JP6670401B2 - 半導体積層体 - Google Patents

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Description

半導体積層体について記載する。
本発明の目的は、近紫外線を放出し、より高い温度で高い効率示す半導体積層体を提供することである。
この目的は、中でも、本願の独立項の特徴を有する半導体積層体によって達成される。好ましい発展形は、従属項の主題である。
少なくとも1つの実施形態によれば、半導体積層体は、n伝導性であるn領域を有する。n領域は、連続的に、または少なくとも大部分が、例えばケイ素および/またはゲルマニウムでnドープされている。n領域には、薄い非ドープ層が位置し得る。この場合、「薄い」とは、特に厚さの最大値が12nmまたは8nmまたは5nmであることを指す。
少なくとも1つの実施形態によれば、半導体積層体は、p伝導性であるp領域を備える。p型ドープは、特にマグネシウムまたはベリリウムにより製造される。n領域の場合と同様に、p領域は、連続的にpドープされてもよく、または薄い非ドープ層を備えてもよい。
少なくとも1つの実施形態によれば、半導体積層体は、活性ゾーンを備える。活性ゾーンは、n領域とp領域との間に位置し、n領域および/またはp領域に直接隣接し得る。1つもしくは複数の量子井戸および/または少なくとも1つのpn接合部が、活性ゾーンに位置している。活性ゾーンは、複数の量子井戸およびそれらの間に位置する障壁層を有する多重量子井戸構造であることが好ましい。
少なくとも1つの実施形態によれば、活性ゾーンは、放射線を生成するように設計される。放射線は、特にUVA線である。活性ゾーンの意図される動作において生成される放射線の最大強度の波長は、特に少なくとも365nmもしくは385nm、および/または最大480nmもしくは415nmもしくは405nmもしくは400nmである。
少なくとも1つの実施形態によれば、活性ゾーンおよび半導体積層体は、非コヒーレント放射線を生成するように設計される。換言すれば、レーザ放射は生成されない。これは、半導体積層体が、発光ダイオード(略してLED)用に設計されることを意味する。したがって、意図されるように、半導体積層体は発光ダイオード内に位置する。
少なくとも1つの実施形態によれば、半導体積層体は、III〜V族化合物半導体材料AlIn1−n−mGaN(略してAlInGaN)から製造され、この材料をベースとしており、式中、0≦n≦1、0≦m≦1およびn+m≦1である。下記でGaNが材料として指定される場合、n=0およびm=1であり、AlGaNの場合、n+m=1が成り立ち、InGaNの場合、n=0が成り立つ。半導体積層体は、ドーパントを有し得る。しかしながら、単純化のために、半導体積層体の結晶格子の必須成分、すなわち、Al、Ga、InおよびN、が少量のさらなる物質により部分的に置換される、および/またはこれらに少量のさらなる物質が追加され得るとしても、上記必須成分のみが言及される。本願においては、濃度が最大でも5×1016 1/cmもしくは2×1017 1/cmである物質は無視される、および/または単に不純物とみなされる。
少なくとも1つの実施形態によれば、n領域は、超格子、特に厳密に1つの超格子を備える。これに関連して、「超格子」という用語は、例えば、構造単位が超格子内で周期的に反復することを意味する。特に、超格子は、少なくとも3回反復する構造単位を有する。構造単位は、超格子内で、製造公差の範囲内で等しく反復していることが好ましい。
少なくとも1つの実施形態によれば、構造単位は、少なくとも1つのAlGaN層、少なくとも1つのGaN層および少なくとも1つのInGaN層で構成される。換言すれば、構造単位は、好ましくは、AlGaN層、GaN層およびInGaN層からなる。さらに、好ましくは、構造単位の層の少なくとも一部はnドープされている。
少なくとも1つの実施形態によれば、構造単位は、少なくとも1.5nmまたは2nmまたは3nmの厚さを有する。この代替として、またはこれに加えて、構造単位の厚さは、最大15nmまたは10nmまたは7nmである。構造単位は、好ましくは、少なくとも4nmおよび/または最大6nmの厚さを有する。
少なくとも1つの実施形態において、半導体積層体は、n伝導性であるn領域と、p伝導性であるp領域と、中間活性ゾーンとを備える。活性ゾーンは、少なくとも1つの量子井戸を含有し、放射線を生成するように設計される。半導体積層体は、AlInGaN材料系から形成され、n領域は超格子を備える。超格子は、少なくとも3回反復する構造単位を有する。構造単位は、少なくとも1つのAlGaN層、少なくとも1つのGaN層および少なくとも1つのInGaN層で構成される。構造単位の厚さは、2nm〜15nmである。
電子阻止層と同様に、n領域内に高アルミニウム含量を有する層は、放射再結合が生じることなく正孔がn領域内に逃げるのを防止するために使用され得る。さらに、高アルミニウム含量を有する層は、量子井戸間の障壁として使用され得る。しかしながら、活性ゾーンに直接位置するか、または活性ゾーン内に位置する高アルミニウム含量を有する層は、いくつかの欠点および問題を有する。したがって、GaNマトリックス内に高アルミニウム含量を有する層は、引張応力を生じ、ひいては亀裂のリスクをもたらす。高アルミニウム含量を有する層は、その格子不整合により、GaN層と比較して、半導体材料の品質を低下させ得る。同様に、より高い順方向電圧が可能である。さらに、十分な材料品質を達成するために、高アルミニウム含量を有する層は、一般により高い温度で成長させる。しかしながら、より高い温度は、例えばインジウム含有層による不純物の不動態化および還元が、ごく限られた程度でしか生じない、または全く生じないという効果をもたらす。
純粋なInGaN層またはGaN層の代わりにアルミニウムを含有する層を有する本明細書に記載の超格子により、これらの欠点を回避することができ、同時に改善された温度安定性を達成することができる。特に、超格子内の複数のAlInGaN層により、正孔阻止効果を達成することができる。その一方で、個々のAlGaN層の臨界厚さまでの十分な距離が得られる。さらに、AlGaN層とGaN層との間の超格子内のInGaN層を使用することにより、特にウェハ表面上の金属不純物に対して不動態化効果が提供される。
少なくとも1つの実施形態によれば、構造単位は、AlGaN層、第1のGaN層、InGaN層および第2のGaN層の4つの層から構築され、これら4つの層は、好ましくは、上記順序で存在し、互いに直接連続する。
少なくとも1つの実施形態によれば、第1のGaN層と第2のGaN層は、同じ設計の層である。すなわち、第1のGaN層と第2のGaN層は、それらの厚さおよびドープの点で違いはない、または大きくは違いはない。代替として、第1のGan層と第2のGan層は、異なる厚さを有してもよく、好ましくは、第1のGaN層は、第2のGaN層より厚い。例えば、第1および第2のGaN層の厚さの差は、少なくとも1.5倍、および/または最大で3倍である。
少なくとも1つの実施形態によれば、構造単位は、AlGaN層、GaN層およびInGaN層の3つの層から構築され、これらの層は、好ましくは、上記順序で存在し、互いに直接連続する。
少なくとも1つの実施形態によれば、超格子内の全ての構造単位は、同じ設計の構造単位である。代替として、2種類または3種類以上の構造単位が超格子内に存在し得る。例えば、構造単位の1つが4つの層で形成され、さらなる構造単位が3つの層のみで形成されてもよい。
少なくとも1つの実施形態によれば、構造単位は、3つ、4つまたは4つを超える部分層を有する。特に、構造単位は、最大8つ、または最大6つの部分層を有する。
少なくとも1つの実施形態によれば、AlGaN層は、少なくとも0.3nmまたは0.4nmまたは0.6nmの平均厚さを有する。この代替として、またはこれに加えて、AlGaN層の平均厚さは、最大8nmまたは5nmまたは3nmまたは2nmである。AlGaN層の厚さは、好ましくは、少なくとも0.6nmおよび/または最大1.5nmである。AlGaN層は、半導体積層体にわたって、製造公差内で一定の厚さを有する。
少なくとも1つの実施形態によれば、GaN層の少なくとも1つまたは全てのGaN層の平均厚さは、少なくとも0.2nmもしくは0.4nmもしくは0.6nm、および/または最大6nmもしくは3nmもしくは1.5nmである。GaN層は、好ましくは、半導体積層体にわたって一定である、変化しない厚さを有する。
少なくとも1つの実施形態によれば、InGaN層の平均厚さは、少なくとも0.4nmまたは0.6nmまたは0.8nmである。この代替として、またはこれに加えて、InGaN層は、最大8nmまたは6nmまたは4nmまたは2nmの平均厚さを有する。超格子の他の層と同様に、InGaN層は、好ましくは均一な変化しない厚さを有する。
少なくとも1つの実施形態によれば、AlGaN層のアルミニウム含量は、少なくとも5%もしくは10%、および/または最大50%もしくは30%もしくは25%もしくは20%である。アルミニウム含量は、少なくとも10%および/または最大15%であることが好ましい。パーセンテージは、AlGa1−xNという表記におけるxの値を示し、例えば、20%はx=0.2を示す。
少なくとも1つの実施形態によれば、InGaN層のインジウムの割合は、少なくとも0.5%または1%または2%である。この代替として、またはこれに加えて、インジウムの割合は、最大10%または6%または4%である。パーセンテージは、InGa1−yNという表記における値yに関する。
少なくとも1つの実施形態によれば、AlGaN層内のアルミニウム含量は、InGaN層内のインジウム含量よりも少なくとも3倍または4倍または5倍高い。この代替として、またはこれに加えて、この倍数は最大10または8または5である。
少なくとも1つの実施形態によれば、AlGaN層およびInGaN層は、同じ厚さを有する。これには、特に、最大1nmもしくは0.5nmもしくは0.2nmの公差が適用されるか、または厳密に製作公差および測定公差の範囲内とする。
少なくとも1つの実施形態によれば、AlGaN層は、ドープされていない。
代替として、AlGaN層内にドープ、特にn型ドープを導入することができる。よって、超格子全体が連続的にドープされてもよく、好ましくはnドープされてもよい。
少なくとも1つの実施形態によれば、超格子の構造単位のInGaN層および/またはGaN層の1つもしくは全てのGaN層が、特にケイ素でnドープされている。この場合、ドーパント濃度は、好ましくは少なくとも5×1017 1/cmまたは1×1018 1/cm−3である。この代替として、またはこれに加えて、ドーパント濃度は、最大5×1019 1/cmまたは1×1019 1/cmである。
少なくとも1つの実施形態によれば、構造単位は、超格子内で少なくとも7回または10回または15回反復される。この代替として、またはこれに加えて、構造単位は、超格子内に最大50回または40回または30回存在する。この場合、超格子が反復する構造単位からなり得るように、超格子内の個々の構造単位が互いに直接連続することが好ましい。
少なくとも1つの実施形態によれば、超格子は、正孔障壁である。換言すれば、特にAlGaN層により、正孔は超格子を通過することができなくなる。
少なくとも1つの実施形態によれば、活性ゾーンと超格子との間に1つまたは複数の中間層が位置する。中間層は、好ましくはnドープされており、特に超格子の構造単位のドープ層と同じドーパントにより同じドーパント濃度でnドープされている。
少なくとも1つの実施形態によれば、活性ゾーンと超格子との間の距離は、少なくとも3nmもしくは4nmもしくは6nm、および/または最大30nmもしくは20nmもしくは12nmである。換言すれば、超格子はそのため活性ゾーンに直接隣接しない。
少なくとも1つの実施形態によれば、中間層は、GaN層により形成される。代替として、中間層は、1つまたは複数のGaN層および1つまたは複数のInGaN層からなることができる。
少なくとも1つの実施形態によれば、中間層は、アルミニウムを含まない。換言すれば、中間層は、Ga、Nおよび任意選択でInからなることができ、ケイ素等のドープは考慮されない。
少なくとも1つの実施形態によれば、中間層は、活性ゾーンおよび超格子に直接隣接する。したがって、活性ゾーンと超格子との間の領域がアルミニウムを含まないことが可能である。
例示的実施形態に基づき、図面を参照しながら、次に本明細書に記載の半導体積層体をより詳細に説明する。同一の参照記号は、個々の図において同じ要素を示す。しかしながら、この場合、縮尺通りの関係は示されておらず、個々の要素は、より良好な理解を提供するために誇張されたサイズで表現され得る。
図1は、本明細書に記載の半導体積層体の例示的実施形態の概略断面図である。 図2は、本明細書に記載の半導体積層体の例示的実施形態の概略断面図である。 図3は、半導体積層体の変形例の概略断面図である。 図4は、放出された放射線の最大強度の波長の、効率に対する依存性を示す概略図である。
図1は、発光ダイオード用の半導体積層体1の例示的実施形態を示す。半導体積層体1は、n伝導性であるn領域2と、p伝導性であるp領域5と、中間活性ゾーン4とを備える。p領域5は、特にアノードとして設計されるコンタクト8上に位置する。コンタクト8は、金属層のみ、または金属層とITO等の透明導電性酸化物とで作製された層とで作製された積層体であってもよい。図1における図解とは対照的に、p領域5は、複数の部分層で構成されてもよく、特に電子障壁層およびコンタクト層を含有してもよい。
活性ゾーン4は、多重量子井戸構造である。活性ゾーン4は、複数の量子井戸41を有し、その間に障壁層42が位置する。量子井戸41は、好ましくはInGaNから形成され、最大強度が385nm〜405nmである波長Lを有する放射線を放出するように構成される。障壁層42は、好ましくは、GaN層によって、またはGaN層とAlGaN層との組合せによって形成される。図1における図解からは外れるが、複数の異なる障壁層が、2つの隣接する量子井戸41の間に位置してもよい。活性ゾーン4は、量子井戸41の1つで終端し、量子井戸41の1つで開始してもよい。図1における描写からは外れるが、活性ゾーン4が障壁層42の1つで終端および/または開始することも可能である。
n領域2は、超格子20を備える。超格子20において、構造単位25は、半導体積層体の成長方向Gに直接沿って数回反復する。複数の構造単位25は、製造公差の範囲内で互いに同一となるように構築されることが好ましい。
構造単位25はそれぞれ、AlGaN層21を有する。AlGaN層21の厚さは、例えば約1nmであり、アルミニウム含量は、約10%である。ドープされている第1のGaN層22は、非ドープAlGaN層21に直接連続する。第1のGaN層22の厚さは、約0.5nmである。
第1のGaN層22にはnドープInGaN層23が連続する。InGaN層23におけるインジウムの割合は、約3%であり、その厚さは、約1nmである。InGaN層23には第2のGaN層24が直接連続するが、これも同様にnドープされており、約0.5nmの厚さを有する。
図1の描写からは外れるが、異なる構造を有する構造単位25が超格子20に存在してもよいが、全ての構造単位25が同一の設計の構造単位であることが好ましい。図1に示される描写に加えて、第1のGaN層22と第2のGaN層24は、異なる厚さおよび/またはドープを有することが可能である。
任意選択で、さらなるnドープn層6が、成長方向Gに沿って超格子20の直前に位置する。n層6は、例えば、電流拡散層またはバッファ層であってもよい。例えば、さらなるn層6は、半導体積層体1の成長基板となり得るキャリア7の上に直接位置する。
任意選択で、n領域2は、中間層3を備える。中間層3は、例えばGaNから形成され、好ましくはドープされており、中間層3は、超格子20のドープ層22、23、24よりも高いドーパント濃度を有し得る。例えば、中間層3は、1×1019 1/cm〜3×1019 1/cmのドーパント濃度でケイ素でドープされている。中間層3は、好ましくは、超格子20および活性ゾーン4に直接隣接し、特に量子井戸41の1つに直接隣接する。
図1によれば、AlGaN層21は、ドープされていない。代替として、AlGaN層21はnドープされていてもよく、したがって超格子20全体がnドープされることが好ましい。全ての他の例示的実施形態においても、同じことが適用され得る。
図2の例示的実施形態において、構造単位25は、3つの部分層のみによって形成される。したがって、構造単位25は、いずれの場合においても、AlGaN層21、GaN層22およびInGaN層23を有する。
全ての他の例示的実施形態と同様に、構造単位25は、少なくとも15回および/または最大25回、特に約20回反復されることが好ましい。
全ての他の例示的実施形態と同様に、中間層3はまた、複数の部分層、特にnドープGaN層およびnドープInGaN層で構成され得る。この場合、中間層3内に比較的高濃度でドープされた領域が存在してもよい。「高濃度でドープされた」とは、例えば、少なくとも5×1018 1/cmもしくは1×1019 1/cmもしくは2×1019 1/cm、および/または最大8×1019 1/cmもしくは5×1020 1/cmのドーパント濃度を意味する。この代替として、またはこれに加えて、「比較的高濃度でドープされた領域」とは、これらの領域が超格子20の層22、23、24よりも高濃度でドープされている、例えば、少なくとも2倍または5倍または10倍高い濃度でドープされていることを意味する。
図2の例示的実施形態は、上記の点以外は、図1の例示的実施形態に対応する。
図3は、半導体積層体の変形例10を例証する。この変形例10においても超格子20が存在するが、構造単位25は2つの層、すなわちInGaN層23およびGaN層24のみによって形成される。この変形例10において、超格子20と活性ゾーン4との間に別個の正孔障壁(図示せず)が存在し得る。しかしながら、1つまたは2つのAlGaN層によって形成されたそのような正孔障壁(図示せず)は、活性ゾーン4の材料品質の低下をもたらす。
図4において、活性ゾーン4で生成された放射線の最大強度の波長Lの関数として、商Qが示されている。商Qは、活性ゾーンの温度が120℃のときの光束を、活性ゾーンの温度が25℃のときの光束で除した値を指す。図4において、図1の半導体積層体1を、特に図3の変形例10と比較している。図4では、活性ゾーン4のより高い温度において、本明細書に記載の半導体積層体1は、変形例10と比べて、より高い効率を有することが認められ得る。
本明細書に記載の発明は、例示的実施形態に基づく説明によって制限されるものではない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲または例示的実施形態において明示的に指定されていない特徴や組み合わせであっても、任意の新しい特徴や、これら特徴の任意の組合せ、特に特許請求の範囲内の特徴の任意の組合せ、を包含する。
本特許出願は、独国特許出願第102016112294.7号の優先権を主張し、その開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
1 半導体積層体
2 n伝導性であるn領域
20 超格子
21 AlGaN層
22 GaN層
23 InGaN層
24 GaN層
25 構造単位
3 中間層
4 活性ゾーン
41 量子井戸
42 障壁層
5 p伝導性であるp領域
6 さらなるn層
7 キャリア
8 コンタクト
10 半導体積層体の変形例
G 半導体積層体の成長方向
L nmでの最大強度の波長
Q 120℃および25℃での光束の商

Claims (14)

  1. n伝導性であるn領域(2)と、
    p伝導性であるp領域(5)と、
    少なくとも1つの量子井戸(41)を有する中間活性ゾーン(4)であって、放射線を生成するように構成される中間活性ゾーン(4)と
    を備える半導体積層体(1)であって、
    前記半導体積層体(1)は、AlInGaN材料系で作製され、
    前記n領域(2)は、超格子(20)を備え、
    前記超格子(20)は、少なくとも3回反復する構造単位(25)を有し、
    前記構造単位(25)は、少なくとも1つのAlGaN層(21)、少なくとも1つのGaN層(22、24)および少なくとも1つのInGaN層(23)から構成され、
    前記構造単位は、少なくとも2nm、最大15nmの厚さを有し、
    前記活性ゾーン(4)と前記超格子(20)との間に中間層(3)が形成され、前記活性ゾーン(4)と前記超格子(20)との間の距離は、少なくとも4nm、最大20nmであり、
    前記中間層(3)は、前記中間層(3)がアルミニウムを含まないように、nドープGaN、またはnドープGaNとnドープInGaNとからなり、
    前記中間層(3)は、前記活性ゾーン(4)および前記超格子(20)と直接隣接している、半導体積層体(1)。
  2. 前記構造単位(25)が、以下の順序で直接積層された4つの層で構成される、請求項1に記載の半導体積層体(1)。
    前記AlGaN層(21)、
    第1のGaN層(22)、
    前記InGaN層(23)、および
    第2のGaN層(24)。
  3. 前記第1のGaN層(22)と前記第2のGaN層(24)とが、同じ設計の層である、請求項2に記載の半導体積層体(1)。
  4. 前記第1のGaN層(22)と前記第2のGaN層(24)とが、異なる厚さを有する、請求項2に記載の半導体積層体(1)。
  5. 前記構造単位(25)が、以下の順序で直接積層された3つの層で構成される、請求項1に記載の半導体積層体(1)。
    前記AlGaN層(21)、
    前記GaN層(22)、および
    前記InGaN層(23)。
  6. 前記AlGaN層(21)の平均厚さが、0.4nm〜5nmであり、
    少なくとも1つのGaN層(22、24)の平均厚さが、0.2nm〜3nmであり、
    前記InGaN層(23)の平均厚さが、0.6nm〜6nmであり、
    前記AlGaN層が、前記少なくとも1つのGaN層(22、24)よりも厚い、
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
  7. 前記AlGaN層(21)のアルミニウム含量が、5%〜30%であり、前記InGaN層(23)のインジウム含量が、0.5%〜10%であり、
    前記アルミニウム含量は、前記インジウム含量よりも高い、
    請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
  8. 前記AlGaN層(21)の前記アルミニウム含量が、10%〜20%であり、前記InGaN層(23)の前記インジウム含量が、1%〜6%であり、
    前記AlGaN層(21)および前記InGaN層(23)は、最大0.5nmの公差内で同じ厚さである、請求項7に記載の半導体積層体(1)。
  9. 前記AlGaN層(21)がドープされておらず、前記InGaN層および前記少なくとも1つのGaN層(22、24)が、1×1018 1/cm〜1×1019 1/cmのドーパント濃度でケイ素でnドープされている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
  10. 前記構造単位(25)が、少なくとも7回、最大30回反復され、
    前記超格子(20)が、互いに直接連続する繰り返し構造単位(25)からなる、
    請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
  11. 前記超格子(20)が、正孔に対する障壁である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
  12. 前記活性ゾーン(4)が、最大強度が365nm〜405nmである波長(L)を有する放射線を生成するように設計され、
    前記放射線は、非コヒーレント放射線であり、前記半導体積層体(1)は、発光ダイオード用に設計される、
    請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
  13. 前記中間層(3)が、ドープGaNからなり、前記超格子(20)のドープ層(22、23、24)よりも高いドーパント濃度を有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
  14. 前記中間層(3)が、nドープGaN層およびnドープInGaN層で構成され、
    前記中間層(3)内に、少なくとも5×1018 1/cmのドーパント濃度を有する高濃度ドープ領域が存在する、
    請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体積層体(1)。
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