JP2007507083A

JP2007507083A - 発光半導体素子

Info

Publication number: JP2007507083A
Application number: JP2006515690A
Authority: JP
Inventors: ブーテンダイヒライナー; ノルベルト　リンダー; ベルント　マイアー; ピーツォンカイネス
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: EP1642347B1; JP5150099B2; TW200501463A; US20060284192A1; CN100539211C; US7629670B2; WO2005004244A2; EP1959507A1; DE502004007853D1; EP1642347A2; EP1959507B1; DE502004010654D1; DE10329079B4; WO2005004244A3; TWI240435B; DE10329079A1; KR20060031646A; CN1813359A; KR101087803B1

Abstract

ｎ型ドーピングされる閉じ込め層（１４）と、ｐ型ドーピングされる閉じ込め層（２２）と、これらのｎ型ドーピングされる閉じ込め層（１４）とｐ型ドーピングされる閉じ込め層（２２）との間に配置され光子を放出する活性層（１８）とを含む層構造を備えた発光半導体素子において、本発明によれば、高い活性ドーピングとシャープなドーピングプロファイルを形成するため、ｎ型ドーピングされる閉じ込め層（１４）は第１のｎ型ドーパント（または互いに異なる２つのｎ型ドーパント）によりドーピングされ、活性層（１８）の層品質を改善させるため活性層（１８）は第１のドーパントとは異なる第２のドーパントによりドーピングされる。

Description

本発明は、ｎ型ドーピングされる閉じ込め層と、ｐ型ドーピングされる閉じ込め層と、これらｎ型ドーピングされる閉じ込め層とｐ型ドーピングされる閉じ込め層との間に配置され光子を放出する活性層とを含む層構造体を備えた半導体素子に関する。

上述の閉じ込め層はここでは、光子を生成する層構造の活性領域に電荷キャリアを局限することのできる材料層または材料層列として設けられている。

ここで用語「閉じ込め層」とは本明細書では、閉じ込め層の機能を含む単独の材料層のことも材料層列のことも指す。同様に用語「光子を放出する層」とは、動作中に光子を放出することのできる単独の材料層のことも材料層列のことも指す。

本出願は、ドイツ連邦共和国特許出願第103 29 079.6号（優先日２００３年６月２７日）の優先権を主張するものであり、その開示内容は本出願に含まれるものとする。

ＡｌＩｎＧａｐあるいは他の材料系をベースとするレーザダイオードおよび発光ダイオードの場合、リーク電流に起因する電荷キャリア損失を最低限に抑える目的で、閉じ込め層においてｎ型ドーピングができるかぎり高い濃度となるよう目指している。これと同時に、レーザモードの吸収が大きくなるのを避ける目的で、レーザダイオードの導波体周縁部におけるドーピングをシャープにないしは急峻に降下させるのが望ましい。ただしこれらの条件を満たそうとすると、（場合によってはｎ型ドーパントでドーピングされる）活性層の電気的、光学的および／または電気光学的な品質が不十分であることが多い。これに対し、活性層の電気的もしくは光学的な品質を向上させる他のドーパントを使用すると、たとえば製造される構成素子の効率が劣化するといったような他の欠点が引き起こされる。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の発光半導体素子において、活性層の電気的および／または光学的な品質を向上させること、および／または高い効率が得られるようにすることにある。

この課題は、請求項１記載の特徴を備えた発光半導体素子により解決される。

従属請求項２〜１３には本発明の有利な実施形態が示されている。

本発明による発光半導体素子によれば、ｎ型ドーピングされる閉じ込め層は、たとえば高い活性のドーピングおよびシャープないしは急峻な明確なドーピングプロファイルを形成するために第１のｎ型ドーパントによってドーピングされており、活性層はたとえばその層品質を改善させるために第１のドーパントとは異なる第２のｎ型ドーパントによってドーピングされている。

したがって本発明の基礎とする着想によれば、２つの異なるｎ型ドーパントが用いられ、これらは層構造のそれぞれ異なる個所に組み込まれるため、両方のドーパントのそれぞれ異なる特性を所期のように局所的に利用できるようになる。

その際、第１のｎ型ドーパントは、閉じ込め層においてできるかぎり高い活性のドーピングが得られるように、また、シャープなドーピングプロファイルないしははっきりとしたドーピングプロファイルを実現できるように選定される。これに対し活性層は第２のｎ型ドーパントによりドーピングされ、これは活性層の電気的および／または光学的な品質を改善するのに適している。ここで改善としてたとえば秩序作用の抑圧を考慮することができ、これについてはたとえば K. L. Chang 等による J. Appl. Phys. 92, 6582 (2002) によって知られている。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、ｎ型ドーピングされる閉じ込め層は、第１のｎ型ドーパントによってもドーピングされているし、別のドーパントたとえば第２のｎ型ドーパントによってもドーピングされている。これにより、２つの活性ドーパント濃度双方の合計まで活性ドーピングを高めることができる。これと同時に、達成可能な高いドーピングないしは高濃度のドーピングとシャープなドーピングプロファイルないしははっきりとしたドーピングプロファイルという利点はそのまま維持される。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、半導体素子は発光ダイオードを成している。この場合、発光ダイオードの活性層を均質な層として形成することもできるし、量子井戸構造または多重量子井戸構造により形成することもできる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、半導体素子はエッジ発光形のレーザダイオードを成しており、この場合、活性層とｎ型ドーピングされる閉じ込め層との間に第１の導波体層が配置されており、活性層とｐ型ドーピングされる閉じ込め層との間に第２の導波体層が配置されている。

レーザダイオードの第１の導波体層をドーピングしない状態にしておくこともできるし、あるいは活性層のように第２のｎ型ドーパントによりドーピングしておくこともできる。ただし導波体層を２つのｎ型ドーパントによってドーピングすることもできるし、あるいは第１のｎ型ドーパントによってのみドーピングすることもできる。有利には、第２の導波体層はドーピングされていない。

第１のｎ型ドーパントとしてシリコンを用いると有利である。その理由は、シリコンを用いることによって高いｎ型ドーピングないしは高濃度のｎ型ドーピングも得られるし、シャープにないしは急峻に降下するドーパントプロファイルも得られるからである。第２のドーパントとしてテルルを用いるのが有利である。驚くべきことにテルルは、活性層における望ましくない秩序作用を抑圧する特性を有しており、ないしは全般的にいえば活性層の光学的および電気的な品質を向上させる特性を有していることが判明した。別の側面において、テルルはエピタキシャル成長中に非常に強く拡散するので、閉じ込め層に対するただ１つのドーパントとしても活性層に対するただ１つのドーパントとしてもテルルを利用すると、比較的効率の低い素子が形成されることになる。

レーザダイオードまたは発光ダイオードにおけるｐ型ドーピングされる閉じ込め層は、有利にはマグネシウムまたは亜鉛によってドーピングされる。あるいはこの層はマグネシウムまたは炭素あるいは亜鉛によってドーピングされる。

ＡｌＩｎＧａＰをベースに層構造が形成されている発光半導体素子において、格別な利点を伴いながら本発明を適用することができる。

また、秩序作用が発生する可能性があったり、ドーパントが活性層の電気的および／または光学的な品質に影響を及ぼす可能性があったりする他の材料系たとえばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰのような材料系にも、本発明を利用すると有利である。

ＡｌＩｎＧａＰをベースとするこの種の層構造の群として第１に挙げられるのは、冒頭で述べた形式の発光半導体素子に適したＩＩＩ／ＩＶ族化合物半導体であり、これはそれぞれ異なる個別層から成る層列を有しており、これにはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｐただし０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である材料系から成るＩＩＩ／Ｖ族化合物半導体材料を有する少なくとも１つの個別層が含まれている。

この種のＩＩＩ／Ｖ族の化合物半導体構造がたとえば慣用のｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）あるいは多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）をもつように構成できる。この種の構造は当業者に周知であり、したがってここではこれ以上詳しくは説明しない。

同様のことは、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰをベースとする層構造についてもあてはまる。

ドーパントの注入にあたり場合によっては、成長温度に依存するドーパントの種々の組み込み特性を利用することができる。たとえば成長温度の上昇につれてシリコンの組み込みが高まるのに対し、テルルの組み込みは低下する。したがって素子構造における種々のドーパントの濃度を、まえもって設定された温度プロファイルによって調整することができる。

本発明のその他の有利な実施形態、特徴ならびに詳細な点は、図面を参照した以下の実施例の説明に示されている。

図１には、本発明の１つの実施例によるレーザダイオードの断面図が略示されており、図２には、本発明の別の実施例による発光ダイオードの断面図が略示されている。なお、層構造および層厚の関係は図面では縮尺どおりには描かれていない。

第１実施例：
図１に略示されている本発明の第１実施例の断面図は、ＡｌＩｎＧａｐベースのエッジ発光形レーザダイオードの層構造である。

図１の概略図には、本発明を理解するのに重要な層のみが描かれている。したがって緩衝層、中間層、接触層、ランプなどさらに別の層を設けることができるのは自明である。

レーザダイオード層構造１０の場合、シリコンドーピングされたＧａＡｓ基板１２上にＡｌＩｎＧａＰベースの層列が成長させられている。

ＡｌＩｎＧａＰベースのこの層列には以下の層が含まれている：
−ＧａＡｓ基板１２上に設けられｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Pの閉じ込め層１４、この層は有利にはシリコンでｎ型ドーピングされている。
−ＧａＡｓ基板１２から見てｎ型ドーピングされた閉じ込め層１４のあとに配置されたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第１の導波体層１６、この層はドーピングされていない。
−ＧａＡｓ基板１２から見てドーピングされていないＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの導波体層１６のあとに配置されテルルでドーピングされたＩｎ_ＺＧａ_１−ｚＰの活性層１８。
−ＧａＡｓ基板１２から見てテルルでドーピングされたＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＰ層１８のあとに配置されたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_０．５Ｐの第２の導波体層２０、この層はドーピングされていない。
−ＧａＡｓ基板１２から見て第２のＩｎ_０．５（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_０．５Ｐの導波体層２０のあとに配置されｐ型にドーピングされているＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第２の閉じ込め層２２、この層は有利にはマグネシウムおよび／または亜鉛でｐ型ドーピングされている。

ここで添え字の変数ｘ，ｙ，ｚについて、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１が適用される。

ｎ型ドーピングされているＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第１の閉じ込め層１４として、この第１実施例ではシリコンが用いられる。これによりｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの閉じ込め層１４において、有利には高濃度のｎ型ドーピングが実現され、しかも鋭くシャープに急峻な降下を伴うドーピングプロファイルが達成される。

Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＰの活性層１８のための第２のドーパントとしてテルルが用いられ、これは有利には高い電気的および光学的な品質をもつ活性層を形成する役割を果たす。殊にテルルのドーピングによって、活性層の結晶構造における望ましくない秩序作用が抑圧される。

第２実施例：
やはりＡｌＩｎＧａｐをベースとするエッジ発光形レーザダイオード層構造である本発明の第２実施例（図１も参照）によれば、上述の第１実施例とは異なり、Ｉｎ_０．５（ＡｌｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第１の導波体層１６もテルルでドーピングされている。これによって層列は以下の通りとなる。すなわちシリコンドーピングされたＧａＡｓ基板１２の上に、シリコンでｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）Ｐの閉じ込め層１４、テルルでｎ型ドーピングされた第１のＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第１の導波体層１６、テルルでｎ型ドーピングされたＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＰの活性層１８、ドーピングされていないＩｎ_０．５（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_０．５Ｐの第２の導波体層２０、マグネシウムまたは亜鉛でｐ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの閉じ込め層２２が成長させられている。オプションとして、第１のＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第１の導波体層１６を付加的にシリコンでドーピングしておくこともできる。

導波体層のドーピングによって、有利には電荷キャリア損失がいっそう低減され、もしくは素子の効率がいっそう高められる。

第３実施例：
やはりＡｌＩｎＧａＰをベースとするエッジ発光形レーザダイオード層構造である本発明の第３実施例（図１も参照）によれば、ｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐ閉じ込め層１４は第１実施例と異なり、１つのｎ型ドーパントだけではなく２つのｎ型ドーパントでドーピングされており、つまり適用されている第１のｎ型ドーパントによっても第２のｎ型ドーパントによってもドーピングされている。その目的は、活性のドーパント濃度全体を理想的には両方のドーパント濃度の合計まで高めるのが有利だからである。

第１のＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの導波体層１６をドーピングしないでおくこともできるし、またはテルルでドーピングすることもできるし、あるいはシリコンとテルルでドーピングすることもできる。

したがって全体としてこの実施例の場合、シリコンドーピングされたＧａＡｓ基板１２の上に、以下の層を有する層列が成長させられる：
−シリコンとテルルでｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの閉じ込め層１４
−ドーピングされていないかまたはテルルでｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第１の導波体層１６
−テルルでｎ型ドーピングされたＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＰの活性層１８
−ドーピングされていないＩｎ_０．５（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_０．５Ｐの第２の導波体層２０
−マグネシウムまたは亜鉛でｐ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの閉じ込め層２２
つまり第３実施例では、第１のｎ型ドーパントとしてシリコンが用いられ、第２のｎ型ドーパントとしてテルルが用いられる。その結果、やはり上述の利点が得られる。

第４実施例：
図２に示した断面図に描かれている本発明の第４実施例は、ＡｌＩｎＧａＰベースの発光ダイオード層構造３０であり、この層構造はシリコンでドーピングされたＧａＡｓ基板３２上に成長されている。

ＡｌＩｎＧａＰベースのこの層列３０には以下の層が含まれている：
−ＧａＡｓ基板１２上に設けられｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Pの閉じ込め層３４、この層は有利にはシリコンでｎ型ドーピングされている。
−ＧａＡｓ基板１２から見てｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの閉じこめ層３４のあとに配置されｎ型ドーピングされているＩｎ_０．５（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_０．５Ｐの活性層３６、この層は有利にはテルルでｎ型ドーピングされている。
−ＧａＡｓ基板１２から見てｎ型ドーピングされたＩｎ_０．５（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_０．５Ｐの導波体層３６のあとに配置されｐ型ドーピングされているＩｎ_０．５（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｐの第２の閉じ込め層３８、この層は有利にはマグネシウムおよび／または亜鉛でｐ型ドーピングされている。

この場合、活性層を均質な層として形成することもできるし、量子井戸構造または多重量子井戸構造として形成することもできる。

つまりこれまで述べてきた実施例によれば相応の有利な作用を伴いながら、発光ダイオードの場合にはｎ型の閉じ込め層３４に対する第１のｎ型ドーパントとしてシリコンが用いられ、活性層３６に対する第２のドーパントとしてテルルが用いられる。

なお、自明のとおり、これまで述べてきた説明、図面ならびに特許請求の範囲に開示されている本発明の特徴は、本発明の実現にあたり個別であっても任意の組み合わせであっても、本発明の本質を成すことができる。

また、本発明を実施例に基づき例示的に説明してきたけれども、そのことによって本発明が実施例に限定されるものではない。むしろ本発明は個々の新規の特徴ならびにそれらの特徴のいかなる組み合わせも含むものであって、該当する特徴または該当する組み合わせそのものが特許請求の範囲あるいは実施例に明示的に記載されていないにしても、種々の請求項あるいは種々の実施例の個々の特徴相互間のどのような組み合わせであっても本発明に含まれる。

本発明の１つの実施例によるレーザダイオードの断面図本発明の別の実施例による発光ダイオードの断面図

Claims

ｎ型ドーピングされる閉じ込め層（１４；３４）と、ｐ型ドーピングされる閉じ込め層（２２；３８）と、前記ｎ型ドーピングされる閉じ込め層（１４；３４）と前記ｐ型ドーピングされる閉じ込め層（２２；３８）との間に配置され光子を放出する活性層（１８；３６）を含む層構造を備えた発光半導体素子において、
前記ｎ型ドーピングされる閉じ込め層（１４；３４）は第１のｎ型ドーパントによりドーピングされ、高い活性ドーピングおよび／またはシャープなドーピングプロファイルが形成され、
前記活性層（１８；３６）は、前記第１のｎ型ドーパントとは異なる第２のｎ型ドーパントによりドーピングされ、該活性層の層品質が改善されることを特徴とする、
発光半導体素子。
請求項１記載の発光半導体素子において、
前記第１のｎ型ドーパントは、高い活性ドーピングおよび／またはシャープなドーピングプロファイルを形成するために用いられることを特徴とする発光半導体素子。
請求項１または２記載の発光半導体素子において、
前記第２のｎ型ドーパントは、前記活性層（１８；３６）の層品質を改善するために用いられることを特徴とする発光半導体素子。
請求項１から３のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
ｎ型ドーピングされる前記閉じ込め層（１４；３４）は、前記第１のｎ型ドーパントによってもドーピングされているし、別のドーパントたとえば第２のｎ型ドーパントによってもドーピングされていることを特徴とする発光半導体素子。
請求項１から４のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
発光ダイオード（３０）を成していることを特徴とする発光半導体素子。
請求項５記載の発光半導体素子において、
発光ダイオードの活性層（３６）は均質な層により形成されていることを特徴とする発光半導体素子。
請求項５記載の発光半導体素子において、
発光ダイオードの活性層（３６）は量子井戸または多重量子井戸により形成されていることを特徴とする発光半導体素子。
請求項１から４のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
レーザダイオード（１０）を成しており、
前記活性層（１８）とｎ型ドーピングされる前記閉じ込め層（１４）との間に第１の導波体層（１６）が配置されており、
前記活性層（１８）とｐ型ドーピングされる前記閉じ込め層（２２）との間に第２の導波体層（２０）が配置されていることを特徴とする発光半導体素子。
請求項８記載の発光半導体素子において、
前記第１の導波体層（１６）はドーピングされていないことを特徴とする発光半導体素子。
請求項８記載の発光半導体素子において、
前記第１の導波体層（１６）は前記第２のｎ型ドーパントによりドーピングされていることを特徴とする発光半導体素子。
請求項８から１０のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
前記第２の導波体層（２０）はドーピングされていないことを特徴とする発光半導体素子。
請求項１から１１のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
前記第１のｎ型ドーパントとしてシリコンが用いられることを特徴とする発光半導体素子。
請求項１から１２のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
前記第２のｎ型ドーパントとしてテルルが用いられることを特徴とする発光半導体素子。
請求項１から１３のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
ｐ型ドーピングされる前記閉じ込め層（２２；３８）はマグネシウム、炭素または亜鉛によってドーピングされていることを特徴とする発光半導体素子。
請求項１から１４のいずれか１項記載の発光半導体素子において、
前記層構造（１４〜２２；３４〜３８）はＡｌＩｎＧａｐ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰをベースとして形成されていることを特徴とする発光半導体素子。