(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる第１の超格子と、
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなり、前記第１の超格子より深いサブバンドを有する第２の超格子と、
前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層と、を含む、単極発光装置。
【請求項２】
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる少なくとも３階層の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まない、単極白色光発光装置。
【請求項３】
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる少なくとも４階層の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まない、単極白色光発光装置。
【請求項４】
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる第１の超格子と、
真性半導体、ｎ型のI II族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなり、前記第１の超格子より深いサブバンドを有する第２の超格子と、
前記第１および第２の超格子間に形成され、かつ前記第１および第２の超格子の伝導帯不連続域とは異なる伝導帯不連続域を有するIII−Ｖ族またはII−VI族半導体からなる活性層と、を含む、単極発光装置。
【請求項５】
４００〜４０００ｎｍのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第１のｎ−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた第１の超格子と、
ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされており、前記第１の超格子より深いサブバンドを有する第２の超格子と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−クラッドコンタクト層と、
前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記第１の超格子および前記第２の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる、単極発光装置。
【請求項６】
III族窒化物半導体超格子をベースとし、かつ４００〜４０００ｎｍのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する構造物を含む単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第１のｎ−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた第１の超格子と、
ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされており、前記第１の超格子より深いサブバンドを有する第２の超格子と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−クラッドコンタクト層と、
前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる、単極発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光装置に関する。詳しくは、本発明はIII族窒化物半導体超格子をベースとした単極発光装置（Unipolar Light Emitting Device：ＵＬＥＤ）に関する。
【０００２】
【背景技術および発明が解決しようとする課題】
III族窒化物半導体分野における最近の発展は、可視スペクトル領域用の発光ダイオードやレーザの新しい世代を切り開いた。III族窒化物半導体のおもな利点として、このIII族窒化物半導体を光学装置に用いた場合、劣化が他のワイドバンドギャップ半導体(wide-band-gap semiconductor)と比較して少ない点が挙げられる。
【０００３】
しかし、これらの材料を用いて半導体を形成した場合、優れたｐ型導電性を得ることが難しいことがある。このことが、可視領域用の高出力レーザや発光ダイオードの開発の障害となる場合がある。
【０００４】
本発明は、超格子間に、発光用として効果的な発光装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下に示す種々の態様をとることができる。
【０００７】
本発明の単極発光装置は、
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる第１および第２の超格子と、
前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層と、を含むことができる。
【０００８】
本発明の単極白色光発光装置は、
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる少なくとも３対の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まないものである。
【０００９】
本発明の単極白色光発光装置は、
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる少なくとも４階層の超格子を含み、
さらに、前記超格子間に形成され、かつ光学的に活性な不純物、不純物複合体、および量子ドットのうちいずれかよりなる活性層を含むか、あるいは含まないものである。
【００１０】
本発明の単極発光装置は、
真性半導体、ｎ型のIII族窒化物半導体、および合金のうちいずれか１つからなる第１および第２の超格子と、
前記第１および第２の超格子間に形成され、かつ前記第１および第２の超格子の伝導帯不連続域とは異なる伝導帯不連続域(different conduction band discontinuities)を有するIII−Ｖ族またはII−VI族半導体からなる活性層と、を含むことができる。
【００１２】
本発明の単極発光装置は、４００〜４０００ｎｍのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第１のｎ−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた複数の超格子と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−クラッドコンタクト層と、
前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる。
【００１３】
本発明の単極発光装置は、III族窒化物半導体超格子をベースとし、かつ４００〜４０００ｎｍのスペクトル領域内にある波長を有する光を発生する構造物を含む単極発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素（ＧａＮ）、アルミニウム−窒素（ＡｌＮ）、インジウム−窒素（ＩｎＮ）、またはこれらの合金からなる第１のｎ−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた複数の超格子と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−クラッドコンタクト層と、
前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、２層以上の障壁と、２層以上の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる。
【００１４】
本発明の単極白色光発光装置は、III族窒化物半導体超格子をベースとする構造物を含む単極白色光発光装置であって、
サファイア基板と、
バッファ層と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第１のｎ−クラッドコンタクト層と、
ドープされていないか、あるいはｎ型ドープされた少なくとも４層の超格子と、
赤色光、緑色光、および青色光の発光のために形成された少なくとも３層の活性層と、
ｎ型ドープされたガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなる第２のｎ−クラッドコンタクト層と、
前記第２のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属合金からなる透明なコンタクトと、
前記第１のｎ−クラッドコンタクト層上に積層された、金属からなるコンタクトと、を含み、
前記複数の超格子は、複数の障壁と、複数の井戸とを含み、
前記障壁を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記井戸を構成する各層は厚さ０．３〜３ｎｍであり、かつガリウム−窒素、アルミニウム−窒素、インジウム−窒素、またはこれらの合金からなり、
前記活性層は、希土類金属、遷移金属、または浅い電子供与体もしくはその他の不純物と前記金属との複合体でドープされたか、あるいはδ−ドープされた半導体から形成される。
【００１６】
本発明の単極発光装置（ＵＬＥＤ）の基本的な構造を図１に示す。
【００１７】
また、ＵＬＥＤの動作の物理的メカニズムを図２（ａ）および図２（ｂ）に示す。ＵＬＥＤにおいては、放射は通常の発光ダイオードで起きるような電子と正孔の再結合により起きるのではなく、浅いサブバンド超格子（第１の超格子）から深いサブバンド超格子（第２の超格子）への電子の転移が原因により起きる。この電子の転移は、フォトンの放出による電子エネルギー緩和(energy relaxation)に伴って起きる。III族窒化物超格子をベースとしたＵＬＥＤの量子化効率(quantum efficiency)は、光の周波数の増加とともに増大する。本発明者らの計算結果によれば、このようなＵＬＥＤの効率は、非放射エネルギー緩和プロセスにより制限されることが示されており、以下の式で与えられる：
【００１８】
【数１】
0003636970.tif 000002
可視領域におけるスペクトル範囲にて、１０％以上のＵＬＥＤの効率を達成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、実施例１のＵＬＥＤの構造を示す図で、２つのIII族窒化物超格子をベースとした構造を含むＵＬＥＤを示す。
【００２１】
図２（ａ）は、図１に示すＵＬＥＤの動作を説明するための図であり、該ＵＬＥＤにバイアスを印加していない場合における、該ＵＬＥＤの構造に沿って等位置のエネルギー（Ｅ）のエネルギーバンドを概略的に示す図である。
【００２２】
図２（ｂ）は、図１に示すＵＬＥＤの動作を説明するための図であり、該ＵＬＥＤにバイアスを印加した場合における、該ＵＬＥＤのエネルギーバンドを概略的に示す図である。
【００２３】
図３は、実施例２にかかるＵＬＥＤの構造を示す図である。図３に示すＵＬＥＤは、２つのIII族窒化物超格子をベースとする。この２つのIII族窒化物超格子は、光学的に活性な不純物または量子ドットを含む活性層を有する。
【００２４】
図４は、実施例３にかかるＵＬＥＤの構造を示す図である。図３に示すＵＬＥＤは、白色光発光用に形成された４階層のIII族窒化物超格子（超格子２０，２４，２８，３２）を有する。
【００２５】
以下、本実施の形態にかかる実施例について説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は、実施例１に基づくＵＬＥＤの構造を示す。これはサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１１を有し、その上に厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１０が形成される。その上に、厚さ３μｍのｎ−ＡｌＮからなるｎ−クラッドコンタクト層５を積層する。ｎ−クラッドコンタクト層５は、ドーピングレベルが１０１８−１０２０ｃｍ−３でシリコン（Ｓｉ）がドープされている。このｎ−クラッドコンタクト層５の上でエピタキシャル成長させて、Ｇａ０．０５Ａｌ０．９５Ｎ／ＡｌＮからなる浅いサブバンド超格子（第１の超格子）３を形成する。このサブバンド超格子３は、ドープされていない４層のＧａ０．０５Ａｌ０．９５Ｎからなる量子井戸８と、４層のＡｌＮからなる障壁９とで構成される。量子井戸８を構成する４層の各層の厚さは２ｎｍであり、障壁９を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。
【００２７】
次に、ＧａＮ／ＡｌＮからなる深いサブバンド超格子（第２の超格子）１をエピタキシャル成長させる。このサブバンド超格子１は、ドープされていない３層のＧａＮからなる量子井戸７と、４層のＡｌＮからなる障壁６とで構成される。量子井戸７を構成する３層の各層の厚さは０．５ｎｍであり、障壁６を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。このサブバンド超格子１の上に、厚さが１μｍのｎ−Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎからなるコンタクト層１３を形成する。このコンタクト層１３は、ドーピングレベルが１０１８−１０２０ｃｍ−３である。つづいて、コンタクト層１３の上面に、チタン／アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）からなる透明な金属コンタクト１２を形成する。次いで、エッチング後に、ｎ−クラッドコンタクト層５上であって構造体の隅にあたる部分に、もう一方のコンタクト４を形成する。
【００２８】
順バイアスを印加する場合、すなわち、負の電位をコンタクト１２に与え、正の電位をコンタクト４に与えた場合、この構造体（図１に示すＵＬＥＤ）の中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子３と深いサブバンド超格子１の間の界面２に赤色光が発生する。
【００２９】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施例１において、バイアスが印加されたＵＬＥＤ、およびバイアスが印加されていないＵＬＥＤそれぞれにおける伝導帯エッジの位置依存性を示し、あわせてＵＬＥＤの動作原理を示す図である。
【００３０】
バイアスが印加されていない場合、コンタクト４，１２それぞれにおけるフェルミ準位１４，１５は等しい。浅いサブバンド超格子３と深いサブバンド超格子１との間の界面２上には、空乏領域とバンド屈折が生ずる。界面２、およびコンタクト層５，１３には電子１６，１７の流れは生じない。
【００３１】
順バイアスが印加された場合、すなわち、正電位をコンタクト４に与え、かつ負電位をコンタクト１２に与えた場合、この構造体（図１に示すＵＬＥＤ）の中を電流が流れ、浅いサブバンド超格子３と深いサブバンド超格子１の間の界面２で光１８が発生する。
【００３２】
（実施例２）
図３は、実施例２に基づくＵＬＥＤの構造を示す。図３に示すＵＬＥＤは、超格子１と超格子３との間の界面に活性層１９が形成されている点を除き、実施例１にかかるＵＬＥＤ（図１参照）と同じ構造を有する。この活性層１９は、光学的に活性な不純物、またはＧａxＡｌ1-xＮからなる量子ドットを含む。また、活性層１９は、量子ドットまたは不純物に関連する寄生的な量子化（lateral quantization:ＬＱ）によって、電子に対するフォノンエネルギー緩和チャネル(phonon energy relaxation channel)を抑制させることができる。ＬＱを用いることにより、量子井戸平面に沿って自由運動がなくなる。これによって電子エネルギースペクトルが区分され、レベル間のすべてのギャップが光学的なフォノンエネルギーよりも高い場合には、1つのフォノン転位がエネルギー保存の法則により制限されることになる。
【００３３】
活性層１９を設けることによる第２番目の利点は、超格子内におけるサブバンドエネルギーの位置を、活性層中の不純物または量子ドットの光学的に活性な遷移にあわせて調整することができることである。これにより、超格子のサブバンドから直接流れる電流により、活性層中での光学的遷移を励起させることができる。
【００３４】
（実施例３）
図４は、実施例３に基づく白色光発生用のＵＬＥＤの構造を示す図である。図４に示すＵＬＥＤはサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１１を含み、その上に厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１０が形成される。次に、厚さ３μｍのｎ−ＡｌＮからなるｎ−クラッドコンタクト層５が積層される。ｎ−クラッドコンタクト層５は、ドーピングレベルが１０１８−１０２０ｃｍ−３でシリコン（Ｓｉ）がドープされている。このｎ−クラッドコンタクト層５の上でエピタキシャル成長させて、ＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子２０が形成される。この超格子２０は、ドープされていない３層のＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる量子井戸２１と、４層のＡｌＮからなる障壁２２とで構成される。量子井戸２１を構成する３層の各層の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁２２を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合において、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をとる。
【００３５】
つづいて、この上に活性層２３を積層する。活性層２３は光学的に活性な不純物、またはＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮからなる量子ドットを含む。
【００３６】
この活性層２３の上に、ＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子２４がエピタキシャル成長によって形成される。超格子２４は、ドープされていない３層のＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる量子井戸２５と、４層のＡｌＮからなる障壁２６とで構成される。量子井戸２５を構成する３層の各層の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁２６を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合において、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をとる。
【００３７】
次に、この上に活性層２７を積層する。活性層２７は光学的に活性な不純物、またはＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮからなる量子ドットを含む。
【００３８】
この活性層２７の上に、ＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子２８がエピタキシャル成長によって形成される。超格子２８は、ドープされていない３層のＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる量子井戸２９と、４層のＡｌＮからなる障壁３０とで構成される。量子井戸２９を構成する３層の各層の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁３０を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合において、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をとる。
【００３９】
次に、この上に活性層３１を積層する。活性層３１は光学的に活性な不純物、またはＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮからなる量子ドットを含む。
【００４０】
この活性層３１の上に、ＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる１階層の超格子３２がエピタキシャル成長によって形成される。超格子３２は、ドープされていない３層のＧａｘＩｎｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ／ＡｌＮからなる量子井戸３３と、４層のＡｌＮからなる障壁３４とで構成される。量子井戸３３を構成する３層の各層の厚さは０．５〜２．０ｎｍであり、障壁３４を構成する４層の各層の厚さは１ｎｍである。なお、この場合において、ｘおよびｙは０．０５〜１．０の間の値をとる。
【００４１】
超格子３２の上面に、厚さが１μｍのｎ−Ｇａ0.95Ａｌ0.05Ｎからなるコンタクト層１３を形成する。つづいて、ドーピングレベルが１０18−１０20ｃｍ-3のコンタクト層１３の上面に、チタン/アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）からなる透明な金属コンタクト１２を形成する。次いで、エッチング後、ｎ−クラッドコンタクト層５上であって構造体の隅にあたる部分に、もう1つのコンタクト４を形成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のＵＬＥＤの構造を示す図で、２つのIII族窒化物超格子をベースとしたものである。
【図２】図２（ａ）は、図１に示すＵＬＥＤの動作を説明するための図であり、該ＵＬＥＤにバイアスを印加していない場合における、該ＵＬＥＤの構造に沿って等位置のエネルギー（Ｅ）のエネルギーバンドを概略的に示す図である。図２（ｂ）は、図１に示すＵＬＥＤの動作を説明するための図であり、該ＵＬＥＤにバイアスを印加した場合における、該ＵＬＥＤのエネルギーバンドを概略的に示す図である。
【図３】実施例２にかかるＵＬＥＤの構造を示す図である。
【図４】実施例３にかかるＵＬＥＤの構造を示す図で、白色光発光用に形成された４階層のIII族窒化物超格子を有するＵＬＥＤを示す。
【図１】
0003636970.tif 000003
【図２】
0003636970.tif 000004
【図３】
0003636970.tif 000005
【図４】
0003636970.tif 000006