窒化物系発光ヘテロ構造
改良された窒化物系発光ヘテロ構造を提供する。窒化物系発光ヘテロ構造は、電子供給層と、正孔供給層とを含み、それらの間に光発生構造が配置される。光発生構造は、各々が傾斜組成を有するバリア層のセットと、各々が少なくとも１つのバリア層と隣接する量子井戸のセットとを含む。特性の１つ以上を改良するために、各量子井戸の厚みなどのさらなる特徴を選択し／ヘテロ構造に取り入れ得る。さらに、傾斜組成を含む１つ以上の追加層が、光発生構造の外側のヘテロ構造に含まれ得る。傾斜組成層により、電子は、光発生構造の量子井戸に入る前にエネルギーを失うことで、電子は、量子井戸でより効率的に正孔と再結合できるようになる。
【発明の詳細な説明】
【先行技術参照】
【０００１】
[0001]本願は、２００４年１２月６日に出願された「Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」という発明の名称の同時係属中の米国仮特許出願第６０／６３３，８２８号の利益を主張し、同出願は、本明細書に参照により組み込まれる。
【発明の分野】
【０００２】
[0002]本発明は、一般に、窒化物系ヘテロ構造に関し、特に、改良された窒化物系発光ヘテロ構造に関する。
【発明の背景】
【０００３】
[0003]近年、青色および遠紫外線（ＵＶ）波長で発光する窒化物系発光ダイオードおよびレーザへの関心が高まっている。これらのデバイスは、固体照明、生化学的検出、高密度データストレージなどを含むさまざまな応用に組み込み可能である。しかしながら、これまで、窒化物系発光ダイオードおよびレーザの性能は、放射波長が紫外線領域に低減されるにつれて急速に悪化している。
【０００４】
[0004]最新の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、３つの主要なコンポーネント、すなわち、電子供給層（例えば、ｎ型半導体）と、正孔供給層（例えば、ｐ型半導体）と、それらの間にある光発生構造とからなる。光発生構造の光発生効率が比較的低いことが、短めの波長を有する光を発生するさいのデバイスの性能向上を阻む大きなバリアになっている。このような効率は、電子と正孔の移動度の大きな差によって制限される。電子の移動度が正孔のものより高いため、電子は正孔よりも素早く移動する。
【０００５】
[0005]この状況に対処するために、光発生構造とｐ型コンタクト層との間に電子阻止層を組み込む方法がある。電子阻止層は、電子を減速させ、より効率的な輻射再結合を可能にする。しかしながら、電子阻止層はまた、デバイスの直列抵抗を増大させ、ある程度まで、正孔に対してもバリアを与えてしまう。電子・正孔ペアの濃度を上げるために、光発生構造に複数の量子井戸を組み込む方法が多くある。しかしながら、これらの方法でも、波長がより短い光を効率的に発生する解決策を与えることはいまだできない。電子および正孔の非輻射再結合量が転位によって決定されるため、多くの方法では、デバイスで使用する材料の品質を高めることが求められている。それでも、遠紫外線 ＬＥＤの効率は低いままである。
【０００６】
[0006]ＵＶ ＬＥＤを開発する際の別の問題は、正孔注入の不足である。これまで、マグネシウム（Ｍｇ）が、最も支持されている受容体であるため、ｐ型のガリウム（Ｇａ）窒化物（Ｎ）層に一般に使用されている。このような層の室温活性エネルギーは、２５０ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）と同程度の高さであり得、ＡｌＧａＮ合金中のアルミニウム（Ａｌ）モル分率とほぼ線形に増加する。しかしながら、受容体の活性エネルギーが大きいと、正孔注入が不足してしまう。このことは、より帯域が低い遠紫外線 ＬＥＤに特に当てはまり、このＬＥＤでは、より高いＡｌモル分率が要求される。
【０００７】
[0007]さまざまな方法で、ｐ型のＭｇドープされたＡｌＧａＮ層の伝導率を高めることが求められている。１つの方法において、この層の代わりに、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子（ＳＰＳＬ）、例えば、３４０から３５０ｎｍＵＶ ＬＥＤにおいてＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＳＰＳＬの成長がある。この場合、超格子の周期は充分に小さいため（例えば、４ナノメートル未満）、ＳＰＳＬのミニバンドに及ぼす分極場効果は無視できる。その結果、ｐ型ＳＰＳＬの垂直伝導が、分極場によって劣化しない。
【０００８】
[0008]別の方法では、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ長周期超格子（ＬＰＳＬ）を用いる。この場合、周期が１５ｎｍより長いと、価電子帯の不連続性と分極場により、ＡｌＧａＮバリアにおける受容体のイオン化と、ＧａＮ井戸への正孔の移送を高めることができる。しかしながら、長周期は、隣り合う井戸間の波動関数の結合を妨げてしまい、垂直伝導率が大幅に低下してしまう。その結果、このＬＰＳＬの方法は、横方向の水平ｐ伝導率を高めることしかできない。これまでのところ、遠紫外線 ＬＥＤのｐ型ＬＰＳＬで問題なく用いられている既知の方法はない。
【０００９】
[0009]さらなる別の方法では、界面で正孔を蓄積するために、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮシングルヘテロ構造を用いる。この方法の仕組みは、ＬＰＳＬ方法に似ている。しかしながら、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮシングルヘテロ構造が、正孔輸送に１つのバリアしか含まないため、界面での高密度な正孔蓄積、および電界アシストによるトンネル現象と熱放射により、垂直伝導率が大幅に高められ得る。この方法を取り入れたいくつかのＵＶ ＬＥＤが提案されており、適度に良好な出力電力を達成している。しかしながら、ＵＶ ＬＥＤの出力電力および／または効率を高めることが依然として望まれる。
【００１０】
[0010]以上のことを鑑みて、当分野において、本明細書に示す欠陥の１つ以上を解消する必要がある。
【発明の概要】
【００１１】
[0011]本発明により、改良された窒化物系発光ヘテロ構造が提供される。窒化物系発光ヘテロ構造は、電子供給層と、正孔供給層と、それらの間に配置された光発生構造とを含む。光発生構造は、各々が傾斜組成を有するバリア層のセットと、各々が少なくとも１つのバリア層と隣接する量子井戸のセットとを含む。各量子井戸の厚みなどの追加の特徴は、特性の１つ以上を高めるために、ヘテロ構造に選択され／取り込まれ得る。さらに、傾斜組成を含む１つ以上の追加層が、光発生構造の外側のヘテロ構造に含まれ得る。傾斜組成層は、電子が光発生構造の量子井戸に入る前に電子のエネルギーを失わせることで、電子は、量子井戸においてより効率的に正孔と再結合することができる。
【００１２】
[0012]本発明の第１の態様により、電子供給層と、正孔供給層と、電子供給層と正孔供給層との間に配置された光発生構造とを備え、光発生構造が、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットとを含む、窒化物系発光ヘテロ構造が提供される。
【００１３】
[0013]本発明の第２の態様により、基板と、基板上のバッファ層と、バッファ層上にわたったストレインリリーフ構造と、ストレインリリーフ構造上にわたった電子供給層と、正孔供給層と、電子供給層と正孔供給層との間に配置された光発生構造とを備え、光発生構造が、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットとを含む、窒化物系発光デバイスが提供される。
【００１４】
[0014]本発明の第３の態様によれば、基板を獲得するステップと、基板上にわたって電子供給層を形成するステップと、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットを形成する工程と、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットを形成する工程とを含む、電子供給層上にわたって光発生構造を形成するステップと、光発生構造上にわたって正孔供給層を形成するステップとを含む、窒化物系発光ヘテロ構造の発生方法が提供される。
【００１５】
[0015]本発明の第４の態様によれば、基板を獲得するステップと、基板上にわたって電子供給層を形成するステップと、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットを形成する工程と、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットを形成する工程とを含む、電子供給層上にわたって光発生構造を形成するステップと、光発生構造上にわたって正孔供給層を形成するステップとを含む、窒化物系発光デバイスの発生方法が提供される。
【００１６】
[0016]本発明の例示的な態様は、本明細書に記載する問題と、記述していない他の問題とを解決するためのものである。
【００１７】
[0017]本発明の上記および他の特徴は、本発明のさまざまな実施形態を表す添付の図面を参照しながら、本発明のさまざまな態様の以下の詳細な説明からさらに容易に理解されるであろう。
【００１８】
[0026]図面は一定の縮尺のものではないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図したものであり、したがって、本発明の範囲を限定するものとしてみなされるべきではない。図面において、図面間での同様の番号付けは、同様の要素を表している。
【発明の詳細な説明】
【００１９】
[0027]本発明の開示の目的のために、Ａｌはアルミニウムを意味し、Ｂｅはベリリウムを意味し、Ｃは炭素を意味し、Ｇａはガリウムを意味し、Ｉｎはインジウムを意味し、Ｌｉはリチウムを意味し、Ｍｇはマグネシウムを意味し、Ｍｎは、マンガンを意味し、Ｎは窒素を意味し、Ｏは酸素を意味し、Ｓｉは珪素を意味することを理解されたい。
【００２０】
[0028]上述したように、本発明により、改良された窒化物系発光ヘテロ構造が提供される。窒化物系発光ヘテロ構造は、電子供給層と、正孔供給層と、それらの間に配置された光発生構造とを含む。光発生構造は、各々が傾斜組成を有するバリア層のセットと、各々が少なくとも１つのバリア層と隣接する量子井戸のセットとを含む。各量子井戸の厚みなどの追加の特徴は、特性の１つ以上を高めるために、ヘテロ構造に選択され／取り込まれ得る。さらに、傾斜組成を含む１つ以上の追加層が、光発生構造の外側のヘテロ構造に含まれ得る。傾斜組成層は、電子が光発生構造の量子井戸に入る前に電子のエネルギーを失わせることで、電子は、量子井戸においてより効率的に正孔と再結合することができる。本明細書で使用する場合、特別の記載がなければ、「セット」という用語は、１つ以上を意味する。
【００２１】
[0029]図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態による例示的な窒化物系発光ヘテロ構造１０を示す。基板１２と、基板１２上のバッファ層１４と、バッファ層１４上のストレインリリーフ構造１６とを含むヘテロ構造１０が示されている。ヘテロ構造１０は、電子供給層１８と、正孔供給層２２と、電子供給層１８と正孔供給層２２との間に配置された光発生構造２０とを含む。また、光発生構造２０と正孔供給層２２との間に配置された電子阻止層２４と、コンタクト層２６とを含むヘテロ構造１０が示されている。
【００２２】
[0030]基板１２は、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、珪素（Ｓｉ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＯＮ、ＬｉＧａＯ２、および／または同類のものなどの任意のタイプの基板を含み得る。同様に、バッファ層１４は、ＡｌＮなどの任意のタイプのバッファ層を含み得る。さらに、ストレインリリーフ構造１６は、超格子（例えば、長周期超格子、短周期超格子、周期ごとに傾斜組成および／または可変組成を含む短周期または長周期超格子）、幅広いバリアを有する複数の量子井戸、単一量子井戸、急峻または傾斜ヘテロ界面を有する多層構造（例えば、数百オングストロームの厚み、閉じ込めなし）、および／または同類のものなどの任意のタイプのストレインリリーフ構造を含み得る。ストレインリリーフ構造１６は、ＡｌＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮなどの任意の組成を含み得る。さらに、コンタクト層２６は、任意のタイプのコンタクト層を含み得る。一実施形態において、コンタクト層２６は、２００５年８月２２日に出願された「Ｏｈｍｉｃ Ｃｏｎｔａｃｔ ｆｏｒ Ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｂａｓｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ」という発明の名称の、本願と同一の譲受人による同時係属中の米国特許出願第１１／２０８，６７９号に示され記載されているようなオーム接触を含み、同出願は、本明細書に参照として組み込まれている。
【００２３】
[0031]電子供給層１８および正孔供給層２２はまた、任意のタイプの電子／正孔供給層を含み得る。例えば、電子供給層１８は、ｎ型コンタクト層またはｎ型クラッド層などのｎ型半導体を含み得る。同様に、正孔供給層２２は、ｐ型コンタクト層またはｐ型クラッド層などのｐ型半導体を含み得る。さらに、正孔供給層２２は、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ／ＡｌＩｎＧａＮ短周期超格子などの多層構造を含み得る。各供給層１８、２２は、Ｇａ、Ａｌ、またはＩｎの１つ以上とともにＮを含み得る。一実施形態において、電子供給層１８は、ｎ型のＡｌＧａＮクラッド層を含み、正孔供給層２２は、ｐ型のＭｇドープされたＡｌＧａＮクラッド層を含む。他の形態において、正孔供給層２２は、Ｍｇ＋Ｏ、Ｍｇ＋Ｓｉ、および／または同類のものなどのＭｎ、Ｂｅ、Ｍｇコドーパントでドープされてもよい。
【００２４】
[0032]電子阻止層２４は、ｐ型ＡｌＧａＮ層などの任意のタイプの電子阻止層を含み得る。一実施形態において、電子阻止層２４は、正孔供給層２２の組成から電子阻止層２４の組成まで段階的に遷移する傾斜組成を含む。例えば、電子阻止層２４は、およそ５００オングストロームの厚みを有するＡｌＧａＮ組成を含みえ、Ａｌ組成は、およそ６０パーセントから５パーセントへ段階的に低減される（例えば、ほぼ線形）。これは、さまざまな形態を例示したものにすぎないことを理解されたい。例えば、成長条件に依存して、電子阻止層２４のＡｌ分率は、電子阻止層２４が光発生構造２０の近くに移動するにつれて、増大または低減し得る。さらに、Ａｌの含有量は、およそ１００％からおよそ０．１％の間で変動し得る。
【００２５】
[0033]図２は、本発明の実施形態による別の窒化物系発光ヘテロ構造３０を示し、同図において、図１のヘテロ構造１０の正孔供給層２２および電子阻止層２４は、傾斜組成正孔供給層２８と置き換えられている。傾斜組成正孔供給層２８は、層２８が光発生構造２０の近くに移動するにつれて、コンタクト層２６に隣接した正孔供給層組成（例えば、ｐ型ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ組成）から電子阻止層組成（例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ組成）へ遷移する傾斜組成を含み得る。特に、層２８におけるＡｌおよび／またはＩｎの量は、層２８の幅にわたって増減され得る（例えば、ほぼ線形）。例えば、層２８の厚みは、およそ１００ナノメートルであり得、Ａｌ組成は、およそ０．１％からおよそ７０％まで増大する。
【００２６】
[0034]図１を再度参照すると、光発生構造２０は、量子井戸３２のセットと、バリア層３４のセットとを含む。一般に、量子井戸３２およびバリア層３４のセットは、各量子井戸３２が少なくとも１つのバリア層３４によって隣接されるように交互にされ得る。光発生構造２０に、単一量子井戸３２およびバリア層３４を含む任意の数の量子井戸３２およびバリア層３４が含まれ得ることを理解されたい。各量子井戸３２は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、および／または同類のものなどの任意の組成を含み得る。一実施形態において、光発生構造２０は、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌの不均一クラスタリングを含む。不均一クラスタリングは、キャリアの閉じ込めおよび／または非輻射中心からのキャリアの分離を追加することによって、光発生構造２０からの発光を高めることができる。一般に、Ａｌの不均一クラスタリングは、クラスタを取り囲む材料のものとは異なる組成を含むナノスケールクラスタをさす。このようなクラスタは、光発生構造２０によって発生する光の所望の波長および／またはヘテロ構造１０を組み込むデバイスのデザインに応じて、１つ以上の量子井戸３２および／またはバリア層３４に組み込まれ得る。例えば、取り囲む材料は、各クラスタのものより高いＡｌ組成を含んでもよい。この場合、非平衡キャリアを局所化し、それらが他の非輻射中心によって捕捉されないようにし得るポテンシャル井戸が発生する。
【００２７】
[0035]光発生構造２０にある各バリア層３４は、傾斜組成を含み得る。各バリア層３４の傾斜組成、電子阻止層２４、および／または傾斜組成正孔供給層２８（図２）は、電子が量子井戸３２に入る前に電子のエネルギーを失わせる。一般に、高Ａｌ含有量層は、電子および正孔のバリアを含む。電子がｐ型材料内に透過しないように、高Ａｌ含有量層は、電子阻止層２４として使用される。しかしながら、これはまた、光発生領域へと移動する際に正孔にバリアを与える。本発明の実施形態において、各バリア層３４、電子阻止層２４、および／または傾斜組成正孔供給層２８は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、および／または同類のものなどの三元または四元の組成を含み得る。一実施形態において、各バリア層３４は、三元または四元のＡｌ傾斜組成を含む。
【００２８】
[0036]傾斜組成バリア層３４を最適化することで、良好な正孔注入を維持しながら、電子透過を抑制することができる。例えば、図３Ａ及び図３Ｂは、ＡｌＧａＮバリア層３４（図１）／ＧａＮ量子井戸３２（図１）の境界でのエネルギーと距離との関係を表した例示的なプロット３６Ａ及び３６Ｂを示し、同図において、それぞれ、ＡｌＧａＮバリア層３４が傾斜されていないものと、傾斜されているものとが示されている。図３Ａに示すように、ＡｌＧａＮバリア層３４におけるＡｌのモル分率は一定であり、その境界は、電子と正孔の両方のバリアを含む。しかしながら、図３Ｂにおいて、上記ＡｌＧａＮバリア層３４は、ＧａＮ量子井戸３２との境界でのゼロパーセントＡｌから、図３Ａに示すものと同じＡ１のモル分率まで変動する組成を有する。この場合、電子のバリアは増大する一方で、正孔のバリアは低減される。これにより、電子は、量子井戸３２においてより効率的に正孔と再結合することができる。
【００２９】
[0037]光発生構造２０における各量子井戸３２の厚み（幅）は、１つ以上の所望の動作特性を与えるように選択され得る。例えば、各量子井戸３２は、量子井戸３２において電子および正孔の非輻射再結合の原因となる１つ以上の欠陥の特性半径より小さい厚みを含み得る。一実施形態において、各量子井戸は、転位、深い不純物、および／または同類のものなどの欠陥の寸法より薄いおよそ２ナノメートルの厚みを含む。この点で、図４は、例示的な量子井戸３２のバンド図４０を示し、同図において、量子井戸の厚み４２は、非輻射再結合中心半径４４より小さい。
【００３０】
[0038]さらに、各量子井戸３２（図１）の厚みは、各量子井戸３２の電子基底状態が、１つ以上の分極効果によって生じるエネルギーのバンド曲がり範囲より高くなるように選択され得る。この点で、各量子井戸３２の厚みは、一般に、およそ２から５ナノメートル範囲にあり得るが、場合によっては、最大およそ１０ナノメートルまでなることもある。分極効果により、量子井戸３２に強い電場が生じる。これらの電場がバンド図を傾斜させることによって、実空間に電子と正孔の分離が生じ得る。所与の分極場に関して、量子井戸３２が厚いほど、バンドの傾斜が大きくなり、電子と正孔との分離が強くなる。例えば、図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、比較的厚い量子井戸と比較的薄い量子井戸の例示的なバンド図５０Ａ及び５０Ｂを示す。図５Ａにおいて、バンド図５０Ａは、電子基底状態が、分極場によって影響を受けるエネルギー領域内にある量子井戸を示す。この場合、電子および正孔の波動関数の重なり合いが非常に小さいことで、発光は非常に非効率的になってしまう。明確な対比として、図５Ｂは、比較的薄い量子井戸３２のバンド図５０Ｂを示し、同図において、電子基底状態は、分極場の効果がほとんどない、または、まったくないエネルギー領域にある。この場合、電子および正孔の波動関数の重なり合いが非常に大きいことで、発光は非常に効率的なものになる。
【００３１】
[0039]さらに、各量子井戸３２（図１）の厚みは、各量子井戸３２の電子基底状態が、同じ量子井戸３２の伝導バンドの底の最高エネルギーより高いエネルギーを確実にもつように選択され得る。この場合、電子の波動関数は、全量子井戸を占めることによって、正孔の波動関数との重なり合いが強くなる。例えば、Ｆｐ＝２ＭＶ／ｃｍ（２０ｍｅＶ／ｎｍ）の典型的な分極場の場合、バンド曲がりエネルギーは、ＢＢ＝Ｆｐｄに等しく、式中、ｄは量子井戸の厚みである。電子基底状態エネルギーは、
Ｅ０＝π２ｈ２／（２ｍｅｄ２）
（この値は、バンド曲がりが基底状態を押し上げるため実際にはさらに高い）
で近似でき、式中、ｈはプランク定数であり、ｍｅは電子の有効質量である（ＧａＮの場合０．２２８ｍ０と推定され得、式中、ｍ０は自由電子の静止質量である）。この場合、ｄの関数としてバンド曲がりとｄの関数としてのＧａＮの基底状態エネルギーとを比較すると、量子井戸３２の幅は、電子基底状態エネルギーがバンド曲がりエネルギーより確実に高くなるように、およそ４．５ナノメートルよりも小さくなければならない。
【００３２】
[0040]図６は、本発明の実施形態による、電子供給バリア層６２と、正孔供給バリア層６４とを含む別の窒化物系発光ヘテロ構造６０を示す。ヘテロ構造６０において、電子供給バリア層６２は、電子供給層１８に隣接し、光発生構造２０に入る電子が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを含むようなバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む。同様に、正孔供給バリア層６４は、正孔供給層２２に隣接し、光発生構造２０に入る正孔が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを含むようなバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む。この場合、光発生構造２０と電子阻止層２４との間の組成の違いは、正孔のみが、極性光学フォノンの電位差に遭遇するように調整され得る。この点で、図８は、量子井戸に入る電子が、極性光学フォノンエネルギーに近いエネルギーを有するようなバンド構造プロファイルを生じる、隣接する電子供給バリア層６２（図６）を有する量子井戸（破線）を示す。さらに、図８は、エネルギー空間での例示的な電子軌跡と、極性光学フォノンのエネルギーとを示す。窒化物層において、極性光学フォノンエネルギーは、層の組成に応じて、およそ９０ｍｅＶである。この場合、電子は、量子井戸に入るときに、９０ｍｅＶの数ｍｅＶ以内（例えば、およそ８７から９３ｍｅＶ）であるエネルギーを含み得る。
【００３３】
[0041]図７は、本発明の実施形態による分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造７２を含む別の窒化物系発光ヘテロ構造７０を示す。ＤＢＲ構造７２は、特定の波長の光を反射することで、ヘテロ構造７０の出力電力を高めることができる。さらに、ヘテロ構造７０は、正孔供給層２２が上側に配置されたｐ型層７４を含む。ＤＢＲ構造７２およびｐ型層７４の各々は、ヘテロ構造７０を使用して発生した光の所望の波長に基づいて任意の組成を含み得る。一実施形態において、ＤＢＲ構造７２は、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｂｅ、またはＭｇ＋Ｓｉドープされたｐ型組成を含む。ｐ型層７４がないヘテロ構造７０にＤＢＲ構造７２が含まれてもよいことを理解されたい。同様に、ｐ型層７４は、ＤＢＲ構造７２がないヘテロ構造７０に含まれてもよい。この場合、ｐ型層７４は、ｐ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮを含んでもよい。ｐ型層７４は、電子阻止層２４（図１）の代わりであってもよく、および／または、正孔供給層２２と電子阻止層２４との間に組み込まれてもよい。
【００３４】
[0042]さらに、正孔供給層２２上にわたって陽極酸化アルミニウム層７６を含むことで、ヘテロ構造７０から光を抽出する効率を高めることができるヘテロ構造７０が示される。一実施形態において、陽極酸化アルミニウム層７６および正孔供給層２２は、光結晶を形成する正孔のセットを含む。さらに、正孔供給層２２は、各々が陽極酸化アルミニウム層７６にある正孔に整列される正孔のセットを含み得る。いずれの場合も、正孔の１つ以上は、屈折率が正孔供給層２２の組成とは異なるＳｉＯ２などの材料を含み得る（例えば、充填され得る）。
【００３５】
[0043]本明細書に示し記述したさまざまなヘテロ構造は、本発明に従って実施され得る多数のヘテロ構造の構成の例示的なものにすぎないことを理解されたい。特に、本発明によれば、ヘテロ構造は、１つ以上の追加層、１つ以上のより少数の層を含みえ、および／または層の順序は、１つ以上の所望の動作特性に基づいて変更され得る。さらに、各層は、所望の動作特性および／またはデバイス構成に基づいて、より低い層をすべてまたは部分的に覆うように構成され得る。さらに、１つ以上の追加のデバイスコンポーネントがヘテロ構造に追加され得る。この点で、本発明により、本明細書に記載するヘテロ構造を含む、例えば、発光ダイオード、レーザ、および／または同類のものなどの発光デバイスなどのさまざまなタイプのデバイスも提供される。
【００３６】
[0044]本発明により、本明細書に記載するヘテロ構造／デバイスの各々を発生する方法がさらに提供される。特に、本明細書に記載するさまざまな層の各々は、任意の解決策を用いて、隣接する層または介在層上に形成され得る（例えば、堆積、成長、および／または同類のもの）。例えば、図１を参照すると、ヘテロ構造１０は、基板１２を獲得し、基板１２上にバッファ層１４を形成し、バッファ層１４上にストレインリリーフ構造１６を形成し、ストレインリリーフ構造１６上に電子供給層１８を形成し、電子供給層１８上に光発生構造２０を形成し（１つ以上の交互の量子井戸３２およびバリア層３４を形成することを含み得る）、光発生表面２０上に電子阻止層２４を形成し、電子阻止層２４上に正孔供給層２２を形成し、および電子阻止層２６上にコンタクト層２６を形成することによって発生され得る。各堆積ステップが、１つ以上のマスクおよび／または同類のものの使用を含み得ることを理解されたい。さらに、デバイスを発生するために、ヘテロ構造に追加の処理が実行され得る（例えば、１つ以上の所望のコンポーネントを追加する処理）。
【００３７】
[0045]本発明のさまざまな態様の前述した記載は、例示および記載の目的のために与えられたものである。網羅的なものを意図したものでも、本発明を開示した正確な形態に限定することを意図したものではなく、多数の修正例および変形例が可能であることは明らかである。当業者に明らかであろうこのような修正例および変形例は、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態による例示的な窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図２】本発明の実施形態による別の窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図３Ａ】バリア層が傾斜されていない場合のバリア層／量子井戸の境界のエネルギーと距離との関係を示す例示的なプロットを示す。
【図３Ｂ】バリア層が傾斜されている場合のバリア層／量子井戸の境界のエネルギーと距離との関係を示す例示的なプロットを示す。
【図４】本発明の実施形態による例示的な量子井戸のバンド図を示す。
【図５Ａ】比較的厚い量子井戸の例示的なバンド図を示す。
【図５Ｂ】比較的薄い量子井戸の例示的なバンド図を示す。
【図６】本発明の実施形態による、電子供給バリア層と、正孔供給バリア層とを含む別の窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図７】本発明の実施形態による、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造と、陽極酸化アルミニウム層とを含む別の窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図８】本発明の実施形態による、隣接した電子供給バリア層を有する量子井戸を示す。
【先行技術参照】
【０００１】
[0001]本願は、２００４年１２月６日に出願された「Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」という発明の名称の同時係属中の米国仮特許出願第６０／６３３，８２８号の利益を主張し、同出願は、本明細書に参照により組み込まれる。
【発明の分野】
【０００２】
[0002]本発明は、一般に、窒化物系ヘテロ構造に関し、特に、改良された窒化物系発光ヘテロ構造に関する。
【発明の背景】
【０００３】
[0003]近年、青色および遠紫外線（ＵＶ）波長で発光する窒化物系発光ダイオードおよびレーザへの関心が高まっている。これらのデバイスは、固体照明、生化学的検出、高密度データストレージなどを含むさまざまな応用に組み込み可能である。しかしながら、これまで、窒化物系発光ダイオードおよびレーザの性能は、放射波長が紫外線領域に低減されるにつれて急速に悪化している。
【０００４】
[0004]最新の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、３つの主要なコンポーネント、すなわち、電子供給層（例えば、ｎ型半導体）と、正孔供給層（例えば、ｐ型半導体）と、それらの間にある光発生構造とからなる。光発生構造の光発生効率が比較的低いことが、短めの波長を有する光を発生するさいのデバイスの性能向上を阻む大きなバリアになっている。このような効率は、電子と正孔の移動度の大きな差によって制限される。電子の移動度が正孔のものより高いため、電子は正孔よりも素早く移動する。
【０００５】
[0005]この状況に対処するために、光発生構造とｐ型コンタクト層との間に電子阻止層を組み込む方法がある。電子阻止層は、電子を減速させ、より効率的な輻射再結合を可能にする。しかしながら、電子阻止層はまた、デバイスの直列抵抗を増大させ、ある程度まで、正孔に対してもバリアを与えてしまう。電子・正孔ペアの濃度を上げるために、光発生構造に複数の量子井戸を組み込む方法が多くある。しかしながら、これらの方法でも、波長がより短い光を効率的に発生する解決策を与えることはいまだできない。電子および正孔の非輻射再結合量が転位によって決定されるため、多くの方法では、デバイスで使用する材料の品質を高めることが求められている。それでも、遠紫外線 ＬＥＤの効率は低いままである。
【０００６】
[0006]ＵＶ ＬＥＤを開発する際の別の問題は、正孔注入の不足である。これまで、マグネシウム（Ｍｇ）が、最も支持されている受容体であるため、ｐ型のガリウム（Ｇａ）窒化物（Ｎ）層に一般に使用されている。このような層の室温活性エネルギーは、２５０ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）と同程度の高さであり得、ＡｌＧａＮ合金中のアルミニウム（Ａｌ）モル分率とほぼ線形に増加する。しかしながら、受容体の活性エネルギーが大きいと、正孔注入が不足してしまう。このことは、より帯域が低い遠紫外線 ＬＥＤに特に当てはまり、このＬＥＤでは、より高いＡｌモル分率が要求される。
【０００７】
[0007]さまざまな方法で、ｐ型のＭｇドープされたＡｌＧａＮ層の伝導率を高めることが求められている。１つの方法において、この層の代わりに、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子（ＳＰＳＬ）、例えば、３４０から３５０ｎｍＵＶ ＬＥＤにおいてＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＳＰＳＬの成長がある。この場合、超格子の周期は充分に小さいため（例えば、４ナノメートル未満）、ＳＰＳＬのミニバンドに及ぼす分極場効果は無視できる。その結果、ｐ型ＳＰＳＬの垂直伝導が、分極場によって劣化しない。
【０００８】
[0008]別の方法では、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ長周期超格子（ＬＰＳＬ）を用いる。この場合、周期が１５ｎｍより長いと、価電子帯の不連続性と分極場により、ＡｌＧａＮバリアにおける受容体のイオン化と、ＧａＮ井戸への正孔の移送を高めることができる。しかしながら、長周期は、隣り合う井戸間の波動関数の結合を妨げてしまい、垂直伝導率が大幅に低下してしまう。その結果、このＬＰＳＬの方法は、横方向の水平ｐ伝導率を高めることしかできない。これまでのところ、遠紫外線 ＬＥＤのｐ型ＬＰＳＬで問題なく用いられている既知の方法はない。
【０００９】
[0009]さらなる別の方法では、界面で正孔を蓄積するために、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮシングルヘテロ構造を用いる。この方法の仕組みは、ＬＰＳＬ方法に似ている。しかしながら、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮシングルヘテロ構造が、正孔輸送に１つのバリアしか含まないため、界面での高密度な正孔蓄積、および電界アシストによるトンネル現象と熱放射により、垂直伝導率が大幅に高められ得る。この方法を取り入れたいくつかのＵＶ ＬＥＤが提案されており、適度に良好な出力電力を達成している。しかしながら、ＵＶ ＬＥＤの出力電力および／または効率を高めることが依然として望まれる。
【００１０】
[0010]以上のことを鑑みて、当分野において、本明細書に示す欠陥の１つ以上を解消する必要がある。
【発明の概要】
【００１１】
[0011]本発明により、改良された窒化物系発光ヘテロ構造が提供される。窒化物系発光ヘテロ構造は、電子供給層と、正孔供給層と、それらの間に配置された光発生構造とを含む。光発生構造は、各々が傾斜組成を有するバリア層のセットと、各々が少なくとも１つのバリア層と隣接する量子井戸のセットとを含む。各量子井戸の厚みなどの追加の特徴は、特性の１つ以上を高めるために、ヘテロ構造に選択され／取り込まれ得る。さらに、傾斜組成を含む１つ以上の追加層が、光発生構造の外側のヘテロ構造に含まれ得る。傾斜組成層は、電子が光発生構造の量子井戸に入る前に電子のエネルギーを失わせることで、電子は、量子井戸においてより効率的に正孔と再結合することができる。
【００１２】
[0012]本発明の第１の態様により、電子供給層と、正孔供給層と、電子供給層と正孔供給層との間に配置された光発生構造とを備え、光発生構造が、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットとを含む、窒化物系発光ヘテロ構造が提供される。
【００１３】
[0013]本発明の第２の態様により、基板と、基板上のバッファ層と、バッファ層上にわたったストレインリリーフ構造と、ストレインリリーフ構造上にわたった電子供給層と、正孔供給層と、電子供給層と正孔供給層との間に配置された光発生構造とを備え、光発生構造が、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットとを含む、窒化物系発光デバイスが提供される。
【００１４】
[0014]本発明の第３の態様によれば、基板を獲得するステップと、基板上にわたって電子供給層を形成するステップと、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットを形成する工程と、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットを形成する工程とを含む、電子供給層上にわたって光発生構造を形成するステップと、光発生構造上にわたって正孔供給層を形成するステップとを含む、窒化物系発光ヘテロ構造の発生方法が提供される。
【００１５】
[0015]本発明の第４の態様によれば、基板を獲得するステップと、基板上にわたって電子供給層を形成するステップと、各々が傾斜組成を含むバリア層のセットを形成する工程と、各々がバリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットを形成する工程とを含む、電子供給層上にわたって光発生構造を形成するステップと、光発生構造上にわたって正孔供給層を形成するステップとを含む、窒化物系発光デバイスの発生方法が提供される。
【００１６】
[0016]本発明の例示的な態様は、本明細書に記載する問題と、記述していない他の問題とを解決するためのものである。
【００１７】
[0017]本発明の上記および他の特徴は、本発明のさまざまな実施形態を表す添付の図面を参照しながら、本発明のさまざまな態様の以下の詳細な説明からさらに容易に理解されるであろう。
【００１８】
[0026]図面は一定の縮尺のものではないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図したものであり、したがって、本発明の範囲を限定するものとしてみなされるべきではない。図面において、図面間での同様の番号付けは、同様の要素を表している。
【発明の詳細な説明】
【００１９】
[0027]本発明の開示の目的のために、Ａｌはアルミニウムを意味し、Ｂｅはベリリウムを意味し、Ｃは炭素を意味し、Ｇａはガリウムを意味し、Ｉｎはインジウムを意味し、Ｌｉはリチウムを意味し、Ｍｇはマグネシウムを意味し、Ｍｎは、マンガンを意味し、Ｎは窒素を意味し、Ｏは酸素を意味し、Ｓｉは珪素を意味することを理解されたい。
【００２０】
[0028]上述したように、本発明により、改良された窒化物系発光ヘテロ構造が提供される。窒化物系発光ヘテロ構造は、電子供給層と、正孔供給層と、それらの間に配置された光発生構造とを含む。光発生構造は、各々が傾斜組成を有するバリア層のセットと、各々が少なくとも１つのバリア層と隣接する量子井戸のセットとを含む。各量子井戸の厚みなどの追加の特徴は、特性の１つ以上を高めるために、ヘテロ構造に選択され／取り込まれ得る。さらに、傾斜組成を含む１つ以上の追加層が、光発生構造の外側のヘテロ構造に含まれ得る。傾斜組成層は、電子が光発生構造の量子井戸に入る前に電子のエネルギーを失わせることで、電子は、量子井戸においてより効率的に正孔と再結合することができる。本明細書で使用する場合、特別の記載がなければ、「セット」という用語は、１つ以上を意味する。
【００２１】
[0029]図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態による例示的な窒化物系発光ヘテロ構造１０を示す。基板１２と、基板１２上のバッファ層１４と、バッファ層１４上のストレインリリーフ構造１６とを含むヘテロ構造１０が示されている。ヘテロ構造１０は、電子供給層１８と、正孔供給層２２と、電子供給層１８と正孔供給層２２との間に配置された光発生構造２０とを含む。また、光発生構造２０と正孔供給層２２との間に配置された電子阻止層２４と、コンタクト層２６とを含むヘテロ構造１０が示されている。
【００２２】
[0030]基板１２は、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、珪素（Ｓｉ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＯＮ、ＬｉＧａＯ２、および／または同類のものなどの任意のタイプの基板を含み得る。同様に、バッファ層１４は、ＡｌＮなどの任意のタイプのバッファ層を含み得る。さらに、ストレインリリーフ構造１６は、超格子（例えば、長周期超格子、短周期超格子、周期ごとに傾斜組成および／または可変組成を含む短周期または長周期超格子）、幅広いバリアを有する複数の量子井戸、単一量子井戸、急峻または傾斜ヘテロ界面を有する多層構造（例えば、数百オングストロームの厚み、閉じ込めなし）、および／または同類のものなどの任意のタイプのストレインリリーフ構造を含み得る。ストレインリリーフ構造１６は、ＡｌＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮなどの任意の組成を含み得る。さらに、コンタクト層２６は、任意のタイプのコンタクト層を含み得る。一実施形態において、コンタクト層２６は、２００５年８月２２日に出願された「Ｏｈｍｉｃ Ｃｏｎｔａｃｔ ｆｏｒ Ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｂａｓｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ」という発明の名称の、本願と同一の譲受人による同時係属中の米国特許出願第１１／２０８，６７９号に示され記載されているようなオーム接触を含み、同出願は、本明細書に参照として組み込まれている。
【００２３】
[0031]電子供給層１８および正孔供給層２２はまた、任意のタイプの電子／正孔供給層を含み得る。例えば、電子供給層１８は、ｎ型コンタクト層またはｎ型クラッド層などのｎ型半導体を含み得る。同様に、正孔供給層２２は、ｐ型コンタクト層またはｐ型クラッド層などのｐ型半導体を含み得る。さらに、正孔供給層２２は、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ／ＡｌＩｎＧａＮ短周期超格子などの多層構造を含み得る。各供給層１８、２２は、Ｇａ、Ａｌ、またはＩｎの１つ以上とともにＮを含み得る。一実施形態において、電子供給層１８は、ｎ型のＡｌＧａＮクラッド層を含み、正孔供給層２２は、ｐ型のＭｇドープされたＡｌＧａＮクラッド層を含む。他の形態において、正孔供給層２２は、Ｍｇ＋Ｏ、Ｍｇ＋Ｓｉ、および／または同類のものなどのＭｎ、Ｂｅ、Ｍｇコドーパントでドープされてもよい。
【００２４】
[0032]電子阻止層２４は、ｐ型ＡｌＧａＮ層などの任意のタイプの電子阻止層を含み得る。一実施形態において、電子阻止層２４は、正孔供給層２２の組成から電子阻止層２４の組成まで段階的に遷移する傾斜組成を含む。例えば、電子阻止層２４は、およそ５００オングストロームの厚みを有するＡｌＧａＮ組成を含みえ、Ａｌ組成は、およそ６０パーセントから５パーセントへ段階的に低減される（例えば、ほぼ線形）。これは、さまざまな形態を例示したものにすぎないことを理解されたい。例えば、成長条件に依存して、電子阻止層２４のＡｌ分率は、電子阻止層２４が光発生構造２０の近くに移動するにつれて、増大または低減し得る。さらに、Ａｌの含有量は、およそ１００％からおよそ０．１％の間で変動し得る。
【００２５】
[0033]図２は、本発明の実施形態による別の窒化物系発光ヘテロ構造３０を示し、同図において、図１のヘテロ構造１０の正孔供給層２２および電子阻止層２４は、傾斜組成正孔供給層２８と置き換えられている。傾斜組成正孔供給層２８は、層２８が光発生構造２０の近くに移動するにつれて、コンタクト層２６に隣接した正孔供給層組成（例えば、ｐ型ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ組成）から電子阻止層組成（例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ組成）へ遷移する傾斜組成を含み得る。特に、層２８におけるＡｌおよび／またはＩｎの量は、層２８の幅にわたって増減され得る（例えば、ほぼ線形）。例えば、層２８の厚みは、およそ１００ナノメートルであり得、Ａｌ組成は、およそ０．１％からおよそ７０％まで増大する。
【００２６】
[0034]図１を再度参照すると、光発生構造２０は、量子井戸３２のセットと、バリア層３４のセットとを含む。一般に、量子井戸３２およびバリア層３４のセットは、各量子井戸３２が少なくとも１つのバリア層３４によって隣接されるように交互にされ得る。光発生構造２０に、単一量子井戸３２およびバリア層３４を含む任意の数の量子井戸３２およびバリア層３４が含まれ得ることを理解されたい。各量子井戸３２は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、および／または同類のものなどの任意の組成を含み得る。一実施形態において、光発生構造２０は、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌの不均一クラスタリングを含む。不均一クラスタリングは、キャリアの閉じ込めおよび／または非輻射中心からのキャリアの分離を追加することによって、光発生構造２０からの発光を高めることができる。一般に、Ａｌの不均一クラスタリングは、クラスタを取り囲む材料のものとは異なる組成を含むナノスケールクラスタをさす。このようなクラスタは、光発生構造２０によって発生する光の所望の波長および／またはヘテロ構造１０を組み込むデバイスのデザインに応じて、１つ以上の量子井戸３２および／またはバリア層３４に組み込まれ得る。例えば、取り囲む材料は、各クラスタのものより高いＡｌ組成を含んでもよい。この場合、非平衡キャリアを局所化し、それらが他の非輻射中心によって捕捉されないようにし得るポテンシャル井戸が発生する。
【００２７】
[0035]光発生構造２０にある各バリア層３４は、傾斜組成を含み得る。各バリア層３４の傾斜組成、電子阻止層２４、および／または傾斜組成正孔供給層２８（図２）は、電子が量子井戸３２に入る前に電子のエネルギーを失わせる。一般に、高Ａｌ含有量層は、電子および正孔のバリアを含む。電子がｐ型材料内に透過しないように、高Ａｌ含有量層は、電子阻止層２４として使用される。しかしながら、これはまた、光発生領域へと移動する際に正孔にバリアを与える。本発明の実施形態において、各バリア層３４、電子阻止層２４、および／または傾斜組成正孔供給層２８は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、および／または同類のものなどの三元または四元の組成を含み得る。一実施形態において、各バリア層３４は、三元または四元のＡｌ傾斜組成を含む。
【００２８】
[0036]傾斜組成バリア層３４を最適化することで、良好な正孔注入を維持しながら、電子透過を抑制することができる。例えば、図３Ａ及び図３Ｂは、ＡｌＧａＮバリア層３４（図１）／ＧａＮ量子井戸３２（図１）の境界でのエネルギーと距離との関係を表した例示的なプロット３６Ａ及び３６Ｂを示し、同図において、それぞれ、ＡｌＧａＮバリア層３４が傾斜されていないものと、傾斜されているものとが示されている。図３Ａに示すように、ＡｌＧａＮバリア層３４におけるＡｌのモル分率は一定であり、その境界は、電子と正孔の両方のバリアを含む。しかしながら、図３Ｂにおいて、上記ＡｌＧａＮバリア層３４は、ＧａＮ量子井戸３２との境界でのゼロパーセントＡｌから、図３Ａに示すものと同じＡ１のモル分率まで変動する組成を有する。この場合、電子のバリアは増大する一方で、正孔のバリアは低減される。これにより、電子は、量子井戸３２においてより効率的に正孔と再結合することができる。
【００２９】
[0037]光発生構造２０における各量子井戸３２の厚み（幅）は、１つ以上の所望の動作特性を与えるように選択され得る。例えば、各量子井戸３２は、量子井戸３２において電子および正孔の非輻射再結合の原因となる１つ以上の欠陥の特性半径より小さい厚みを含み得る。一実施形態において、各量子井戸は、転位、深い不純物、および／または同類のものなどの欠陥の寸法より薄いおよそ２ナノメートルの厚みを含む。この点で、図４は、例示的な量子井戸３２のバンド図４０を示し、同図において、量子井戸の厚み４２は、非輻射再結合中心半径４４より小さい。
【００３０】
[0038]さらに、各量子井戸３２（図１）の厚みは、各量子井戸３２の電子基底状態が、１つ以上の分極効果によって生じるエネルギーのバンド曲がり範囲より高くなるように選択され得る。この点で、各量子井戸３２の厚みは、一般に、およそ２から５ナノメートル範囲にあり得るが、場合によっては、最大およそ１０ナノメートルまでなることもある。分極効果により、量子井戸３２に強い電場が生じる。これらの電場がバンド図を傾斜させることによって、実空間に電子と正孔の分離が生じ得る。所与の分極場に関して、量子井戸３２が厚いほど、バンドの傾斜が大きくなり、電子と正孔との分離が強くなる。例えば、図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、比較的厚い量子井戸と比較的薄い量子井戸の例示的なバンド図５０Ａ及び５０Ｂを示す。図５Ａにおいて、バンド図５０Ａは、電子基底状態が、分極場によって影響を受けるエネルギー領域内にある量子井戸を示す。この場合、電子および正孔の波動関数の重なり合いが非常に小さいことで、発光は非常に非効率的になってしまう。明確な対比として、図５Ｂは、比較的薄い量子井戸３２のバンド図５０Ｂを示し、同図において、電子基底状態は、分極場の効果がほとんどない、または、まったくないエネルギー領域にある。この場合、電子および正孔の波動関数の重なり合いが非常に大きいことで、発光は非常に効率的なものになる。
【００３１】
[0039]さらに、各量子井戸３２（図１）の厚みは、各量子井戸３２の電子基底状態が、同じ量子井戸３２の伝導バンドの底の最高エネルギーより高いエネルギーを確実にもつように選択され得る。この場合、電子の波動関数は、全量子井戸を占めることによって、正孔の波動関数との重なり合いが強くなる。例えば、Ｆｐ＝２ＭＶ／ｃｍ（２０ｍｅＶ／ｎｍ）の典型的な分極場の場合、バンド曲がりエネルギーは、ＢＢ＝Ｆｐｄに等しく、式中、ｄは量子井戸の厚みである。電子基底状態エネルギーは、
Ｅ０＝π２ｈ２／（２ｍｅｄ２）
（この値は、バンド曲がりが基底状態を押し上げるため実際にはさらに高い）
で近似でき、式中、ｈはプランク定数であり、ｍｅは電子の有効質量である（ＧａＮの場合０．２２８ｍ０と推定され得、式中、ｍ０は自由電子の静止質量である）。この場合、ｄの関数としてバンド曲がりとｄの関数としてのＧａＮの基底状態エネルギーとを比較すると、量子井戸３２の幅は、電子基底状態エネルギーがバンド曲がりエネルギーより確実に高くなるように、およそ４．５ナノメートルよりも小さくなければならない。
【００３２】
[0040]図６は、本発明の実施形態による、電子供給バリア層６２と、正孔供給バリア層６４とを含む別の窒化物系発光ヘテロ構造６０を示す。ヘテロ構造６０において、電子供給バリア層６２は、電子供給層１８に隣接し、光発生構造２０に入る電子が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを含むようなバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む。同様に、正孔供給バリア層６４は、正孔供給層２２に隣接し、光発生構造２０に入る正孔が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを含むようなバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む。この場合、光発生構造２０と電子阻止層２４との間の組成の違いは、正孔のみが、極性光学フォノンの電位差に遭遇するように調整され得る。この点で、図８は、量子井戸に入る電子が、極性光学フォノンエネルギーに近いエネルギーを有するようなバンド構造プロファイルを生じる、隣接する電子供給バリア層６２（図６）を有する量子井戸（破線）を示す。さらに、図８は、エネルギー空間での例示的な電子軌跡と、極性光学フォノンのエネルギーとを示す。窒化物層において、極性光学フォノンエネルギーは、層の組成に応じて、およそ９０ｍｅＶである。この場合、電子は、量子井戸に入るときに、９０ｍｅＶの数ｍｅＶ以内（例えば、およそ８７から９３ｍｅＶ）であるエネルギーを含み得る。
【００３３】
[0041]図７は、本発明の実施形態による分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造７２を含む別の窒化物系発光ヘテロ構造７０を示す。ＤＢＲ構造７２は、特定の波長の光を反射することで、ヘテロ構造７０の出力電力を高めることができる。さらに、ヘテロ構造７０は、正孔供給層２２が上側に配置されたｐ型層７４を含む。ＤＢＲ構造７２およびｐ型層７４の各々は、ヘテロ構造７０を使用して発生した光の所望の波長に基づいて任意の組成を含み得る。一実施形態において、ＤＢＲ構造７２は、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｂｅ、またはＭｇ＋Ｓｉドープされたｐ型組成を含む。ｐ型層７４がないヘテロ構造７０にＤＢＲ構造７２が含まれてもよいことを理解されたい。同様に、ｐ型層７４は、ＤＢＲ構造７２がないヘテロ構造７０に含まれてもよい。この場合、ｐ型層７４は、ｐ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮを含んでもよい。ｐ型層７４は、電子阻止層２４（図１）の代わりであってもよく、および／または、正孔供給層２２と電子阻止層２４との間に組み込まれてもよい。
【００３４】
[0042]さらに、正孔供給層２２上にわたって陽極酸化アルミニウム層７６を含むことで、ヘテロ構造７０から光を抽出する効率を高めることができるヘテロ構造７０が示される。一実施形態において、陽極酸化アルミニウム層７６および正孔供給層２２は、光結晶を形成する正孔のセットを含む。さらに、正孔供給層２２は、各々が陽極酸化アルミニウム層７６にある正孔に整列される正孔のセットを含み得る。いずれの場合も、正孔の１つ以上は、屈折率が正孔供給層２２の組成とは異なるＳｉＯ２などの材料を含み得る（例えば、充填され得る）。
【００３５】
[0043]本明細書に示し記述したさまざまなヘテロ構造は、本発明に従って実施され得る多数のヘテロ構造の構成の例示的なものにすぎないことを理解されたい。特に、本発明によれば、ヘテロ構造は、１つ以上の追加層、１つ以上のより少数の層を含みえ、および／または層の順序は、１つ以上の所望の動作特性に基づいて変更され得る。さらに、各層は、所望の動作特性および／またはデバイス構成に基づいて、より低い層をすべてまたは部分的に覆うように構成され得る。さらに、１つ以上の追加のデバイスコンポーネントがヘテロ構造に追加され得る。この点で、本発明により、本明細書に記載するヘテロ構造を含む、例えば、発光ダイオード、レーザ、および／または同類のものなどの発光デバイスなどのさまざまなタイプのデバイスも提供される。
【００３６】
[0044]本発明により、本明細書に記載するヘテロ構造／デバイスの各々を発生する方法がさらに提供される。特に、本明細書に記載するさまざまな層の各々は、任意の解決策を用いて、隣接する層または介在層上に形成され得る（例えば、堆積、成長、および／または同類のもの）。例えば、図１を参照すると、ヘテロ構造１０は、基板１２を獲得し、基板１２上にバッファ層１４を形成し、バッファ層１４上にストレインリリーフ構造１６を形成し、ストレインリリーフ構造１６上に電子供給層１８を形成し、電子供給層１８上に光発生構造２０を形成し（１つ以上の交互の量子井戸３２およびバリア層３４を形成することを含み得る）、光発生表面２０上に電子阻止層２４を形成し、電子阻止層２４上に正孔供給層２２を形成し、および電子阻止層２６上にコンタクト層２６を形成することによって発生され得る。各堆積ステップが、１つ以上のマスクおよび／または同類のものの使用を含み得ることを理解されたい。さらに、デバイスを発生するために、ヘテロ構造に追加の処理が実行され得る（例えば、１つ以上の所望のコンポーネントを追加する処理）。
【００３７】
[0045]本発明のさまざまな態様の前述した記載は、例示および記載の目的のために与えられたものである。網羅的なものを意図したものでも、本発明を開示した正確な形態に限定することを意図したものではなく、多数の修正例および変形例が可能であることは明らかである。当業者に明らかであろうこのような修正例および変形例は、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態による例示的な窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図２】本発明の実施形態による別の窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図３Ａ】バリア層が傾斜されていない場合のバリア層／量子井戸の境界のエネルギーと距離との関係を示す例示的なプロットを示す。
【図３Ｂ】バリア層が傾斜されている場合のバリア層／量子井戸の境界のエネルギーと距離との関係を示す例示的なプロットを示す。
【図４】本発明の実施形態による例示的な量子井戸のバンド図を示す。
【図５Ａ】比較的厚い量子井戸の例示的なバンド図を示す。
【図５Ｂ】比較的薄い量子井戸の例示的なバンド図を示す。
【図６】本発明の実施形態による、電子供給バリア層と、正孔供給バリア層とを含む別の窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図７】本発明の実施形態による、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造と、陽極酸化アルミニウム層とを含む別の窒化物系発光ヘテロ構造を示す。
【図８】本発明の実施形態による、隣接した電子供給バリア層を有する量子井戸を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子供給層と、
正孔供給層と、
前記電子供給層と前記正孔供給層との間に配置された光発生構造と
を備え、前記光発生構造が、
各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、
各々が前記バリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットと
を含む、窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項２】
前記量子井戸の各々の厚みが、該各量子井戸の電子基底状態が、分極効果のセットによって生じるエネルギーのバンド曲がり範囲より高くなるような厚みである、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項３】
前記量子井戸の各々の厚みが、該各量子井戸の電子基底状態が、対応する該各量子井戸の伝導バンドの底より高いエネルギーになるような厚みである、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項４】
前記バリア層の各々が、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの組成の１つを含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項５】
前記光発生構造と前記正孔供給層との間に配置された電子阻止層をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項６】
前記電子阻止層が、正孔供給層組成から電子阻止層組成へ遷移する傾斜組成を含む、請求項５に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項７】
前記正孔供給層が、正孔供給層組成から前記光発生構造により近い電子阻止層組成へ遷移する傾斜組成を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項８】
基板と、
前記基板上のバッファ層と、
前記バッファ層上にわたるストレインリリーフ構造と
をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項９】
前記電子供給層が、ｎ型のコンタクト層を含み、前記正孔供給層が、ｐ型のコンタクト層を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１０】
前記電子供給層に隣接した少なくとも１つのバリア層をさらに備え、前記少なくとも１つのバリア層が、前記光発生構造に入る電子が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを有するバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１１】
前記正孔供給層に隣接した少なくとも１つのバリア層をさらに備え、前記少なくとも１つのバリア層が、前記光発生構造に入る正孔が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを有するバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１２】
前記正孔供給層が、ドープされた短周期超格子を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１３】
前記光発生構造と前記正孔供給層との間に配置されたｐ型の層をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１４】
前記光発生構造上にわたって配置された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１５】
前記ＤＢＲ構造が、ドープされたｐ型組成を含む、請求項１４に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１６】
前記正孔供給層上にわたって配置された陽極酸化アルミニウム層をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１７】
前記正孔供給層および前記陽極酸化アルミニウム層が、光結晶を形成する複数の正孔を含む、請求項１６に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１８】
前記正孔供給層が、正孔のセットを含み、前記正孔の各々が、陽極酸化アルミニウム層にある正孔に整列される、請求項１６に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１９】
前記正孔のセットの少なくとも１つが、ｐ型層の組成とは異なる屈折率を有する材料を含む、請求項１８に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項２０】
基板と、
前記基板上のバッファ層と、
前記バッファ層上にわたるストレインリリーフ構造と、
前記ストレインリリーフ構造上にわたる電子供給層と、
正孔供給層と、
前記電子供給層と前記正孔供給層との間に配置された光発生構造と
を備え、前記光発生構造が、
各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、
各々が前記バリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットと
を含む、窒化物系発光デバイス。
【請求項２１】
発光ダイオードまたはレーザの１つとして動作するように構成された、請求項２０に記載の窒化物系発光デバイス。
【請求項２２】
基板を獲得するステップと、
前記基板上にわたる電子供給層を形成するステップと、
各々が傾斜組成を含むバリア層のセットを形成する工程と、各々が前記バリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットを形成する工程とを含む、前記電子供給層上にわたって光発生構造を形成するステップと、
前記光発生構造上にわたる正孔供給層を形成するステップと
を含む、窒化物系発光ヘテロ構造の発生方法。
【請求項１】
電子供給層と、
正孔供給層と、
前記電子供給層と前記正孔供給層との間に配置された光発生構造と
を備え、前記光発生構造が、
各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、
各々が前記バリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットと
を含む、窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項２】
前記量子井戸の各々の厚みが、該各量子井戸の電子基底状態が、分極効果のセットによって生じるエネルギーのバンド曲がり範囲より高くなるような厚みである、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項３】
前記量子井戸の各々の厚みが、該各量子井戸の電子基底状態が、対応する該各量子井戸の伝導バンドの底より高いエネルギーになるような厚みである、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項４】
前記バリア層の各々が、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの組成の１つを含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項５】
前記光発生構造と前記正孔供給層との間に配置された電子阻止層をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項６】
前記電子阻止層が、正孔供給層組成から電子阻止層組成へ遷移する傾斜組成を含む、請求項５に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項７】
前記正孔供給層が、正孔供給層組成から前記光発生構造により近い電子阻止層組成へ遷移する傾斜組成を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項８】
基板と、
前記基板上のバッファ層と、
前記バッファ層上にわたるストレインリリーフ構造と
をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項９】
前記電子供給層が、ｎ型のコンタクト層を含み、前記正孔供給層が、ｐ型のコンタクト層を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１０】
前記電子供給層に隣接した少なくとも１つのバリア層をさらに備え、前記少なくとも１つのバリア層が、前記光発生構造に入る電子が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを有するバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１１】
前記正孔供給層に隣接した少なくとも１つのバリア層をさらに備え、前記少なくとも１つのバリア層が、前記光発生構造に入る正孔が、極性光学フォノンのエネルギーとほぼ同じエネルギーを有するバンド構造プロファイルを生じる傾斜組成を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１２】
前記正孔供給層が、ドープされた短周期超格子を含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１３】
前記光発生構造と前記正孔供給層との間に配置されたｐ型の層をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１４】
前記光発生構造上にわたって配置された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１５】
前記ＤＢＲ構造が、ドープされたｐ型組成を含む、請求項１４に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１６】
前記正孔供給層上にわたって配置された陽極酸化アルミニウム層をさらに含む、請求項１に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１７】
前記正孔供給層および前記陽極酸化アルミニウム層が、光結晶を形成する複数の正孔を含む、請求項１６に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１８】
前記正孔供給層が、正孔のセットを含み、前記正孔の各々が、陽極酸化アルミニウム層にある正孔に整列される、請求項１６に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項１９】
前記正孔のセットの少なくとも１つが、ｐ型層の組成とは異なる屈折率を有する材料を含む、請求項１８に記載の窒化物系発光ヘテロ構造。
【請求項２０】
基板と、
前記基板上のバッファ層と、
前記バッファ層上にわたるストレインリリーフ構造と、
前記ストレインリリーフ構造上にわたる電子供給層と、
正孔供給層と、
前記電子供給層と前記正孔供給層との間に配置された光発生構造と
を備え、前記光発生構造が、
各々が傾斜組成を含むバリア層のセットと、
各々が前記バリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットと
を含む、窒化物系発光デバイス。
【請求項２１】
発光ダイオードまたはレーザの１つとして動作するように構成された、請求項２０に記載の窒化物系発光デバイス。
【請求項２２】
基板を獲得するステップと、
前記基板上にわたる電子供給層を形成するステップと、
各々が傾斜組成を含むバリア層のセットを形成する工程と、各々が前記バリア層と隣接し、非輻射再結合の原因である少なくとも１つの欠陥の特性半径より小さい厚みを有する量子井戸のセットを形成する工程とを含む、前記電子供給層上にわたって光発生構造を形成するステップと、
前記光発生構造上にわたる正孔供給層を形成するステップと
を含む、窒化物系発光ヘテロ構造の発生方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００８−５２３６２３（Ｐ２００８−５２３６２３Ａ）
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４５５４３（Ｐ２００７−５４５５４３）
【出願日】平成１７年１２月５日（２００５．１２．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４３８６６
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６２８８０
【国際公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（５０７１８６４６９）センサー エレクトロニック テクノロジー インコーポレイテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月５日（２００５．１２．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４３８６６
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６２８８０
【国際公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【出願人】（５０７１８６４６９）センサー エレクトロニック テクノロジー インコーポレイテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]