長波長放射を有する非極性ＩＩＩ窒化物発光ダイオード
ｍ平面基板上に成長するＩＩＩ窒化物薄膜は、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚および８ｎｍ以上の井戸厚を有する複数の量子井戸（ＭＱＷ）を含む。放射波長は、ＭＱＷのバリヤー厚を選択することによって制御され得る。ＩＩＩ窒化物薄膜を用いて製作されるデバイスは、長波長放射を有する非極性ＩＩＩ窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。ＩＩＩ窒化物薄膜は、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．Ｓｅｃｔｉｏｎ １１９（ｅ）の下における、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＷＩＴＨ ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＥＭＩＳＳＩＯＮ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４７−ＵＳ−Ｐ１（２００８−００４−１）である、米国仮特許出願第６０／９５４，７７０号の利益を主張し、該仮特許出願は本明細書に参考として援用される。
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中で同一人に譲渡された米国特許出願に関連する。すなわち
Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００８年６月１６日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｕ１（２００７−６７４−２）である、米国出願第１２／１４０，０９６号であり、該出願は、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００７年６月１５日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７４−１）である、米国仮出願第６０／９４４，２０６号の利益を主張し、そして、
Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって本出願と同日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４９−ＵＳ−Ｕ１（２００８−０６３−２）である、米国出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号であり、該出願は、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４９−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６３−１）である、米国仮出願第６０／９５４，７４４号、および、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４８−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６２−１）である、米国仮出願第６０／９５４，７６７号の利益を主張し、
これらの出願のすべてが、本明細書に参考として援用される。
【０００３】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）に関し、より詳細には、波長が、複数の量子井戸（ＭＱＷ）のバリヤー厚を選択することによって制御され得る非極性ＩＩＩ窒化物ＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の説明）
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびにアルミニウムおよびインジウムを含んでいるＧａＮの三元化合物および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視および紫外の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの製作のために十分に確立されている。これらの化合物は、本明細書において、ＩＩＩ窒化物、もしくはＩＩＩ窒化物、もしくは単に窒化物と呼ばれるか、または命名法（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎによって表される。これらの化合物から作られるデバイスは典型的には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、およびハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含む成長技術を用いてエピタキシャル成長させられる。
【０００５】
電子デバイスおよび光電子デバイスの現在の窒化物技術は、極性のｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いる。しかしながら、ＩＩＩ窒化物ベースの光電子デバイスおよび電子デバイスにおける従来のｃ平面量子井戸構造は、強い圧電分極および自発分極の存在により、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を被る。ｃ方向に沿った強い固有の電界は、電子および空孔の空間的分離を引き起こし、このことは今度は、キャリア再結合効率の制限、発振器強度の減少、および長波長シフトエミッション（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を生じさせる。
【０００６】
ＩＩＩ族窒化物光電子デバイスにおける自発分極効果および圧電分極効果を除去する１つのアプローチは、結晶の非極性平面上にデバイスを成長させることである。例えば、ＧａＮ結晶において、そのような平面は、等しい数のＧａ原子およびＮ原子を含み、電荷中立である。さらに、その後の非極性層は、互いに等価であり、それでバルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。ＧａＮにおける対称−等価の非極性平面の２つのそのような族は、総称的にａ平面として公知の｛１１−２０｝族であり、総称的にｍ平面として公知の｛１０−１０｝族である。
【０００７】
分極のもう一つの原因は、圧電分極である。これは、非類似の組成物（および従って異なる格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が窒化物ヘテロ構造で成長するときに起り得るように、材料が圧縮ひずみまたは引張りひずみを受けるとき、起る。例えば、ＧａＮ鋳型（ｔｅｍｐｌａｔｅ）上の薄いＡｌＧａＮ層は、平面内の引張りひずみを有し、ＧａＮ鋳型上の薄いＩｎＧａＮ層は、平面内の圧縮ひずみを有し、これらは両方ともＧａＮに整合する格子に起因する。従って、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸に対して圧電分極は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向とは反対の方向に向く。ＧａＮに整合するＡｌＧａＮ層格子に対して、圧電分極は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向と同じ方向に向く。
【０００８】
ｃ平面窒化物の上に非極性平面を用いる利点は、総分極が減少させられることである。特定の平面上における特定の合金組成物に対してゼロ分極でさえもあり得る。そのようなシナリオは、将来の科学論文において詳細に論議されるであろう。重要な点は、ｃ平面窒化物構造の分極に比較して分極が減少させられることである。
【０００９】
非極性軸上ｍ平面ＧａＮ上の高性能光電子デバイスが明示されてきたが、ｍ平面ＧａＮ上に成長するＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷから長波長放射を得ることは困難である。これは、おそらくＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの低Ｉｎ含有に起因する。ｍ平面上に成長するデバイスの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、一方、同じ成長条件でｃ平面上に成長するデバイスの放射波長は４５０ｎｍである。成長温度を下げることは、Ｉｎ含有を増加させるが、結晶品質が劣化する。これは、青、緑、黄、および白のＬＥＤなどの用途に対して重大な問題である。
【００１０】
本発明は、デバイスからの放射波長がデバイスにおけるＭＱＷのバリヤー厚によって制御され得る非極性ＩＩＩ窒化物発光デバイスの成長のための技術を説明する。例えば、本発明は、分極の効果なしに、青および緑の放射を得た。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
(発明の概要)
上記の先行技術の制限を克服し、本明細書を読みそして理解するとすぐ明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、ｍ平面基板上に成長するＩＩＩ窒化物薄膜を開示し、薄膜におけるＭＱＷのバリヤー厚は２７．５ｎｍ以上である。
【００１２】
具体的には、本発明は、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸から構成されるＩＩＩ窒化物薄膜を開示する。量子井戸は、少なくとも第１のバリヤーと第２のバリヤーとの間に挟まれ得、第１のバリヤーおよび第２のバリヤーは、各々２７．５ｎｍ以上の厚さを有する。さらに、量子井戸の厚さは、８ｎｍ以上であり得る。
【００１３】
量子井戸は、非極性であり得る。さらに、量子井戸は薄膜を通過する入射電流の範囲に応答してピーク波長を有する光を放射し、量子井戸は、非極性配向を有し得、その結果、
量子井戸とバリヤー厚との間の界面および量子井戸間の界面は、非極性平面であり、非極性平面および活性層の合金組成物は、薄膜または量子井戸の分極を減少させるように選択され、その結果、ピーク波長は入射電流の範囲に対して実質的に一定のままであり、それによって、量子井戸または薄膜の非極性の度合を定義する。入射電流の範囲は放射された光の強度の範囲を生成し得、最大の強度は最小強度の少なくとも３７倍である。
【００１４】
量子井戸は、２つ以上の量子井戸（すなわちＭＱＷ）を備え得る。薄膜は、ｍ平面ＧａＮ上に成長し得る。量子井戸はＩｎＧａＮ量子井戸であり得、バリヤーはＧａＮバリヤーであり得る。
【００１５】
バリヤー厚は４７５ｎｍより長いピーク波長を有する量子井戸から光放射を得るように選択され得、光放射は、ＩＩＩ窒化物薄膜の伝導帯における量子井戸状態の電子とＩＩＩ窒化物薄膜の価電子帯における量子井戸状態の空孔との間の電子空孔対再結合に起因し得る。バリヤー厚を増加させることは放射波長を増加させる。
【００１６】
さらに、本発明は、上記のＩＩＩ窒化物薄膜を用いて製作されるデバイスを開示する。例えば、薄膜は、発光デバイスの活性層であり得る。
【００１７】
最後に、本発明は、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸から光を放射することを包含する、ＩＩＩ窒化物薄膜から光を放射する方法
、および、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸を成長させることを包含する、ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法を開示する。
【００１８】
ここで図面を参照すると、同様の参照番号は、全体を通じて対応する部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】図１（ａ）は、本発明の薄膜の断面概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に描かれる薄膜の層を通る帯域図である。
【図１ｂ】図１（ａ）は、本発明の薄膜の断面概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に描かれる薄膜の層を通る帯域図（ｂａｎｄ ｄｉａｇｒａｍ）である。
【図２】図２は、量子井戸によって放射される波長対量子井戸のバリヤー厚を表すグラフである。
【図３】図３は、種々の入射電流に対して、３７．５ｎｍのバリヤー厚を有するＬＥＤのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルを示し、スペクトルは、下から上まで、１ｍＡ、２ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、５０ｍＡ、６０ｍＡ、７０ｍＡ、８０ｍＡ、９０ｍＡ、および１００ｍＡの入射電流に対するスペクトルである。
【図４】図４は、量子井戸からのピーク放射波長対電流のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（発明の詳細な説明）
好ましい実施形態の以下の説明において、本明細書の一部を形成する添付図面に参照がなされ、該図面において本発明が実施され得る特定の実施形態が例示として示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、構造的な変更がなされ得ることは理解されるべきである。
【００２１】
（概観）
本発明は、薄膜からの放射波長が、薄膜におけるＭＱＷのバリヤー厚を選択することによって制御され得るｍ平面基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜を説明する。
【００２２】
現在の窒化物デバイスは、典型的には極性の［０００１］ｃ方向に成長し、このことは、結果として垂直デバイスにおける一次伝導方向に沿った電荷分離をもたらす。結果として生じる分極電界は、最新技術の光電子デバイスの性能に有害である。
【００２３】
非極性方向に沿ったこれらのデバイスの成長は、伝導方向に沿った固有の電界を減少させることによってデバイス性能を実質的に改善した。しかしながら、軸上のｍ平面に成長するＬＥＤの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、これは光学デバイスの用途に限定される。
【００２４】
本発明の新規な特徴は、長波長を放射するＩＩＩ窒化物薄膜が厚いバリヤーＭＱＷを用いて成長させられ得ることである。この証明として、本発明は、様々なバリヤー厚を有するｍ平面基板上にＩｎＧａＮ／ＧａＮＩベースのＬＥＤを成長させた。１２．５ｎｍのバリヤー厚を有する成長した薄膜の放射波長は４３９ｎｍであり、一方、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する成長した薄膜の放射波長は４８０ｎｍであった。
【００２５】
（技術的な説明）
本発明は、成長プロセスにおいてＭＱＷの厚いバリヤーを利用して長放射波長を有するＩＩＩ窒化物薄膜を備えている。一実施形態において、バリヤー厚は、２７．５ｎｍ以上であり、ＭＱＷから超波長放射を得る。
【００２６】
図１（ａ）は、２７．５ｎｍ以上の厚さ１０６ａ、１０６ｂのバリヤー層１０４ａ、１０４ｂを有する１つ以上の量子井戸１０２を備えているＩＩＩ窒化物膜１００を例示する。量子井戸１０２は、典型的にはＩＩＩ窒化物量子井戸を含むインジウムである。量子井戸１０２は、典型的には第１のバリヤー１０４ａと第２のバリヤー１０４ｂとの間に挟まれ、第１のバリヤー１０４ａおよび第２のバリヤー１０４ｂは各々、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを有する。薄膜１００は、量子井戸１０２と、厚さ１０６ａを有する第１のバリヤー１０４ａと、厚さ１０６ｂを有する第２のバリヤー１０４ｂとを備え得る。
【００２７】
量子井戸１０２の厚さ１０８は、８ｎｍ以上であり得る。薄膜の量子井戸１０２は、非極性であり得る。薄膜１００は、２つ以上の量子井戸１０２を備え得、それによってＭＱＷを形成し、量子井戸１０２の各々は、バリヤー層１０４ａ、１０４ｂによって覆われる（例えば、ＭＱＷは、複数の積み重ねられた量子井戸同期を含み得、量子井戸同期は、バリヤー１０４ａ、１０４ｂによって覆われた量子井戸１０２を含む）。薄膜１００に対する成長基板は、ｍ平面ＧａＮ１１０であり得る。薄膜１００は、ＬＥＤなどのデバイスを製作するために、バリヤー１０４ｂと基板１１０の間のｎ型層、およびバリヤー層１０４ａ上のｐ型層などのさらなる層を備え得る。量子井戸１０２はＩｎＧａＮ量子井戸であり得、バリヤー１０４ａ、１０４ｂはＧａＮバリヤーであり得る。
【００２８】
図１（ｂ）は、層１０４ａ、１０２および１０４ｂを通って上から下における位置の関数としての薄膜１００の概略帯域図であり、量子井戸１０２の量子井戸エネルギ１１２ａを備えている伝導帯と、量子井戸１０２の量子井戸エネルギ１１２ｂを備えている価電子帯と、第１のバリヤー１０４ａの第１のバリヤーエネルギ１１４ａを備えている伝導帯と、第１のバリヤー１０４ａの第１のバリヤーエネルギ１１４ｂを備えている価電子帯エネルギと、第２のバリヤー１０４ｂの第２のバリヤーエネルギ１１６ａを備えている伝導帯と、第２のバリヤー１０４ｂの第２のバリヤーエネルギ１１６ｂを備えている価電子帯エネルギとを備えている伝導帯とを示す。バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂは、量子井戸１０２から、例えば４００ｎｍまたは４７５ｎｍより長いピーク波長を有する光放射を得るように選択され得る。
【００２９】
図１（ｂ）は、ＩＩＩ窒化物薄膜１００の伝導帯における１２４ａ、１２４ｂなどの量子井戸状態における電子１２２と、ＩＩＩ窒化物薄膜１００の価電子帯における１２８ａ、１２８ｂなどの量子井戸状態における孔１２６との間の電子空孔対再結合１２０から光放射１１８がどのように生じ得るかを示す。
【００３０】
本発明において、ＬＥＤデバイス構造のエピタキシャル層は、従来のＭＯＣＶＤ法を用いて、固定されていないｍ平面ＧａＮ基板上に成長させられた。ＬＥＤ構造は、５μｍ厚のＳｉドープ処理されたＧａＮ層と、６期間のＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＷと、１５ｎｍ厚のドープ処理されていないＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層と、０．３μｍ厚のＭｇドープ処理されたＧａＮとから構成された。ＭＱＷは、８ｎｍ厚のＩｎＧａｎ井戸を備えていた。ＧａＮバリヤー厚は、１２．５ｎｍから４２．５ｎｍに変化させられた。ＬＥＤ構造の結晶成長後、試料はｐ型活性のためにアニーリングされ、その後、ｎ型およびｐ型の金属化プロセスが実行された。ｐ接点は３００μｍの直径を有し、放射特性は室温で測定された。測定は、室温で１ｍＡ〜１００ｍＡ（ＤＣ）の順方向電流で実行された。
【００３１】
（実験結果）
バリヤー厚の関数としての、２０ｍＡでのＬＥＤのＥＬピーク波形が、図２に示される。測定は、室温で２０ｍＡ（ＤＣ）の順方向電流で実行された。８ｎｍ（１２．５ｎｍ）の井戸（バリヤー）厚を有するＬＥＤの放射波長は、４３９ｎｍであることが見出された。ピーク波長がバリヤー厚を１２．５ｎｍから２７．５ｎｍに増加させることによって増加するように見えることが見出された。１２．５ｎｍ、２０ｎｍ、および２７．５ｎｍのバリヤー厚を有するＬＥＤのピーク放射波長は、それぞれ４３９ｎｍ、４５５ｎｍ、および４８３ｎｍであった。２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有するＬＥＤのピーク放射波長は、おおよそ４８０ｎｍであった。従って、ｍ平面基板上で２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する厚いバリヤーＭＱＷによって長波長の放射を得ることが可能である。
【００３２】
図３は、様々な入射電流に対する、３７．５ｎｍのバリヤー厚を有するＬＥＤのＥＬスペクトルを示す。すべてのスペクトルが４７５ｎｍ近辺で単一のピーク放射波長を示すことが見出された。
【００３３】
入射電流の関数としてのＥＬ強度およびピーク波長が、図４に示される。１ｍＡおよび１００ｍＡでのピーク波長は、それぞれ４７８．４ｎｍおよび４７６．１ｎｍであり、２．３ｎｍの青へのシフトが観察されたことを示した。このことは、分極が減少したことを示唆する。
【００３４】
図３および図４はまた、量子井戸１０２が薄膜１００を通過する入射電流の範囲に応答して、ピーク波長を有する光１１８を放射することが可能であり得る方法を示し、そして量子井戸は、量子井戸１０２とバリヤー厚１０６ａ、１０６ｂの間の界面１３０ａ、１３０ｂ、および量子井戸１０２同期間の界面１３２が非極性平面となるように非極性配向を有し得、非極性平面および／または活性層（例えば、量子井戸１０２および／またはバリヤー１０４ａ、１０４ｂ）の合金組成物は、薄膜１００の分極を減少させるように選択され得、その結果、ピーク波長は、入射電流の範囲に対して実質的に一定（例えば、２．３ｎｍのピーク波長以内であるが、これに限定されない）のままであり、それによって、量子井戸１０２または薄膜１００の非極性の度合を定義する。電流の範囲は放射された光の強度の範囲を生成し得、最大強度は、例えば最小強度の少なくとも３７倍である（すなわち、電流の範囲における最大電流は、電流の範囲において最小電流によって作られる最小強度の少なくとも３７倍である最大強度を作る）。しかしながら、電流の範囲および強度は、特定の範囲に限定されない。
【００３５】
（可能な修正および変形）
上記のｍ平面ＧａＮの固定されていない基板の他に、ａ平面基板、もしくはＧａＮのミスカット基板、または、ｃ−Ａｌ２Ｏ３、ｒ−Ａｌ２Ｏ３、ｍ平面ＳｉＣ、ＺｎＯ、およびγ−ＬｉＡｌＯ２などの他の異質の基板もまた、開始材料として用いられ得る。非極性ＩＩＩ窒化物化合物の成長に適した任意の基板が用いられ得る。
【００３６】
本発明はＩｎＧａＮ／ＧａＮ薄膜を用いて明示されたが、ＡｌＮ、ＩｎＮまたは任意の関連した合金（例えば、ＩＩＩ族窒化物化合物）もまた、用いられ得る。
【００３７】
本発明は、上記のＭＯＣＶＤエピタキシャル成長法に限定されるのではなく、ＨＶＰＥ、ＭＢＥなどの他の結晶成長方法も用い得る。
【００３８】
さらに、当業者は、これらの技術、プロセス、材料などが、ｃ軸方向、ｃ平面基板などの他の方向にａ平面基板、ミスカット基板にも適用し、類似の結果を得ることを認識する。
【００３９】
バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを増加させることが量子井戸１０２からの光放射１１８のピーク波長を４００ｎｍを超えて増加させる限り、本発明は、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂまたは井戸厚１０８の特定の範囲に限定されない。デバイスは薄膜１００を用いて製作され得、例えば、薄膜１００、具体的にはバリヤー１０４ａ、１０４ｂによって覆われた量子井戸１０２は、発光デバイスの活性層であり得る。デバイス構造は、特定の発光デバイス構造に限定されないで、例えば、デバイスはＬＥＤであり得、薄膜１００は、活性層に電力を供給するためにｎ型層とｐ型層との間に活性層をさらに備え得、活性層は、２つのバリヤー層１０４ａ、１０４ｂの間に挟まれたインジウム含有ＩＩＩ窒化物量子井戸１０２であり得、バリヤー層１０４ａ、１０４ｂの各々の厚さ１０６ａ、１０６ｂは、例えば４００ｎｍまたは４７５ｎｍより長いピーク波長を有する光放射１１８を量子井戸１０２から得るように選択され得る。例えば、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂは、４２５ｎｍより大きいピーク波長を有する光放射１１８を達成するために１０ｎｍ以上であるように選択され得、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを１０ｎｍを超えて増加させることは、ピーク波長を増加させる。従って、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを増加させることは、放射波長を増加させ得る。ＩＩＩ族窒化物薄膜１００は、発光デバイスの活性層であり得る。
【００４０】
（利点および改良）
本発明以前に、軸上ｍ平面ＧａＮエピタキシャル層上に成長したＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの放射波長は、おおよそ４００ｎｍに限定された。ＭＱＷのバリヤー厚を制御することによって、構造からの長波長放射が達成され得る。
【００４１】
例えば、分極効果のない青、緑、黄、および白のＬＥＤは、デバイスの性能を高める。さらに、本発明は、任意のデバイスの性能を高める。
【００４２】
（結論）
ここでは、本発明の好ましい実施形態の説明の結論を下す。本発明の１つ以上の実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的のために提示された。網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されない。上記の教示を考慮して多くの修正および変形が可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明によって限定されるのではなく、逆に本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．Ｓｅｃｔｉｏｎ １１９（ｅ）の下における、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＷＩＴＨ ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＥＭＩＳＳＩＯＮ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４７−ＵＳ−Ｐ１（２００８−００４−１）である、米国仮特許出願第６０／９５４，７７０号の利益を主張し、該仮特許出願は本明細書に参考として援用される。
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中で同一人に譲渡された米国特許出願に関連する。すなわち
Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００８年６月１６日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｕ１（２００７−６７４−２）である、米国出願第１２／１４０，０９６号であり、該出願は、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００７年６月１５日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７４−１）である、米国仮出願第６０／９４４，２０６号の利益を主張し、そして、
Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって本出願と同日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４９−ＵＳ−Ｕ１（２００８−０６３−２）である、米国出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号であり、該出願は、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４９−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６３−１）である、米国仮出願第６０／９５４，７４４号、および、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４８−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６２−１）である、米国仮出願第６０／９５４，７６７号の利益を主張し、
これらの出願のすべてが、本明細書に参考として援用される。
【０００３】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）に関し、より詳細には、波長が、複数の量子井戸（ＭＱＷ）のバリヤー厚を選択することによって制御され得る非極性ＩＩＩ窒化物ＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の説明）
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびにアルミニウムおよびインジウムを含んでいるＧａＮの三元化合物および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視および紫外の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの製作のために十分に確立されている。これらの化合物は、本明細書において、ＩＩＩ窒化物、もしくはＩＩＩ窒化物、もしくは単に窒化物と呼ばれるか、または命名法（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎによって表される。これらの化合物から作られるデバイスは典型的には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、およびハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含む成長技術を用いてエピタキシャル成長させられる。
【０００５】
電子デバイスおよび光電子デバイスの現在の窒化物技術は、極性のｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いる。しかしながら、ＩＩＩ窒化物ベースの光電子デバイスおよび電子デバイスにおける従来のｃ平面量子井戸構造は、強い圧電分極および自発分極の存在により、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を被る。ｃ方向に沿った強い固有の電界は、電子および空孔の空間的分離を引き起こし、このことは今度は、キャリア再結合効率の制限、発振器強度の減少、および長波長シフトエミッション（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を生じさせる。
【０００６】
ＩＩＩ族窒化物光電子デバイスにおける自発分極効果および圧電分極効果を除去する１つのアプローチは、結晶の非極性平面上にデバイスを成長させることである。例えば、ＧａＮ結晶において、そのような平面は、等しい数のＧａ原子およびＮ原子を含み、電荷中立である。さらに、その後の非極性層は、互いに等価であり、それでバルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。ＧａＮにおける対称−等価の非極性平面の２つのそのような族は、総称的にａ平面として公知の｛１１−２０｝族であり、総称的にｍ平面として公知の｛１０−１０｝族である。
【０００７】
分極のもう一つの原因は、圧電分極である。これは、非類似の組成物（および従って異なる格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が窒化物ヘテロ構造で成長するときに起り得るように、材料が圧縮ひずみまたは引張りひずみを受けるとき、起る。例えば、ＧａＮ鋳型（ｔｅｍｐｌａｔｅ）上の薄いＡｌＧａＮ層は、平面内の引張りひずみを有し、ＧａＮ鋳型上の薄いＩｎＧａＮ層は、平面内の圧縮ひずみを有し、これらは両方ともＧａＮに整合する格子に起因する。従って、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸に対して圧電分極は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向とは反対の方向に向く。ＧａＮに整合するＡｌＧａＮ層格子に対して、圧電分極は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向と同じ方向に向く。
【０００８】
ｃ平面窒化物の上に非極性平面を用いる利点は、総分極が減少させられることである。特定の平面上における特定の合金組成物に対してゼロ分極でさえもあり得る。そのようなシナリオは、将来の科学論文において詳細に論議されるであろう。重要な点は、ｃ平面窒化物構造の分極に比較して分極が減少させられることである。
【０００９】
非極性軸上ｍ平面ＧａＮ上の高性能光電子デバイスが明示されてきたが、ｍ平面ＧａＮ上に成長するＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷから長波長放射を得ることは困難である。これは、おそらくＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの低Ｉｎ含有に起因する。ｍ平面上に成長するデバイスの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、一方、同じ成長条件でｃ平面上に成長するデバイスの放射波長は４５０ｎｍである。成長温度を下げることは、Ｉｎ含有を増加させるが、結晶品質が劣化する。これは、青、緑、黄、および白のＬＥＤなどの用途に対して重大な問題である。
【００１０】
本発明は、デバイスからの放射波長がデバイスにおけるＭＱＷのバリヤー厚によって制御され得る非極性ＩＩＩ窒化物発光デバイスの成長のための技術を説明する。例えば、本発明は、分極の効果なしに、青および緑の放射を得た。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
(発明の概要)
上記の先行技術の制限を克服し、本明細書を読みそして理解するとすぐ明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、ｍ平面基板上に成長するＩＩＩ窒化物薄膜を開示し、薄膜におけるＭＱＷのバリヤー厚は２７．５ｎｍ以上である。
【００１２】
具体的には、本発明は、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸から構成されるＩＩＩ窒化物薄膜を開示する。量子井戸は、少なくとも第１のバリヤーと第２のバリヤーとの間に挟まれ得、第１のバリヤーおよび第２のバリヤーは、各々２７．５ｎｍ以上の厚さを有する。さらに、量子井戸の厚さは、８ｎｍ以上であり得る。
【００１３】
量子井戸は、非極性であり得る。さらに、量子井戸は薄膜を通過する入射電流の範囲に応答してピーク波長を有する光を放射し、量子井戸は、非極性配向を有し得、その結果、
量子井戸とバリヤー厚との間の界面および量子井戸間の界面は、非極性平面であり、非極性平面および活性層の合金組成物は、薄膜または量子井戸の分極を減少させるように選択され、その結果、ピーク波長は入射電流の範囲に対して実質的に一定のままであり、それによって、量子井戸または薄膜の非極性の度合を定義する。入射電流の範囲は放射された光の強度の範囲を生成し得、最大の強度は最小強度の少なくとも３７倍である。
【００１４】
量子井戸は、２つ以上の量子井戸（すなわちＭＱＷ）を備え得る。薄膜は、ｍ平面ＧａＮ上に成長し得る。量子井戸はＩｎＧａＮ量子井戸であり得、バリヤーはＧａＮバリヤーであり得る。
【００１５】
バリヤー厚は４７５ｎｍより長いピーク波長を有する量子井戸から光放射を得るように選択され得、光放射は、ＩＩＩ窒化物薄膜の伝導帯における量子井戸状態の電子とＩＩＩ窒化物薄膜の価電子帯における量子井戸状態の空孔との間の電子空孔対再結合に起因し得る。バリヤー厚を増加させることは放射波長を増加させる。
【００１６】
さらに、本発明は、上記のＩＩＩ窒化物薄膜を用いて製作されるデバイスを開示する。例えば、薄膜は、発光デバイスの活性層であり得る。
【００１７】
最後に、本発明は、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸から光を放射することを包含する、ＩＩＩ窒化物薄膜から光を放射する方法
、および、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸を成長させることを包含する、ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法を開示する。
【００１８】
ここで図面を参照すると、同様の参照番号は、全体を通じて対応する部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】図１（ａ）は、本発明の薄膜の断面概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に描かれる薄膜の層を通る帯域図である。
【図１ｂ】図１（ａ）は、本発明の薄膜の断面概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に描かれる薄膜の層を通る帯域図（ｂａｎｄ ｄｉａｇｒａｍ）である。
【図２】図２は、量子井戸によって放射される波長対量子井戸のバリヤー厚を表すグラフである。
【図３】図３は、種々の入射電流に対して、３７．５ｎｍのバリヤー厚を有するＬＥＤのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルを示し、スペクトルは、下から上まで、１ｍＡ、２ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、５０ｍＡ、６０ｍＡ、７０ｍＡ、８０ｍＡ、９０ｍＡ、および１００ｍＡの入射電流に対するスペクトルである。
【図４】図４は、量子井戸からのピーク放射波長対電流のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（発明の詳細な説明）
好ましい実施形態の以下の説明において、本明細書の一部を形成する添付図面に参照がなされ、該図面において本発明が実施され得る特定の実施形態が例示として示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、構造的な変更がなされ得ることは理解されるべきである。
【００２１】
（概観）
本発明は、薄膜からの放射波長が、薄膜におけるＭＱＷのバリヤー厚を選択することによって制御され得るｍ平面基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜を説明する。
【００２２】
現在の窒化物デバイスは、典型的には極性の［０００１］ｃ方向に成長し、このことは、結果として垂直デバイスにおける一次伝導方向に沿った電荷分離をもたらす。結果として生じる分極電界は、最新技術の光電子デバイスの性能に有害である。
【００２３】
非極性方向に沿ったこれらのデバイスの成長は、伝導方向に沿った固有の電界を減少させることによってデバイス性能を実質的に改善した。しかしながら、軸上のｍ平面に成長するＬＥＤの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、これは光学デバイスの用途に限定される。
【００２４】
本発明の新規な特徴は、長波長を放射するＩＩＩ窒化物薄膜が厚いバリヤーＭＱＷを用いて成長させられ得ることである。この証明として、本発明は、様々なバリヤー厚を有するｍ平面基板上にＩｎＧａＮ／ＧａＮＩベースのＬＥＤを成長させた。１２．５ｎｍのバリヤー厚を有する成長した薄膜の放射波長は４３９ｎｍであり、一方、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する成長した薄膜の放射波長は４８０ｎｍであった。
【００２５】
（技術的な説明）
本発明は、成長プロセスにおいてＭＱＷの厚いバリヤーを利用して長放射波長を有するＩＩＩ窒化物薄膜を備えている。一実施形態において、バリヤー厚は、２７．５ｎｍ以上であり、ＭＱＷから超波長放射を得る。
【００２６】
図１（ａ）は、２７．５ｎｍ以上の厚さ１０６ａ、１０６ｂのバリヤー層１０４ａ、１０４ｂを有する１つ以上の量子井戸１０２を備えているＩＩＩ窒化物膜１００を例示する。量子井戸１０２は、典型的にはＩＩＩ窒化物量子井戸を含むインジウムである。量子井戸１０２は、典型的には第１のバリヤー１０４ａと第２のバリヤー１０４ｂとの間に挟まれ、第１のバリヤー１０４ａおよび第２のバリヤー１０４ｂは各々、２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを有する。薄膜１００は、量子井戸１０２と、厚さ１０６ａを有する第１のバリヤー１０４ａと、厚さ１０６ｂを有する第２のバリヤー１０４ｂとを備え得る。
【００２７】
量子井戸１０２の厚さ１０８は、８ｎｍ以上であり得る。薄膜の量子井戸１０２は、非極性であり得る。薄膜１００は、２つ以上の量子井戸１０２を備え得、それによってＭＱＷを形成し、量子井戸１０２の各々は、バリヤー層１０４ａ、１０４ｂによって覆われる（例えば、ＭＱＷは、複数の積み重ねられた量子井戸同期を含み得、量子井戸同期は、バリヤー１０４ａ、１０４ｂによって覆われた量子井戸１０２を含む）。薄膜１００に対する成長基板は、ｍ平面ＧａＮ１１０であり得る。薄膜１００は、ＬＥＤなどのデバイスを製作するために、バリヤー１０４ｂと基板１１０の間のｎ型層、およびバリヤー層１０４ａ上のｐ型層などのさらなる層を備え得る。量子井戸１０２はＩｎＧａＮ量子井戸であり得、バリヤー１０４ａ、１０４ｂはＧａＮバリヤーであり得る。
【００２８】
図１（ｂ）は、層１０４ａ、１０２および１０４ｂを通って上から下における位置の関数としての薄膜１００の概略帯域図であり、量子井戸１０２の量子井戸エネルギ１１２ａを備えている伝導帯と、量子井戸１０２の量子井戸エネルギ１１２ｂを備えている価電子帯と、第１のバリヤー１０４ａの第１のバリヤーエネルギ１１４ａを備えている伝導帯と、第１のバリヤー１０４ａの第１のバリヤーエネルギ１１４ｂを備えている価電子帯エネルギと、第２のバリヤー１０４ｂの第２のバリヤーエネルギ１１６ａを備えている伝導帯と、第２のバリヤー１０４ｂの第２のバリヤーエネルギ１１６ｂを備えている価電子帯エネルギとを備えている伝導帯とを示す。バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂは、量子井戸１０２から、例えば４００ｎｍまたは４７５ｎｍより長いピーク波長を有する光放射を得るように選択され得る。
【００２９】
図１（ｂ）は、ＩＩＩ窒化物薄膜１００の伝導帯における１２４ａ、１２４ｂなどの量子井戸状態における電子１２２と、ＩＩＩ窒化物薄膜１００の価電子帯における１２８ａ、１２８ｂなどの量子井戸状態における孔１２６との間の電子空孔対再結合１２０から光放射１１８がどのように生じ得るかを示す。
【００３０】
本発明において、ＬＥＤデバイス構造のエピタキシャル層は、従来のＭＯＣＶＤ法を用いて、固定されていないｍ平面ＧａＮ基板上に成長させられた。ＬＥＤ構造は、５μｍ厚のＳｉドープ処理されたＧａＮ層と、６期間のＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＷと、１５ｎｍ厚のドープ処理されていないＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層と、０．３μｍ厚のＭｇドープ処理されたＧａＮとから構成された。ＭＱＷは、８ｎｍ厚のＩｎＧａｎ井戸を備えていた。ＧａＮバリヤー厚は、１２．５ｎｍから４２．５ｎｍに変化させられた。ＬＥＤ構造の結晶成長後、試料はｐ型活性のためにアニーリングされ、その後、ｎ型およびｐ型の金属化プロセスが実行された。ｐ接点は３００μｍの直径を有し、放射特性は室温で測定された。測定は、室温で１ｍＡ〜１００ｍＡ（ＤＣ）の順方向電流で実行された。
【００３１】
（実験結果）
バリヤー厚の関数としての、２０ｍＡでのＬＥＤのＥＬピーク波形が、図２に示される。測定は、室温で２０ｍＡ（ＤＣ）の順方向電流で実行された。８ｎｍ（１２．５ｎｍ）の井戸（バリヤー）厚を有するＬＥＤの放射波長は、４３９ｎｍであることが見出された。ピーク波長がバリヤー厚を１２．５ｎｍから２７．５ｎｍに増加させることによって増加するように見えることが見出された。１２．５ｎｍ、２０ｎｍ、および２７．５ｎｍのバリヤー厚を有するＬＥＤのピーク放射波長は、それぞれ４３９ｎｍ、４５５ｎｍ、および４８３ｎｍであった。２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有するＬＥＤのピーク放射波長は、おおよそ４８０ｎｍであった。従って、ｍ平面基板上で２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する厚いバリヤーＭＱＷによって長波長の放射を得ることが可能である。
【００３２】
図３は、様々な入射電流に対する、３７．５ｎｍのバリヤー厚を有するＬＥＤのＥＬスペクトルを示す。すべてのスペクトルが４７５ｎｍ近辺で単一のピーク放射波長を示すことが見出された。
【００３３】
入射電流の関数としてのＥＬ強度およびピーク波長が、図４に示される。１ｍＡおよび１００ｍＡでのピーク波長は、それぞれ４７８．４ｎｍおよび４７６．１ｎｍであり、２．３ｎｍの青へのシフトが観察されたことを示した。このことは、分極が減少したことを示唆する。
【００３４】
図３および図４はまた、量子井戸１０２が薄膜１００を通過する入射電流の範囲に応答して、ピーク波長を有する光１１８を放射することが可能であり得る方法を示し、そして量子井戸は、量子井戸１０２とバリヤー厚１０６ａ、１０６ｂの間の界面１３０ａ、１３０ｂ、および量子井戸１０２同期間の界面１３２が非極性平面となるように非極性配向を有し得、非極性平面および／または活性層（例えば、量子井戸１０２および／またはバリヤー１０４ａ、１０４ｂ）の合金組成物は、薄膜１００の分極を減少させるように選択され得、その結果、ピーク波長は、入射電流の範囲に対して実質的に一定（例えば、２．３ｎｍのピーク波長以内であるが、これに限定されない）のままであり、それによって、量子井戸１０２または薄膜１００の非極性の度合を定義する。電流の範囲は放射された光の強度の範囲を生成し得、最大強度は、例えば最小強度の少なくとも３７倍である（すなわち、電流の範囲における最大電流は、電流の範囲において最小電流によって作られる最小強度の少なくとも３７倍である最大強度を作る）。しかしながら、電流の範囲および強度は、特定の範囲に限定されない。
【００３５】
（可能な修正および変形）
上記のｍ平面ＧａＮの固定されていない基板の他に、ａ平面基板、もしくはＧａＮのミスカット基板、または、ｃ−Ａｌ２Ｏ３、ｒ−Ａｌ２Ｏ３、ｍ平面ＳｉＣ、ＺｎＯ、およびγ−ＬｉＡｌＯ２などの他の異質の基板もまた、開始材料として用いられ得る。非極性ＩＩＩ窒化物化合物の成長に適した任意の基板が用いられ得る。
【００３６】
本発明はＩｎＧａＮ／ＧａＮ薄膜を用いて明示されたが、ＡｌＮ、ＩｎＮまたは任意の関連した合金（例えば、ＩＩＩ族窒化物化合物）もまた、用いられ得る。
【００３７】
本発明は、上記のＭＯＣＶＤエピタキシャル成長法に限定されるのではなく、ＨＶＰＥ、ＭＢＥなどの他の結晶成長方法も用い得る。
【００３８】
さらに、当業者は、これらの技術、プロセス、材料などが、ｃ軸方向、ｃ平面基板などの他の方向にａ平面基板、ミスカット基板にも適用し、類似の結果を得ることを認識する。
【００３９】
バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを増加させることが量子井戸１０２からの光放射１１８のピーク波長を４００ｎｍを超えて増加させる限り、本発明は、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂまたは井戸厚１０８の特定の範囲に限定されない。デバイスは薄膜１００を用いて製作され得、例えば、薄膜１００、具体的にはバリヤー１０４ａ、１０４ｂによって覆われた量子井戸１０２は、発光デバイスの活性層であり得る。デバイス構造は、特定の発光デバイス構造に限定されないで、例えば、デバイスはＬＥＤであり得、薄膜１００は、活性層に電力を供給するためにｎ型層とｐ型層との間に活性層をさらに備え得、活性層は、２つのバリヤー層１０４ａ、１０４ｂの間に挟まれたインジウム含有ＩＩＩ窒化物量子井戸１０２であり得、バリヤー層１０４ａ、１０４ｂの各々の厚さ１０６ａ、１０６ｂは、例えば４００ｎｍまたは４７５ｎｍより長いピーク波長を有する光放射１１８を量子井戸１０２から得るように選択され得る。例えば、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂは、４２５ｎｍより大きいピーク波長を有する光放射１１８を達成するために１０ｎｍ以上であるように選択され得、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを１０ｎｍを超えて増加させることは、ピーク波長を増加させる。従って、バリヤー厚１０６ａ、１０６ｂを増加させることは、放射波長を増加させ得る。ＩＩＩ族窒化物薄膜１００は、発光デバイスの活性層であり得る。
【００４０】
（利点および改良）
本発明以前に、軸上ｍ平面ＧａＮエピタキシャル層上に成長したＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの放射波長は、おおよそ４００ｎｍに限定された。ＭＱＷのバリヤー厚を制御することによって、構造からの長波長放射が達成され得る。
【００４１】
例えば、分極効果のない青、緑、黄、および白のＬＥＤは、デバイスの性能を高める。さらに、本発明は、任意のデバイスの性能を高める。
【００４２】
（結論）
ここでは、本発明の好ましい実施形態の説明の結論を下す。本発明の１つ以上の実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的のために提示された。網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されない。上記の教示を考慮して多くの修正および変形が可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明によって限定されるのではなく、逆に本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸を備えている、ＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項２】
前記量子井戸は、少なくとも第１のバリヤーと第２のバリヤーとの間に挟まれ、該第１のバリヤーおよび第２のバリヤーは、各々２７．５ｎｍ以上の厚さを有する、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項３】
前記量子井戸の厚さは、８ｎｍ以上である、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項４】
前記量子井戸は、非極性である、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項５】
前記量子井戸は、前記薄膜を通過する入射電流の範囲に応答してピーク波長を有する光を放射し、
該量子井戸は、非極性配向を有し、その結果、該量子井戸と前記バリヤー厚との間の界面および該量子井戸間の界面は、非極性平面であり、該非極性平面および活性層の合金組成物は、該薄膜または量子井戸の分極を減少させるように選択され、その結果、該ピーク波長は該入射電流の範囲に対して実質的に一定のままであり、それによって、該量子井戸または該薄膜の非極性の度合を定義する、請求項４に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項６】
前記入射電流の範囲は前記放射された光の強度の範囲を生成し、最大強度は最小強度の少なくとも３７倍である、請求項５に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項７】
前記量子井戸は、２つ以上の量子井戸を備えている、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項８】
前記薄膜は、ｍ平面ガリウム窒化物（ＧａＮ）上に成長する、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項９】
前記量子井戸はＩｎＧａＮ量子井戸であり、前記バリヤーはＧａＮバリヤーである、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項１０】
前記バリヤー厚は４７５ｎｍより長いピーク波長を有する前記量子井戸からの光放射を得るように選択され、該光放射は、前記ＩＩＩ窒化物薄膜の伝導帯における量子井戸状態の電子と、該ＩＩＩ窒化物薄膜の価電子帯における量子井戸状態の空孔との間の電子空孔対再結合から生じる、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項１１】
前記バリヤー厚を増加させることは放射波長を増加させる、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項１２】
請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜を用いて製作されるデバイス。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物薄膜は発光デバイスの活性層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸を成長させることを包含する、ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法。
【請求項１５】
２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸から光を放射することを包含する、ＩＩＩ族窒化物薄膜から光を放射する方法。
【請求項１】
２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸を備えている、ＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項２】
前記量子井戸は、少なくとも第１のバリヤーと第２のバリヤーとの間に挟まれ、該第１のバリヤーおよび第２のバリヤーは、各々２７．５ｎｍ以上の厚さを有する、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項３】
前記量子井戸の厚さは、８ｎｍ以上である、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項４】
前記量子井戸は、非極性である、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項５】
前記量子井戸は、前記薄膜を通過する入射電流の範囲に応答してピーク波長を有する光を放射し、
該量子井戸は、非極性配向を有し、その結果、該量子井戸と前記バリヤー厚との間の界面および該量子井戸間の界面は、非極性平面であり、該非極性平面および活性層の合金組成物は、該薄膜または量子井戸の分極を減少させるように選択され、その結果、該ピーク波長は該入射電流の範囲に対して実質的に一定のままであり、それによって、該量子井戸または該薄膜の非極性の度合を定義する、請求項４に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項６】
前記入射電流の範囲は前記放射された光の強度の範囲を生成し、最大強度は最小強度の少なくとも３７倍である、請求項５に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項７】
前記量子井戸は、２つ以上の量子井戸を備えている、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項８】
前記薄膜は、ｍ平面ガリウム窒化物（ＧａＮ）上に成長する、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項９】
前記量子井戸はＩｎＧａＮ量子井戸であり、前記バリヤーはＧａＮバリヤーである、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項１０】
前記バリヤー厚は４７５ｎｍより長いピーク波長を有する前記量子井戸からの光放射を得るように選択され、該光放射は、前記ＩＩＩ窒化物薄膜の伝導帯における量子井戸状態の電子と、該ＩＩＩ窒化物薄膜の価電子帯における量子井戸状態の空孔との間の電子空孔対再結合から生じる、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項１１】
前記バリヤー厚を増加させることは放射波長を増加させる、請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜。
【請求項１２】
請求項１に記載のＩＩＩ窒化物薄膜を用いて製作されるデバイス。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物薄膜は発光デバイスの活性層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸を成長させることを包含する、ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法。
【請求項１５】
２７．５ｎｍ以上のバリヤー厚を有する１つ以上のインジウム含有の量子井戸から光を放射することを包含する、ＩＩＩ族窒化物薄膜から光を放射する方法。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１０−５３６１８２（Ｐ２０１０−５３６１８２Ａ）
【公表日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２０３３６（Ｐ２０１０−５２０３３６）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７２６８２
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２１２０６
【国際公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（５９２１３０６９９）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (364)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７２６８２
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２１２０６
【国際公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（５９２１３０６９９）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (364)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
【Ｆターム（参考）】
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