特許 6991199 オプトエレクトロニクス素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-09

(45)【発行日】2022-01-12

(54)【発明の名称】オプトエレクトロニクス素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/06 20100101AFI20220104BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20220104BHJP

【ＦＩ】

H01L33/06

H01L33/32

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019512200

(86)(22)【出願日】2017-08-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-09-19

(86)【国際出願番号】 EP2017071550

(87)【国際公開番号】W WO2018041778

(87)【国際公開日】2018-03-08

【審査請求日】2019-03-29

(31)【優先権主張番号】102016116425.9

(32)【優先日】2016-09-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】599133716

【氏名又は名称】オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｏｓｒａｍ Ｏｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｌｅｉｂｎｉｚｓｔｒａｓｓｅ ４， Ｄ－９３０５５ Ｒｅｇｅｎｓｂｕｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ヴェアナー ベルクバウアー

(72)【発明者】

【氏名】ヨアヒム ヘアトコアン

【審査官】原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－２３４８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０９２８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０４２０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０１２２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２２３０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０２０３９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－２１０６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３５６２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２９１１２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５１６１５８６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多重量子井戸構造体（５）を有する活性層を備えたオプトエレクトロニクス素子（１０）であって、前記多重量子井戸構造体（５）は、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１－ｘ１－ｙ１}Ｎ、ただし０≦ｘ１＜０．０３、０≦ｙ１≦０．１かつｘ１＋ｙ１≦１、を有する複数の量子井戸層（５１）を含み、かつＡｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１－ｘ２－ｙ２}Ｎ、ただし０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦０．０２かつｘ２＋ｙ２≦１、を有する複数のバリア層（５２）を含み、
前記バリア層（５２）は、空間的に変化するアルミニウム含有量ｘ２を有し、
前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量の最大値ｘ２，ｍａｘが、ｘ２，ｍａｘ≧０．０５であり、
前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量の最小値ｘ２，ｍｉｎが、ｘ２，ｍｉｎ＜０．０５であり、
前記多重量子井戸構造体（５）は、ｎ型半導体領域（６）と、ｐ型半導体領域（４）との間に配置されており、
前記ｎ型半導体領域（６）から前記ｐ型半導体領域（４）を指示する方向において、前記バリア層（５２）と、後続の量子井戸層（５１）との間に、それぞれ、中間層（５３）が配置されており、
前記中間層は、Ａｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{１－ｘ３－ｙ３}Ｎ、ただし０≦ｘ３＜０．０３、０≦ｙ３≦０．０２かつｘ３＋ｙ３≦１を有し、
前記バリア層（５２）は、前記ｎ型半導体領域（６）から前記ｐ型半導体領域（４）を指示する方向に、それぞれ、先行する量子井戸層（５１）に直接、隣り合い、
前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量は、前記ｎ型半導体領域（６）から前記ｐ型半導体領域（４）を指示する方向において、前記バリア層（５２）に先行する量子井戸層（５１）との境界面を起点として、１つまたは複数の段の形態で、または連続的に前記最小値ｘ２，ｍｉｎまで減少し、前記最小値を起点として１つまたは複数の段の形態で、または連続的に再び増大する、オプトエレクトロニクス素子。

【請求項2】

前記バリア層（５２）は、前記アルミニウム含有量の前記最大値ｘ２，ｍａｘを、隣り合う量子井戸層（５１）との少なくとも１つの境界面に有する、請求項１記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項3】

前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量の前記最大値ｘ２，ｍａｘが、ｘ２，ｍａｘ≧０．１である、請求項１または２記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項4】

前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量の前記最大値ｘ２，ｍａｘが、ｘ２，ｍａｘ≧０．２である、請求項１から３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項5】

前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量は、前記バリア層（５２）に先行する層との境界面を起点として、１つまたは複数の段の形態で、または連続的に前記最小値ｘ２，ｍｉｎまで減少し、前記最小値を起点として１つまたは複数の段の形態で、または連続的に再び増大する、請求項１から４までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項6】

前記バリア層（５２）は、隣り合う量子井戸層（５１）から１ｎｍ以上の間隔を有する領域に、前記アルミニウム含有量の前記最小値ｘ２，ｍｉｎを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項7】

前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量の前記最小値ｘ２，ｍｉｎは、ｘ２，ｍｉｎ＜０．０２である、請求項１から６までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項8】

前記バリア層（５２）における前記アルミニウム含有量の前記最小値ｘ２，ｍｉｎは、ｘ２，ｍｉｎ＝０である、請求項１から７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項9】

前記中間層は、厚さが１．５ｎｍ未満である、請求項１から８までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項10】

前記中間層（５３）は、ＧａＮを有する、請求項９記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項11】

前記バリア層（５２）は、前記ｎ型半導体領域（６）から前記ｐ型半導体領域（４）を指示する方向に、それぞれ、先行する量子井戸層（５１）に直接、隣り合う、請求項９または１０記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項12】

前記オプトエレクトロニクス素子（１０）は、４２０ｎｍ未満の中心波長を有するＵＶビームを放射するのに適している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニクス素子。

【請求項13】

前記中心波長は、３６５ｎｍ～４００ｎｍである、請求項１２記載のオプトエレクトロニクス素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、窒素化合物半導体材料、特にＡｌＩｎＧａＮを有する量子井戸構造体を備えた活性層を有する、特に紫または紫外線ビームを放射するオプトエレクトロニクス素子に関する。

【0002】

この特許明細書は、独国特許出願公開第１０２０１６１１６４２５号明細書の優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照によってここに取り入られるものである。

【0003】

特にＡｌＩｎＧａＮを有する窒素化合物半導体からなる量子井戸構造体は、一般に、青色のスペクトル領域において発光するＬＥＤまたはレーザダイオードにおける活性層として使用されることが多い。半導体材料の組成に依存して、特に、紫もしくは紫外線のスペクトル領域における発光も可能である。紫外線のスペクトル領域において効率的な発光を達成するために必要であるのは、量子井戸構造体において、比較的大きな電子的バンドギャップを有する複数のバリア層を使用することである。これは、材料系ＡｌＩｎＧａＮにおいて、アルミニウム含有量を増大させることによって達成可能である。しかしながら、アルミニウム含有量を増大させるのに伴い、窒素化合物半導体材料の格子定数が減少してしまう。このことは、アルミニウム含有量が多い層を成長させる際に、比較的大きな引張応力が生じてしまうことに結び付いてしまうことがある。このことから結果的に生じるリスクは、欠陥が形成され、特に、半導体層におけるクラックが形成されることである。

【0004】

本発明の根底にある課題は、特に、紫外線のスペクトル領域におけるビームの放射に適しており、かつ欠陥形成のリスクが減少されるという特徴を有する活性層を備えたオプトエレクトロニクス素子を提供することである。

【0005】

この課題は、請求項１の特徴的構成を備えたオプトエレクトロニクス素子によって解決される。本発明の有利な実施形態および発展形態は、従属請求項の対象である。

【0006】

少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス素子は、多重量子井戸構造体を有する活性層を有しており、この多重量子井戸構造体は、複数の量子井戸層および複数のバリア層を含む。バリア層は、少なくとも一部の領域に、量子井戸層よりも大きな電子的バンドギャップを有する。量子井戸層は、好適には、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１－ｘ１－ｙ1}Ｎ、ただし０≦ｘ１＜０．０３、０≦ｙ１≦０．１かつｘ１＋ｙ１≦１、を有する。好ましくは、量子井戸層におけるアルミニウム含有量ｘ１は、ｘ１＝０である。さらに、好適には、量子井戸層におけるインジウム含有量ｙ１については、ｙ１＞０が成り立つ。量子井戸層は、好適にはＩｎＧａＮを有し、特にＩｎ_ｙ１Ｇａ_１－ｙ１Ｎ、ただし０＜ｙ１≦０．１、を有する。

【0007】

バリア層は、好適には、Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１－ｘ２－ｙ２}Ｎ、ただし０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦０．０２かつｘ２＋ｙ２≦１、を有し、バリア層におけるアルミニウム含有量ｘ２は、空間的に変化する。アルミニウム含有量は、バリア層の主面に対して垂直な方向に、または別の言い方をすれば、バリア層の成長方向に変化する。バリア層におけるアルミニウム含有量ｘ２の最大値ｘ２，ｍａｘに対し、好適にはｘ２，ｍａｘ≧０．０５が成り立つ。さらにバリア層におけるアルミニウム含有量の最小値ｘ２，ｍｉｎに対し、好適にはｘ２，ｍｉｎ＜０．０５が成り立つ。

【0008】

量子井戸構造体のバリア層におけるアルミニウム含有量ｘ２が一定ではなく、空間的に変化し、かつｘ２，ｍａｘ≧０．０５の最大値ｘ２，ｍａｘおよびｘ２，ｍｉｎ＜０．０５の最小値ｘ２，ｍｉｎを有することにより、大きな電子的バンドギャップを達成することができるが、バリア層の層厚について平均したアルミニウム含有量は、有利には、ｘ２，ｍａｘ≧０．０５のアルミニウム含有量の最大値ｘ２，ｍａｘよりも小さくなる。これにより、バリア層における引張応力が減少し、したがって、バリア層における欠陥の形成および／またはクラック形成が生じるリスクが予防される。

【0009】

バリア層は、アルミニウム含有量の最大値ｘ２，ｍａｘを、有利には、隣り合う量子井戸層との少なくとも１つの境界面に有する。このようにすることの利点は、バリア層が、それぞれ隣り合う量子井戸層との境界面において大きな電子的バンドギャップを有することである。これによって達成されるのは、量子井戸層との境界面において大きな障壁高さを実現することである。

【0010】

好ましい実施形態において、アルミニウム含有量の最大値ｘ２，ｍａｘは、ｘ２，ｍａｘ≧０．１であり、特に好ましくはｘ２，ｍａｘ≧０．２である。このような大きなアルミニウム含有量は、紫外線のスペクトル領域におけるビームの放射のために設けられる量子井戸構造体には有利である。

【0011】

特に、バリア層におけるアルミニウム含有量は、このバリア層に先行する層との境界面を起点として、まずは、１つまたは複数の段の形態で、または連続的に最小値ｘ２，ｍｉｎまで減少してもよい。引き続いて、アルミニウム含有量は、この最小値を起点として、１つまたは複数の段の形態で、または連続的に再び増大する。

【0012】

少なくとも１つの実施形態によれば、バリア層は、隣り合う量子井戸層から少なくとも１ｎｍの間隔を有する少なくとも１つの領域において、アルミニウム含有量の最小値ｘ２，ｍｉｎを有する。

【0013】

アルミニウム含有量の最小値は、バリア層において、好ましくはｘ２，ｍｉｎ≦０．０２であり、特に好ましくはｘ２，ｍｉｎ＝０である。特に、バリア層は、アルミニウム含有量の最小値の領域にＧａＮを有していてもよい。

【0014】

オプトエレクトロニクス素子の好ましい一実施形態において、活性層は、ｎ型半導体領域と、ｐ型半導体領域との間に配置されており、ｎ型半導体領域からｐ型半導体領域を指示する方向において、バリア層と、後続の量子井戸層との間に、それぞれ、中間層が配置されている。ｐ型半導体領域からｎ型半導体領域を指示する方向とは、一般的には、半導体積層体の成長方向に対応する。したがってこの実施形態では、成長方向に量子井戸層がバリア層に続いている境界面に中間層が配置されている。この中間層は、好適には、Ａｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{１－ｘ３－ｙ３}Ｎ、ただし０≦ｘ３＜０．０３、０≦ｙ３≦０．０２かつｘ３＋ｙ３≦１、を有する。中間層の厚さは、有利には１．５ｎｍ未満、特に好ましくは１ｎｍ未満である。中間層は、後続のバリア層に比べて、比較的少ないｘ３≦０．０３の、好ましくはｘ３≦０．０１の、特に好ましくはｘ３＝０のアルミニウム含有量ｘ３を有する。さらに中間層におけるインジウム含有量ｙ３もｙ３≦０．０２と極めて少ないかまたは好適にはｙ３＝０である。特に中間層は、ＧａＮ層であってもよい。

【0015】

バリア層と、後続の量子井戸層との間に中間層を挿入することにより、特に、アルミニウム含有量の多いバリア層に量子井戸構造体を直接、成長させることが回避されるという利点が得られる。有利であることが判明したのは、特に、所定のインジウム含有量を有する量子井戸層を、アルミニウム含有量の多いバリア層に直接、成長させないことである。というのは、この場合にはインジウムとアルミニウムとの間の望ましくない反応が生じることがあるからである。

【0016】

別の有利な実施形態によれば、バリア層は、ｎ型半導体領域からｐ型半導体領域を指示する方向に、それぞれ、先行する量子井戸層に直接、隣り合う。したがってこれらの境界面では、特に、それぞれ、中間層は配置されない。むしろ、バリア層における正孔についての高い存在確率を回避するため、これらの境界面において、量子井戸層の材料からバリア層の材料に至る急峻な移行が行われると有利である。

【0017】

量子井戸構造体は、有利な実施形態において、それぞれ３つの層からなる複数の周期を有する多重量子井戸構造体であり、これらの３つの層は、バリア層、中間層および量子井戸層である。周期の個数は、有利には３～１５、好ましくは４～８である。

【0018】

多重量子井戸構造におけるバリア層の厚さは、好適には、３ｎｍ～８ｎｍ、好ましくは３ｎｍ～５ｎｍである。量子井戸層は、好適には、２ｎｍ～４ｎｍの厚さを有する。

【0019】

オプトエレクトロニクス素子は、好適には、ＵＶビームを放射するオプトエレクトロニクス素子である。特に、オプトエレクトロニクス素子は、４２０ｎｍ未満の中心波長を有するＵＶビームを放射するのに適していてもよい。特に好ましくは、この中心波長は、３６５ｎｍ～４００ｎｍである。このスペクトル領域において発光するオプトエレクトロニクス素子は、特に、ラッカを硬化するために使用することができる。

【0020】

以下、図１～４に関連し、実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施例によるオプトエレクトロニクス素子の概略断面図である。

【図2】一実施例における、バリア層のアルミニウム含有量の経過を示す概略図である。

【図3】別の実施例における、バリア層のアルミニウム含有量の経過を示す概略図である。

【図4】別の実施例によるオプトエレクトロニクス素子の概略断面図である。

【0022】

図において、同じ構成部分または同じ作用を有する構成部分にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。図示した構成部分および構成部分同士の大きさの比は、縮尺通りと見なしてはならない。

【0023】

図１に示した一実施例によるオプトエレクトロニクス素子１０は、ＬＥＤチップであり、このＬＥＤチップは、ｐ型半導体領域４、ｎ型半導体領域６、およびｐ型半導体領域４とｎ型半導体領域６との間に配置され、ビームの放射に適しかつ多重量子井戸構造体５である活性層を有する。ＬＥＤチップ１０は、好適には、紫外線のスペクトル領域において発光するＬＥＤチップである。ＬＥＤチップ１０の多重量子井戸構造体５は、好適には、４２０ｎｍ未満の、好適には３６５ｎｍ～４００ｎｍの中心波長を有するビームを放射するのに適している。

【0024】

この実施例によるＬＥＤチップ１０は、いわゆる薄膜半導体チップであり、この半導体チップからは、最初に半導体積層体４、５、６のエピタキシャル成長に使用された成長基板が剥がされ、その代わりに、接合層２を用いて、特にはんだ層を用いて、半導体積層体４、５、６が、成長基板とは別の支持基板１に接合されている。

【0025】

このような薄膜発光ダイオードチップでは、ｐ型半導体領域４は、一般に、支持基板１側にある。ｐ型半導体領域４と支持基板１との間には、有利には、ミラー層３が配置されており、このミラー層３により、有利には、支持基板１の方向に放射されたビームが、オプトエレクトロニクス素子１０のビーム出射面９の方向に向かって偏向させられる。ミラー層３は、例えば、Ａｇ、ＡｌまたはＡｕを含有する金属層である。

【0026】

オプトエレクトロニクス素子１０の電気的な接触接続のため、例えば、支持基板１の背面における第１コンタクト層７と、ビーム出射面９の部分領域上の第２コンタクト層８とを設けることができる。

【0027】

ｐ型半導体領域４およびｎ型半導体領域６は、それぞれ、複数の部分層から形成することが可能であり、必ずしもｐ型ドーピング層またはｎ型ドーピング層だけから構成される必要はなく、例えば、１つまたは複数の名目上非ドープの層を有することも可能である。

【0028】

図示した実施例とは択一的に、オプトエレクトロニクス素子１０は、逆の極性を有することも可能である。すなわち、ｎ型半導体領域６が、基板側にあり、ｐ型半導体領域４が、オプトエレクトロニクス半導体チップのビーム出射面９側にあることも可能である（図示せず）。これは、一般に、半導体層をエピタキシャル成長させるために使用される成長基板が剥がされないオプトエレクトロニクス半導体チップの場合である。というのは、一般に、ｎ型半導体領域は、最初に成長基板上に成長させられるからである。

【0029】

オプトエレクトロニクス素子１０の半導体積層体４、５、６は、窒素化合物半導体ベースである。本発明の関連において、「窒素化合物半導体ベースである」とは、半導体積層体またはその少なくとも１つの層が、ＩＩＩ族窒素化合物半導体材料を、好適にはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１－ｘ-ｙ}Ｎ、ただし０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１かつｘ＋ｙ≦１を含むことを意味する。ここでこの材料は、上の式にしたがった数学的に正確な組成を必ずしも有する必要はない。むしろＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１－ｘ-ｙ}Ｎ材料の特徴的な物理的な性質を実質的に変化させない、１つのまたは複数のドーパントおよび付加的な成分を有していてもよい。しかしながらわかり易くするため、上の式には、結晶格子の重要な成分（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎ）を少量の別の物質によって部分的に置き換えることができるとしても、これらの成分だけが含まれている。

【0030】

窒素化合物半導体材料の電子的バンドギャップは、特に、半導体材料におけるアルミニウム含有量および／またはインジウム含有量を変化させることによって設定することができる。このタイプの半導体では、バンドギャップは、アルミニウム含有量ｘの増大に伴って増大し、インジウム含有量ｙの増大に伴って減少する。

【0031】

オプトエレクトロニクス半導体チップ１０の、ビームの放射のために設けられる活性層は、多重量子井戸構造体５として構成されている。多重量子井戸構造体５は、交互に配置された複数の量子井戸層５１とバリア層５２とを有する。量子井戸層５１は、バンドギャップＥ_ＱＷを有し、バリア層５２は、少なくとも一部の領域にＥ_Ｂ＞Ｅ_ＱＷのバンドギャップＥ_Ｂを有する。多重量子井戸構造体５は、特に、Ｎ個の周期を有する周期的な積層体であり、周期の個数Ｎは、例えば、３～１５であり、好ましくは４～８である。

【0032】

量子井戸層５１は、例えば、２ｎｍ～４ｎｍの厚さを有する。バリア層５２の厚さは、例えば、３ｎｍ～８ｎｍであり、好ましくは３ｎｍ～５ｎｍである。

【0033】

量子井戸層５１は、多重量子井戸構造体５のこの実施例において、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１－ｘ１－ｙ1}Ｎ、ただし０≦ｘ１＜０．０３、０≦ｙ１≦０．１かつｘ１＋ｙ１≦１を有する。アルミニウム含有量ｘ１が、ｘ１＜０．０３と少ないことにより、好ましくはｘ１＝０により、アルミニウムの割合がより多いバリア層５２に比べて、電子的バンドギャップの大きな差分を達成することができる。言い換えると、これにより、比較的深い量子井戸を形成することができる。さらに、量子井戸層５１におけるインジウム含有量ｙ１もｙ１≦０．１と少ない。というのは、インジウム含有量の増大に伴って電子的バンドギャップが小さくなるからである。このオプトエレクトロニクス素子は、特に、極めて波長の短いビームを放射するために、特にＵＶ領域のビームを放射するために設けられているため、ｙ１＝０とｙ１＝０．１との間の範囲の少ないインジウム含有量ｙ１が有利である。

【0034】

オプトエレクトロニクス素子のこの実施例において、バリア層５２は、Ａｌ_ｘ2Ｉｎ_ｙ2Ｇａ_{１－ｘ2－ｙ2}Ｎ、ただし０．０５≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦０．０２かつｘ２＋ｙ２≦１を有する。大きな電子的バンドギャップを達成するため、バリア層５２は、ｙ２≦０．０２の極めて少ないインジウム含有量ｙ２しか有していないか、または好適にはインジウムを有さず、したがってｙ２＝０である。すなわち、バリア層５２の材料は、好適には、Ａｌ_ｘ2Ｇａ_１－ｘ2Ｎ、ただし０≦ｘ２≦１である。好適には、バリア層５２のアルミニウム含有量は、少なくとも、ｎ型半導体領域６からｐ型半導体領域４に進む方向に、バリア層５２が量子井戸層５１に続いている境界面において、ｘ２，ｍａｘ≧０．０５の最大値ｘ２，ｍａｘを有する。特に好ましくは、ｘ２，ｍａｘ≧０．１であり、またはｘ２，ｍａｘ≧０．２でもある。例えば、バリア層５２は、隣り合う量子井戸層５１との境界面において、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎを有していてもよい。

【0035】

ここでは、バリア層５２におけるアルミニウムの割合ｘ２は、一定ではなく、ｎ型半導体領域６からｐ型半導体領域に至る複数の層平面に対して垂直な方向を指示するｚ方向に、空間的な変化を有する。特に、アルミニウム含有量ｘ２の異なる複数の部分層５２ａ、５２ｂ、５２ｃから、バリア層５２を構成することが可能である。

【0036】

バリア層５２のｚ方向におけるアルミニウム含有量の経過は、図２および３に２つの実施例について示されている。

【0037】

図２の実施例では、バリア層５２は、外側の２つの部分層５２ａ、５２ｃと、その間に配置された中間の部分層５２ｂとを有する。中間の部分層５２ｂは、外側の部分層５２ａ、５２ｃよりもアルミニウム含有量ｘ２が少ない。好適には、外側の部分層５２ａ、５２ｃにおけるアルミニウム含有量ｘ２は、ｘ２，ｍａｘ≧０．０５の、例えばｘ２，ｍａｘ＝０．１５の最大値ｘ２，ｍａｘを有する。中間の部分層５２ｂにおいてアルミニウム含有量は、最小値ｘ２，ｍｉｎ＜０．０５を、好ましくはｘ２，ｍｉｎ＜０．０２を、例えばｘ２，ｍｉｎ＝０を有する。図示した実施例において、外側の部分層５２ａ、５２ｃは、それぞれ、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層であり、中間の部分層５２ｂは、ＧａＮ層である。外側の部分層５２ａ、５２ｃは、例えば、１ｎｍ～２ｎｍの厚さを、また中間の部分層５２ｂは、２ｎｍ～３ｎｍの厚さを有していてもよい。３つの部分層から構成されるバリア層５２の全体的な厚さは、約３ｎｍ～８ｎｍであってもよい。

【0038】

この実施例におけるアルミニウム含有量ｘ２の段の形態の経過によって達成されるのは、バリア層５２の外側の部分層５２ａ、５２ｃのアルミニウム含有量が多いことに起因して、隣り合う量子井戸層５１との境界面において、有利な大きな電子的バンドギャップを得ることである。このことは、特にＵＶ領域において極めて波長の短いビームの放射を可能にするのに有利である。他方では、中間の部分層５２ｂにおけるアルミニウム含有量がより少ないことにより、バリア層５２における機械的な応力が減少し、したがって、バリア層５２において、例えば、転位またはクラックのような結晶欠陥が形成されるリスクが低減される。

【0039】

バリア層５２のエピタキシャル成長の際に最初に成長させられる第１部分層５２ａは、アルミニウム含有量ｘ２，ｍａｘが多いことによって生じる比較的小さい格子定数に起因して、より大きな格子定数を有するその下にある半導体層上での成長の際に、引張応力を有する。この引張応力は、層厚が大きくなるのに伴って、欠陥が形成されることに結び付くことになる。第１部分層が、２ｎｍを上回らないまたは好適には１ｎｍを上回らない厚さに到達した後に、中間の部分層５２ｂを挿入することにより、このような欠陥形成を効果的に回避することができる。

【0040】

図３には、バリア層５２におけるアルミニウム含有量ｘ２の経過についての別の実施例が略示されている。バリア層５２は、第１の外側の部分層５２ａと、中間の部分層５２ｂと、第２の外側の部分層５２ｃとを有する。外側の部分層５２ａ、５２ｃは、前の実施例とは異なり、一定のアルミニウム含有量を有さず、アルミニウム含有量の勾配を有する。例えば、第１の外側の部分層５２ａにおけるアルミニウム含有量は、最大値ｘ２，ｍａｘから、最小値ｘ２，ｍｉｎまで減少し、第２の外側の部分層では、再び最小値ｘ２，ｍｉｎから最大値ｘ２，ｍａｘまで増大する。図３では、例示的に、それぞれ、外側の部分層におけるアルミニウム含有量ｘ２の直線的な勾配が示されている。

【0041】

しかしながら択一的には、アルミニウム含有量を非直線的に減少または増大させることも可能である。特に、アルミニウム含有量を段の形態で減少または増大させることが可能である。

【0042】

中間の部分層５２ｂを省略し、これにより、バリア層５２が、２つの部分層５２ａ、５２ｃだけを有するようにすることも考えられる。例えば、第１部分層５２ａにおけるアルミニウム含有量を段の形態で、または連続的に最小値ｘ２，ｍｉｎにまで減少させ、引き続き、直接、隣り合う第２部分層５２ｃにおいて、ここでも段の形態で、または連続的に増大させることが可能である。アルミニウム含有量の経過は、バリア層５２の中心点に関して必ずしも対称である必要もなく、むしろ、バリア層５２は、アルミニウム含有量ｘ２の非対称な経過を有していてもよい。

【0043】

したがってバリア層５２におけるアルミニウム含有量の経過については、種々異なる実施形態が可能であり、アルミニウム含有量は、好適には、バリア層５２の内部において最小値ｘ２，ｍｉｎを有し、隣り合う半導体層との境界面において最大値ｘ２，ｍａｘを有する。

【0044】

図４には、オプトエレクトロニクス素子１０の別の実施例が示されている。この実施例は、ｎ型半導体領域６からｐ型半導体領域４を指示するｚ方向に、すなわち半導体積層体の成長方向において、それぞれの量子井戸層５１の前に、それぞれ、中間層５３が配置されている点が、図１の実施例とは異なる。したがってこの実施形態において、多重量子井戸構造体５の周期は、それぞれ３つの層を有し、すなわち、中間層５３と、中間層５３に続く量子井戸層５１と、量子井戸層５１に続くバリア層５２とを有する。周期の個数Ｎは、前の実施例と同様に、有利には、３～１５、好ましくは４～８である。

【0045】

中間層５３は、その厚さが、好適には１．５ｎｍを上回らない、特に好ましくは１ｎｍを上回らない比較的薄い層である。中間層は、Ａｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{１－ｘ３－ｙ３}Ｎ、ただし０≦ｘ３＜０．０３、０≦ｙ３≦０．０２、かつｘ３＋ｙ３≦１を有する。好適には、アルミニウム含有量ｘ３は、ｘ３＝０、かつ／またはインジウム含有量ｙ３はｙ３＝０である。アルミニウム含有量が比較的少ないかまたは好ましくはアルミニウム含有量のない薄い中間層は、この中間層が、典型的には所定のインジウム含有量を有する量子井戸層５１を成長させる際に、気相においてインジウムとアルミニウムとの間で、またはそれらの前駆体材料間で不所望の反応を生じさせない、という利点を有する。

【0046】

ｎ型半導体領域６からｐ型半導体領域４を指示するｚ方向に、バリア層５２が量子井戸層５１に続く、多重量子井戸構造体５の複数の境界面には、好適には、それぞれ中間層が配置されない。言い換えると、中間層５３は、成長方向に、量子井戸層５１に直接、先行するが、量子井戸層５１に直接、続く中間層はない。成長方向にバリア層５２が量子井戸層５１に続いている複数の境界面において、バリア層５２が直接、量子井戸層５１に隣り合っていると有利である。このようにすることによって電子的なバンド構造に影響が及ぼされ、これにより、バリア層５２における正孔の存在確率が低減されることが判明している。このようにすることにより、多重量子井戸構造体におけるビーム形成の効率を改善することができる。

【0047】

別の有利な実施形態について、特にバリア層５２の実施形態およびこれに伴う利点について、この実施例は、図４に対応し、その他の点については、前に説明した実施例に対応する。

【0048】

本発明は、実施例に基づく説明によって制限されることはない。むしろ本発明には、あらゆる新しい特徴的構成や、特に特許請求の範囲の特徴的構成のあらゆる組み合わせを含む、特徴的構成のあらゆる組み合わせが含まれているのであり、この特徴的構成またはこの組み合わせそれ自体が、明示的に特許請求の範囲または実施例に示されていない場合であっても含まれているものである。

【符号の説明】

【0049】

１ 支持基板
２ 接合層
３ ミラー層
４ ｐ型半導体領域
５ 多重量子井戸構造体
６ ｎ型半導体領域
７ 第１コンタクト層
８ 第２コンタクト層
９ ビーム出射面
１０ オプトエレクトロニクス素子
５１ 量子井戸層
５２ バリア層
５２ａ バリア層の部分層
５２ｂ バリア層の部分層
５２ｃ バリア層の部分層
５３ 中間層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】