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JP5156290B2 - オプトエレクトロニクスデバイス - Google Patents

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Description

本特許出願は、ドイツ連邦共和国特許出願第10 2006 034 821.4号及び第10 2006 046 227.0号の優先権を主張するものであり、これらの文献の開示内容は参照により本明細書に含まれる。
本発明は、第１の組成の組成とのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体と、少なくとも第２の組成とのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の交互に積層された層からなる超格子有する半導体層構造に関する。本発明はさらに、このような半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスに関する。
１つの組成の材料だけからなる同じ厚さの層と比べて、異なる組成の交互に積層された層を有する超格子は、異なる電気特性、光学特性及びエピタキシャル特性を有する。特に、適切な組成及びドーピングの場合には、交互に積層された、ｐ−ドープされた窒化ガリウム（ＧａＮ）層とｐ−ドープされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層からなる超格子は、同じ厚さのｐ−ドープされた単なるＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層よりも高い導電性を有することができる。このような特性に基づき、超格子は電子デバイス及びオプトエレクトロニクスデバイスにおいて多用されている。
本発明の課題は、電気特性及び光学特性が改善された、冒頭に記載した種類の超格子を有する半導体層構造を提供することである。本発明のさらなる課題は、このような半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスを提供することである。
前記課題は、請求項１の場合に、冒頭に記載された種類の半導体層構造であって、前記超格子の複数の層がドーパントを所定の濃度で含有し、このドーパントの濃度は超格子内の同じ組成の少なくとも２つの層において異なっていて、超格子の少なくとも１つの層内のドーパントの濃度は勾配されていてかつ前記超格子は異なるドーパントでドープされている層を有することにより解決される。
更に、前記課題は、請求項３の場合に、冒頭に記載された種類の半導体層構造であって、前記超格子の複数の層がドーパントを所定の濃度で含有し、このドーパントの濃度は超格子内の同じ組成の少なくとも２つの層において異なっていて、超格子の少なくとも１つの層内のドーパントの濃度は勾配されていてかつ前記超格子は少なくとも１つのドープされていない層を有することにより解決される。
このようにして前記超格子の電気特性及び光学特性をできる限り、所与の要求に適合させることができる。超格子に対する所与の要求はしばしば、超格子の全厚さにわたって同じではない、例えば、前記要求に影響を与える物理量、例えば電気的又は光学的フィールド強度も同じように、超格子の厚さにわたって一定ではないからである。超格子にわたって一定ではないドーピング度により、少なくとも１つの層内でのドーパントの勾配する濃度により、及び超格子の複数の層内での異なるドーパントにより又はドープされていない少なくとも１つの層により、前記の事実を考慮することができる。
基本的に、周期の長さが使用された材料の格子定数よりも大きい周期性を有する構造を超格子と言う。本発明の範囲内で、交互に積層された層の列を超格子と言い、この場合、層間の境界面に対して垂直な方向で、つまり例えば層の成長方向で、異なるタイプの少なくとも２つの層を含む積層順序が繰り返される。交互にとは、この場合、２つ以上の層が交替して現れることであると解釈される。この場合、前記の繰り返される積層順序内では、１つのタイプは１つの層よりも多く出現することができる。この種の格子の例は、次の層列によって表される：「ａｂ｜ａｂ｜ａｂ｜…」、「ａｂｃ｜ａｂｃ｜ａｂｃ｜…」、「ａｂｃｂ｜ａｂｃｂ｜…」及び「ａｂａｂａｂａｂｃ｜ａｂａｂａｂａｂｃ｜…」、その際、ａ、ｂ及びｃはそれぞれ１つのタイプの層を表し、繰り返される積層順序は区切記号「｜」によって明示されている。
本発明の範囲内で、１つの層の組成は、層内に含有されている元素並びに前記元素の名目上（すなわち成長プロセスの間又はその後の成分観察の精度の範囲内で）の化学量論によって定義され、この場合に、ドーピング材料と不純物は考慮されない。この化学量論は、層内の個々の元素の含有量（割合）によって表される。本発明の範囲内で、１つの層の元素の数に関して制限はない。超格子の層は例えば元素状（すなわち、１つの元素だけからなる）であるか、又は二成分、三成分、四成分等であってもよい。
有利な実施態様の場合には、前記超格子は第１の組成のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体と少なくとも第２の組成のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体との交互に積層された層を有し、その際、前記層はドーパントを所定の濃度で含有し、超格子内の同じ組成の少なくとも２つの層内のドーパントの濃度は異なり、超格子の少なくとも１つの層内のドーパントの濃度は勾配されていて、前記超格子は、異なるドーパントでドープされている層を有し、かつその際少なくとも１つの層はドープされていない。
半導体層構造の有利な実施態様の場合に、この超格子は交互に積層されたＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層とＩｎwＡｌzＧａ1-w-zＮ層（式中、０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１及びｘ＋ｙ≦１及びｗ＋ｚ≦１又は交互に積層されたＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＰ層とＩｎwＡｌzＧａ1-w-zＰ層（式中、０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１及びｘ＋ｙ≦１及びｗ＋ｚ≦１）又は交互に積層されたＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＡｓ層とＩｎwＡｌzＧａ1-w-zＡｓ層（式中、０≦ｘ、ｙ、ｗ、ｚ≦１及びｘ＋ｙ≦１及びｗ＋ｚ≦１）を有する。このような材料システムは一方では工業的に非常に重要であり、他方ではこのシステムにおいて、超格子を使用することによって、正孔伝導の有利な伝導性の上昇を観察することができる。
半導体層構造の更なる有利な実施態様の場合には、超格子の個々の層に半導体層構造内の垂直方向位置が割り当てられていて、かつ層のドーパントの濃度は所定のように前記半導体層構造内での前記層の垂直方向位置に依存する。このようにして、超格子及びその特性は、半導体層構造内で変更された物理量にできる限り適合させることができる。
更なる有利な実施態様の場合には、垂直方向位置に関するドーパントの濃度の依存性は、全ての層に対して１つの共通の関数によって設定されているか、又は前記依存性は第１の組成の層に対して、第１の関数によって設定されていてかつ少なくとも１つの第２の組成の層に対して、少なくとも第２の関数によって設定されている。この場合、特に有利には、この第１の関数及び／又は少なくとも第２の関数及び／又は共通の関数は、階段関数又は単調増加関数／減少関数又は一次関数又は多項式関数又は平方根関数又は指数関数又は対数関数又は周期関数又はこれらの関数を重ね合わせたものであるか、又はこれらの関数の一部を有している。
特に、ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）及び／又はケイ素（Ｓｉ）であるのが有利である。
さらに、前記課題は前記種類の半導体層構造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。作動時に、オプトエレクトロニクスデバイスにおいて、放射線フィールドは通常では前記デバイス内の著しく不均一なフィールド強度振幅（Feldstaerkenamplitude）で構成される。同じ組成の少なくとも２つの層がドーパントを異なる濃度で含有する超格子を有する半導体層構造を、その電気特性及び光学特性において、前記光学的放射線フィールドの存在する不均一なフィールド強度振幅にできる限り良好に適合させることができる。
オプトエレクトロニクスデバイスの有利な実施態様の場合には、前記デバイスは光学活性層を有し、かつ半導体層構造の超格子内の１種以上の組成の層のドーパントの濃度は、前記光学活性層からの距離が増大すると共に増加する。光学活性層を有するオプトエレクトロニクスデバイスにおいて、放射線フィールドのフィールド強度振幅は通常では光学活性層からの距離が増大すると共に低下し、高いドーパント濃度は一般に高い光学的吸収を伴うために、このように光学的損失を低減することができる。
更なる有利な実施態様の場合には、オプトエレクトロニクスデバイスは、発光ダイオード又はレーザーダイオードである。
本発明のさらなる有利な実施態様を次に、図示された実施例との関連で説明する。
図面
図１は、超格子を有する半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスの横断面図を表す。
図２〜３は、超格子を有する半導体層構造の多様な実施例におけるフィールド強度振幅及び屈折率並びに超格子内のドーパント濃度を示すグラフを表す。
図１には、超格子を有するオプトエレクトロニクスデバイスの半導体層構造の層列が断面図で図示的に示されている。基板１上に整合層２が成長され、次にｎ−ドープされたコンタクト層３が成長されている。わかりやすく示すために、層のドーピング型は以後ｎ又はｐの文字を記載することにより、つまり例えばｎ−コンタクト層３のように表す。
ｎ−コンタクト層３上に、ｎ−ジャケット層４及びｎ−導波体層５が存在する。この上に、活性層６が設けられていて、それに続いてバリア層７並びにｐ−導波体層８が設けられている。続いて、超格子９として構成されているｐ−ジャケット層が設けられている。この超格子９は、交互に積み重ねられた、第１の組成ａの層９ａと第２の組成ｂの層９ｂとを有する。同じ組成ａ、ｂの層９ａ、９ｂは、以後、層グループ９ａ、９ｂの符号でまとめて参照される。
この超格子９上にｐ−コンタクト層１０が成長されている。右側の領域には、前記層列は、ｎ−コンタクト層３の基板側ではない面に達するまで除去エッチングにより取り去られているか、あるいはこの領域内でマスキングにより層列が全く構築されていない。ｎ−コンタクト層３の露出面上にｎ−コンタクト１１が設けられている。ｐ−コンタクト層１０上にはｐ−コンタクト１２が存在している。
図１は略図として解釈することができる。特に、図示された層厚は寸法通りではない。
この図示された実施例は、例えばＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＡｓ、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＰ又はＩｎxＧａ1-xＡｓyＮ1-y（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）に基づき材料システムを実現することができる。もちろん本発明はこの材料システムに限定されるものではなく、所望の波長に応じて、又はその他の要求に応じて別の材料システムに基づき構成することができる。
図１に示したデバイスはダブルへテロ構造のレーザーダイオードを表す。以後、例示的にＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮの材料システムでの実現を詳細に記載する。このような場合には、基板１としてサファイアを使用することができ、かつｎ−コンタクト層３としてｎ−ドープされたＧａＮを使用することができる。ＧａＮ層のｎ−ドーピングのために、有利にシリコン（Ｓｉ）を使用する。整合層２として、一般に、前記サファイア基板１とＧａＮのｎ−コンタクト層３との間に、これらの層の異なる格子定数を整合させるために、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が設けられている。
同様に、ｐ−コンタクト層１０はマグネシウム（Ｍｇ）でｐ−ドープされたＧａＮ層により実現することができ、この場合、マグネシウム不純物により誘導された正孔伝導性は前記層の成長の後で公知のように、例えば電子照射又は熱処理により活性化される。
ｎ−又はｐ−コンタクト１１もしくは１２として、例えばアルミニウム又はニッケルからなる電極が、対応するｎ−又はｐ−コンタクト層３もしくは１０上に蒸着される。このために必要なｎ−コンタクト層３の露出は、例えば塩素ガス中でのドライエッチングプロセスによるか又はアルゴンイオンスパッタリングにより行うことができる。
これとは別に、非導電性の基板１の代わりに、導電性の基板、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用することができる。このような場合には、ｎ−コンタクト層３及び場合により、例えばＧａＮの使用の場合に、整合層２を使用しなくてもよい。ｎ−コンタクト１１を、その後にｐ−コンタクト１２に対峙して、基板の半導体層構造とは反対側に設けることができるため、垂直方向に導電する（vertikal leitend）半導体層構造が形成される。
これに限定されるものではないが、図１にはまずｎ−ドープされた層が基板１上に設けられている実施例が示されている。ｐ−ドープされた層が、ｎ−ドープされた層よりも基板１の近くに配置されている構成も同様に可能である。この両方の構成は、半導体層構造内への電荷キャリア注入に関して異なる特性を有することができる。所望の特性に応じて、個々の場合で、前記の構成のそれぞれが有利であることは明らかである。
活性層６は例えば単一又は多重量子層構造（Mehrfach-Quantenschichtstruktur）であることができ、この場合、窒化インジウム−ガリウム（ＩｎＧａＮ）量子層はＡｌＧａＮバリア層と交互に積層されている。
本発明の範囲内で、量子層とは、放射線生成のために重要な電荷キャリアエネルギーレベルの量子化が、例えば閉じ込め（confinement）により生じるように寸法決定及び構造化されている層であると解釈される。特にこの量子層という用語には、量子化の次元の数に関する規定又は限定は含まれない。この量子層は二次元の量子井戸を形成するか又はより低い次元の数を有する構造的素子、例えば量子ワイヤ又は量子ドット又はこれらの構造の組合せを含むことができる。
更に、活性層６として、フォトルミネッセンス活性層、例えば異種原子ドープされたＩｎＧａＮ層の使用も考えられる。
この活性層６を取り囲む層（ｎ−及びｐ−導波体層５もしくは８、ｎ−ジャケット層４、ｐ−ジャケット層としての超格子９及びバリア層７）は、前記活性層６よりも大きなバンドギャップを有する。これは、活性層６に関して電荷キャリアの濃縮又は限定（閉じ込めとも言われる）を生じさせる。このために設けられた層の数は、図面に示された５層の数に限定されず、原則として任意である。
更に、前記活性層６を取り囲む層は、前記活性層６内で生じる放射線のための導波体を形成する。良好な導波特性は、屈折率が活性層６に対して垂直方向で前記活性層６から外側に向かって低下する場合に達成される。ＧａＮはＡｌＧａＮよりも高い屈折率を有するため、実施例の場合に、活性層６の近くに配置されたｎ−及びｐ−導波体層５もしくは８はＧａＮ層として構成されている。ｎ−ジャケット層４及びｐ−ジャケット層としての超格子９は有利にアルミニウム含有である。
従って、活性層６の基板１の側（ｎ−ドープされた側）で導波体層５はＳｉドープされたＧａＮ層として構成することができ、かつジャケット層４は相応してＳｉドープされたＡｌＧａＮ層として構成されている。活性層６の基板１とは反対側（ｐ−ドープされた側）に同様にマグネシウム（Ｍｇ）ドープされたＧａＮ層が導波体層８として使用される。活性層６から導波体層８中へ拡散する電子と、そこに存在する正孔との直接的な再結合を妨げるために、両方の層の間に付加的にバリア層７が配置されている。この層はＡｌＧａＮ層により実現することができ、前記層は一般的にｎ−及びｐ−導波体層５もしくは８、ｎ−ジャケット層４又は超格子９よりも明らかに薄く構成されている。
ｐ側のジャケット層は、超格子９によって実現される。
図１の実施例の場合には、この超格子９は、交互に配置された第１の組成ａの層９ａと第２の組成ｂの層９ｂとによって形成されている。例示的に、かつわかりやすく示すために、この図中には２種の異なる組成ａ及びｂのそれぞれ３層だけが示されている。本発明を実際に適用する場合には、超格子は一般に多数の層を有し、例えばそれぞれの組成の数十〜数百の層を有する。超格子９の個別の層についての一般的な層厚は数ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内、例えば２ｎｍ〜５０ｎｍ、有利に３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内にある。同じ組成の層は、名目的に（つまり成長プロセスの間又はその後の層厚制御の精度の範囲内で）同じ層厚を有する。しかしながら、第１の組成ａの層９ａと第２の組成ｂの層９ｂとは、その厚さの点で相互に異なる（非対称な超格子）か又は同じ（対称な超格子）であることもできる。
この超格子９は、図示されているように、２種の異なる組成ａ、ｂを有する層だけからなるだけではなく、３種以上の異なる組成を有する層からなることもでき、この場合、例えば層列「ａｂｃｄａｂｃｄａｂｃｄ．．．」又は「ａｂｃｂａｂｃｂ．．．」が形成され、その際、ｃ及びｄは相互に異なりかつ第１の組成とも第２の組成とも異なる組成である。既に記載したように、本発明の範囲内で、層の組成は、層中に含まれる元素並びにその名目的な（つまり成長プロセスの間又はその後での成分観察の精度の範囲内で）化学量論によって定義され、この場合ドーパント及び不純物は考慮されない。従って、この定義の範囲内で、例えばＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とは異なる組成を有するが、Ｓｉでｎ−ドープされたＧａＮ層と、ドープされていないＧａＮ層とは同じ組成の層と見なされる。層の元素の数については制限はない。超格子９の層は、元素状である（すなわち、１つの元素だけからなる）か又は二成分、三成分、四成分などであることができる。
ＧａＮ系の材料システムにおいて、ｐ−ジャケット層としての超格子９は、例えば交互にＭｇドープされたＧａＮ層とＭｇドープされたＡｌＧａＮ層とから構成されていてもよい。Ｍｇドーパント原子の高い活性化エネルギーに基づき、ｐ−ドープされた層の導電性は低い。更に、ＡｌＧａＮはＧａＮよりも広いバンドギャップを有し、かつより低いドーピング効率に基づき比較的低い導電性を示す。このドーピング効率は、どの程度の濃度でドーパントが一般に材料に導入されるか、及び導入されたドーパント原子のどの程度の割合が原則として（つまり、わずかな温度に依存する占有効果（Besetzungseffekte）で）一般に導電性に寄与できるかを表す。このドーピング効率は、特に、ドーパント原子がどの格子位置又は格子間位置を取るかに依存する。
より高くかつより効率的にドーピング可能な、従ってより導電性のＧａＮ層を使用することにより、前記超格子９はｐ−ドープされた単なるＡｌＧａＮジャケット層と比べて、実際に同じ屈折率でより高い導電性を示す。実際に同じ屈折率は、ＡｌＧａＮジャケット層と比べて、超格子９中で使用されたＡｌＧａＮ層の高められたアルミニウム含有量により達成することができる。
ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子９の代わりに、同様に、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ層（式中、０≦ｘ、ｙ≦１及びｘ≠ｙ）が交互に積層されている超格子９も考えられる。更に、ｎ−ドープされたＡｌＧａＮジャケット層４について超格子の使用も考えられる。ｎ−ドープされた層は一般に比較的高い導電性であるために、この場合、高められた垂直方向の導電性の点であまり有利ではない。しかしながら、活性層６中で生じる歪みを低減できるという利点が生じる。特に側面で電流供給する場合に効果が発揮される他の利点は、超格子の高められた側方の電流伝導性（lateralen Stromleitfaehigkeit）に基づく。
第１の組成ａの全ての層９ａ並びに第２の組成ｂの全ての層９ｂが同じドーピングを、つまり同じドーパントを同じ濃度で有している超格子は、例えばEP 0881666 B1から又は刊行物P. Kozodoy et al.著、 Applied Physics Letters 1999, Vol. 74, no. 24, p. 3681から公知である。
それに対して、本発明の場合にはドーパントの濃度は同じ組成の少なくとも２つの層中で異なっている。本発明の場合には、層９ａ及び／又は９ｂの少なくとも一方のグループからなる少なくとも１つの層が存在し、前記層は、前記層グループの残りの層とは異なるようにドープされている。
更に、本発明の場合には、超格子９の少なくとも一つの層中のドーパントの濃度は勾配されている。同様に、本発明の場合に、層９ａ及び／又は９ｂの少なくとも一方のグループからなる、勾配されている少なくとも１つの層が存在する。
更に、本発明の場合には、超格子９は異なるドーパントによりドープされている層９ａ及び／又は９ｂを有する。本発明の場合には、層９ａ及び／又は９ｂの少なくとも一方のグループからなる少なくとも１つの層が存在し、前記層は、残りの層とは異なるドーパントによりドープされている。
次に、図２及び３との関連で、超格子内の同じ組成（層グループ）のドーピング度を変化させた半導体層構造を記載する。次に記載の実施例の積層順序は、基本的に図１に示した実施例に一致するが、図２及び３の図面中にはｎ−コンタクト層３、整合層２及び基板１が記載されていない。
図２及び３中には、それぞれ半導体層構造の異なる実施例が図面ごとに示されていて、前記図面中には、半導体層構造の垂直方向位置ｚ（横座標）に依存する屈折率ｎ（右側の縦座標）及び光学放射線フィールドのフィールド振幅Ａ（左側の縦座標）が示されている。同じ垂直方向位置ｚに基づいて、図面の上側に所属する積層順序が示されていて、その際、これらの層は図１に記載された符号と同じ符号を有している。半導体層構造内の垂直方向位置ｚは、ｐ−コンタクト層１０の活性層６とは反対側の界面から計算して、成長方向に沿ってｎｍで記載されている。もちろん、この位置基準は任意に選択することができ、例えば位置基準として超格子９の側を参照することもできる。
異なる組成の層は異なる屈折率を有するため、半導体層構造内の垂直方向位置ｚに依存する屈折率ｎの記載から、その層構造を読み取ることができる。ＧａＮ層は、約２．５２の屈折率ｎを有する。ＡｌＧａＮ層の屈折率ｎは、前記値からＡｌ含有量が増加すると共に低下する。図２〜３に示された実施例の場合に、ｐ−コンタクト層１０、ｐ−導波体層８及びｎ−導波体層５はＧａＮ層である。バリア層７及びｎ−ジャケット層４はＡｌＧａＮ層であり、この場合、バリア層は高いＡｌ含有量を有し、ｎ−ジャケット層４は中程度のＡｌ含有量を有する。ｐ−ドーピングするためのドーパントとしてＭｇを使用することができ、ｎ−ドーピングするためのドーパントとしてＳｉを使用することができる。
超格子９は、それぞれ１０層の交互に積層されたＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層により形成されている。この場合でも、層の数は例示にすぎず、わかりやすくするために多すぎないように選択されている。一般には、超格子９は多数の層を有し、例えばそれぞれの組成の数十〜数百の層を有する。図１と同様に、以後ＧａＮ層には第１の組成ａの層として符号９ａを付与し、ＡｌＧａＮ層には第２の組成ｂの層として符号９ｂを付与する。この超格子は、ｐ−コンタクト層１０に接する側（図面の左側）にＧａＮ層９ａを有し、ｐ−導波体層８に接する側（図面の右側）にＡｌＧａＮ層９ｂを有する。この超格子９は、ｐ−ジャケット層として機能する。
半導体層構造の作動の際に活性層６中で生じる光学放射線フィールドのフィールド振幅Ａは、任意単位で左側の縦座標に記載されている。このフィールド振幅Ａは、全ての実施例の場合に、活性層６中の値１に規格化された最大値を有する正規分布に似た推移を示す。活性層６の両側に向かったこのフィールド強度の低下は、屈折率ｎの推移によって決定される。
超格子９の複数の層に対して、更にドーパント濃度ｃ（ドーピング度ともいう）は、この図面に重ねた棒グラフにより示されている。フィールド振幅Ａと同様に、ドーピング度ｃは任意単位で左側の縦座標に記載されている。個々の事例において他に記載がない限り、図示されたドーパント濃度ｃはｐ−ドーピングのために使用された物質、つまり例えばＭｇに関している。
図２は半導体層構造の３つの実施例を示す。これらの実施例は、一方又は両方の層グループ内で、超格子９の一方の範囲内では複数の層に対してドーパント濃度ｃは一定であり、他方の領域内では線形に低下していることが共通である。
図２ａの実施例中では、ドーパント濃度ｃはそれぞれ、ｐ−コンタクト層１０の側の最初の６層のＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層９ｂ、９ａ（図面中の左側）では一定であり、かつ両方の層タイプに対して同じである。活性層６の側の次の４層では、ドーパント濃度ｃが線形にゼロにまで低下する。
図２ｂ中の実施例は、原則的にドーピングの類似した推移を示す。この場合、それぞれ４層の一定の範囲が存在し、この場合に、ＧａＮ層９ａについてのドーピング度がＡｌＧａＮ層９ａについてのドーピング度よりも高い。活性層の方向へ向かって続くそれぞれ６層中では、ドーパント濃度ｃはそれぞれの層グループ内で線形にそれぞれゼロとは異なる値にまで低下する。
図２ｃの例中では、ドーパント濃度ｃは、超格子９内でＧａＮ層９ａについては、図２ｂの実施例と同様に推移するが、ＡｌＧａＮ層９ｂのドーピング度は低いレベルで一定である。
図２のこれらの実施例の場合には、活性層６の方向に向かって複数の層にわたりドーピング度は低下し、それによりこれらの層の吸収係数はフィールド振幅Ａの推移に適合されている。
フィールド振幅Ａのこの推移から、活性層６の作動の際に生じる放射線は、この超格子中へほとんどなお８０％のその最大振幅で侵入することは明らかである。４００ｎｍの波長の放射線に対する吸収係数の比較は、例えばＭｇドープされたＧａＮ（ドーパント濃度４×１０19ｃｍ-3）は、ドープされていないＧａＮ（出典：M. Kumerato et al.著, Phys. stat. sol. 2002, Vol. 192, No. 2, p. 329）よりも１０倍高い吸収係数を有する。特に、高いフィールド強度Ａの範囲内で、ドープされていないか又は極めてわずかにドープされた層を使用することにより超格子９中での吸収損失は低減される。ドープされていないか又は極めてわずかにドープされた層を使用することにより生じる超格子９の導電性の低下に対抗するために、残りの層中のドーパント濃度ｃは、全ての層にわたり均一のドープされている超格子と比べてわずかに高くすることができる。超線形に低下するフィールド振幅Ａに基づき、残りの層のドーピング度の上昇に伴うわずかに上昇する吸収損失は、ドープされていない層による吸収損失の低下よりも小さい。従って、この超格子９は、同じ導電性で実際に（全ての９ａ及び９ｂの合計において）先行技術から公知の超格子よりもわずかな吸収を示す。
本願発明の範囲内で、ドープされていない層とは、名目的に、つまり技術的に測定可能な及び制御可能な限界内でデータが測定されない層であると解釈される。
Ｍｇドープされた層を有するデバイスの場合の問題は、ドーパントＭｇが前記デバイスの作動時に拡散プロセスによって活性区域内へ移行し、そこで高すぎる吸収損失を引き起こしかねないことにある。ここに記載された超格子９の場合には、これに関して、ドープされていない又はわずかにドープされた、活性層６に向かう側の層が、拡散するＭｇのための濃度低下を示し、その結果、Ｍｇの活性層６内までへの移行は抑制されるというさらなる利点が生じる。
これとは別に、全ての図示された実施例の場合に、Ｓｉでｎ−ドープされた層をドープされていない層の代わりに使用することを考慮することもできる。ＳｉドープされたＧａＮ層の吸収係数は、ドープされていない層とＭｇドープされた層との間である（Ｓｉの場合と同様のドーパント濃度ｃで）。場合により、ドープされていない層の使用の場合よりもいくらか低い導電性が生じることがあってもよいが、導電性を妨害する遮断方向に作動するｐ−Ｎ接合の形成は、超格子中で典型的に考慮される厚さの層の場合には生じない。
超格子内でＳｉドープされた層を使用する場合でも吸収損失は低下し、かつ同時に超格子９の高い導電性が達成される。更に、Ｓｉドープされた層は、拡散するＭｇ用の拡散バリアとして作用し、かつドープされていない層と同様に活性層６内までへのＭｇの移行は妨げられる。
超格子９内のドーパント濃度ｃの推移（ドーピングプロフィールとも言う）を、層の位置に依存する層のドーパント濃度ｃを示す（エンベロープ）関数によって一般化して記載することができる。この場合、例えば図２ａ及び３ａの実施例の場合のように、全ての層グループのために共通する関数を予め定めるか（下記参照）、又は例えば図２ｂ、２ｃ及び３ｂのように、それぞれの層グループに対して固有の関数を予め定めることができる（下記参照）。図２の実施例を、階段関数と一次関数とを重ね合わせにより表すことができる。基本的には各関数は自明であるが、任意であり、例えば非線形の関数特性も可能である。
非線形のドーピングプロフィールを有する半導体層構造についての実施例は図３に示されている。図３ａの実施例の場合には、ドーパント濃度ｃの推移は、両方の層グループ（層９ａ、９ｂ）について同じである。この推移は、活性層６の方向に向かって、超線形に単調に低下し、かつフィールド振幅Ａの推移とほぼ鏡像的に適合されるため、高いフィールド強度の領域では低い吸光が生じる。低いフィールド強度の領域では吸収係数は高いが、しかしながらなお低い絶対吸光度が生じる。これにより光学的放射線と著しく吸収する領域とのわずかなオーバーラップと、それにもかかわらず良好な導電性との間の最適化を達成することができる。
図３ｂの実施例の場合に、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層９ａ、９ｂについてのドーピングプロフィールは異なっている。強く吸収するＧａＮ層９ａのために、活性層６に向かう方向で低下するドーパント濃度の推移ｃが考慮される。その広いバンドギャップのために原則としてあまり強くは吸収しないＡｌＧａＮ層９ｂの場合には、その推移は導電性の補償のため逆の勾配である。この実施例は、超格子９内の全体のＭｇドーパント量が制限されるべき場合に、低い吸光度と良好な導電性との間での良好な調和を表す。この制限なしでは、全てのＡｌＧａＮ層９ｂは一定の高いＭｇ濃度でドープされることも考えられる。
一つの層内で超格子９中のドーパント濃度ｃは勾配されていてもよい。一定ではないドーピングプロフィールにおいて、ドーピング度は一つの層内で一定でない実施例は、図２、３ａ及び３ｂ（この場合ＧａＮ層９ａだけ）に示されている。この場合に、ドーパント濃度ｃは１つの層内で（エンベロープ）関数の推移に従う。それに対して、図３ｂのＡｌＧａＮ層９ｂの場合には層グループ内のドーピング度は変化させるが、個々の層については一定である。このような場合に、それぞれの層内の固定された位置、例えば１つの層の中央部に関する（エンベロープ）関数の値が、その層全体のドーパント濃度を定義する。一つの層内での勾配するドーピング度は、超格子の導電性を上昇させる効果を支持することができる。
一つの層グループ内及び超格子９の１つの層内に実際に存在するドーパント濃度ｃの推移は、例えば拡散プロセスにより、製造プロセス中で名目的に予め定められた濃度推移から変更することができる。実際に、この変更は、高い濃度勾配を有する段又は領域の緩和又は引き延ばしによって出現させることができるが、このことは本発明による超格子９の基本特性に作用せず、かつ前記利点を公知の均一にドープされた超格子と比べて低下させない。
上記の実施例に基づく本発明の説明は、本発明をこれに制限するものであるとはみなすべきでない。むしろ、本発明は、前記実施例及びその他の詳細な説明で述べられた全ての特徴との組合せが特許請求の範囲の対象ではない場合であっても、前記の組合せも含んでいる。
超格子を有する半導体層構造を有するオプトエレクトロニクスデバイスの横断面図。 １実施例の超格子を有する半導体層構造のフィールド強度振幅及び屈折率並びに超格子内のドーパント濃度を示すグラフ。 １実施例の超格子を有する半導体層構造のフィールド強度振幅及び屈折率並びに超格子内のドーパント濃度を示すグラフ。 １実施例の超格子を有する半導体層構造のフィールド強度振幅及び屈折率並びに超格子内のドーパント濃度を示すグラフ。 １実施例の超格子を有する半導体層構造のフィールド強度振幅及び屈折率並びに超格子内のドーパント濃度を示すグラフ。 １実施例の超格子を有する半導体層構造のフィールド強度振幅及び屈折率並びに超格子内のドーパント濃度を示すグラフ。

Claims (8)

  1. 活性層（６）を有し、
    − 前記活性層（６）は導波体層（５，８）の間に配置されていて、
    − 前記活性層（６）と前記導波体層（８）の一方との間にバリア層（７）が配置されていて、
    − 前記導波体層（５，８）の、前記活性層とは反対側にそれぞれジャケット層が配置されていて、
    − 少なくとも１つのジャケット層は半導体層構造を有し、前記半導体層構造は第１の組成（ａ）のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体と少なくとも１つの第２の組成（ｂ）のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体との交互に積層された層（９ａ，９ｂ）からなる超格子（９）を有し、
    − 前記層（９ａ，９ｂ）は、所定の濃度でドーパントを含有し、
    − 前記超格子（９）中の同じ組成の少なくとも２つの層中の前記ドーパントの濃度は異なっていて、
    − 前記超格子（９）の少なくとも１つの層（９ａ，９ｂ）中のドーパントの濃度は勾配されていて、
    − 前記超格子（９）は異なるドーパントでドープされている層を有し、前記ドーパントはＭｇ及びＳｉであるか、又は前記超格子（９）はＭｇで異なる濃度でドープされている層を有し、
    − ＧａＮからなる第１の組成（ａ）の層は前記活性層の方向に向かってドーパント濃度が低下する推移を示し、及び
    − ＡｌＧａＮからなる第２の組成（ｂ）の層はこれに対して反対のドーパント濃度の推移を示す、オプトエレクトロニクスデバイス。
  2. 超格子（９）はドープされていない少なくとも１つの層を有する、請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
  3. 前記超格子（９）の個々の層には半導体層構造内での垂直方向位置ｚが割り当てられており、かつ層（９ａ，９ｂ）のドーパントの濃度は所定のように前記半導体層構造内での前記層の垂直方向位置ｚに依存している、請求項１又は２記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
  4. 垂直方向位置ｚに関するドーパントの濃度の依存性は、第１の組成（ａ）の層（９ａ）に対しては第１の関数によって設定されており、かつ少なくとも１つの第２の組成（ｂ）の層（９ｂ）に対しては少なくとも１つの第２の関数によって設定されている、請求項３記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
  5. 第１の関数及び／又は少なくとも１つの第２の関数は、階段関数又は単調増加関数／減少関数又は一次関数又は多項式関数又は平方根関数又は指数関数又は対数関数又は周期関数又はこれらの関数を重ね合わせであるか、又はこれらの関数の一部を有している、請求項４記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
  6. 超格子（９）の少なくとも１つの層（９ａ，９ｂ）内でドーパントの濃度は一定である、請求項１から５のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
  7. 発光ダイオードである、請求項１から６のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
  8. レーザーダイオードである、請求項１から７のいずれか一項記載のオプトエレクトロニクスデバイス。
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