｎＧａＮ系の半導体材料において発生する。この理由は、電子とフォノンの相互作用が強いためである（高いＨｕａｎｇ−Ｒｈｙｓ係数）。

非特許文献２には、ＧａＮナノ構造の形成について記載されている。さらに、非特許文献３には、ＧａＮから構成されるナノ構造の形成について記載されている。これらの文献の内容は、この点について参照によって本明細書に組み込まれている。

E. Kioupakis et al., "Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes", Applied Physics Letters 98, 161107 (2011) J. Ristic et al., "On the mechanisms of spontaneous growth of III-nitride nanocolumns by plasma-assisted molecular beam epitaxy", Journal of Crystal Growth 310 (2008), 4035-4045 W. Bergbauer et al., "N-face GaN nanorods: Continuous-flux MOVPE growth and morphological properties", Journal of Crystal Growth 315 (2011), 164-167

本発明の目的は、窒化物化合物半導体材料系の量子井戸構造を備えた活性層を有するオプトエレクトロニクスデバイスであって、フォノン支援オージェ再結合に起因する損失が減少するオプトエレクトロニクスデバイスを開示することである。同時に、量子井戸構造の光学特性および電子特性に対する影響は最大限に小さいべきである。

この目的は、特許請求項１の特徴を有するオプトエレクトロニクスデバイスによって解決される。本発明の有利な配置構造および発展形態は、従属請求項の主題である。

少なくとも一実施形態によると、本オプトエレクトロニクスデバイスは、横方向に互いに隔てられている多数の構造要素を備えた活性層を有する。本オプトエレクトロニクスデバイスは、特に、放射放出オプトエレクトロニクスデバイス（例えばＬＥＤまたは半導体レーザ）である。構造要素それぞれは量子井戸構造を有し、量子井戸構造は、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）から構成される１層または複数層の障壁層と、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）から構成される１層または複数層の量子井戸層とを備えている。少なくとも１層の障壁層は、少なくとも１層の量子井戸層よりも大きい電子バンドギャップを有する。このことは、例えば、障壁層が量子井戸層よりも少ないインジウム含有量を有することによって達成することができる。インジウム含有量に関しては、ｘ１＜０．７かつｘ２≦０．７であることが好ましい。

活性層は、横方向に（すなわち活性層の主延在面に平行な方向に）互いに隔てられている多数の構造要素を有するため、起こり得るフォノン放出モードの減少を達成することができ、その結果として、量子井戸構造におけるフォノン支援オージェ再結合が減少する。このような非発光性の再結合が減少する結果として、連続的な（すなわち横方向に中断していない）障壁層および量子井戸層から量子井戸構造が形成されているオプトエレクトロニクスデバイスと比較して、オプトエレクトロニクスデバイスの効率が高まり、これは有利である。

構造要素は、活性層の平面内に隣り合って配置されている。構造要素は３次元体であり、少なくとも特定の領域において、好ましくは円柱、平行六面体、角柱、角錐、または角錐台の形状を有することができる。

好ましい実施形態においては、構造要素は、少なくとも特定の領域において、窒化物化合物半導体材料の六方晶系構造に合致する形状を有する。特に、構造要素は、少なくとも特定の領域において、六角錐、六角錐台、または六角柱の形状を有することができる。

構造要素は、２０μｍ以下の幅を有することが好ましい。構造要素の幅とは、横方向における構造要素の最大寸法であるものと理解されたい。構造要素の幅が小さいため、活性要素は横方向において多数の中断部を有し、これにより半導体材料におけるフォノンが抑制される。有利な実施形態においては、構造要素の幅は、５ｎｍ〜５μｍの範囲内（両端値を含む）である。構造要素の幅は、好ましくは２０ｎｍ〜１μｍの範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは２５ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。

有利な実施形態においては、本オプトエレクトロニクスデバイス内にマスク層が配置されており、各構造要素はマスク層における開口部の中に配置されている。マスク層は、例えば、ＳｉＯ_２層またはＳｉＮ層とすることができる。構造要素は、例えば、オプトエレクトロニクスデバイスの半導体層の上にマスク層を成長させた後、マスク層に多数の開口部を設けることによって形成することができる。マスク層は、特に、フォトリソグラフィによって構造化することができる。

しかしながら、マスク層における開口部は、自己組織化によって形成することもでき、例えば、まだ閉じていない薄い層をマスク層として使用することによって形成することもできる。例えば、薄いＮｉ層をマスクとして使用することができる。

次いで、マスク層の開口部の中に、構造要素をエピタキシャルに成長させる。この実施形態においては、構造要素の幾何学形状および構造要素の間の距離は、マスク層における開口部によって決まる。

マスク層を使用して構造要素を形成する方法に代えて、ナノ構造の３次元成長が行われるように、活性層を成長させるときの成長条件を調整することも可能である。この場合、ナノ構造は、マスク層が使用されない自己組織化プロセスによって形成され、これは有利である。この実施形態においては、構造の形状は、格子不整合によって発生するひずみを適切に利用することによって、または成長条件（例えばプロセスガスの組成によってＭＯＶＰＥによって成長させる場合）によって、調整することができる。

有利な実施形態においては、量子井戸構造の少なくとも１層の障壁層もしくは少なくとも１層の量子井戸層またはその両方は、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３５）を含んでいる。したがって、この実施形態においては、障壁層もしくは量子井戸層またはその両方にガリウムが存在せず、三元化合物Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ半導体材料におけるインジウム含有量ｘは、０．３５以下である。この実施形態においては、隣り合って配置される横方向に隔てられた多数の構造要素が形成されるように活性層を構造化することによってのみならず、障壁層もしくは量子井戸層またはその両方の材料の選択によって、半導体材料におけるフォノンが減少する。この効果として、特に、ガリウムを含有する窒化物化合物半導体層が垂直方向および横方向の両方において定期的に中断し、結果として、損失プロセスに関与するフォノンの伝搬が特に効率的に減少する。

特に好ましくは、障壁層もしくは量子井戸層またはその両方におけるインジウム含有量ｘに関して、０．０９≦ｘ≦０．２７である。このインジウム含有量の範囲内では、特に、ＬＯフォノンモードが大幅に減少することが判明した。

さらなる有利な実施形態においては、量子井戸構造は、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．６）から構成されている複数の中間層を備えている。この実施形態においては、障壁層は、例えばＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）を含んでいることができ、量子井戸層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０＜ｚ≦１、ｚ＞ｙ）を含んでいる。この実施形態においては、障壁層と量子井戸層が中間層によって垂直方向に中断されている。

中間層におけるインジウム含有量に関して、ｘ≦０．３５、特に好ましくは０．０９≦ｘ≦０．２７であることが好ましい。フォノンスペクトルは、特に、中間層の材料Ａｌ_１−ｘＩｎ_ｘＮのインジウム含有量ｘを変化させることによって調整することができる。好ましくは、０≦ｘ≦０．３５である。

特に好ましくは、中間層のインジウム含有量ｘは０．０９≦ｘ≦０．２７である。特に、このインジウム含有量の範囲内では、ＬＯフォノンモードが大幅に減少することが判明した。したがって、Ａｌ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（０．０９≦ｘ≦０．２７）から構成される少なくとも１層の中間層を埋め込むことによって、量子井戸構造におけるフォノン支援再結合を特に効率的に減少させることができる。ｘは、例えば０．１８とすることができる。

好ましい実施形態においては、中間層は、１．５ｎｍ未満の厚さを有する。このようにして、非発光性の再結合が減少する一方で、量子井戸構造の光学特性および電子特性が無視できる程度しか変化しないように、量子井戸構造の領域におけるフォノンスペクトルを修正することが可能であり、これは有利である。

一実施形態においては、少なくとも１層の中間層が、障壁層と量子井戸層との間に配置されている。多重量子井戸構造の場合、中間層それぞれは、例えば、成長方向において量子井戸層が障壁層に続く界面に挿入される。これに代えて、中間層それぞれが、成長方向において障壁層が量子井戸層に続く界面に挿入されることも可能である。

少なくとも１層の中間層のインジウム含有量ｘは、中間層の電子バンドギャップが隣接する障壁層の電子バッドギャップと同じであるように調整されていることが好ましい。さらなる有利な実施形態においては、少なくとも１層の中間層のインジウム含有量ｘが、中間層の電子バンドギャップが隣接する量子井戸層の電子バッドギャップと同じであるように調整されていることが好ましい。中間層の電子バッドギャップと、障壁層または量子井戸層の電子バッドギャップとを合致させることによる有利な結果として、少なくとも１層の中間層による量子井戸構造の電子特性に対する影響を無視することができる。

有利な実施形態においては、量子井戸構造は、それぞれが３つの層から構成される複数の周期体を有する多重量子井戸構造であり、３つの層は、障壁層、中間層、および量子井戸層である。

代替実施形態においては、量子井戸構造は、それぞれが４つの層から構成される複数の周期体を有する多重量子井戸構造であり、４つの層は、中間層、障壁層、さらなる中間層、および量子井戸層である。この実施形態においては、障壁層は、両側が中間層によって囲まれている。さらなる中間層は、前述した中間層と同じ特性および有利な実施形態を有する。

さらなる実施形態においては、量子井戸構造は、障壁層および量子井戸層が第１の周期長で複数回繰り返される多重量子井戸構造である。量子井戸構造には複数の中間層が埋め込まれていることが有利である。中間層は、第２の周期長で複数回繰り返されていることが有利であり、第１の周期長は第２の周期長と同じではない。したがって、この場合、中間層それぞれが障壁層と量子井戸層との間の界面に正確に配置されるのではなく、量子井戸構造の第１の周期長と同じではない第２の周期長で量子井戸構造の中に分布している。

この実施形態においては、第２の周期長は、第１の周期長よりも小さいことが好ましい。このようにすることで、障壁層と量子井戸層とから構成される層対それぞれに、少なくとも１層の中間層が必ず埋め込まれる。第１の周期長（すなわち量子井戸構造の周期長）は、２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。中間層が繰り返される第２の周期長は、０．７ｎｍから４ｎｍの範囲内（両端値を含む）で繰り返されることが好ましい。

中間層は、必ずしも周期的に配置する必要はなく、例えば、好ましくは０．７ｎｍ〜４ｎｍの範囲（両端値を含む）内の間隔で、量子井戸構造の中に非周期的に分布させこともできる。

量子井戸構造における少なくとも１層の障壁層の厚さは、０．７ｎｍ〜３ｎｍの範囲内であることが好ましい。量子井戸構造におる少なくとも１層の量子井戸層は、好ましくは１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の厚さ、特に好ましくは１．５ｎｍ〜１２ｎｍの範囲内である。

好ましい実施形態においては、構造要素それぞれは、量子井戸構造を含んだ積層体を有し、積層体の層は、これらが横方向において重なり合わないように上下に配置されている。言い換えれば、下層の上に配置されている各層が下層の側面ではなく上面を覆っているように、構造要素の層が互いに上下に配置されている。この構造は、例えば、マスク層の開口部に、構造要素を形成する積層体を成長させることによって達成することができ、マスク層は積層体よりも大きい厚さを有する。特に、構造要素を成長させるために使用されたマスク層を、完成したオプトエレクトロニクスデバイスに残すことが可能であり、そのようにすることで、横方向に互いに隔てられている構造要素を互いに電気的に絶縁することができる。

好ましい実施形態においては、横方向に互いに隔てられている構造要素の間に、電気的絶縁層が配置されている。電気的絶縁層によって、特に、量子井戸構造の側面における短絡が防止される。電気的絶縁層は、特に、構造要素を成長させるために使用されるマスク層とすることができる。

別の有利な実施形態においては、構造要素それぞれが、量子井戸構造を含んだ積層体を有し、積層体の層は、下層の上に配置されている積層体の層が下層をその側面も含めて完全に覆うように、互いに上下に配置されている。言い換えれば、この実施形態においては、構造要素はコアシェル構造を有する。この実施形態では、互いに上下に配置されている量子井戸構造の層それぞれが互いに全体を覆っているため、構造要素の側面における短絡を防止する目的で構造要素の間に電気的絶縁層を配置する必要がなく、これは有利である。

さらなる有利な実施形態においては、半導体層、もしくは透明導電性酸化物から構成されている層、またはその両方が、活性層、半導体層、透明導電性酸化物から構成される層のうちの少なくとも１つに形成されており、多数の構造化要素のための共通の電気コンタクトを形成している。したがって、活性層の多数の構造要素が共通して電気的に接触されている。多数の構造要素のための第２の電気コンタクトは、例えば半導体層によって形成することができ、この半導体層は、活性層より下に配置されており、例えば基板の裏面によって電気的に接続されている。

以下では、本発明について、図１〜図６に関連する例示的な実施形態を参照しながら詳しく説明する。

第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスの断面の線図である。 第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスにおける構造要素の例示的な実施形態の線図である。 第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスにおける構造要素のさらなる例示的な実施形態の線図である。 第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスにおける構造要素のさらなる例示的な実施形態の線図である。 第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスの断面の線図である。 第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスにおける構造要素の例示的な実施形態の線図である。 第３の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスの断面の線図である。 第３の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニクスデバイスにおける構造要素の例示的な実施形態の線図である。

図面において、同じ部分または同じ機能を有する部分はそれぞれ同じ参照数字によって表してある。図示した部分と、それらの互いの大きさの比率は、正しい縮尺ではないものとみなされたい。

図１に線図として示したオプトエレクトロニクスデバイス１１の例示的な実施形態は、放射を放出する活性層１０を有するＬＥＤである。オプトエレクトロニクスデバイス１１の活性層１０は、特に、紫外線、青色、または緑色のスペクトル領域における放射を放出するように意図されている。

活性層１０は、第１のクラッド層８と第２のクラッド層１２との間に配置されている。第１のクラッド層８は、好ましくは基板７の上にエピタキシャルに成長した半導体層または半導体積層体とすることができる。オプトエレクトロニクスデバイス１１は、例えば、ＧａＮ、サファイア、またはＳｉから構成される基板７を有することができる。

第２のクラッド層１２（活性層１０の上に配置されている）は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を含んでいることが好ましい。特に、第２のクラッド層１２は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の層とすることができる。基板７とは反対側の第２のクラッド層１２の表面は、ＬＥＤの放射出口面としての役割を果たす。電気的接触を形成するため、例えば、基板７の裏面に第１の電気コンタクト１３が設けられており、第２のクラッド層１２の表面に第２の電気コンタクト１４が設けられている。

これに代えて、第２のクラッド層１２を半導体層とすることも可能である。その場合、クラッド層８とクラッド層１２は、異なる導電型を有することが有利である。例えば、第１のクラッド層８を、ｎ型にドープされた層とすることができ、第２のクラッド層１２を、ｐ型にドープされた層とすることができる。第１のクラッド層８および第２のクラッド層１２のそれぞれは、複数の副層から構成することができ、ただし簡潔さを目的として、これらの副層は図面には個々に示していない。

オプトエレクトロニクスデバイス１１は、必ずしも一例として図示した構造を有する必要はない。例えば、これに代えてオプトエレクトロニクスデバイス１１をいわゆる薄膜ＬＥＤとすることができ、この場合、半導体積層体を成長させるのに使用された成長基板７が半導体積層体から剥離されており、元の成長基板とは反対側の面において半導体積層体がキャリアに接合されている。このような薄膜ＬＥＤの場合、キャリアの側の第１のクラッド層が通常ではｐ型にドープされており、放射出口面の側の第２のクラッド層がｎ型にドープされている。

オプトエレクトロニクスデバイス１１の半導体積層体は、窒化物化合物半導体系である。この場合、「窒化物化合物半導体系である」とは、半導体積層体またはその少なくとも１層が、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体材料、好ましくはＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含んでいることを意味する。このような材料は、必ずしも上の化学式に従った数学的に正確な組成を有する必要はなく、むしろ、この材料は、１種類または複数種類のドーパントと、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ材料の特徴的な物理特性を大きく変化させることのない追加の構成成分を含んでいることができる。しかしながら、説明を簡潔にする目的で、上の化学式は、結晶格子の主成分（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎ）のみを含んでおり、これらの構成成分は、その一部分をわずかな量のさらなる物質によって置き換えることができる。

オプトエレクトロニクスデバイス１１の活性層１０は、横方向に互いに隔てられている多数の構造要素６を備えていることが有利であり、構造要素６それぞれが量子井戸構造５を有する。構造要素６それぞれは、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）から構成される少なくとも１層の障壁層２と、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）から構成される少なくとも１層の量子井戸層１とを備えている量子井戸構造５を有する。少なくとも１層の障壁層２は、例えばインジウム含有量が少ない結果として、少なくとも１層の量子井戸層１よりも大きい電子バンドギャップを有する。インジウム含有量に関しては、ｘ１＜０．７かつｘ２≦０．７であることが好ましい。

横方向に互いに隔てられている活性層１０の構造要素６は、例えば、円柱の形状をしている。これに代えて、構造要素６は、例えば、平行六面体、角柱、角錐、または角錐台の形状とすることができる。構造要素６それぞれは、量子井戸構造５を含んだ積層体を有し、積層体の層は、これらが横方向に重ならないように互いに上下に配置されている。すなわち、各層は、下層の上面を覆うが側面は覆っていない。

構造要素６は、例えば、量子井戸構造５を形成する量子井戸層１と障壁層２とを、マスク層９の開口部の中で交互に成長させることによって形成することができる。例えば、量子井戸構造５を成長させる前に、活性層１０の下に配置されている第１のクラッド層８の上にマスク層９を成長させ、多数の開口部を設ける。マスク層９における開口部は、例えば、フォトリソグラフィによって形成することができる。マスク層９は電気的絶縁層であることが好ましく、特に、シリコン酸化物またはシリコン窒化物から構成される層である。

横方向に互いに隔てられている多数の構造要素６を形成するために活性層１０を構造化することによって、オプトエレクトロニクスデバイス１１の効率の改善を達成することが可能であることが判明した。特に、活性層１０を構造化することによって、半導体材料におけるフォノン状態密度（phonon density of states）が減少し、その結果として、非発光性のフォノン支援オージェ再結合が減少する。

例示的な実施形態においては、マスク層９は、マスク層９における開口部の中で成長する量子井戸構造５よりも高さが大きい。したがって、電気的絶縁性のマスク層９は、横方向に互いに隔てられている構造要素６の間に配置されている。この利点として、構造化された活性層１０の表面全体の上に形成される第２のクラッド層１２によって、多数の構造要素６のための共通の電気コンタクトを形成することができる。特に、構造要素６の側面が電気的絶縁性のマスク層９によって覆われているため、第２のクラッド層１２が、量子井戸構造５の一番上の半導体層のみに隣接している。反対側においては、量子井戸構造５との接触は第１のクラッド層８によって形成されている。

構造要素６は、２０μｍ以下の幅ｂを有することが好ましい。特に、構造要素は、５ｎｍ〜５μｍの範囲内（両端値を含む）を有することができる。幅ｂは、好ましくは２０ｎｍ〜１μｍの範囲内（両端値を含む）、特に好ましくは２５ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内（両端値を含む）である。

図２は、活性層１０の構造要素６を拡大した縮尺で示している。構造要素６は量子井戸構造５を含んでおり、量子井戸構造５は、交互に並ぶ量子井戸層１および障壁層２を有する。この例示的な実施形態においては、量子井戸構造５は、４つの周期体４を含む多重量子井戸構造であり、周期体４それぞれは、量子井戸層１および障壁層２から構成されている。あるいは、量子井戸構造５は、別の数（例えば１〜１００の間）の周期体を有することもできる。特に、量子井戸構造５を、１つのみの周期体を有する単一量子井戸構造とすることが可能である。周期体４の数は、４〜７の範囲内（両端値を含む）であることが好ましい。量子井戸構造５の各周期体４は、例えば、４ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内（両端値を含む）の厚さを有する。

障壁層２もしくは量子井戸層１またはその両方がＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３５）を含んでいる場合、活性層１０を構造化することによってすでに減少している半導体材料におけるフォノン状態密度（phonon density of states）をさらに減少させ得ることが判明し、これは有利である。したがって、この有利な実施形態においては、障壁層２もしくは量子井戸層１またはその両方に、特にガリウムが存在しない。特に好ましくは、０．０９≦ｘ≦０．２７である。

図３は、活性層１０の構造要素６の代替実施形態を示している。この実施形態においては、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３５）から構成されている中間層３が、障壁層２と量子井戸層１との間に存在する。中間層３は、好ましくは１．５ｎｍ未満の厚さ、特に好ましくは１ｎｍ未満の厚さを有する。この例示的な実施形態においては、中間層３は、障壁層２と量子井戸層１との間の界面すべてに配置されている。したがって、量子井戸構造の各周期体４は、４層からなる。

しかしながら、これに代えて、成長方向において障壁層２が量子井戸層１に続く界面のみに中間層を配置することも可能である。さらには、成長方向において量子井戸層１が障壁層２に続く界面のみに中間層３を配置することも可能である。このような実施形態においては、量子井戸構造５の周期体４は、それぞれ３層からなる。

量子井戸構造５の中、量子井戸層１と障壁層２との間に配置されている中間層３によって、放射の生成の効率が高まり、これは有利である。これは特に、量子井戸構造５における電荷キャリアの非発光性の再結合（フォノン支援オージェ再結合）が減少する結果である。特に、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮから構成される中間層３を挿入することによって、量子井戸構造５におけるＬＯフォノン状態密度が減少することが判明した。この有利な効果は、中間層３のインジウム含有量ｘが０．０９〜０．２７の範囲内（両端値を含む）である場合に特に顕著である。例えば、中間層はＩｎ_０．１８Ａｌ_０．８２Ｎを含んでいることができる。

特に、中間層３を挿入することにより、オプトエレクトロニクスデバイス１１が高い電流強さにおいて駆動されるとき、量子井戸構造５の量子効率が高まる。さらには、中間層３を挿入することによって、半導体材料におけるひずみを減少させ得ることが判明した。この結果として結晶品質が改善され、これにより、特に比較的小さい電流強さの場合において、量子効率が高まる。

隣接する量子井戸層１または隣接する障壁層２との格子整合を達成できるように、インジウム含有量ｘを調整することによって中間層３の格子定数を変化させることができる。これに代えて、またはこれに加えて、中間層３のインジウム含有量ｘを適切に調整することによって、中間層３の電子バンドギャップを隣接する障壁層２または量子井戸層１に合致させることが可能であり、これは有利である。

図４は、活性層の構造要素６のさらなる例示的な実施形態を示している。Ａｌ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（０≦ｘ≦０．６）から構成される複数の中間層３が多重量子井戸構造５に埋め込まれている。図３の例示的な実施形態とは異なり、中間層は周期的な配置で量子井戸構造５に埋め込まれており、中間層３の配置の周期長ｄ_２は、量子井戸構造５の周期長ｄ_１に一致していない。言い換えれば、量子井戸層１と障壁層２の層列は第１の周期長ｄ_１を有し、一連の中間層３は第２の周期長ｄ_２を有し、このときｄ_１≠ｄ_２である。

この結果として、中間層３それぞれは、量子井戸層１と障壁層２との間の界面に必ずしも配置されるのではなく、量子井戸層１や障壁層２に中間層３を埋め込むこともできる。したがってその場合には、該当する量子井戸層１または障壁層２の第１の副層と第２の副層とによって中間層３が囲まれている。例えば、成長方向において一番下の周期体４の第１の量子井戸層１は、第１の副層１ａおよび第２の副層１ｂを有し、中間層３が第１の副層１ａと第２の副層１ｂとの間に配置されている。さらには、さらなる量子井戸層１および障壁層２のいくつかには、１層、場合によっては２層の中間層が埋め込まれている。例えば、成長方向において一番上の量子井戸構造５の周期体４は、第１の副層２ａおよび第２の副層２ｂを有する障壁層２を備えており、第１の副層２ａと第２の副層２ｂとの間に中間層３が配置されている。

さらに、この実施形態においては、中間層３の少なくともいくつかが量子井戸層１と障壁層２との間の界面に配置されることがある。例えば、成長方向において一番下の周期体４の障壁層２は、その両面において中間層３に隣接している。

この例示的な実施形態においては、中間層３は比較的薄いことが有利である。中間層３の厚さは、好ましくは１ｎｍ未満、特に好ましくは０．５ｎｍ未満である。

中間層３の周期長ｄ_２は、２ｎｍ〜４ｎｍの範囲内であることが好ましい。中間層３の周期長ｄ_２は、多重量子井戸構造５の周期長ｄ_１よりも小さいことが好ましい。そのようにすることで、量子井戸構造５の各周期体４に少なくとも１層の中間層３が必ず埋め込まれる。量子井戸構造５の周期体は、例えば、４ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内とすることができる。

特に好ましい実施形態においては、中間層３のインジウム含有量ｘは、中間層３それぞれの電子バンドギャップが、該当する中間層３が埋め込まれている量子井戸層１または障壁層２の材料に合致するように調整される。量子井戸層１と障壁層２との間の界面に中間層３が配置されている場合、中間層３のインジウム含有量ｘは、中間層３の電子バンドギャップが、隣接する量子井戸層１または隣接する障壁層２のいずれかに一致するように調整されることが好ましい。このようにすることで、量子井戸構造５の電子特性が、中間層３の埋め込みによって大きく影響されることがない。したがって、このようにすることで、半導体材料における望ましくないフォノン（非発光性の再結合によってオプトエレクトロニクスデバイス１１の効率を下げ得る）が減少し、これは有利であり、それと同時に、オプトエレクトロニクスデバイス１１の他の電子特性および光学特性についてはさほど大きく影響されない。

図５Ａに示したオプトエレクトロニクスデバイス１１の第２の例示的な実施形態は、活性層１０の構造要素６の形状が第１の例示的な実施形態とは異なる。第１の例示的な実施形態と同様に、活性層１０は、隣り合って配置されている多数の構造要素６を有し、構造要素６それぞれが量子井戸構造５を有する。

図５Ｂは、活性層１０の１つの構造要素６を拡大して示している。量子井戸構造５は、多数の交互に並ぶ量子井戸層１および障壁層２を有する。第１の例示的な実施形態とは異なり、量子井戸構造を形成している積層体における層１，２は、積層体のうち下層の上に配置されている層それぞれが下層を側面を含めて完全に覆うように配置されている。言い換えれば、構造要素６は、コアシェル構造（core-shell structure）を有する。この例示的な実施形態においては、コア層１６（構造要素６のコアを形成している）は、角錐台の形状を有する。しかしながら、これに代えて、コア層１６が何らかの別の形状を有することもできる。コア層１６は、例えばＧａＮを含んでいることができる。特に、コア層１６は、量子井戸構造の障壁層２の材料から形成することができる。

その上の量子井戸層１は、コア層１６をその側面を含めて全体的に覆っている。同様に、それ以降の交互に並ぶ量子井戸層１および障壁層２それぞれは、下層をその側面を含めて全体的に覆っている。

この実施形態においては、特に、マスク層９が量子井戸構造５よりも大きい高さを有する必要がない。この実施形態においては、第２のクラッド層１２、特に透明導電性酸化物（例えばＩＴＯ）を、多数の構造要素６の表面全体の上に形成することができ、量子井戸構造５の側面における短絡の危険性が存在しない。この理由として、量子井戸構造５の一番上の層が下層を全体的に覆っているためである。したがって、たとえ構造要素６の間に電気的絶縁層が配置されていない場合にも、第２のクラッド層１２は量子井戸構造５の一番上の層のみと電気的に接触している。

この第２の例示的な実施形態においては、第１の例示的な実施形態と同様に、障壁層２と量子井戸層１との間に中間層が存在するように量子井戸構造５を構成する、または例えば、量子井戸構造５内に中間層が周期的に分布するように量子井戸構造５を構成することができる（図示していない）。オプトエレクトロニクスデバイス１１の第２の例示的な実施形態のさらなる有利な実施形態は、上述した第１の例示的な実施形態と同じである。

図６Ａは、オプトエレクトロニクスデバイス１１の第３の例示的な実施形態を示しており、前の例示的な実施形態とは、活性層１０の構造要素６の形状において異なる。図６Ｂは、１つの構造要素６を拡大して示している。

構造要素６それぞれは、コア層１６を有し、このコア層１６は、例えば実質的に円柱または六角柱の形状を有する。実質的に六角形の形状は、特に、窒化物化合物半導体材料の六方晶系構造によって決めることができる。交互に並ぶ量子井戸層１および障壁層２から形成される構造要素６の量子井戸構造５それぞれは、コア層１６の側面に成長している。この実施形態においては、量子井戸層１および障壁層２の主平面は、基板７に実質的に垂直に配置されている。

構造要素６の上面は、電気的絶縁層１５によって覆われている。特に、水平方向に延びる量子井戸層１および障壁層２の側面が、電気的絶縁層１５によって第２のクラッド層１２から電気的に絶縁されている。構造要素６は、第２のクラッド層１２によって電気的に接触されており、第２のクラッド層１２は、例えば透明導電性酸化物を上面ではなく外面に備えている。

オプトエレクトロニクスデバイス１１の第３の例示的な実施形態のさらなる有利な発展形態は、上述した例示的な実施形態の説明に記載されている。

ここまで、本発明について例示的な実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明はこれらの例示的な実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含しており、特に、請求項における特徴の任意の組合せを含んでいる。これらの特徴または特徴の組合せは、それ自体が請求項あるいは例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合であっても、本発明に含まれる。

関連出願
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１１１１２７０６．６号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本明細書に組み込まれている。

Claims (14)

1. 活性層（１０）を有するオプトエレクトロニクスデバイス（１１）であって、前記活性層（１０）が、横方向に互いに隔てられている多数の構造要素（６）を備えており、前記構造要素（６）それぞれが量子井戸構造（５）を有し、前記量子井戸構造（５）が、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）から構成される少なくとも１層の障壁層（２）と、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）から構成される少なくとも１層の量子井戸層（１）とを備えており、
   前記量子井戸構造（５）が、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．６）から構成されている複数の中間層（３）を備えており、
   前記中間層（３）が、１．５ｎｍ未満の厚さを有し、
   前記障壁層（２）と前記量子井戸層（１）とが前記中間層（３）によって垂直方向に中断されており、
   前記量子井戸構造（５）は、前記障壁層（２）および前記量子井戸層（１）が第１の周期長で複数回繰り返される多重量子井戸構造であり、
   前記中間層（３）は、前記第１の周期長と同じでない第２の周期長で複数回繰り返されている、または、前記量子井戸構造（５）の中に非周期的に分布されている、
   オプトエレクトロニクスデバイス（１１）。
2. 前記中間層（３）のインジウム含有量ｘに関して、０．０９≦ｘ≦０．２７が成り立つ、
   請求項１に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
3. 前記構造要素（６）が、少なくとも特定の領域において、円柱、平行六面体、角柱、角錐、または角錐台の形状を有する、
   請求項１または請求項２に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
4. 前記構造要素（６）が、少なくとも特定の領域において、六角錐、六角錐台、または六角柱の形状を有する、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
5. 前記構造要素（６）が、２０μｍ以下の幅を有する、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
6. 前記構造要素（６）が、５ｎｍ〜５μｍの範囲内（両端値を含む）の幅を有する、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
7. 前記オプトエレクトロニクスデバイス（１１）にマスク層（９）が配置されており、前記構造要素（６）それぞれが前記マスク層（９）における開口部の中に配置されている、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
8. 前記少なくとも１層の障壁層（２）もしくは前記少なくとも１層の量子井戸層（１）またはその両方が、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．３５）を含んでいる、
   請求項１から請求項７のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
9. 前記障壁層（２）もしくは前記量子井戸層（１）またはその両方のインジウム含有量ｘに関して、０．０９≦ｘ≦０．２７が成り立つ、
   請求項８に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
10. 前記構造要素（６）それぞれが、前記量子井戸構造（５）を含んでいる積層体を有し、前記積層体の層が、これらが横方向に重なり合わないように互いに上下に配置されている、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
11. 横方向に互いに隔てられている構造要素（６）の間に、電気的絶縁層（９）が配置されている、
    請求項１０に記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
12. 前記構造要素（６）それぞれが、前記量子井戸構造（５）を含んでいる積層体を有し、下層の上に配置されている前記積層体の層が、前記下層の層をその側面を含めて全体的に覆っているように、前記積層体の層が互いに上下に配置されている、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
13. 透明導電性酸化物から構成されている層（１２）が前記活性層（１０）に形成されており、透明導電性酸化物から構成されている前記層（１２）が、前記多数の前記構造要素（６）のための共通の電気コンタクトを形成している、
    請求項１から請求項１２のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
14. 前記第２の周期長は、前記第１の周期長より短い、
    請求項１から請求項１３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスデバイス。

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