(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型層と、
第１のｐ型層と、
前記ｎ型層と前記第１のｐ型層との間に配置され、５×１０8ｃｍ-2よりも小さい平均転位密度を有する第２のｐ型層を有する、光を発することができる活性領域と、を含み、
前記第２のｐ型層がバリア層で分離された多重量子井戸層を含み、平均転位間隔が前記活性領域の電子の拡散長さよりも大きく、
前記活性領域の全ての層はｐ型であり、
異なる量子井戸層間で正孔濃度が異なり、異なるバリア層間で正孔濃度が異なる、
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物発光装置。
【請求項２】
前記第２のｐ型層は、ＡｌxＩｎyＧａzＮを含み、ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記第２のｐ型層の平均転位密度は、１０8ｃｍ-2よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記第２のｐ型層の正孔濃度は、１０15ｃｍ-3と１０19ｃｍ-3との間であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記第２のｐ型層は、１０17ｃｍ-3と１０21ｃｍ-3との間の濃度までＭｇでドープされることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項６】
前記多重量子井戸層は、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦０．３，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１のＡｌxＩｎyＧａzＮであり、
前記多重量子井戸層の厚さは、１０オングストロームから５０オングストロームの範囲である、
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項７】
前記バリア層のＩｎ組成は、前記多重量子井戸層のＩｎ組成よりも少なく、
前記バリア層の厚さは、１０オングストロームから３００オングストロームの範囲である、
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項８】
前記ｎ型層に接続された第１のコンタクトと、
前記ｐ型層に接続された第２のコンタクトと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項９】
前記第１のコンタクトに電気的に接続された第１のリードと、
前記第２のコンタクトに電気的に接続された第２のリードと、
前記活性領域の上に重なるレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトは、装置の同じ側に形成されることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトは、装置の各反対側に形成されることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性領域に少なくとも１つのｐ型層を有するＩＩＩ族窒化物発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光装置（ＬＥＤ）は、現在入手できる光源の中で最も効率がよいものの１つである。可視スペクトルに亘って作動可能な高輝度ＬＥＤの製造分野で最近興味が持たれている材料システムには、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、一般式がＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示され、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び、窒素の二元、三元、及び、四元合金が含まれる。一般に、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、組成とドーパント濃度とが異なる半導体層のスタックを、サファイア、炭化珪素、又は、ＩＩＩ族窒化物の基板上に金属／有機物化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は、他のエピタキシャル手法により、エピタキシャル成長させて作られる。スタックには、基板上に形成された例えばＳｉでドープされた１つ又はそれ以上のｎ型層、１つ又は複数のｎ型層上に形成された発光又は活性領域、及び、活性領域上に形成された例えばＭｇでドープされた１つ又はそれ以上のｐ型層が含まれることが多い。活性領域は、（一般に、Ｓｉドープ又はアンドープ）ｎ型である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、ｎ型層、ｐ型層、及び、ｐ型層とｎ型層との間で発光することができる活性領域を含む。活性領域は、少なくとも１つの付加的なｐ型層を含む。活性領域のｐ型層は、量子井戸層又はバリア層としてもよい。いくつかの実施形態では、活性領域の量子井戸層及びバリア層のいずれもｐ型である。
いくつかの実施形態では、活性領域のｐ型層の平均転位密度は、約５×１０8ｃｍ-2よりも小さい。低い欠陥密度で活性層にｐ型層を作るためのいくつかの方法が開示されている。第１に、デバイス層を低い欠陥密度でＡｌＩｎＧａＮ基板上に作ることができる。第２に、デバイス層を、水素化物気相成長によって形成された厚いＡｌＩｎＧａＮ層上に作ることができる。第３に、デバイス層を、エピタキシャル側方過成長によって形成されたＡｌＩｎＧａＮ層上に作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】ｎ型活性領域を有するＬＥＤの一部分のエネルギバンド図である。
【図２】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤに対する電流を関数とした外部量子効率をプロットした図である。
【図３】本発明の実施形態によるＬＥＤを示す図である。
【図４】パッケージ型ＬＥＤを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１は、順方向バイアスされたＩＩＩ族窒化物ＬＥＤのエネルギバンド図の一部分を示す。図１は、ｐ型ＧａＮ層１、ｐ型ＡｌＧａＮ被覆層２、ｎ型活性領域３、及び、ｎ型ＧａＮ又はＩｎＧａＮ層４を示す。活性領域３は、バリア層によって分離されてＡ、Ｂ、Ｃ、及び、Ｄでラベル付けされたいくつかの量子井戸を含む。電子Ｅは、ｎ型層４から活性領域に入り、正孔Ｈは、ｐ型層１から活性領域に入る。電子及び正孔は、活性領域で再結合して発光する。
【０００６】
高い電流密度（＞５０Ａ／ｃｍ2）では、ｎ型又はアンドープ活性領域を有するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの内部量子効率は低下する。図２は、電流の関数としたＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの外部量子効率を示している。図２に示すように、外部量子効率は、非常に低い電流でピークとなり、電流が増加するに従って低下する。１つの可能な説明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物材料の正孔の拡散長さが短く、また、量子井戸間のバリアのために、正孔は、図１の量子井戸Ａの中には効率よく注入されることになるが、「より深い」量子井戸Ｂ、Ｃ、及び、Ｄまで拡散するのは概ね不可能であるということである。その結果、これらの井戸は、概ね正孔が空のままに残されることになる。電子は、ＩＩＩ族窒化物材料の正孔よりもかなり動きやすいので、正孔の正の荷電によって引き付けられ、高い正孔濃度の区域に集まることになる。その結果、電流密度が高い時に量子井戸Ａの電子の母集団が過度に大きくなり、充填して過度の電子のｐ型層１及び２内への漏れを引き起こす状態をもたらすことになる。この漏洩電流は、目標とする波長の光を発生させることができないので有害である。すなわち、量子井戸Ａの過度の電荷担体、及び、量子井戸Ｂ〜Ｄの電荷担体が比較的不足することが、図２に示す高電流時の外部量子効率が低下する原因とすることができる。
【０００７】
図３は、本発明の実施形態によるＬＥＤを示す。図３の装置は、基板１０上に形成されたｎ型層１１を含む。ｎ型層１１は、例えば、核生成層、バッファ層、コンタクト層、及び、アンドープ層を有するいくつかの異なる副層を含むことができる。活性領域１２は、ｎ型層１１上に形成される。活性領域１２は、単一の量子井戸か、又は、バリア層１３によって分離された多重の量子井戸１４とすることができる。ｐ型層１５は、活性領域１２の上に形成される。ｎ型層１１と同様に、ｐ型層１５は、多重の副層を含むことができる。半導体層の一部分はエッチングで取り除かれ、ｎ型層１１の副層のうちの１つの上に棚部を出現させる。ｎコンタクト１７が、次に、ｎ型層１１上に堆積され、ｐコンタクト１６が、ｐ型層１５上に堆積される。次に、装置は裏返され、コンタクト１６及び１７に相互接続１８が取り付けられる。相互接続は、例えば半田としてもよく、コンタクト１６及び１７をサブマウント（図示せず）に接続するために使用される。図３の装置ではｎ型層が基板に隣接するとして説明したが、ｐ型層が基板に隣接するように層の順序を逆にしてもよい。
【０００８】
本発明の実施形態によれば、活性領域１２の少なくとも１つの層は、ｐ型にドープされる。この少なくとも１つのｐ型層は、量子井戸層か、又は、多重量子井戸活性領域のバリア層とすることができる。いくつかの実施形態では、量子井戸層及びバリア層は、いずれもｐ型にドープされる。所定の型を有する全ての層のドーピング濃度、組成、又は、厚さが同じである必要はない。例えば、活性領域の少なくとも１つのｐ型層が量子井戸層の場合、装置の他の量子井戸層のドーピング濃度、組成、及び、厚さは、ｐ型量子井戸層と同じか又は異なっていてもよい。
【０００９】
活性領域のｐ型層は、それが量子井戸層又はバリア層のいずれであっても、正孔の濃度が約１０15ｃｍ-3から１０19ｃｍ-3の範囲とすることができ、通常は約１０16ｃｍ-3から約１０18ｃｍ-3の範囲である。ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、又は、結合エネルギが約３００ｍｅＶよりも小さい任意の他の浅いアクセプタのような任意の適切なｐ型ドーパントとすることができる。ＩＩＩ族窒化物装置では、ｐ型ドーパントとしてＭｇが使用される場合が多い。Ｍｇがドーパントの場合、活性領域のｐ型層のＭｇの濃度は、上述の正孔濃度を達成するために、約１０17ｃｍ-3から約１０21ｃｍ-3の範囲とすることができ、通常は約１０18ｃｍ-3から約１０20ｃｍ-3の範囲である。上述のように、バリア及び量子井戸の正孔濃度は同じである必要はない。また、異なる量子井戸又は異なるバリア層間の正孔濃度も同じでなくてもよい。
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態では、活性領域１２の全ての層はｐ型である。他の実施形態では、活性領域１２内にｐ−ｎ接合が位置することがあり、ｐ−ｎ接合のｎ側上の活性領域にｎ型層が存在し得ることを意味する。
【００１１】
活性領域の量子井戸層は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮとすることができる。量子井戸層におけるＩｎの配合は、０％から約３０％の範囲とすることができ、通常は約５％から約２０％の範囲である。活性領域のバリア層は、バンドギャップが量子井戸層のバンドギャップよりも大きいことを条件として、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又は、ＡｌＩｎＧａＮとすることができる。量子井戸層の厚さは、一般に約１０オングストロームから約５０オングストロームの範囲である。バリア層の厚さは、一般に約１０オングストロームから約３００オングストロームの範囲である。
【００１２】
いくつかの実施形態では、被覆層は、活性領域の一方の側又は両側に形成することができる。被覆層は、例えば、量子井戸層よりもバンドギャップが広いＡｌＧａＮ、ＧａＮ、又は、ＡｌＩｎＧａＮとすることができる。これらの被覆層は、ｎ型層１１及びｐ型層１５の一部と考えてもよい。
【００１３】
ＩＩＩ族窒化物半導体の電子の拡散率は、正孔の拡散率よりも大きい。その結果、ｐ型材料の電子の拡散長さは、ｎ型材料の正孔の拡散長さよりもはるかに長い。それに加えて、正孔は、ｐ型活性領域において容易に利用可能である。すなわち、ｐ型多重量子井戸活性領域において、電子及び正孔は、ｎ型活性領域の場合のようにｐ−ｎ接合に最も近接した量子井戸に主として濃縮されるよりも、むしろ量子井戸間でより均一に分配されることになる。また、ｐ型活性領域を有する装置において、ｐ−ｎ接合の位置は、ｎ型活性領域を有する装置におけるｐ−ｎ接合の位置と比べてそれほど重大ではない。ｎ型活性領域では、ｐ−ｎ接合と量子井戸との間の距離がｎ型活性領域の正孔の拡散長さよりも短くなるように、ｐ−ｎ接合の位置は厳密に制御されなければならない。電子がｐ型活性領域内で容易に移動することができ、正孔が容易に利用可能であるから、量子井戸に対するｐ−ｎ接合の配置はそれほど重大ではない。
【００１４】
ｐ型量子井戸は、光学的又は電気的に注入された時に光を殆ど又は全く放射しない傾向があるので、従来のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、ｎ型活性領域で作られる。ｎ型活性領域は、意図的なＳｉドーピングから形成されるが、あるいは、浅いドナーとして作用する残留不純物及び自然の欠陥によりｎ型導電性を本質的に示す、アンドープＧａＮ又はＩｎＧａＮの成長した結果としてもまた形成することができる。ｎ型ＩＩＩ族窒化物の効率的な放射再結合に対する１つの有望な説明としては、ｎ型窒化物材料の正孔の拡散長さが標準的な転位間隔よりもはるかに短いということである。結晶質ＩＩＩ族窒化物材料内での転位は、非放射再結合を通じて電荷担体の量子井戸を奪うことにより、量子井戸の内部量子効率を低下させる。いくつかの転位密度に対応する転位間隔は、以下の通りである。
【００１５】
【表１】
0005579048.tif 000002
【００１６】
サファイア又はＳｉＣ基板上に作られた市販のＬＥＤの転位密度は、約５×１０8ｃｍ-2から約１０10ｃｍ-2の範囲とすることができる。ＧａＮにおいては、ｎ型材料の正孔の拡散長さは、約０．０５μｍであると考えられている。すなわち、ｎ型活性領域の転位は、非放射再結合をもたらすことができるが、ほとんどの正孔は、転位まで達するほど十分に遠くまで横方向に拡散できないので、その転移は、装置の内部量子効率に対して目立った影響を与えない。事実、ムカイ他（１９９８年、日本応用物理学会誌、第３７巻、Ｌ８３９〜８４１ページ）により、アンドープ活性層を有するＧａＮベースＬＥＤの平均転位密度の１０10ｃｍ-2から７×１０6ｃｍ-2までの減少は、ＩｎＧａＮのＬＥＤ効率に何ら影響しないことが報告されている。
【００１７】
ｐ型ＧａＮの電子の拡散長さは、１μｍに近いか又はそれを超え、ｎ型ＧａＮの正孔の拡散長さよりもはるかに長い。ｐ型活性層を有し、転位密度が約５×１０8ｃｍ-2から約１０10ｃｍ-2の範囲の装置では、電子の拡散長さは、平均転位間隔よりもはるかに長く、多くの電子が転位において正孔と非放射再結合するのを可能にするであろう。これが、ｐ型活性層を有する効果的なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤが報告されておらず、全ての公知の市販装置がｎ型（Ｓｉドープ、又は、アンドープ）活性層を有する主な理由である。平均転位間隔が活性領域の電子の拡散長さよりも大きくなるように活性領域の転位密度を小さくすると、ｐ型活性領域を有する装置の内部量子効率を増大させることができる。例えば、ｎ型活性領域を有する青色ＬＥＤは、２０ｍＡの駆動電流、及び、４７０ｎｍにおいて、１０ｍＷ又はそれ以上の出力電力を有することができる。ｐ型活性領域を有する装置は、１ｍＷよりも少ない出力電力を示している。本発明の実施形態は、出力が１ｍＷをはるかに超え、図２に示すような高電流密度における効率低下の問題のないｐ型活性領域装置を可能にすることができる。１μｍを超える拡散長さを仮定すると、平均転位密度の約１０8ｃｍ-2又はそれ以下への低減は、ｐ型活性領域を効率的に発光させるのに十分なはずである。平均転位密度の約１０7ｃｍ-2又はそれ以下への更なる低減は、より高い放射効率をもたらすであろう。
【００１８】
いくつかの実施形態では、活性領域に少なくとも１つのｐ型層を有するＬＥＤは、活性領域の転位密度が約５×１０8ｃｍ-2又はそれ以下になるように作られる。活性領域の転位密度を低くする方法はいくつかある。第１に、装置は、平均転位密度が１０4ｃｍ-2から１０6ｃｍ-2と報告されている大きな単一結晶ＧａＮ基板上に作ることができる。第２に、装置は、水素化物気相成長によって形成された厚いＧａＮ層（＞５ミクロン）上に作ることができる。第３に、装置は、エピタキシャル横方向過成長（ＥＬＯＧ）、又は、マスク又は隙間上の横方向成長を伴う任意の関連手法によって形成された低欠陥密度ＧａＮ層上に作ることができる。ＥＬＯＧ成長の間、ＧａＮのポケットは、サファイアのような従来の基板上に成長する。マスクは、マスクされていない区域にＧａＮが塔又はピラミッド状に垂直に成長するように、成長の前に基板上に堆積される。ＧａＮは、その後、マスクの上に横方向に成長する。結晶が横方向に成長するので、格子不整合基板上の成長によって引き起こされたマスクされていない区域の欠陥の多くは、横方向成長区域の中に伝播されず、ｐ型活性領域に対する十分に低い欠陥密度（＜〜１０7ｃｍ-2）の区域を生じる。
【００１９】
ＩＩＩ族燐化物ＬＥＤのような他の材料システムで作られたＬＥＤは、ｐ型活性領域を使用するが、これら他の材料システムには、高欠陥密度に関する同様の問題はない。例えば、ＩＩＩ族燐化物装置は、半導体デバイス層と密接に整合した基板上に成長させることができ、ＩＩＩ族窒化物装置と比較して欠陥密度が非常に低い装置をもたらす。
【００２０】
図４は、パッケージ型ＬＥＤの分解図である。ヒートシンクスラグ１００は、差込みリードフレーム１０６の中に入れられる。スラグ１００は、任意選択の反射体カップ１０２を含むことができる。上述の装置のいずれであってもよいＬＥＤダイ１０４は、直接的又は熱伝導性サブマウント１０３を通じて間接的にスラグ１００に取り付けられる。光学レンズ１０８を追加してもよい。
【００２１】
本発明が詳細に説明されたが、当業者は、本発明の開示により、本明細書に説明された革新的概念の精神から逸脱することなく本発明に対する変更を為し得ることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図解及び説明された特定の実施形態に限定されるようには意図されていない。
以下に本発明の実施態様を記載する。
〔態様１〕ｎ型層と、第１のｐ型層と、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に配置され、少なくとも、約５×１０8ｃｍ-2よりも小さい平均転位密度を有する第２のｐ型層を有する、光を発することができる活性領域と、を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物発光装置。
〔態様２〕前記第２のｐ型層は、ＡｌxＩｎyＧａzＮを含み、ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であることを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様３〕前記活性領域は、少なくとも１つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記第２のｐ型層は、少なくとも１つの量子井戸を含む、ことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様４〕前記活性領域は、少なくとも１つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記第２のｐ型層は、少なくとも１つのバリア層を含む、ことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様５〕前記第２のｐ型層の平均転位密度は、約１０8ｃｍ-2よりも小さいことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様６〕前記第２のｐ型層の平均転位密度は、約１０7ｃｍ-2よりも小さいことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様７〕前記第２のｐ型層の正孔濃度は、約１０15ｃｍ-3と約１０19ｃｍ-3との間であることを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様８〕前記第２のｐ型層の正孔濃度は、約１０16ｃｍ-3と約１０18ｃｍ-3との間であることを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様９〕前記第２のｐ型層は、約１０17ｃｍ-3と約１０21ｃｍ-3との間の濃度までＭｇでドープされることを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様１０〕前記第２のｐ型層は、約１０18ｃｍ-3と約１０20ｃｍ-3との間の濃度までＭｇでドープされることを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様１１〕前記活性領域は、少なくとも１つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記複数の量子井戸層は、０≦ｙ≦０．３のＡｌxＩｎyＧａzＮであり、前記複数の量子井戸層の厚さは、約１０オングストロームから約５０オングストロームの範囲である、ことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様１２〕前記バリア層のＩｎ組成は、前記量子井戸層のＩｎ組成よりも少なく、
前記バリア層の厚さは、約１０オングストロームから約３００オングストロームの範囲である、ことを特徴とする態様１１に記載の発光装置。
〔態様１３〕前記活性領域は、少なくとも１つのバリア層で分離された複数の量子井戸を含み、前記量子井戸層の各々と前記少なくとも１つのバリア層は、ｐ型である、ことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様１４〕ＧａＮを有する成長基板を更に含むことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様１５〕前記ｎ型層に接続された第１のコンタクトと、前記ｐ型層に接続された第２のコンタクトと、を更に含むことを特徴とする態様１に記載の発光装置。
〔態様１６〕前記第１のコンタクトに電気的に接続された第１のリードと、前記第２のコンタクトに電気的に接続された第２のリードと、前記活性領域の上に重なるレンズと、を更に含むことを特徴とする態様１５に記載の発光装置。
〔態様１７〕前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトは、装置の同じ側に形成されることを特徴とする態様１５に記載の発光装置。
〔態様１８〕前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトは、装置の各反対側に形成されることを特徴とする態様１５に記載の発光装置。
〔態様１９〕成長基板を準備する段階と、前記基板の上に重なるｎ型層を形成する段階と、第１のｐ型層を含み、欠陥密度が約５×１０8ｃｍ-2よりも小さく、前記ｎ型層の上に重なった、光を発することができる活性領域を形成する段階と、前記活性領域の上に重なるｐ型層を形成する段階と、を含むことを特徴とする、ＩＩＩ族窒化物発光装置を作る方法。
〔態様２０〕成長基板を準備する段階は、欠陥密度が約１０7ｃｍ-2よりも小さいＧａＮ基板を準備する段階を含むことを特徴とする態様１９に記載の方法。
〔態様２１〕前記成長基板と前記ｎ型層との間に、水素化物気相成長により、約１０7ｃｍ-2よりも小さい欠陥密度と、約５ミクロンと約５００ミクロンとの間の厚さとを有するＧａＮ層を形成する段階、を更に含むことを特徴とする態様１９に記載の方法。
〔態様２２〕前記成長基板と前記ｎ型層との間に、エピタキシャル側方過成長により、約１０7ｃｍ-2よりも小さい欠陥密度を有するＧａＮ層を形成する段階、
を更に含むことを特徴とする態様１９に記載の方法。
【符号の説明】
【００２２】
１０  基板
１１  ｎ型層
１２  活性領域
１３  バリア層
１４  量子井戸
１５  ｐ型層
【図１】
0005579048.tif 000003
【図２】
0005579048.tif 000004
【図３】
0005579048.tif 000005
【図４】
0005579048.tif 000006