向上した光抽出を有する紫外線発光素子
【課題】偏光度ＰＤを向上させる発光素子、及びそのような発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子は、中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成された発光領域を含むことができ、これらの中心波長λ及び偏光度ＰＤは、２００ｎｍ≦λ≦４００ｎｍ、ｂ≦１．５に対してＰＤ＞０．００６λ−ｂの条件を満たす。
【解決手段】発光素子は、中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成された発光領域を含むことができ、これらの中心波長λ及び偏光度ＰＤは、２００ｎｍ≦λ≦４００ｎｍ、ｂ≦１．５に対してＰＤ＞０．００６λ−ｂの条件を満たす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、向上した光抽出を有する紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の発光領域で発生する光は、発光素子から光が伝播する方向が左右される偏光特性を有してもよい。図１に示す通り、発光素子１０１の発光面１０５と直交する軸に沿って、又は発光面１０５と直交する軸に対して、放射光の脱出錐体１０２の内側に傾斜して伝播する光は、発光素子１０１の発光面１０５から放出される。発光素子１０１の発光面１０５と並行に、又は、脱出錐体１０２の外側へ傾斜して、伝播する光は、ほとんど失われて発光素子１０１内に吸収されてしまう可能性があり、この発光素子１０１から出力される光が全て供給されるわけではない。
【０００３】
さらに図１で示す通り、発光素子１０１は、（一般にウエハ面と直交する電界を有する）ＴＭ偏光と、及びＴＥ偏光（一般に発光素子のウエハ面と直交する電界）とを発生させることができる。ＴＭ偏光は、一般にウエハ面と並行の、即ち、発光素子１０１の発光面１０５に並行の方向に伝播する。ＴＥ偏光は、一般にウエハ面と直交する、即ち、直交する発光素子１０１の発光面１０５と直交する方向に伝播する。したがって、図１の例では、ＴＥ偏光はこの発光素子から容易に放出されることができ、一方、ＴＭ偏光は、その大部分が発光素子層内に閉じ込められ、吸収されてしまう。
【０００４】
紫外線発光ダイオード（ＵＶＬＥＤ）等の紫外線発光素子は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ及び／又はＩｎＡｌＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物材料系を用いて製造されてきた。ＩＩＩ族窒化物材料を使用する発光素子の場合、Ａｌ含有率（Ａｌモル分率）を増加させながら、発光する光の波長は短くなり、ＴＭ偏光の発生量は増加する。したがって、ＵＶＬＥＤでは、発光領域内のＡｌ含有率が増加すると、発光領域により発光されるＴＭ偏光の割合も増加し、これにより、ＴＥ偏光の発光が犠牲となってしまう。したがって、発光素子の波長が短くなると、ＵＶＬＥＤの発光効率は、光の抽出効率により制限され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
偏光度ＰＤを向上させる発光素子、及びそのような発光素子の製造方法を説明する。いくつかの実施形態では、窒化物半導体発光素子は発光領域を含み、中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成されており、これらの中心波長λ、及び偏光度ＰＤは、２００ｎｍ≦λ≦４００ｎｍ、ｂ≦１．５に対してＰＤ＞０．００６λ−ｂの条件を満たす。いくつかのケースでは、ｂは１とほぼ同じである。例えば、この発光領域はＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、バルク結晶のＡｌＮ基板上で成長する発光領域を有する発光素子が含まれ、ＡｌＮ基板及び発光領域の逆格子値は、約１．５％より少ない。
【０００７】
いくつかの実施形態では、２００ｎｍ≦λ＜３００ｎｍに対してＰＤ＞０の条件を満たす中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成された発光領域を含む発光素子が含まれる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、発光素子を製造する方法が含まれる。例えば、この方法は、第１のヘテロ構造及び第２のヘテロ構造を成長させるステップが含むことができる。第１のヘテロ構造と第２のヘテロ構造との間に発光領域を配置できるように、第１のヘテロ構造の上でＩＩＩ族窒化物発光領域を成長させる。この発光領域は、少なくとも１枚の圧縮歪層を含み、この圧縮歪層内の圧縮歪みεαは、不等式εα＜−０．００６１５＋０．０００２３＊（λ（ｎｍ）−２３０ｎｍ）を満たす。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光を示す説明図である。
【図２】図２は、量子井戸アルミニウムのモル分率の関数として計算する、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ内の価電子帯の相対エネルギーを示すグラフである。
【図３】図３は、量子井戸アルミニウムのモル分率の関数として計算する、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ内の価電子帯の相対エネルギーを示すグラフである。
【図４】図４は、本明細書で議論する実施形態による、圧縮歪を有する発光領域を含む発光素子も含めた、ＩＩＩ族窒化物合金の発光領域を含む種々の発光素子の偏光度を示すグラフである。
【図５】図５は、本明細書で議論する実施形態による、圧縮歪を有する発光領域を含む発光素子に関するフォトルミネッセンスのプロットを示すグラフである。
【図６】図６は、本明細書で議論する実施形態による、２枚の障壁層の間に配置された発光層を示す説明図である。
【図７】図７は、本明細書で議論する実施形態による、５枚の障壁層のＡｌ組成に関して、特定の波長での支配的ＴＥ偏光実現するために使用することができる圧縮歪みを示すグラフである。
【図８】図８は、本明細書で議論する実施形態による、量子井戸の格子定数と、基板の格子定数と、の間の差ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ、を示すグラフであり、この歪みを有するバルクＡｌＮの格子定数により、２枚の障壁層のＡｌ組成に関して、偏光度を向上させることができる。
【図９】図９は、本明細書の実施形態による、ＡｌｙＧａ１−ｙＮの障壁層の間に配置された、１枚以上の圧縮歪を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と、発光領域の両側に配置されたヘテロ構造と、を含んで、この発光領域のエピタキシャル成長層の結晶品質を向上させる発光領域を有する発光素子を示す説明図である。
【図１０】図１０は、本明細書で議論する実施形態による、転移層を有する第１のヘテロ構造を含む発光素子の説明図である。
【図１１】図１１は、本明細書で記載する実施形態による、発光素子の例の種々の層及びそれらの層の組成を示す説明図である。
【図１２】図１２は、転移層を含まない、ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造を表面原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によりスキャンした様子を示す説明図である。
【図１３】図１３は、転移層を含む、ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造を表面原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によりスキャンした様子を示す説明図である。
【図１４】図１４は、いくつかの実施形態による、３８ｎｍの転移層を２枚含むバルク結晶のＡｌＮ基板の上で成長したＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの層の説明図であり、この転移層は、短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含み、ＡｌＮ基板と、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの層との間に配置されている様子を示す。
【図１５】図１５は、図１４に示す構造のＸ線逆空間マップを示す説明図である。
【図１６】図１６は、本明細書に記載した実施形態による、偏光度が向上したことを示す、λ＝２７９ｎｍの偏光分解スペクトルのレーザを示すグラフである。
【図１７】図１７は、本明細書に記載した実施形態による、偏光度が向上したことを示すλ＝２９０ｎｍの偏光分解スペクトルのレーザを示すグラフである。
【図１８】図１８は、本明細書で議論する実施形態による、ＰＤを向上させるλ＝２９１ｎｍの光を発光する発光ダイオードの層を示す説明図である。
【図１９】図１９は、Ａｌ含有率と波長ＡｌｘＧａ１−ｘＮとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
いくつかの発光素子構成では、ＴＥ偏光は、一般に発光素子の発光面と直交する軸に沿って伝播され、ＴＭ偏光は、一般に発光素子の発光面と並行の軸に沿って伝播される。したがって、好ましい（ＴＥ）偏光、即ちＰＤ（本明細書では偏光度と呼ぶ）を有する発光素子の発光領域により発生する光の相対量は、下記の式により表すことができる。
【数１】
式中、ＩＴＥ及びＩＴＭはそれぞれ面内で発光されるＴＥ偏光及びＴＭ偏光のエレクトロルミネッセンス光の輝度を表す。上記で議論した通り、発光素子により発生するＴＥ光の量を改善して、発光素子の光抽出効率全体を改善することが望まれる。
【００１１】
ＩＩＩ族窒化物材料は異方性であり、結晶軸の方向に沿い、そして直交する。この異方性は、価電子帯の分離につながる。例えば、ＩＩＩ族窒化物の合金内の価電子帯の分離により、発光される光に偏光度が生じ、この偏光度は合金のＡｌ組成と共に変動する。短い波長（約３００ｎｍより短い）の発光素子内で用いられる比較的高いＡｌ密度では、ＴＭ偏光が支配することができる。しかし、価電子帯エネルギーは格子の歪みの影響も受け、これにより偏光度も左右される。圧縮歪みはＴＥ偏光の生成の増加に関与し、一方で、引張歪みはＴＭ偏光の生成の増加に関与する。したがって、圧縮歪を有するＩＩＩ族窒化物の発光領域を含む発光素子を成長させることにより、ＴＥ偏光の相対量は増加する。
【００１２】
本明細書では、発光素子の発光面と直交する方向に沿って伝播される光の増加を実現するための、（０００１）のＣ面の結晶方位、及び偏光度ＰＤを向上させるエピタキシャル成長層に基づいて、様々な実施例を提供する。しかし、本明細書で議論する、ＴＥ偏光の発光を向上させるための一般的な概念を、別の結晶方位で成長した層を有する発光素子に適用することは可能である。
【００１３】
偏光度ＰＤを向上させる発光素子の構造を、これらの発光素子構造を製造する方法と併せて議論する。いくつかの実施形態では、発光素子の発光領域は圧縮歪みのもとで成長する。この圧縮歪みにより、発光層の半導体のバンド構造が変化し、偏光度の向上を示す発光素子が作られる。それに代わり、又はそれに加え、発光領域の障壁層のＡｌ含有率を選択して、ＴＥ偏光の生成を増加させることができる。
【００１４】
本明細書で議論する、発光領域の構成に加えて、いくつかの発光素子が発光領域の１方又は両側にヘテロ構造を含む。これらのヘテロ構造は、欠陥、亀裂、及び表面の粗さ等を抑えることで、高品質な結晶層の成長を促進し、素子性能に寄与し、これらの結晶層の中には障壁層及び量子井戸（ＱＷ）が含まれる。１つ以上のヘテロ構造は、転移層を含むことができ、この転移層により、発光素子の層が、基板の格子構造から発光領域の格子構造へと徐々に転移する。結晶品質と発光素子全体の信頼性は、これらの転移層により左右される。種々の実施形態では、本明細書で議論する発光領域を、単独で、又はヘテロ構造及び／又は転移層と組み合わせて用いることができるが、これに関しては後程、詳しく議論する。種々の実施形態では、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ及び／又はその他の基板材料を含んだ基板の上で、ヘテロ構造、及び発光領域を成長させることができる。
【００１５】
図２及び図３には、量子井戸アルミニウムのモル分率の関数として計算する、ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおける価電子帯の相対エネルギーが示されている。この価電子帯エネルギーは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの発光材料内の歪みに依存する。この歪みは、様々な基板上での発光領域の疑似格子整合成長により調整することができる。図２には、バルク結晶のＡｌＮ基板上で成長し、歪みを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮの材料の価電子帯と、ＡｌＮの格子定数との関係が示されている。図３には、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの上で成長し、歪みを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮの材料の価電子帯と、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの格子定数との関係が示されている。理論上は、ＴＭ偏光は、最も高い価電子帯が「ｐｚ」特性有するときに発生し、ＴＥ偏光は、最も高い価電子帯が「ｐｘ、ｐｙ」特性を有するときに発生する。図２では、この特具体的な計算が、組成が交差するのはＡｌが約６０％のときであることがことを示している。Ａｌ組成が６０％より大きくなると、ＴＭ偏光の発光が支配的となる。図３では、Ａｌが約４３％で、組成が交差することが、この計算により示されている。Ａｌの組成が約４３％より大きくなると、ＴＭ偏光の発光が支配的となる。一般的な傾向では、発光材料内の圧縮歪みが増加すると、組成の交差位置なＡｌのより高い組成へ変動する。図２及び図３で示した計算では、有限幅を有する量子井戸内に正孔が閉じ込められ、自然発生する圧電性の偏光から生じる電界がこれらの量子井戸内に存在することが考慮に入れられていない。したがって、これらの図は、一般的な傾向を説明することをその目的としており、様々な発光素子構造に関する実際の交差波長は、これらの図で示したものと異なる可能性があり、これらの図では必ずしも提供されない。具体的な交差位置とは関係なく、図２及び図３では、ＡｌＮ上でＡｌＧａＮの疑似格子整合成長させることで、発光格子内により多くの圧縮歪みを発生させ、これにより、比較的短い波長でより多くのＴＥ偏光が実現できることが、比較的少ない圧縮歪有する発光領域を作り出すＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの上の成長で実現可能であることが示されている。
【００１６】
実際の交差波長を決定するために、ＡｌｙＧａ１−ｙＮの障壁領域に囲まれたＡｌｘＧａ１−ｘＮの量子井戸内の正孔状態エネルギーの計算が行われた。これらの計算では、井戸幅及びその井戸内の電界が考慮される。量子井戸及び障壁領域は、両方とも同じ面内格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄを有し、その面内格子定数はバルクＡｌＮの面内格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ以上でよい。障壁材料のＡｌ組成ｙの値はｘの値より大きいために、量子井戸内に正孔が閉じ込める。このように実行された計算により、ｙの値の増加によりＴＥ偏光が促進されることが示されている。正孔状態の相対エネルギーは、ｙとｘの値に依存する。障壁の組成率ｙの値により、ｘの値が増加し、そのために偏光がＴＥからＴＭへ移動する。したがって、発光領域内の圧縮歪みに加え、障壁内のＡｌ組成も偏光を作用する要因である。
【００１７】
図４には、λ＝２５０ｎｍからλ＝３９０ｎｍまでの範囲の中心波長を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）から得られる（上記の式１で記載した）偏光度ＰＤの測定結果が示されている。この中心波長λは、最も高い輝度の発光素子から発光される波長である。時として、より簡単に本明細書では、発光素子の中心波長を、より簡単に発光波長、又は発光素子の波長と呼ぶ。偏光度は、ウエハ面で発光される光を測定して判定される。面内で発光される光は、レンズを用いて集められ、アイリス絞りを通過後、グランテイラープリズム及び光ファイバ分光計により分析されている。その光は、第２のレンズを用いて光ファイバ分光計の上に集められている。光の偏光の測定のための実験準備は、Ｔ．Ｋｏｌｂｅ、Ａ．Ｋｎａｕｅｒ、Ｃ．Ｃｈｕａ、Ｚ．Ｙａｎｇ、ＳＥｉｎｆｅｌｄｔ、ＰＶｏｇｔ、Ｎ．Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｍ．Ｗｅｙｅｒｓ、及びＭ．Ｋｎｅｉｓｓｌ、によりＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔの９７，１７１１０５号（２０１０年）の中でより詳細に議論されており、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００１８】
ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、及びＡｌＧａＮまでの種々のＩＩＩ族窒化物発光領域の合金は、波長範囲λ＝２５０ｎｍからλ＝４００ｎｍまでの光を発光し、図４にはその偏光度が示されている。統合された面内で発光されるＴＥ偏光及びＴＭ偏光のエレクトロルミネッセンス光の輝度は、それぞれＩＴＥ及びＩＴＭで表されている。予想通り、ＴＭ偏光成分は、より短い波長で徐々に支配的となる。点線は目で見るためのガイドであり、実線は偏光度０の位置を表し、そこではＴＥ偏光及びＴＭ偏光が同じ輝度で発光される。点線に沿って示されたデータは、交差波長が約λ＝２９５ｎｍで、それより波長が短いと、偏光はほとんどＴＭとなることが示されている。
【００１９】
本明細書で記載されるいくつかの発光素子は、偏光度ＰＤを向上させるが、それらの発光素子は圧縮歪を有し、及び／又は、選択された障壁領域内のＡｌ含有率を有する発光領域を含む。発光領域内の結晶格子の圧縮歪み、及び／又は、障壁のＡｌ含有率は、ＵＶ発光素子内のＡｌ含有率の増加と相まって、偏光がＴＭ偏光へ変動を妨げる働きをする。本開示で議論する技術により製造された発光ダイオードを、図４のＢ４７４５で標示されたデータで示す。
【００２０】
本発明の実施形態は、偏光度ＰＤを向上させた光を発光する発光領域を有する発光素子に関する。図４から分かるように、向上したＰＤは、２００ｎｍ≦λ＜３００ｎｍでは、０より大きい値をとることができる、又は約０から約０．８までの範囲の値をとることができる。３００≦λ＜３５０の範囲の波長の光を発光する発光素子では、向上したＰＤは、約０．５より大きい値をとることができる、又は約０．５から約０．８の間の範囲の値をとることができる。３５０≦λ＜４００の範囲の波長の光を発光する発光素子にでは、向上したＰＤは、約０．７より大きい値をとることができる、又は約０．７から約０．８の範囲の値をとることができる。
【００２１】
向上した偏光度ＰＤの値は、図４の線４１０の左上の領域の値、又は線４０５の左上の領域の値でも含むことができる。例えば、向上した偏光度の値は以下のように表すことができる。
【数２】
式中、ｂは（線４０５に対応して）約１．５以下、又は（線４１０に対応して）約１以下でよい。
【００２２】
図５には、Ｂ４７４５、即ち、約λ＝２５０ｎｍで発光する、圧縮歪を有する活性領域を含むＬＥＤに関する、偏光分解エレクトロルミネッセンスの輝度が示されている。前述した図４の点線に沿った位置に示された偏光比の傾向に従う従来の発光素子とは異なり、４７４５の発光素子は、好ましいＴＥ偏光方向に強い相対的発光強度を示す。圧縮歪みのもとで成長したＢ４７４５の発光領域によりＴＥ偏光を向上させることができた。図４及び図５で見られる通り、発光領域内の強い圧縮歪みにより、バンド構造を変化させ、発光特性をＴＥ偏光状態に向けて推し進めることが可能である。
【００２３】
図６には、発光領域６００の層が示されている。この発光領域６００には、例えば、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、及び／又はＩｎＡｌＧａＮを含まれ得る。中央の量子井戸（ＱＷ）層６１０は、圧縮歪を有し得、向上したＴＥ偏光を支持する。この例では、発光領域６００は中央のＡｌｘＧａ１−ｘＮのＱＷ層６１０を含み、第１の障壁層６２０と第２の障壁層６３０との間に配置されている。図６では、第１の障壁層６２０は組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮを有し、第２の障壁層は組成ＡｌｚＧａ１−ｚＮを有する。いくつかの実施形態に関しては、ｙの値はｚの値と同じでよい。障壁層６２０、６３０内のＡｌ含有率により、正孔がＱＷ層６１０に閉じ込められ得る。下記に説明する通り、障壁層のＡｌ含有率、及び／又は、障壁層のＡｌ含有率と、ＱＷのＡｌ含有率と、の差によっても、ＰＤは左右される。発光領域６００のＱＷ６１０の歪みεは、以下のように表すことができる。
【数３】
但し、ａｒｅｌａｘｅｄは、最大に弛緩したＡｌｘＧａ１−ｘＮの面内格子定数であり、ａｓｔｒａｉｎｅｄは、実際に歪みを有するＱＷ６１０の面内格子定数である。但し、式２によれば、圧縮歪みは負量である。図４に関連して記載した通り、特定な値よりも小さな（より圧縮できる）活性領域の歪みにより、ＴＥの支配的発光（ＰＤ＞０）、及び／又は向上したＰＤの値＞０を提供することができるという結論が、これらの計算により裏付けられる。ＰＤを向上させることができる歪みは、発光波長に依存し、又、障壁層６２０、６３０内のＡｌ組成にも依存する。
【００２４】
図７の線は、ｙ＝０．６５、ｙ＝０．７、ｙ＝０．８、ｙ＝０．９、及びｙ＝１．０の５枚の障壁のＡｌ組成に関する特定な波長で、支配的ＴＥ偏光を実現するために使用することができる歪みに対応している。ＱＷ内の歪みεａが、この対応する線より下の場合、ｙで示された障壁のＡｌ組成に関してＴＥ偏光が可能である。ＴＥ偏光を支持する圧縮歪みは、２枚の障壁内のＡｌ組成に依存し、これらの障壁ｙは両方とも同じＡｌ組成を有する。表１には、障壁内の様々な量のＡｌ含有率ｙに対する、ＱＷ内の歪みεａがまとめられており、これらの歪みεａを発光波長λの関数として用いて、支配的ＴＥ偏光の発光を実現することができる。
【表１】
【００２５】
但し、本明細書に規定する通り、圧縮歪みは負の値で示されており、表１に示された値より小さい（より負の）歪みは、圧縮歪みのより大きな量に対応する。
【００２６】
この発光素子は、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、及び／又は、その他の材料等の様々な基板材を用いて形成することができる。図７及び表１は、一般に全ての基板に関する発光領域に適用することができ、そこでは構造緩和が発生し、必ずしも活性領域が、基板格子定数を有していない。この構造緩和は、発光層（ＡｌＧａＮ層）の成長中に、転移の導入により発生する可能性がある。
【００２７】
いくつかの実施形態では、ＡｌＮを発光素子の基板として使用し、その発光領域は、少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮ領域を含み、このＡｌｘＧａ１−ｘＮの領域は、２つのＡｌｙＧａ１−ｙＮの領域の間に配置され、そこでは１≧ｙ＞ｘである。これらの実施形態では、ＰＤを向上できる発光領域の圧縮歪みが、ＡｌＮ基板の格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮと、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのＱＷの格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄとの間の差の関数として表される。例えば、いくつかの実施形態では、歪みを有するバルクＡｌＮ＜０．０１のときにＰＤを向上させることができる。
【００２８】
図８の線は、ＱＷの格子定数と、基板、即ち、歪み有するバルクＡｌＮの格子定数との間の差ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮに対応し、この差により、ｙ＝０．７及びｙ＝１の２枚の障壁層Ａｌ組成に関して、特定な波長でＰＤを向上させることができる。ＰＤを向上させるための発光領域のＱＷ内の歪みは、障壁層のアルミニウム含有率ｙ、即ち、障壁内のＡｌモル分率ｙと、ＱＷのＡｌ含有率ｘとの間の差に依存し得る。図８から、ｙ＝１．０の場合、格子定数の差が、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２３０）＊０．００１２Åときに、ＰＤの向上、例えば、ＴＥの支配的偏光を実現できる。ｙ＝０．７の場合、格子定数の差がａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２４５）＊０．００１２のときに、ＰＤの向上した、例えば、ＴＥの支配的偏光を実現できる。
【００２９】
ＰＤを向上させるために使用することができる、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのＱＷ、及びＡｌＮバルク結晶の基板に関する、波長λの所与の値に対する障壁のＡｌ含有率ｙは、下記の式で表すことができる。
【数４】
疑似格子整合成長の場合は、（ａｓｔｒａｉｎｅｄ＝ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ）となる。この疑似格子整合の場合、少なくとも障壁内のＡｌ含有率ｙ＝０．７を、約２４５ｎｍの波長で向上したＰＤの光を発光するよう設計された発光素子に使用することができる。緩和が発生した場合、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ＞０となり、式３により、いくぶん多い障壁の組成を用いることができる。ｙ−ｘ＞０．０５の場合、いくつかの発光素子では向上したＰＤの発光が可能であるが、２４５ｎｍより短い波長λで、向上したＰＤの発光を行うよう設計された発光素子に関しては、障壁内のＡｌ含有量を増加させる方が都合よく、（Ａ）ｙ＞ｘ、及び（Ｂ）ｙ＞０．７＋０．０２＊（２４５−λ（ｎｍ））の両方の制限にも合う。但し、ｘが０．６５の場合、λ約２４５ｎｍとなり得、制限（Ｂ）がｙ＞０．７と規定される。ｘ＝０．６２５の場合、これらの制限は両方ともｙ＞０．６２５と規定される。ｘ＝０．６の場合、λは約２５２ｎｍとなり得、制限（Ａ）がｙ＞０．６と規定される。したがって、短い波長のＴＥ偏光は、障壁内のより多いＡｌ組成を用いることにより実現することができる。約λ＝２５２ｎｍとλ＝２４５ｎｍとの間のどこかのポイントで、障壁内のＡｌ組成の増加がより十分なＴＥ偏光に寄与する。
【００３０】
図９には、発光領域９０５を有する発光素子９００が示されている。この発光領域９０５は、圧縮歪を有する１枚以上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層９１０を含み、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層９１０は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁層９２０と、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁層９３０との間に配置されている。ヘテロ構造９４０、９５０が発光領域９１０の両側に配置され、発光領域９０５内のエピタキシャル成長層９１０、９２０、９３０の結晶品質を向上させている。第１のヘテロ構造９４０は、基板９６０を覆って形成され、転移領域９６５を含む。但し、図９では、発光領域９０５が単一の障壁層―ＱＷ―障壁層の構造を含む構成で図示されているが、発光領域は、障壁層―ＱＷ―障壁層の構造内に、複数のＱＷを含み、各ＱＷが障壁層の間に配置される構成でもよい。例えば、発光ダイオードは、２枚、３枚、４枚、又はそれより多くのＱＷを含むことができる。
【００３１】
図１０の図を参照すると、第１のヘテロ構造１０４０は、１枚以上の転移層１０４５を含むことができ、この転移層１０４５は発光領域１００５と基板１０６０との間に配置されている。上記で議論した通り、（例えば、図９の９５０により図示される）第２のヘテロ構造は、発光領域１００５を覆って成長する。第１のヘテロ構造１０４０の転移層は、発光素子１０００の結晶品質をさらに向上させる働きをする。例えば、この転移層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの短周期超格子層、又は１枚以上の傾斜ＡｌＧａＮ層でよく、この傾斜ＡｌＧａＮ層は基板から活性領域に向かうと、そのアルミニウム含有率が変動する。いくつかの実装では、傾斜ＡｌＧａＮ転移層１０４５は、基板と対向する第１の面１０４６、及び発光領域１００５と対向する第２の面１０４７で成長することができ、転移層の第１の面１０４６から転移層の第２の面１０４７に向かって、Ａｌ含有率が変動する（増加する、又は減少する）。随意的に、基層１０６５を基板１０６０と転移層１０４５との間に配置させることができる。この基層１０６５は、第１のヘテロ構造をその上に成長させるための雛形を提供することができる。この基層に関する好適な材料には、ＡｌｚｂａｓｅＧａ１−ｚｂａｓｅＮが含まれ、ｚｂａｓｅは、０と１の間の値である。
【００３２】
基層のＡｌ含有率が発光領域のＡｌ含有率よりも低い場合、この転移層内のＡｌ含有率は、基層から発光領域に向かって増加することができる。基層のＡｌ含有率が発光領域よりも高い場合、転移層内のＡｌ含有率は、この基層から発光領域に向かって減少することができる。
【００３３】
いくつかの構成では、基板１０６０、例えば、バルクＡｌＮ基板、が非常に光を吸収しやすいため、発光素子１０００の底部から効率良く光を抽出することができる。これらの構成では、選択層１０６１をＡｌＮ基板１０６０上で成長させることで、光の抽出を向上させることができる。例えば、この選択層１０６１は、バルクＡｌＮ基板１０６０上でホモエピタキシャル成長させた、比較的厚い疑似格子整合のＡｌＮ層でよい。ホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層１０６１は、発光素子１０００の所望の波長において非吸収性を有する。いくつかのケースでは、この選択層１０６１は、ＡｌＧａＮ層、又は、ＡｌＧａＩｎＮ層等のＡｌＧａＮを含むエピタキシャル成長層でよい。点線１０６２及び１０６３でそれぞれ示す通り、ほとんど又は全ての基板１０６０、又は全ての基板１０６０、及び選択層１０６１の一部をエッジング工程で除去することができる。エッチング工程の後、発光素子１０００に残る部分のホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層１０６１は、圧縮歪みを維持するのに十分な厚みｔを有し、この圧縮歪みにより発光領域１００５からの支配的なＴＥ偏光の発光が提供される。例えば、支配的なＴＥ偏光を発光する、ＡｌＮ基板が除去された発光素子に関する圧縮歪みは、以下の式を満たすことができる。ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２３０）＊０．００１２Å。エピタキシャル成長したＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮの選択層を用いるとき、バルクＡｌＮ基板が除去された後のウエハ屈曲を小さくするために、選択層１０６１を比較的薄くすることができ、Ｇａ及び／又はＩｎの量を比較的少なくすることができる。
【００３４】
図１１には、発光素子１１００の一例における種々の層、及びそれらの層の組成が示されている。この例では、この発光素子はバルク結晶のＡｌＮ基板１１６０を含む。転移領域１１６５がバルクＡｌＮ基板上でエピタキシャル成長し、２枚の３８ｎｍの厚みの短周期超格子（ＳＰＳＬ）セクション１１６６、１１６７を含む。第１のセクションは基板側に配置され、平均９０％のアルミニウムモル分率を有する。第２のセクションは、第１のセクションの上で成長し、平均８０％のアルミニウム含有率を有する。第２のセクション内の超格子は、第１のセクションより少ないｌＮ成分を含んで、より低い平均のアルミニウム合金組成を生み出す。この転移層１１６５は、発光素子のＡｌ含有率を（比較的高いＡｌ含有率の）ＡｌＮ基板１１６０から、（低いＡｌ含有率の）発光領域１１１０へ移して、ＡｌＧａＮの発光領域の疑似格子整合成長を最小にする働きをする。したがって、発光領域１１１０は、ＡｌＮ基板１１６０の格子の構造に向かって圧縮歪みを受ける。この例では、転移層１１６５は、ＡｌＮ基板１１６０から発光領域１１１０に向かってＡｌ含有率を減少させる。
【００３５】
１９００ｎｍのＡｌ０．７０Ｇａ０．３０Ｎシリコンドープｎ型接触層１１７０が、転移層１１６５の上に配置され、その上に６５０ｎｍのＡｌ０．７０Ｇａ０．３０Ｎシリコンドープ超格子を含むｎ型傾斜層１１７１が配置される。発光領域１１１０及び電子ブロック層（ＥＢＬ）１１５０は、ｎ側の分離封じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）１１７２と、ｐ側の電流拡散層１１５５との間に配置される。図１１の例では、ｎ側のＳＣＨ１１７２は、３０ｎｍのＡｌ０．６８Ｇａ０．３２Ｎ層を含み、ｐ側の電流拡散層１１５５は、６５ｎｍのＭｇドープＡｌ０．３３Ｇａ０．６７Ｎ層を含む。この例では、ＥＢＬ１１５０は２０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．８３Ｇａ０．１７層である。発光層１１１０は、３枚のＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸層を含み、これらの量子井戸層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁と交互に配置されている。ＱＷのＡｌ含有率ｘは、λ＝２５３ｎｍの中心波長を実現するのに十分な量である。上記に議論した通り、発光領域１１１０からのＴＥ偏光が支配的となるように、障壁のＡｌ含有率ｙを選択してＱＷに圧力歪みを与える。この発光素子１１００は、ｐ型傾斜／電流拡散層１１５６を含み、この層は、平均組成Ａｌ０．３３Ｇａ０．６７Ｎを有する１５０ｎｍのＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮのＭｇドープ超格子を含み、電流拡散層１１５５の上に配置されている。２０ｎｍのｐ型接触層１１８０は、ＭｇドープのＧａＮを含み、電流拡散層１１５６の上に配置されている。
【００３６】
上記に議論した通り、これらの転移層を発光素子の構造に含んで、この発光素子の結晶品質を向上させる。図１２及び図１３には、表面原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がスキャンした、転移層を含まない（図１２）ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造と、転移層を含む（図１３）ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造と、が示されている。図１２に示されている、転移層を含まない構造は、図１３に示されている転移層の構造と比較して粗く、ぼんやりとした光を発光し、より多くの六角形の窪みを有する。転移層を使用することにより、（ｎ型接触層に至るまでの）素子構造の成長において、約１５ｎｍより小さい表面の粗さ、又は約１０ｎｍより小さい表面の粗さ、さらに約５ｎｍより小さい表面の粗さを実現することができる。
【００３７】
図１５には、図１４に示されている構造１４００のＸ線逆空間マップが示されている。図１４には、バルク結晶のＡｌＮ基板１４６０を覆って成長したＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層１４７０が示されている。２枚の３８ｎｍの厚みの転移層１４６５、１４６６が、短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含み、ＡｌＮ基板１４６０と、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層１４７０との間に配置されている。基板側に配置された第１のＳＰＳＬ１４６５は、９０％の平均アルミニウムモル分率を有する。第２のＳＰＳＬ１４６６は、第１のＳＰＳＬ１４６５の上に成長し、８０％の平均アルミニウム含有率を有する。
【００３８】
図１５は、構造１４００のＸ線回折解析により得られた逆空間マップである。転移層及びＡｌＧａＮ層に関するピークは、全て線基板のＱｘ値と同じ値に沿って一列に並び、これらの層の格子整合が類似していることを示している。この特性により、ＴＥの支配的ＬＥＤ発光を生み出す圧縮歪みの量を導く疑似格子整合成長が明示される。例えば、いくつかのケースでは、ＡｌＮ基板及び発光領域の逆格子値の変動が約１．５％より小さいときに、ＴＥ偏光が支配的となる。
【００３９】
図１１に概略的に示されている、図５に示されたフォトルミネッセンスプロットを有する、λ＝２５０ｎｍの発光ダイオードに加えて、λ＝２７９ｎｍ、及びλ＝２９０ｎｍで動作する活性層を含む付加的な発光素子も設計、成長、製造され、評価されている。λ＝２５０ｎｍでの実演と同様に、これらの長い波長の発光素子も強い圧縮歪みのもと、ＡｌＮ基板上で成長したものである。しかし、これらの発光素子は異なる転移層を含み、それらの転移層は、図１１に示す超格子転移層の代わりに、モノシリックに１００％から７０％に減少するアルミニウム組成を有する傾斜ＡｌＧａＮ層を含む。これらのより長い波長の発光素子から発光されるフォトルミネッセンスのデータでは、所望のＴＥが支配的な発光が示されている。これらの発光素子から作られた光ポンプレーザは、レーザ動作の閾値の上と下の両方で、ＴＥが支配的な偏光を発光する。図１６には、λ＝２７９ｎｍのレーザの偏光分解スペクトルが示され、図１７には、λ＝２９０ｎｍのレーザの偏光分解スペクトルが示されている。
【００４０】
発光素子の発光領域内に圧縮歪みを生み出して、ＴＥ偏光を向上させることができる。さらに、発光領域の量子井戸の厚み、障壁の厚み、及び障壁の組成も、バンド構造及びエネルギー転移の性質に影響を与える。井戸幅、障壁幅、及び障壁の組成を制御して、偏光比を調整することもできる。圧縮歪みのもとで発光領域を成長させることにより、及び／又は障壁のＡｌ含有率を調整することにより、ＰＤを向上させた発光を示したＵＶ発光構造を得てきた。超格子、及び／又は、ヘテロ構造と基板との間に配置される傾斜転移層を用いることにより、歪みが大きいにも関わらず、結晶品質を維持することができる。
【００４１】
図１８は、偏光度ＰＤを向上させる光を発光することができる発光素子を形成する方法の流れ図である。基板１８１０上に第１のヘテロ構造を成長させる。第１のヘテロ構造を覆って、発光領域１８４５を成長させる。この発光領域を発光領域内の圧縮歪みが、以下の不等式を満たすように成長させる。ｙ≦１に対してεａ＜−０．００６１５＋０．０００２３＊（λ（ｎｍ）−２３０ｎｍ）。第２のヘテロ構造を、発光領域を覆って成長させる。
【実施例】
【００４２】
図１８には、本明細書で議論した、例示の発光ダイオード１８００の層１８０５〜１８６５が示されており、この発光ダイオードは、ＰＤ向上させた、中心波長λ＝２９１ｎｍの光を発光する。この発光素子１８００は、バルク結晶のＡｌＮ基板１８０５上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）で層１８１０〜１８６５を成長させることにより製造された。ＭＯＣＶＤで成長したアンドープＡｌＮを含む５４ｎｍの開始層、即ち、基層１８１０は、バルクＡｌＮ基板１８０５の上で成長した。欠陥低減層／転移層（ＤＲＬ１及びＤＲＬ２）は、平均組成Ａｌ０．８９Ｇａ０．１１Ｎ、及び厚み１４４ｎｍを有する６０組のＡｌＮ／ＧａＮの超格子層１８１５と、平均組成Ａｌ０．７８Ｇａ０．２２Ｎ、及び厚み２７１ｎｍを有する１０１組のＡｌＮ／ＧａＮの超格子層１８２０とを含む。図１８に示す通り、Ａｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎの組成率を有する３１５ｎｍのｎ型接触基層１８２５、及びＡｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎの組成率を有する４８４ｎｍのＳｉドープｎ型接触層１８３０が転移層を覆って成長している。次にその上には、全厚み５０４ｎｍ、及び平均組成Ａｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎを有する７８組のＳｉドープＡｌＧａＮの超格子を含むｎ型傾斜層１８３５が成長している。このｎ型傾斜超格子を覆って、Ａｌ０．５９Ｇａ０．４１Ｎの組成を有する３３ｎｍのＳｉドープｎ型導波層１８４０が成長している。発光領域１８４５は、３枚の３．８ｎｍのＱＷを含み、これらのＱＷは、Ａｌ０．４４Ｇａ０．５６Ｎの組成の層を含み、Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ｎの組成を有する５．３ｎｍの障壁層の間に配置されている。この発光素子のｐ側には、Ａｌ０．５９Ｇａ０．４１Ｎの組成を有する５．９ｎｍのｐ型導波層１８５０、及び３６７ｎｍのｐ型傾斜層１８５５が含まれている。この型傾斜層１８５５は、平均組成Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎを有する２００組のＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子を含む。層１８６０内のＡｌ含有率は、モル分率が０．６５から０に傾斜している。その上の層１８６５はｐ型接触層である。下記の表２は、層１８１０〜１８６５を成長させるために用いたパラメータの一覧を示す。表２では、次の略記が使用されている。ＤＲＬ＝欠落低減層、ＢＡ＝障壁、ＱＷ＝量子井戸、ＴＭ＝トリメチルガリウム、ＴＥ＝トリエチルガリウム、ＴＭ＝トリメチルアルミニウム、ＣＰ２Ｍｇ＝ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム、ｓｃｃｍ＝立方センチメートル毎分。
【表２】
【００４３】
本明細書で示した例の中で説明した発光素子は、圧縮歪を有するＩＩＩ族窒化物材料系に基づく。図１９には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのＡｌ含有率と、発光波長との間の関係が示されている。図１９に示された関係を用いて、例えば、本明細書に示した波長範囲を、これらの波長範囲に対応する、発光領域内のＡｌ含有率の単位として見ることができることは言うまでもない。例えば、２００ｎｍから４００ｎｍまでの間の波長範囲は、一般に、約０から１の間のＡｌモル分率の範囲に対応し、２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長範囲は、一般に、約０．３２から１までの間のＡｌモル分率の範囲に対応する。但し、ｘの値が減少すると、ＡｌｘＧａ１−ｘＮをＡｌＮ上で疑似格子整合成長させることがより難しくなる恐れがある。しかし、本明細書に記載した通り、低いｘ値を示すＡｌＧａＮは、弛緩している可能性があるが（したがって、もはやＡｌＮ対して疑似格子整合ではない）、それでもなお圧縮歪を有し、偏光度を向上させた光を発光する。いくつかの実施形態による発光素子を、圧縮歪み、及び活性領域のＡｌ含有量率の観点から供述することが可能である。例えば、本明細書の方法による発光素子は、少なくとも１枚のＡｌｘＧａ１−ｘＮの圧縮歪層を含むことができ、０．５＜ｘ＜０．８で、圧縮歪層内の圧縮歪みεαは、不等式εα＜−０．００６１５を満たす。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、向上した光抽出を有する紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の発光領域で発生する光は、発光素子から光が伝播する方向が左右される偏光特性を有してもよい。図１に示す通り、発光素子１０１の発光面１０５と直交する軸に沿って、又は発光面１０５と直交する軸に対して、放射光の脱出錐体１０２の内側に傾斜して伝播する光は、発光素子１０１の発光面１０５から放出される。発光素子１０１の発光面１０５と並行に、又は、脱出錐体１０２の外側へ傾斜して、伝播する光は、ほとんど失われて発光素子１０１内に吸収されてしまう可能性があり、この発光素子１０１から出力される光が全て供給されるわけではない。
【０００３】
さらに図１で示す通り、発光素子１０１は、（一般にウエハ面と直交する電界を有する）ＴＭ偏光と、及びＴＥ偏光（一般に発光素子のウエハ面と直交する電界）とを発生させることができる。ＴＭ偏光は、一般にウエハ面と並行の、即ち、発光素子１０１の発光面１０５に並行の方向に伝播する。ＴＥ偏光は、一般にウエハ面と直交する、即ち、直交する発光素子１０１の発光面１０５と直交する方向に伝播する。したがって、図１の例では、ＴＥ偏光はこの発光素子から容易に放出されることができ、一方、ＴＭ偏光は、その大部分が発光素子層内に閉じ込められ、吸収されてしまう。
【０００４】
紫外線発光ダイオード（ＵＶＬＥＤ）等の紫外線発光素子は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ及び／又はＩｎＡｌＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物材料系を用いて製造されてきた。ＩＩＩ族窒化物材料を使用する発光素子の場合、Ａｌ含有率（Ａｌモル分率）を増加させながら、発光する光の波長は短くなり、ＴＭ偏光の発生量は増加する。したがって、ＵＶＬＥＤでは、発光領域内のＡｌ含有率が増加すると、発光領域により発光されるＴＭ偏光の割合も増加し、これにより、ＴＥ偏光の発光が犠牲となってしまう。したがって、発光素子の波長が短くなると、ＵＶＬＥＤの発光効率は、光の抽出効率により制限され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
偏光度ＰＤを向上させる発光素子、及びそのような発光素子の製造方法を説明する。いくつかの実施形態では、窒化物半導体発光素子は発光領域を含み、中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成されており、これらの中心波長λ、及び偏光度ＰＤは、２００ｎｍ≦λ≦４００ｎｍ、ｂ≦１．５に対してＰＤ＞０．００６λ−ｂの条件を満たす。いくつかのケースでは、ｂは１とほぼ同じである。例えば、この発光領域はＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、バルク結晶のＡｌＮ基板上で成長する発光領域を有する発光素子が含まれ、ＡｌＮ基板及び発光領域の逆格子値は、約１．５％より少ない。
【０００７】
いくつかの実施形態では、２００ｎｍ≦λ＜３００ｎｍに対してＰＤ＞０の条件を満たす中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成された発光領域を含む発光素子が含まれる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、発光素子を製造する方法が含まれる。例えば、この方法は、第１のヘテロ構造及び第２のヘテロ構造を成長させるステップが含むことができる。第１のヘテロ構造と第２のヘテロ構造との間に発光領域を配置できるように、第１のヘテロ構造の上でＩＩＩ族窒化物発光領域を成長させる。この発光領域は、少なくとも１枚の圧縮歪層を含み、この圧縮歪層内の圧縮歪みεαは、不等式εα＜−０．００６１５＋０．０００２３＊（λ（ｎｍ）−２３０ｎｍ）を満たす。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光を示す説明図である。
【図２】図２は、量子井戸アルミニウムのモル分率の関数として計算する、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ内の価電子帯の相対エネルギーを示すグラフである。
【図３】図３は、量子井戸アルミニウムのモル分率の関数として計算する、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ内の価電子帯の相対エネルギーを示すグラフである。
【図４】図４は、本明細書で議論する実施形態による、圧縮歪を有する発光領域を含む発光素子も含めた、ＩＩＩ族窒化物合金の発光領域を含む種々の発光素子の偏光度を示すグラフである。
【図５】図５は、本明細書で議論する実施形態による、圧縮歪を有する発光領域を含む発光素子に関するフォトルミネッセンスのプロットを示すグラフである。
【図６】図６は、本明細書で議論する実施形態による、２枚の障壁層の間に配置された発光層を示す説明図である。
【図７】図７は、本明細書で議論する実施形態による、５枚の障壁層のＡｌ組成に関して、特定の波長での支配的ＴＥ偏光実現するために使用することができる圧縮歪みを示すグラフである。
【図８】図８は、本明細書で議論する実施形態による、量子井戸の格子定数と、基板の格子定数と、の間の差ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ、を示すグラフであり、この歪みを有するバルクＡｌＮの格子定数により、２枚の障壁層のＡｌ組成に関して、偏光度を向上させることができる。
【図９】図９は、本明細書の実施形態による、ＡｌｙＧａ１−ｙＮの障壁層の間に配置された、１枚以上の圧縮歪を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と、発光領域の両側に配置されたヘテロ構造と、を含んで、この発光領域のエピタキシャル成長層の結晶品質を向上させる発光領域を有する発光素子を示す説明図である。
【図１０】図１０は、本明細書で議論する実施形態による、転移層を有する第１のヘテロ構造を含む発光素子の説明図である。
【図１１】図１１は、本明細書で記載する実施形態による、発光素子の例の種々の層及びそれらの層の組成を示す説明図である。
【図１２】図１２は、転移層を含まない、ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造を表面原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によりスキャンした様子を示す説明図である。
【図１３】図１３は、転移層を含む、ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造を表面原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によりスキャンした様子を示す説明図である。
【図１４】図１４は、いくつかの実施形態による、３８ｎｍの転移層を２枚含むバルク結晶のＡｌＮ基板の上で成長したＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの層の説明図であり、この転移層は、短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含み、ＡｌＮ基板と、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの層との間に配置されている様子を示す。
【図１５】図１５は、図１４に示す構造のＸ線逆空間マップを示す説明図である。
【図１６】図１６は、本明細書に記載した実施形態による、偏光度が向上したことを示す、λ＝２７９ｎｍの偏光分解スペクトルのレーザを示すグラフである。
【図１７】図１７は、本明細書に記載した実施形態による、偏光度が向上したことを示すλ＝２９０ｎｍの偏光分解スペクトルのレーザを示すグラフである。
【図１８】図１８は、本明細書で議論する実施形態による、ＰＤを向上させるλ＝２９１ｎｍの光を発光する発光ダイオードの層を示す説明図である。
【図１９】図１９は、Ａｌ含有率と波長ＡｌｘＧａ１−ｘＮとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
いくつかの発光素子構成では、ＴＥ偏光は、一般に発光素子の発光面と直交する軸に沿って伝播され、ＴＭ偏光は、一般に発光素子の発光面と並行の軸に沿って伝播される。したがって、好ましい（ＴＥ）偏光、即ちＰＤ（本明細書では偏光度と呼ぶ）を有する発光素子の発光領域により発生する光の相対量は、下記の式により表すことができる。
【数１】
式中、ＩＴＥ及びＩＴＭはそれぞれ面内で発光されるＴＥ偏光及びＴＭ偏光のエレクトロルミネッセンス光の輝度を表す。上記で議論した通り、発光素子により発生するＴＥ光の量を改善して、発光素子の光抽出効率全体を改善することが望まれる。
【００１１】
ＩＩＩ族窒化物材料は異方性であり、結晶軸の方向に沿い、そして直交する。この異方性は、価電子帯の分離につながる。例えば、ＩＩＩ族窒化物の合金内の価電子帯の分離により、発光される光に偏光度が生じ、この偏光度は合金のＡｌ組成と共に変動する。短い波長（約３００ｎｍより短い）の発光素子内で用いられる比較的高いＡｌ密度では、ＴＭ偏光が支配することができる。しかし、価電子帯エネルギーは格子の歪みの影響も受け、これにより偏光度も左右される。圧縮歪みはＴＥ偏光の生成の増加に関与し、一方で、引張歪みはＴＭ偏光の生成の増加に関与する。したがって、圧縮歪を有するＩＩＩ族窒化物の発光領域を含む発光素子を成長させることにより、ＴＥ偏光の相対量は増加する。
【００１２】
本明細書では、発光素子の発光面と直交する方向に沿って伝播される光の増加を実現するための、（０００１）のＣ面の結晶方位、及び偏光度ＰＤを向上させるエピタキシャル成長層に基づいて、様々な実施例を提供する。しかし、本明細書で議論する、ＴＥ偏光の発光を向上させるための一般的な概念を、別の結晶方位で成長した層を有する発光素子に適用することは可能である。
【００１３】
偏光度ＰＤを向上させる発光素子の構造を、これらの発光素子構造を製造する方法と併せて議論する。いくつかの実施形態では、発光素子の発光領域は圧縮歪みのもとで成長する。この圧縮歪みにより、発光層の半導体のバンド構造が変化し、偏光度の向上を示す発光素子が作られる。それに代わり、又はそれに加え、発光領域の障壁層のＡｌ含有率を選択して、ＴＥ偏光の生成を増加させることができる。
【００１４】
本明細書で議論する、発光領域の構成に加えて、いくつかの発光素子が発光領域の１方又は両側にヘテロ構造を含む。これらのヘテロ構造は、欠陥、亀裂、及び表面の粗さ等を抑えることで、高品質な結晶層の成長を促進し、素子性能に寄与し、これらの結晶層の中には障壁層及び量子井戸（ＱＷ）が含まれる。１つ以上のヘテロ構造は、転移層を含むことができ、この転移層により、発光素子の層が、基板の格子構造から発光領域の格子構造へと徐々に転移する。結晶品質と発光素子全体の信頼性は、これらの転移層により左右される。種々の実施形態では、本明細書で議論する発光領域を、単独で、又はヘテロ構造及び／又は転移層と組み合わせて用いることができるが、これに関しては後程、詳しく議論する。種々の実施形態では、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ及び／又はその他の基板材料を含んだ基板の上で、ヘテロ構造、及び発光領域を成長させることができる。
【００１５】
図２及び図３には、量子井戸アルミニウムのモル分率の関数として計算する、ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおける価電子帯の相対エネルギーが示されている。この価電子帯エネルギーは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの発光材料内の歪みに依存する。この歪みは、様々な基板上での発光領域の疑似格子整合成長により調整することができる。図２には、バルク結晶のＡｌＮ基板上で成長し、歪みを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮの材料の価電子帯と、ＡｌＮの格子定数との関係が示されている。図３には、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの上で成長し、歪みを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮの材料の価電子帯と、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの格子定数との関係が示されている。理論上は、ＴＭ偏光は、最も高い価電子帯が「ｐｚ」特性有するときに発生し、ＴＥ偏光は、最も高い価電子帯が「ｐｘ、ｐｙ」特性を有するときに発生する。図２では、この特具体的な計算が、組成が交差するのはＡｌが約６０％のときであることがことを示している。Ａｌ組成が６０％より大きくなると、ＴＭ偏光の発光が支配的となる。図３では、Ａｌが約４３％で、組成が交差することが、この計算により示されている。Ａｌの組成が約４３％より大きくなると、ＴＭ偏光の発光が支配的となる。一般的な傾向では、発光材料内の圧縮歪みが増加すると、組成の交差位置なＡｌのより高い組成へ変動する。図２及び図３で示した計算では、有限幅を有する量子井戸内に正孔が閉じ込められ、自然発生する圧電性の偏光から生じる電界がこれらの量子井戸内に存在することが考慮に入れられていない。したがって、これらの図は、一般的な傾向を説明することをその目的としており、様々な発光素子構造に関する実際の交差波長は、これらの図で示したものと異なる可能性があり、これらの図では必ずしも提供されない。具体的な交差位置とは関係なく、図２及び図３では、ＡｌＮ上でＡｌＧａＮの疑似格子整合成長させることで、発光格子内により多くの圧縮歪みを発生させ、これにより、比較的短い波長でより多くのＴＥ偏光が実現できることが、比較的少ない圧縮歪有する発光領域を作り出すＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの上の成長で実現可能であることが示されている。
【００１６】
実際の交差波長を決定するために、ＡｌｙＧａ１−ｙＮの障壁領域に囲まれたＡｌｘＧａ１−ｘＮの量子井戸内の正孔状態エネルギーの計算が行われた。これらの計算では、井戸幅及びその井戸内の電界が考慮される。量子井戸及び障壁領域は、両方とも同じ面内格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄを有し、その面内格子定数はバルクＡｌＮの面内格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ以上でよい。障壁材料のＡｌ組成ｙの値はｘの値より大きいために、量子井戸内に正孔が閉じ込める。このように実行された計算により、ｙの値の増加によりＴＥ偏光が促進されることが示されている。正孔状態の相対エネルギーは、ｙとｘの値に依存する。障壁の組成率ｙの値により、ｘの値が増加し、そのために偏光がＴＥからＴＭへ移動する。したがって、発光領域内の圧縮歪みに加え、障壁内のＡｌ組成も偏光を作用する要因である。
【００１７】
図４には、λ＝２５０ｎｍからλ＝３９０ｎｍまでの範囲の中心波長を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）から得られる（上記の式１で記載した）偏光度ＰＤの測定結果が示されている。この中心波長λは、最も高い輝度の発光素子から発光される波長である。時として、より簡単に本明細書では、発光素子の中心波長を、より簡単に発光波長、又は発光素子の波長と呼ぶ。偏光度は、ウエハ面で発光される光を測定して判定される。面内で発光される光は、レンズを用いて集められ、アイリス絞りを通過後、グランテイラープリズム及び光ファイバ分光計により分析されている。その光は、第２のレンズを用いて光ファイバ分光計の上に集められている。光の偏光の測定のための実験準備は、Ｔ．Ｋｏｌｂｅ、Ａ．Ｋｎａｕｅｒ、Ｃ．Ｃｈｕａ、Ｚ．Ｙａｎｇ、ＳＥｉｎｆｅｌｄｔ、ＰＶｏｇｔ、Ｎ．Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｍ．Ｗｅｙｅｒｓ、及びＭ．Ｋｎｅｉｓｓｌ、によりＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔの９７，１７１１０５号（２０１０年）の中でより詳細に議論されており、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００１８】
ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、及びＡｌＧａＮまでの種々のＩＩＩ族窒化物発光領域の合金は、波長範囲λ＝２５０ｎｍからλ＝４００ｎｍまでの光を発光し、図４にはその偏光度が示されている。統合された面内で発光されるＴＥ偏光及びＴＭ偏光のエレクトロルミネッセンス光の輝度は、それぞれＩＴＥ及びＩＴＭで表されている。予想通り、ＴＭ偏光成分は、より短い波長で徐々に支配的となる。点線は目で見るためのガイドであり、実線は偏光度０の位置を表し、そこではＴＥ偏光及びＴＭ偏光が同じ輝度で発光される。点線に沿って示されたデータは、交差波長が約λ＝２９５ｎｍで、それより波長が短いと、偏光はほとんどＴＭとなることが示されている。
【００１９】
本明細書で記載されるいくつかの発光素子は、偏光度ＰＤを向上させるが、それらの発光素子は圧縮歪を有し、及び／又は、選択された障壁領域内のＡｌ含有率を有する発光領域を含む。発光領域内の結晶格子の圧縮歪み、及び／又は、障壁のＡｌ含有率は、ＵＶ発光素子内のＡｌ含有率の増加と相まって、偏光がＴＭ偏光へ変動を妨げる働きをする。本開示で議論する技術により製造された発光ダイオードを、図４のＢ４７４５で標示されたデータで示す。
【００２０】
本発明の実施形態は、偏光度ＰＤを向上させた光を発光する発光領域を有する発光素子に関する。図４から分かるように、向上したＰＤは、２００ｎｍ≦λ＜３００ｎｍでは、０より大きい値をとることができる、又は約０から約０．８までの範囲の値をとることができる。３００≦λ＜３５０の範囲の波長の光を発光する発光素子では、向上したＰＤは、約０．５より大きい値をとることができる、又は約０．５から約０．８の間の範囲の値をとることができる。３５０≦λ＜４００の範囲の波長の光を発光する発光素子にでは、向上したＰＤは、約０．７より大きい値をとることができる、又は約０．７から約０．８の範囲の値をとることができる。
【００２１】
向上した偏光度ＰＤの値は、図４の線４１０の左上の領域の値、又は線４０５の左上の領域の値でも含むことができる。例えば、向上した偏光度の値は以下のように表すことができる。
【数２】
式中、ｂは（線４０５に対応して）約１．５以下、又は（線４１０に対応して）約１以下でよい。
【００２２】
図５には、Ｂ４７４５、即ち、約λ＝２５０ｎｍで発光する、圧縮歪を有する活性領域を含むＬＥＤに関する、偏光分解エレクトロルミネッセンスの輝度が示されている。前述した図４の点線に沿った位置に示された偏光比の傾向に従う従来の発光素子とは異なり、４７４５の発光素子は、好ましいＴＥ偏光方向に強い相対的発光強度を示す。圧縮歪みのもとで成長したＢ４７４５の発光領域によりＴＥ偏光を向上させることができた。図４及び図５で見られる通り、発光領域内の強い圧縮歪みにより、バンド構造を変化させ、発光特性をＴＥ偏光状態に向けて推し進めることが可能である。
【００２３】
図６には、発光領域６００の層が示されている。この発光領域６００には、例えば、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、及び／又はＩｎＡｌＧａＮを含まれ得る。中央の量子井戸（ＱＷ）層６１０は、圧縮歪を有し得、向上したＴＥ偏光を支持する。この例では、発光領域６００は中央のＡｌｘＧａ１−ｘＮのＱＷ層６１０を含み、第１の障壁層６２０と第２の障壁層６３０との間に配置されている。図６では、第１の障壁層６２０は組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮを有し、第２の障壁層は組成ＡｌｚＧａ１−ｚＮを有する。いくつかの実施形態に関しては、ｙの値はｚの値と同じでよい。障壁層６２０、６３０内のＡｌ含有率により、正孔がＱＷ層６１０に閉じ込められ得る。下記に説明する通り、障壁層のＡｌ含有率、及び／又は、障壁層のＡｌ含有率と、ＱＷのＡｌ含有率と、の差によっても、ＰＤは左右される。発光領域６００のＱＷ６１０の歪みεは、以下のように表すことができる。
【数３】
但し、ａｒｅｌａｘｅｄは、最大に弛緩したＡｌｘＧａ１−ｘＮの面内格子定数であり、ａｓｔｒａｉｎｅｄは、実際に歪みを有するＱＷ６１０の面内格子定数である。但し、式２によれば、圧縮歪みは負量である。図４に関連して記載した通り、特定な値よりも小さな（より圧縮できる）活性領域の歪みにより、ＴＥの支配的発光（ＰＤ＞０）、及び／又は向上したＰＤの値＞０を提供することができるという結論が、これらの計算により裏付けられる。ＰＤを向上させることができる歪みは、発光波長に依存し、又、障壁層６２０、６３０内のＡｌ組成にも依存する。
【００２４】
図７の線は、ｙ＝０．６５、ｙ＝０．７、ｙ＝０．８、ｙ＝０．９、及びｙ＝１．０の５枚の障壁のＡｌ組成に関する特定な波長で、支配的ＴＥ偏光を実現するために使用することができる歪みに対応している。ＱＷ内の歪みεａが、この対応する線より下の場合、ｙで示された障壁のＡｌ組成に関してＴＥ偏光が可能である。ＴＥ偏光を支持する圧縮歪みは、２枚の障壁内のＡｌ組成に依存し、これらの障壁ｙは両方とも同じＡｌ組成を有する。表１には、障壁内の様々な量のＡｌ含有率ｙに対する、ＱＷ内の歪みεａがまとめられており、これらの歪みεａを発光波長λの関数として用いて、支配的ＴＥ偏光の発光を実現することができる。
【表１】
【００２５】
但し、本明細書に規定する通り、圧縮歪みは負の値で示されており、表１に示された値より小さい（より負の）歪みは、圧縮歪みのより大きな量に対応する。
【００２６】
この発光素子は、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、及び／又は、その他の材料等の様々な基板材を用いて形成することができる。図７及び表１は、一般に全ての基板に関する発光領域に適用することができ、そこでは構造緩和が発生し、必ずしも活性領域が、基板格子定数を有していない。この構造緩和は、発光層（ＡｌＧａＮ層）の成長中に、転移の導入により発生する可能性がある。
【００２７】
いくつかの実施形態では、ＡｌＮを発光素子の基板として使用し、その発光領域は、少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮ領域を含み、このＡｌｘＧａ１−ｘＮの領域は、２つのＡｌｙＧａ１−ｙＮの領域の間に配置され、そこでは１≧ｙ＞ｘである。これらの実施形態では、ＰＤを向上できる発光領域の圧縮歪みが、ＡｌＮ基板の格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮと、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのＱＷの格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄとの間の差の関数として表される。例えば、いくつかの実施形態では、歪みを有するバルクＡｌＮ＜０．０１のときにＰＤを向上させることができる。
【００２８】
図８の線は、ＱＷの格子定数と、基板、即ち、歪み有するバルクＡｌＮの格子定数との間の差ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮに対応し、この差により、ｙ＝０．７及びｙ＝１の２枚の障壁層Ａｌ組成に関して、特定な波長でＰＤを向上させることができる。ＰＤを向上させるための発光領域のＱＷ内の歪みは、障壁層のアルミニウム含有率ｙ、即ち、障壁内のＡｌモル分率ｙと、ＱＷのＡｌ含有率ｘとの間の差に依存し得る。図８から、ｙ＝１．０の場合、格子定数の差が、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２３０）＊０．００１２Åときに、ＰＤの向上、例えば、ＴＥの支配的偏光を実現できる。ｙ＝０．７の場合、格子定数の差がａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２４５）＊０．００１２のときに、ＰＤの向上した、例えば、ＴＥの支配的偏光を実現できる。
【００２９】
ＰＤを向上させるために使用することができる、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのＱＷ、及びＡｌＮバルク結晶の基板に関する、波長λの所与の値に対する障壁のＡｌ含有率ｙは、下記の式で表すことができる。
【数４】
疑似格子整合成長の場合は、（ａｓｔｒａｉｎｅｄ＝ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ）となる。この疑似格子整合の場合、少なくとも障壁内のＡｌ含有率ｙ＝０．７を、約２４５ｎｍの波長で向上したＰＤの光を発光するよう設計された発光素子に使用することができる。緩和が発生した場合、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ＞０となり、式３により、いくぶん多い障壁の組成を用いることができる。ｙ−ｘ＞０．０５の場合、いくつかの発光素子では向上したＰＤの発光が可能であるが、２４５ｎｍより短い波長λで、向上したＰＤの発光を行うよう設計された発光素子に関しては、障壁内のＡｌ含有量を増加させる方が都合よく、（Ａ）ｙ＞ｘ、及び（Ｂ）ｙ＞０．７＋０．０２＊（２４５−λ（ｎｍ））の両方の制限にも合う。但し、ｘが０．６５の場合、λ約２４５ｎｍとなり得、制限（Ｂ）がｙ＞０．７と規定される。ｘ＝０．６２５の場合、これらの制限は両方ともｙ＞０．６２５と規定される。ｘ＝０．６の場合、λは約２５２ｎｍとなり得、制限（Ａ）がｙ＞０．６と規定される。したがって、短い波長のＴＥ偏光は、障壁内のより多いＡｌ組成を用いることにより実現することができる。約λ＝２５２ｎｍとλ＝２４５ｎｍとの間のどこかのポイントで、障壁内のＡｌ組成の増加がより十分なＴＥ偏光に寄与する。
【００３０】
図９には、発光領域９０５を有する発光素子９００が示されている。この発光領域９０５は、圧縮歪を有する１枚以上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層９１０を含み、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層９１０は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁層９２０と、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁層９３０との間に配置されている。ヘテロ構造９４０、９５０が発光領域９１０の両側に配置され、発光領域９０５内のエピタキシャル成長層９１０、９２０、９３０の結晶品質を向上させている。第１のヘテロ構造９４０は、基板９６０を覆って形成され、転移領域９６５を含む。但し、図９では、発光領域９０５が単一の障壁層―ＱＷ―障壁層の構造を含む構成で図示されているが、発光領域は、障壁層―ＱＷ―障壁層の構造内に、複数のＱＷを含み、各ＱＷが障壁層の間に配置される構成でもよい。例えば、発光ダイオードは、２枚、３枚、４枚、又はそれより多くのＱＷを含むことができる。
【００３１】
図１０の図を参照すると、第１のヘテロ構造１０４０は、１枚以上の転移層１０４５を含むことができ、この転移層１０４５は発光領域１００５と基板１０６０との間に配置されている。上記で議論した通り、（例えば、図９の９５０により図示される）第２のヘテロ構造は、発光領域１００５を覆って成長する。第１のヘテロ構造１０４０の転移層は、発光素子１０００の結晶品質をさらに向上させる働きをする。例えば、この転移層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの短周期超格子層、又は１枚以上の傾斜ＡｌＧａＮ層でよく、この傾斜ＡｌＧａＮ層は基板から活性領域に向かうと、そのアルミニウム含有率が変動する。いくつかの実装では、傾斜ＡｌＧａＮ転移層１０４５は、基板と対向する第１の面１０４６、及び発光領域１００５と対向する第２の面１０４７で成長することができ、転移層の第１の面１０４６から転移層の第２の面１０４７に向かって、Ａｌ含有率が変動する（増加する、又は減少する）。随意的に、基層１０６５を基板１０６０と転移層１０４５との間に配置させることができる。この基層１０６５は、第１のヘテロ構造をその上に成長させるための雛形を提供することができる。この基層に関する好適な材料には、ＡｌｚｂａｓｅＧａ１−ｚｂａｓｅＮが含まれ、ｚｂａｓｅは、０と１の間の値である。
【００３２】
基層のＡｌ含有率が発光領域のＡｌ含有率よりも低い場合、この転移層内のＡｌ含有率は、基層から発光領域に向かって増加することができる。基層のＡｌ含有率が発光領域よりも高い場合、転移層内のＡｌ含有率は、この基層から発光領域に向かって減少することができる。
【００３３】
いくつかの構成では、基板１０６０、例えば、バルクＡｌＮ基板、が非常に光を吸収しやすいため、発光素子１０００の底部から効率良く光を抽出することができる。これらの構成では、選択層１０６１をＡｌＮ基板１０６０上で成長させることで、光の抽出を向上させることができる。例えば、この選択層１０６１は、バルクＡｌＮ基板１０６０上でホモエピタキシャル成長させた、比較的厚い疑似格子整合のＡｌＮ層でよい。ホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層１０６１は、発光素子１０００の所望の波長において非吸収性を有する。いくつかのケースでは、この選択層１０６１は、ＡｌＧａＮ層、又は、ＡｌＧａＩｎＮ層等のＡｌＧａＮを含むエピタキシャル成長層でよい。点線１０６２及び１０６３でそれぞれ示す通り、ほとんど又は全ての基板１０６０、又は全ての基板１０６０、及び選択層１０６１の一部をエッジング工程で除去することができる。エッチング工程の後、発光素子１０００に残る部分のホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層１０６１は、圧縮歪みを維持するのに十分な厚みｔを有し、この圧縮歪みにより発光領域１００５からの支配的なＴＥ偏光の発光が提供される。例えば、支配的なＴＥ偏光を発光する、ＡｌＮ基板が除去された発光素子に関する圧縮歪みは、以下の式を満たすことができる。ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２３０）＊０．００１２Å。エピタキシャル成長したＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮの選択層を用いるとき、バルクＡｌＮ基板が除去された後のウエハ屈曲を小さくするために、選択層１０６１を比較的薄くすることができ、Ｇａ及び／又はＩｎの量を比較的少なくすることができる。
【００３４】
図１１には、発光素子１１００の一例における種々の層、及びそれらの層の組成が示されている。この例では、この発光素子はバルク結晶のＡｌＮ基板１１６０を含む。転移領域１１６５がバルクＡｌＮ基板上でエピタキシャル成長し、２枚の３８ｎｍの厚みの短周期超格子（ＳＰＳＬ）セクション１１６６、１１６７を含む。第１のセクションは基板側に配置され、平均９０％のアルミニウムモル分率を有する。第２のセクションは、第１のセクションの上で成長し、平均８０％のアルミニウム含有率を有する。第２のセクション内の超格子は、第１のセクションより少ないｌＮ成分を含んで、より低い平均のアルミニウム合金組成を生み出す。この転移層１１６５は、発光素子のＡｌ含有率を（比較的高いＡｌ含有率の）ＡｌＮ基板１１６０から、（低いＡｌ含有率の）発光領域１１１０へ移して、ＡｌＧａＮの発光領域の疑似格子整合成長を最小にする働きをする。したがって、発光領域１１１０は、ＡｌＮ基板１１６０の格子の構造に向かって圧縮歪みを受ける。この例では、転移層１１６５は、ＡｌＮ基板１１６０から発光領域１１１０に向かってＡｌ含有率を減少させる。
【００３５】
１９００ｎｍのＡｌ０．７０Ｇａ０．３０Ｎシリコンドープｎ型接触層１１７０が、転移層１１６５の上に配置され、その上に６５０ｎｍのＡｌ０．７０Ｇａ０．３０Ｎシリコンドープ超格子を含むｎ型傾斜層１１７１が配置される。発光領域１１１０及び電子ブロック層（ＥＢＬ）１１５０は、ｎ側の分離封じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）１１７２と、ｐ側の電流拡散層１１５５との間に配置される。図１１の例では、ｎ側のＳＣＨ１１７２は、３０ｎｍのＡｌ０．６８Ｇａ０．３２Ｎ層を含み、ｐ側の電流拡散層１１５５は、６５ｎｍのＭｇドープＡｌ０．３３Ｇａ０．６７Ｎ層を含む。この例では、ＥＢＬ１１５０は２０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．８３Ｇａ０．１７層である。発光層１１１０は、３枚のＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸層を含み、これらの量子井戸層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁と交互に配置されている。ＱＷのＡｌ含有率ｘは、λ＝２５３ｎｍの中心波長を実現するのに十分な量である。上記に議論した通り、発光領域１１１０からのＴＥ偏光が支配的となるように、障壁のＡｌ含有率ｙを選択してＱＷに圧力歪みを与える。この発光素子１１００は、ｐ型傾斜／電流拡散層１１５６を含み、この層は、平均組成Ａｌ０．３３Ｇａ０．６７Ｎを有する１５０ｎｍのＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮのＭｇドープ超格子を含み、電流拡散層１１５５の上に配置されている。２０ｎｍのｐ型接触層１１８０は、ＭｇドープのＧａＮを含み、電流拡散層１１５６の上に配置されている。
【００３６】
上記に議論した通り、これらの転移層を発光素子の構造に含んで、この発光素子の結晶品質を向上させる。図１２及び図１３には、表面原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）がスキャンした、転移層を含まない（図１２）ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造と、転移層を含む（図１３）ｎ型接触層に成長した図１１のヘテロ構造と、が示されている。図１２に示されている、転移層を含まない構造は、図１３に示されている転移層の構造と比較して粗く、ぼんやりとした光を発光し、より多くの六角形の窪みを有する。転移層を使用することにより、（ｎ型接触層に至るまでの）素子構造の成長において、約１５ｎｍより小さい表面の粗さ、又は約１０ｎｍより小さい表面の粗さ、さらに約５ｎｍより小さい表面の粗さを実現することができる。
【００３７】
図１５には、図１４に示されている構造１４００のＸ線逆空間マップが示されている。図１４には、バルク結晶のＡｌＮ基板１４６０を覆って成長したＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層１４７０が示されている。２枚の３８ｎｍの厚みの転移層１４６５、１４６６が、短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含み、ＡｌＮ基板１４６０と、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層１４７０との間に配置されている。基板側に配置された第１のＳＰＳＬ１４６５は、９０％の平均アルミニウムモル分率を有する。第２のＳＰＳＬ１４６６は、第１のＳＰＳＬ１４６５の上に成長し、８０％の平均アルミニウム含有率を有する。
【００３８】
図１５は、構造１４００のＸ線回折解析により得られた逆空間マップである。転移層及びＡｌＧａＮ層に関するピークは、全て線基板のＱｘ値と同じ値に沿って一列に並び、これらの層の格子整合が類似していることを示している。この特性により、ＴＥの支配的ＬＥＤ発光を生み出す圧縮歪みの量を導く疑似格子整合成長が明示される。例えば、いくつかのケースでは、ＡｌＮ基板及び発光領域の逆格子値の変動が約１．５％より小さいときに、ＴＥ偏光が支配的となる。
【００３９】
図１１に概略的に示されている、図５に示されたフォトルミネッセンスプロットを有する、λ＝２５０ｎｍの発光ダイオードに加えて、λ＝２７９ｎｍ、及びλ＝２９０ｎｍで動作する活性層を含む付加的な発光素子も設計、成長、製造され、評価されている。λ＝２５０ｎｍでの実演と同様に、これらの長い波長の発光素子も強い圧縮歪みのもと、ＡｌＮ基板上で成長したものである。しかし、これらの発光素子は異なる転移層を含み、それらの転移層は、図１１に示す超格子転移層の代わりに、モノシリックに１００％から７０％に減少するアルミニウム組成を有する傾斜ＡｌＧａＮ層を含む。これらのより長い波長の発光素子から発光されるフォトルミネッセンスのデータでは、所望のＴＥが支配的な発光が示されている。これらの発光素子から作られた光ポンプレーザは、レーザ動作の閾値の上と下の両方で、ＴＥが支配的な偏光を発光する。図１６には、λ＝２７９ｎｍのレーザの偏光分解スペクトルが示され、図１７には、λ＝２９０ｎｍのレーザの偏光分解スペクトルが示されている。
【００４０】
発光素子の発光領域内に圧縮歪みを生み出して、ＴＥ偏光を向上させることができる。さらに、発光領域の量子井戸の厚み、障壁の厚み、及び障壁の組成も、バンド構造及びエネルギー転移の性質に影響を与える。井戸幅、障壁幅、及び障壁の組成を制御して、偏光比を調整することもできる。圧縮歪みのもとで発光領域を成長させることにより、及び／又は障壁のＡｌ含有率を調整することにより、ＰＤを向上させた発光を示したＵＶ発光構造を得てきた。超格子、及び／又は、ヘテロ構造と基板との間に配置される傾斜転移層を用いることにより、歪みが大きいにも関わらず、結晶品質を維持することができる。
【００４１】
図１８は、偏光度ＰＤを向上させる光を発光することができる発光素子を形成する方法の流れ図である。基板１８１０上に第１のヘテロ構造を成長させる。第１のヘテロ構造を覆って、発光領域１８４５を成長させる。この発光領域を発光領域内の圧縮歪みが、以下の不等式を満たすように成長させる。ｙ≦１に対してεａ＜−０．００６１５＋０．０００２３＊（λ（ｎｍ）−２３０ｎｍ）。第２のヘテロ構造を、発光領域を覆って成長させる。
【実施例】
【００４２】
図１８には、本明細書で議論した、例示の発光ダイオード１８００の層１８０５〜１８６５が示されており、この発光ダイオードは、ＰＤ向上させた、中心波長λ＝２９１ｎｍの光を発光する。この発光素子１８００は、バルク結晶のＡｌＮ基板１８０５上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）で層１８１０〜１８６５を成長させることにより製造された。ＭＯＣＶＤで成長したアンドープＡｌＮを含む５４ｎｍの開始層、即ち、基層１８１０は、バルクＡｌＮ基板１８０５の上で成長した。欠陥低減層／転移層（ＤＲＬ１及びＤＲＬ２）は、平均組成Ａｌ０．８９Ｇａ０．１１Ｎ、及び厚み１４４ｎｍを有する６０組のＡｌＮ／ＧａＮの超格子層１８１５と、平均組成Ａｌ０．７８Ｇａ０．２２Ｎ、及び厚み２７１ｎｍを有する１０１組のＡｌＮ／ＧａＮの超格子層１８２０とを含む。図１８に示す通り、Ａｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎの組成率を有する３１５ｎｍのｎ型接触基層１８２５、及びＡｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎの組成率を有する４８４ｎｍのＳｉドープｎ型接触層１８３０が転移層を覆って成長している。次にその上には、全厚み５０４ｎｍ、及び平均組成Ａｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎを有する７８組のＳｉドープＡｌＧａＮの超格子を含むｎ型傾斜層１８３５が成長している。このｎ型傾斜超格子を覆って、Ａｌ０．５９Ｇａ０．４１Ｎの組成を有する３３ｎｍのＳｉドープｎ型導波層１８４０が成長している。発光領域１８４５は、３枚の３．８ｎｍのＱＷを含み、これらのＱＷは、Ａｌ０．４４Ｇａ０．５６Ｎの組成の層を含み、Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ｎの組成を有する５．３ｎｍの障壁層の間に配置されている。この発光素子のｐ側には、Ａｌ０．５９Ｇａ０．４１Ｎの組成を有する５．９ｎｍのｐ型導波層１８５０、及び３６７ｎｍのｐ型傾斜層１８５５が含まれている。この型傾斜層１８５５は、平均組成Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎを有する２００組のＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子を含む。層１８６０内のＡｌ含有率は、モル分率が０．６５から０に傾斜している。その上の層１８６５はｐ型接触層である。下記の表２は、層１８１０〜１８６５を成長させるために用いたパラメータの一覧を示す。表２では、次の略記が使用されている。ＤＲＬ＝欠落低減層、ＢＡ＝障壁、ＱＷ＝量子井戸、ＴＭ＝トリメチルガリウム、ＴＥ＝トリエチルガリウム、ＴＭ＝トリメチルアルミニウム、ＣＰ２Ｍｇ＝ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム、ｓｃｃｍ＝立方センチメートル毎分。
【表２】
【００４３】
本明細書で示した例の中で説明した発光素子は、圧縮歪を有するＩＩＩ族窒化物材料系に基づく。図１９には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのＡｌ含有率と、発光波長との間の関係が示されている。図１９に示された関係を用いて、例えば、本明細書に示した波長範囲を、これらの波長範囲に対応する、発光領域内のＡｌ含有率の単位として見ることができることは言うまでもない。例えば、２００ｎｍから４００ｎｍまでの間の波長範囲は、一般に、約０から１の間のＡｌモル分率の範囲に対応し、２００ｎｍから３００ｎｍまでの間の波長範囲は、一般に、約０．３２から１までの間のＡｌモル分率の範囲に対応する。但し、ｘの値が減少すると、ＡｌｘＧａ１−ｘＮをＡｌＮ上で疑似格子整合成長させることがより難しくなる恐れがある。しかし、本明細書に記載した通り、低いｘ値を示すＡｌＧａＮは、弛緩している可能性があるが（したがって、もはやＡｌＮ対して疑似格子整合ではない）、それでもなお圧縮歪を有し、偏光度を向上させた光を発光する。いくつかの実施形態による発光素子を、圧縮歪み、及び活性領域のＡｌ含有量率の観点から供述することが可能である。例えば、本明細書の方法による発光素子は、少なくとも１枚のＡｌｘＧａ１−ｘＮの圧縮歪層を含むことができ、０．５＜ｘ＜０．８で、圧縮歪層内の圧縮歪みεαは、不等式εα＜−０．００６１５を満たす。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成され、前記中心波長λ、及び前記偏光度ＰＤは、２００ｎｍ≦λ≦４００ｎｍ、ｂ≦１．５に対してＰＤ＞０．００６λ−ｂの条件を満たす、発光領域を含む窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
ｂの値は、ほぼ１である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光領域は、ＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのうちの少なくとも１つを含み、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、Ｓｉ、及びＳｉＣのうちの少なくとも１つを含む基板をさらに含む、請求項１又は２のいずれかに記載の発光素子。
【請求項４】
前記基板はＡｌＮを含み、格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮを有し、
前記発光領域は少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮの領域を含み、
前記少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮの領域は、面内格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄを有し、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ―ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２３０）＊０．００１２の条件を満たす、請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ＡｌｘＧａ１ｘＮの領域は、２つのＡｌｙＧａ１ｙＮの領域の間に配置され、ｙ＞ｘ及びｙ＞０．７＋０．０２＊（２４５‐λ（ｎｍ））の条件を満たす、請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記発光領域は、少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含み、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層内の歪みεａは、不等式εａ＜−０．００７９＋０．０００２２＊（λ（ｎｍ）−２４０ｎｍ）を満たす、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
発光素子を形成する方法であって、
第１のヘテロ構造を成長させるステップと、
第２のヘテロ構造を成長させるステップと、
発光領域が、前記第１のヘテロ構造と前記第２のヘテロ構造との間に配置されるように、ＩＩＩ族窒化物発光領域を前記第１のヘテロ構造を覆って成長させるステップであって、前記発光領域は少なくとも１枚の圧縮歪層を含み、前記圧縮歪層内の圧縮歪みεαが、不等式εα＜−０．００６１５＋０．０００２３＊（λ（ｎｍ）−２３０ｎｍ）を満たす、ステップと、を含む方法。
【請求項８】
前記第１のヘテロ構造を成長させるステップでは、格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮを有するＡｌＮ基板の上で前記第１のヘテロ構造を成長させ、前記少なくとも１枚の圧縮歪層が、格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄを有し、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）２３０）＊０．００１２Åの条件を満たす、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ＡｌＮ層を前記Ａｌ基板の上でホモエピタキシャル成長させステップであって、前記ホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層が前記第１のヘテロ構造と、前記ＡｌＮ基板との間に配置されるようにするステップと、
前記Ａｌ基板のうちの少なくともいくつかの部分を除去するステップと、をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層のうちの少なくともいくつかの部分を除去するステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１】
中心波長λ、及び偏光度ＰＤを有する光を発光するよう構成され、前記中心波長λ、及び前記偏光度ＰＤは、２００ｎｍ≦λ≦４００ｎｍ、ｂ≦１．５に対してＰＤ＞０．００６λ−ｂの条件を満たす、発光領域を含む窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
ｂの値は、ほぼ１である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光領域は、ＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのうちの少なくとも１つを含み、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、Ｓｉ、及びＳｉＣのうちの少なくとも１つを含む基板をさらに含む、請求項１又は２のいずれかに記載の発光素子。
【請求項４】
前記基板はＡｌＮを含み、格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮを有し、
前記発光領域は少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮの領域を含み、
前記少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮの領域は、面内格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄを有し、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ―ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）−２３０）＊０．００１２の条件を満たす、請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ＡｌｘＧａ１ｘＮの領域は、２つのＡｌｙＧａ１ｙＮの領域の間に配置され、ｙ＞ｘ及びｙ＞０．７＋０．０２＊（２４５‐λ（ｎｍ））の条件を満たす、請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記発光領域は、少なくとも１つのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含み、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層内の歪みεａは、不等式εａ＜−０．００７９＋０．０００２２＊（λ（ｎｍ）−２４０ｎｍ）を満たす、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
発光素子を形成する方法であって、
第１のヘテロ構造を成長させるステップと、
第２のヘテロ構造を成長させるステップと、
発光領域が、前記第１のヘテロ構造と前記第２のヘテロ構造との間に配置されるように、ＩＩＩ族窒化物発光領域を前記第１のヘテロ構造を覆って成長させるステップであって、前記発光領域は少なくとも１枚の圧縮歪層を含み、前記圧縮歪層内の圧縮歪みεαが、不等式εα＜−０．００６１５＋０．０００２３＊（λ（ｎｍ）−２３０ｎｍ）を満たす、ステップと、を含む方法。
【請求項８】
前記第１のヘテロ構造を成長させるステップでは、格子定数ａｂｕｌｋ−ＡｌＮを有するＡｌＮ基板の上で前記第１のヘテロ構造を成長させ、前記少なくとも１枚の圧縮歪層が、格子定数ａｓｔｒａｉｎｅｄを有し、ａｓｔｒａｉｎｅｄ−ａｂｕｌｋ−ＡｌＮ≦（λ（ｎｍ）２３０）＊０．００１２Åの条件を満たす、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ＡｌＮ層を前記Ａｌ基板の上でホモエピタキシャル成長させステップであって、前記ホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層が前記第１のヘテロ構造と、前記ＡｌＮ基板との間に配置されるようにするステップと、
前記Ａｌ基板のうちの少なくともいくつかの部分を除去するステップと、をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ホモエピタキシャル成長したＡｌＮ層のうちの少なくともいくつかの部分を除去するステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−８０９２５（Ｐ２０１３−８０９２５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２１２１６３（Ｐ２０１２−２１２１６３）
【出願日】平成２４年９月２６日（２０１２．９．２６）
【出願人】（５０２０９６５４３）パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月２６日（２０１２．９．２６）
【出願人】（５０２０９６５４３）パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
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