(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５＜ｘ＜１である、η＞０であることを特徴とする秩序化された、または部分的に秩序化されたＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含む素子層、ならびに
ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧｅまたはＧａＰ基板と、前記基板および前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層の間に位置されている傾斜組成バッファ層と、を含む仮想基板
を含む光電子素子であって、
前記傾斜組成バッファ層が、
前記基板に接する第一のバッファ層であって、前記基板に実質的に格子整合している第一の格子定数を有する第一のバッファ層と、
前記素子層に接する第二のバッファ層であって、前記素子層の所定の格子定数と実質的に等しい第二の格子定数を有する第二のバッファ層と
を含む光電子素子。
【請求項２】
前記傾斜組成バッファ層が、ステップ傾斜されている３から８層のバッファ層を含む請求項１記載の光電子素子。
【請求項３】
Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層が、基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する（ａfilm＞ａsubstrate）請求項１記載の光電子素子。
【請求項４】
前記傾斜組成バッファ層が、Ａｌ1-yＩｎyＰ、Ｇａ1-yＩｎyＡｓ、ＧａＳｂyＡｓ1-y、ＧａＢｉyＡｓ1-y、ＳｉyＳｎzＧｅ1-y-zを含む化合物、または、前記基板の格子定数と前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層の格子定数とのあいだの格子定数の範囲にある他のIII-Ｖ族化合物を含む請求項１記載の光電子素子。
【請求項５】
前記化合物がＡｌ1-yＩｎyＰを含み、ここでｙは、前記素子層により近く位置されているそれぞれのバッファ層においてその値が増加している請求項４記載の光電子素子。
【請求項６】
前記化合物がＧａ1-yＩｎyＡｓを含む請求項４記載の光電子素子。
【請求項７】
前記化合物におけるｙが、ｙ≒０．０７５からｙ≒０．２２５の範囲であり、および、さらに傾斜層オーバーシュートを含み、前記傾斜組成バッファ層末端における面内格子定数が前記素子層の所望の緩和格子定数と整合している請求項６記載の光電子素子。
【請求項８】
前記第一のバッファ層がｙ≒０．０７５でありかつ０．５μｍの厚さを有し、前記第二のバッファ層がｙ≒０．２２５でありかつ０．５μｍの厚さを有し、および、追加のバッファー層が、０．０７５＜ｙ＜０．２２５でありかつ０．５μｍの厚さを有する一つの追加のバッファ層からなる請求項７記載の光電子素子。
【請求項９】
前記化合物がＧａＢｉyＡｓ1-yを含む請求項４記載の光電子素子。
【請求項１０】
前記傾斜組成バッファ層の少なくとも一部分がＳｉyＳｎzＧｅ1-y-z化合物を含む請求項４記載の光電子素子。
【請求項１１】
光電子素子が発光ダイオード（ＬＥＤ）である請求項１記載の光電子素子。
【請求項１２】
前記素子層が、第一のｎ型ドープ層および第一のｐ型ドープ層、または真性半導体的にドープされる層を含む請求項１記載の光電子素子。
【請求項１３】
前記素子層が、第二のｎ型ドープ層および第二のｐ型ドープ層を含み、前記第二のｎ型ドープ層および第二のｐ型ドープ層が前記活性層のＡｌ濃度よりも高いＡｌ濃度を有するＡｌ1-wＩｎwＰ化合物を含む請求項１２記載の光電子素子。
【請求項１４】
前記素子層が、２層のクラッド層をさらに含み、そのそれぞれが、ｎ型またはｐ型ドープされた秩序化されていない（η＝０）ＡｌxＩｎ1-xＰ層を含み、前記２層のクラッド層が、前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層と同じ組成を有し、および、前記クラッド層が、前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層のバンドギャップより大きなバンドギャップをもつ請求項１記載の光電子素子。
【請求項１５】
前記素子層上に位置されている電流を拡散する導電性窓層、
前記電流を拡散する導電性窓層上に位置されている上端接点、および
前記素子層の底面に位置されている底面接点
をさらに含み、
前記電流を拡散する導電性窓層が前記上端接点からの電流を拡散するように構成されており、
前記上端接点が、高濃度にドープされたＧａＡｓ層を含み、
前記底面接点が前記基板の底面を通じて延びている請求項１記載の光電子素子。
【請求項１６】
前記素子層が、緑色、黄色、橙色または赤色波長発光範囲に及ぶ少なくとも１つの可視波長を有する光を放出する請求項１記載の光電子素子。
【請求項１７】
Ａｌ1-xＩｎxＰを含む第一の素子層、および
Ａｌ1-vＩｎvＰを含む第二の素子層
を含み、
ここで、ｖ≠ｘであり、
前記第一の素子層および前記第二の素子層は同一チップ上に位置されており、および
前記第一の素子層および前記第二の素子層は複数の可視波長を有する光を放出する請求項１６記載の光電子素子。
【請求項１８】
前記第一の素子層および前記第二の素子層のあいだに位置されている第二の傾斜組成バッファ層をさらに含み、
前記第一の素子層は、仮想基板上に位置されており、および、第一の波長で発光するように構成されているＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含み、
前記第二の素子層は、前記第一の素子層上に位置されており、および、第二の波長で発光するように構成されているＡｌ1-vＩｎvＰ活性層を含み、前記第二の波長は、前記第一の波長より短く、
前記第二の傾斜組成バッファ層が、前記第一の波長に透明である請求項１７記載の光電子素子。
【請求項１９】
前記仮想基板がＩｎＰ基板を含む請求項１８記載の光電子素子。
【請求項２０】
０．５＜ｘ＜１である、η＞０であることを特徴とする秩序化された、または部分的に秩序化されたＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含む第一の素子層であって、第一の波長の光を放出するように構成されている第一の素子層と、
０．５＜ｘ＜１である、η＞０であることを特徴とする秩序化された、または部分的に秩序化されたＡｌ1-yＩｎyＰ活性層を含む第二の素子層であって、第二の波長の光を放出するように構成されており、ここで、前記第二の波長は、前記第一の波長より長く、かつ、ｙ≠ｘである第二の素子層と、
前記第一の素子層および前記第二の素子層のあいだに位置されている傾斜組成バッファ層であって、前記第二の波長に透明であるＡｌ1-ZＩｎZＰバッファ層を含む傾斜組成バッファ層と
を含む光電子素子。
【請求項２１】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層がさらにＧａを含み、Ａｌ1-x-yＩｎxＧａyＰを含む活性層が形成されている請求項２０記載の光電子素子。
【請求項２２】
光電子素子を製造するための方法であって、前記方法が、
ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧｅまたはＧａＰ基板を提供する工程、
前記基板上で傾斜組成バッファ層を成長させる工程であって、前記傾斜組成バッファ層が前記基板と実質的に格子整合している層で始まり、そしてその後、Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層の格子定数に対応する所定の格子定数まで格子定数が増加される工程、
Ａｌ1-xＩｎxＰ（０．６７＜ｘ＜１）活性層を成長させる工程であって、前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層の成長が伸張（ａfilm＜ａsubstrate）よりも、圧縮（ａfilm＞ａsubstrate）で起こり、全ての層の成長が１つまたはそれ以上の有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）技術および分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術によって実現される工程
を含む光電子素子を製造するための方法。
【請求項２３】
０．６７＜ｘ＜１であるＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含むＡｌ1-xＩｎxＰ素子層、および
前記素子層と接している傾斜組成バッファ層
を含む光電子素子であって、
前記傾斜組成バッファ層が第一面および第二面を備え、
前記第一面が、前記素子層と実質的に格子整合しておらず、かつ、前記第二面が、前記素子層と直接接しており、および、前記素子層に実質的に格子整合しており、ならびに
前記傾斜組成バッファ層が、３から８のステップ傾斜バッファ層または連続的な傾斜組成を含む光電子素子。
【請求項２４】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層が、０．６７＜ｘ＜１である、η＞０であることを特徴とする秩序化された、または部分的に秩序化されたＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含む請求項２２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項２５】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層が低減された転位密度で成長される請求項２２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項２６】
前記傾斜組成バッファ層が３から８のステップ傾斜バッファ層を含むように形成される請求項２２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項２７】
前記傾斜組成バッファ層が、Ａｌ1-yＩｎyＰ、Ｇａ1-yＩｎyＡｓ、ＧａＳｂyＡｓ1-y、ＧａＢｉyＡｓ1-y、ＳｉyＳｎzＧｅ1-y-zを含む化合物、または、前記基板の格子定数と前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層の格子定数とのあいだの格子定数の範囲にある他のIII-Ｖ族化合物を含む請求項２４記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項２８】
前記傾斜組成バッファ層がＡｌ1-yＩｎyＰステップ傾斜バッファ層を含み、前記基板とほぼ格子整合している第一のＡｌ1-yＩｎyＰバッファ層が前記基板上で始めに成長され、および、前記第一のＡｌ1-yＩｎyＰバッファ層のＩｎ濃度よりも高いＩｎ濃度を有する少なくとも１つの追加のＡｌ1-yＩｎyＰバッファ層が前記第一のＡｌ1-yＩｎyＰバッファ層上で成長される請求項２７記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項２９】
前記傾斜組成バッファ層が前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層から前記基板への電子またはホールの拡散を妨げるように、前記傾斜組成バッファ層の荷電子帯端および伝導帯端エネルギーを前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層のものと揃えることをさらに含む請求項２８記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３０】
前記傾斜組成バッファ層がＧａ1-yＩｎyＡｓステップ傾斜バッファ層を含み、前記Ｇａ1-yＩｎyＡｓステップ傾斜バッファ層の成長が、成長のあいだ、傾斜組成バッファ層中のＩｎ濃度を変化させることにより制御される請求項２７記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３１】
前記Ｇａ1-yＩｎyＡｓステップ傾斜バッファ層の格子定数を所定の格子定数にシフトさせるために、ＩｎがＧａ1-yＩｎyＡｓステップ傾斜バッファ層へと添加され、
ここで、ｙはｙ≒０．０７５からｙ≒０．２２５の範囲に及び、
前記傾斜組成バッファ層がさらに、前記傾斜組成バッファ中に形成される残存歪みの原因となる傾斜層オーバーシュートを含み、
前記傾斜組成バッファ層末端における面内格子定数が前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層の所望の緩和格子定数と整合している請求項３０記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３２】
前記傾斜組成バッファ層が３つの０．５μｍステップ傾斜バッファ層からなる請求項３１記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３３】
前記化合物がＧａＢｉyＡｓ1-yを含み、前記ＧａＢｉyＡｓ1-yが、成長中のＡｌ1-xＩｎxＰ活性層への貫通転位の伝播を低減する請求項２７記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３４】
前記化合物の少なくとも一部分がＳｉyＳｎzＧｅ1-y-zを含む請求項２７記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３５】
光電子素子が発光ダイオード（ＬＥＤ）である請求項２２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３６】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層が、ｎ型ドープ層またはｐ型ドープ層または真性半導体的にドープされる層を含む活性領域を備えるダブルへテロ構造（ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐ変形）を含むように形成される請求項２４記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３７】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層が、ｎ型ドープ層またはｐ型ドープ層を含み、前記ｎ型ドープ層またはｐ型ドープ層が、前記活性層のＡｌ濃度より高いＡｌ濃度であるＡｌ1-wＩｎwＰ層を含み、これによりキャリアが前記活性領域に閉じ込められる請求項３６記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３８】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層より大きなバンドギャップをもつ、前記Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層と同じ組成のｎ型またはｐ型ドープされた秩序化されていない（η＝０）ＡｌxＩｎ1-xＰ層を含むクラッド層を形成する工程をさらに含む請求項２２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項３９】
秩序化／無秩序化の制御が、成長温度、成長速度、サーファクタントもしくは外因性不純物の使用、または、基板結晶方位を介して行われる請求項２２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項４０】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層上に電流を拡散する導電性窓層を形成する工程、
前記窓層に接して前記上端接点を形成する工程、および
底面接点を形成する工程
をさらに含み、
前記窓層が上端接点からの電流を拡散するように構成されており、
前記上端接点が、高濃度にドープされたＧａＡｓ層で形成されており、および
前記底面接点が前記基板の底面を通じて形成される請求項２４記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項４１】
前記Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層の波長発光範囲が緑色、黄色、橙色または赤色波長発光範囲を含む請求項２４記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項４２】
同一チップ上に種々の組成を有する複数のＡｌ1-xＩｎxＰ素子層を形成する工程をさらに含み、前記複数のＡｌ1-xＩｎxＰ素子層が複数の可視波長を有する光を放出するように構成される請求項４１記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項４３】
第一の波長で発光する第一のＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含む第一の素子層を始めに成長させる工程、
第二の波長で発光する第二のＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含む第二の素子層を成長させる工程、
前記第一の素子層および前記第二の素子層のあいだの傾斜組成バッファ層を成長させる工程
をさらに含み、
前記第一の素子層の組成が前記第二の素子層の組成と異なっており、
前記第二の波長は、前記第一の波長よりも短く、
前記第一の素子層および前記第二の素子層のあいだの前記傾斜組成バッファ層が、前記第一の波長に透明である
請求項４２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項４４】
仮想基板がＩｎＰ基板上に形成される請求項４３記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項４５】
第一の波長の光を放出する第一のＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含む第一の素子層を始めに成長させる工程、
第二の波長の光を放出する第二のＡｌ1-xＩｎxＰ活性層を含む第二の素子層を成長させる工程、
前記第一の素子層および前記第二の素子層のあいだの傾斜組成バッファ層を成長させる工程、ならびに
前記第一の素子層、前記第二の素子層、および前記傾斜組成バッファ層が成長された後、仮想基板を除去する工程
をさらに含み、
前記第二の波長は、前記第一の波長よりも長く、
前記第一の素子層の組成が前記第二の素子層の組成と異なっており、および
前記第一の素子層および前記第二の素子層のあいだの前記傾斜組成バッファ層が、前記第二の波長に透明であるように形成される請求項４２記載の光電子素子を製造するための方法。
【請求項４６】
ＧａＡｓの格子定数と等しくはないが、その値に戻る方向に格子定数を近づけるために、Ｇａを前記第一の活性層または前記第二の活性層の少なくとも一つに添加することによって、Ａｌ1-x-yＩｎxＧａyＰ活性層を形成する工程を含む請求項４５記載の光電子素子を製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［契約上の起源］
米国政府は、米国エネルギー省と、再生可能エネルギー国立研究所（National Renewable Energy Laboratory）の管理運営者であるアライアンス  フォー  サステイナブル  エナジー  リミテッド  ライアビリティ  カンパニー（Alliance for Sustainable Energy, LLC）との契約第ＤＥ−ＡＣ３６−０８ＧＯ２８３０８号に基づいて、この発明に権利を持っている。
【０００２】
［関連出願とのクロスレファレンス］
本出願は、２０１０年１０月１２日に出願された米国特許仮出願番号第６１／３９２、４０６号の利益を主張し、その出願の全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
本明細書に記載される主題は、谷間キャリア移動を制限することによる、高効率な光電子素子のための大きなバンドギャップをもつリン化物系III-Ｖ族化合物（alloys）に関する。
【０００４】
高効率な白色発光ダイオード（ＬＥＤｓ）を実現するための一つのアプローチは、赤色、緑色および青色の個々のＬＥＤを組み合わせる（いわゆる「ＲＧＢアプローチ（RGB approach）」）である。このような素子はＬＥＤ構造としては高い演色性（ＣＲＩ）を有するが、個々のＬＥＤのそれぞれが高い量子効率（素子中に流す電子の個数に対する、放出される光子の割合で定義される）を有していることも必要とする。赤色および青色のＬＥＤは共にすでに必要とされる効率に達しているが、緑色発光は比較的低効率にとどまっている。三色混合の構成のための所望の緑色発光波長は、およそ５６０ｎｍであって、ＣＲＩを最大化し、そしてまた、赤色および青色発光に関する要件を緩和する。四色混合構成のためには、およそ５７５〜５９０ｎｍである黄色波長がまた望ましいであろう。
【０００５】
歴史的には、Ｅg≒２．１〜２．３ｅＶ（波長λ≒５４０〜５９０ｎｍ）である直接遷移を実現するために、緑色発光ＬＥＤは、Ｇａ1-xＩｎxＮおよび（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ化合物系をベースとしてきた。最近ではＧａxＩｎ1-xＰ化合物をこの適用のために使用することにも努力が傾注されてきている。ＧａＮの直接遷移型バンドギャップが紫外（ＵＶ）領域（Ｅg＝３．５ｅＶ）にあるため、窒化物ベースの化合物は現在、短波長発光（λ＜５２０ｎｍ）に適した唯一のIII-Ｖ族化合物系である。ＧａＮへのＩｎの添加は効率的に発光を青色領域と転換させるが、緑色へのさらなるギャップの低減には発光効率の深刻な低下をともなう。独立した基板として窒化物ベースの半導体を成長させることは非常に困難であり、したがって、適切に格子整合していない異種基板上へのＧａ1-xＩｎxＮ素子の作製が必要とされる。
【０００６】
逆に、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰは、ｙ≒０．５１でＧａＡｓと格子整合し、良好な材料品質を与え、そして、赤色および橙色ＬＥＤに使用される第一の材料系である。しかしながら、格子整合した系は、自発的原子秩序の程度に応じ、おおよそｘ＝０．５３、２．２〜２．３ｅＶのあたりで直接遷移型から間接遷移型への移行が行われることが予測される。バンドギャップが間接遷移型である場合、光子放出の可能性は非常に低いため、（ＡｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐは、５６０ｎｍより短い波長で作用するＬＥＤとしては使用できない。さらに、放出効率も低下させる、ＸおよびＬバンドへのキャリアの谷間移動を防ぐため、バンドギャップが遷移エネルギーより小さい、数ｋＴ（〜１００ｍｅＶ）でなければならないことを考慮すると、この化合物はスペクトルの黄色−緑色端（〜２．１ｅＶ）までのみで高効率で作用可能である。ＧａＡｓとはわずかに格子整合していないＧａxＩｎ1-xＰ（Ａｌなし）もまた、緑色ＬＥＤの候補ではあるが、これも類似の波長に限定されている。
【０００７】
関連技術である上述の例およびそれらに関した限定は例示を目的とするものであって排他的なものではない。関連技術のその他の限界は、当業者にとって本明細書を読むこと、そして、図面の参照によって明らかとなるであろう。
【０００８】
例示的な実施態様が図面の参照された図に示される。本明細書中に開示される実施態様および図は例示を目的とするものであって、限定する意図はない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】バンドギャップボーイングを含めてまたは含めずに計算された、Ａｌ1-xＩｎxＰ化合物の直接および間接遷移型エネルギーの図である。直接遷移型から間接遷移型へのクロスオーバー（Ｅgcross-over）と関連する組成およびＥgcross-over−１００ｍｅＶがマークされている。
【図２】Ａｌ1-xＩｎxＰおよびＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐの放出エネルギーのピークを比較した図であり、Ａｌ1-xＩｎxＰの直接遷移が緑色範囲にあることを示している。
【図３】ダブルへテロ構造を備えたＬＥＤデザインの実施例を、活性層およびクラッド層のドーピングのための選択肢ならびにキャリア閉じ込めのためのスキームとともに示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の実施例およびそれらの局面は、例示的および説明のためのものであって特許請求の範囲を限定するものでない、システム、ツールおよび方法と併せて記載および説明される。様々な実施態様において、１つまたはそれ以上の上述した問題が低減または解消され、さらに、他の実施態様がその他の改良に向けられる。
【００１１】
高効率なオプトエレクトロニクスのための大きなバンドギャップをもつ化合物が開示される。ＬＥＤ素子の一例は、少なくとも１つのＡｌ1-xＩｎxＰ層、ならびに、基板および基板と少なくとも１つのＡｌ1-xＩｎxＰ層とのあいだの傾斜組成バッファとを含む仮想基板を含む。バッファは、ＧａＡｓに必ずしも厳密にではないがほぼ格子整合した層で始まり、そしてその後、Ａｌ1-xＩｎxＰの所定の格子定数に到達するまで各々の逐次層における格子定数を徐々に、またはその他の方法で増加させる。バッファのデザインは、例えば素子デザインおよび成長条件などを含む、様々なファクターに依存するであろう。
【００１２】
上述した例示的な局面および実施態様に加えて、図面を参照することによって、および、以下の記載を考察することによって、さらなる局面および実施態様が明白となるであろう。
【００１３】
Ａｌ1-xＩｎxＰは、この材料が窒化物ではない任意のIII-Ｖ族化合物の中で最も高いエネルギーで直接ギャップ半導体から間接ギャップ半導体へと移行するため、本明細書中に記載される実施態様にしたがって、緑色ＬＥＤのために使用され得る。移行が起こるエネルギーは、図１に示されるように、２．４ｅＶ（バンドボーイングがないと仮定して、ｘ≒０．５４）から２．３ｅＶ（小さなバンドボーイングｂr≒−０．４８ｅＶおよびｂx≒０．３８ｅＶ［１］があると仮定して、ｘ≒０．６３）の範囲であり得る。谷間キャリア移動を防ぐために必要なバンドギャップ低減を考慮に入れると、２．１〜２．３ｅＶ範囲（５４０〜５９０ｎｍ）での光子放出が可能である。
【００１４】
図２は、ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法によって成長させた、最適化されていない１μｍ  Ａｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ薄膜のフォトルミネッセンススペクトルを表しており、およそ２．２７ｅＶ（１０Ｋにおいて）の直接ギャップを実現する能力があることを示している。ＧａＡｓ基板上で成長させたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ（Ｅg＝２．１４ｅＶ）のスペクトルがまた比較のために示されているが、緑色発光波長を実現するためのＧａ1-xＩｎxＰに勝るＡｌ1-xＩｎxＰの優位性を強調している。
【００１５】
バンドギャップが直接遷移型である組成において、Ａｌ1-xＩｎxＰは、ＧａＡｓ（ａ＝５．６５Å）と格子整合していない。表１および２（以下に示される）は、上述した化合物についての、関連する放出エネルギー、格子定数およびＧａＡｓに対する格子不整合性の計算値を示している。表１および２は、計算された／見積もられた値を示すものであり、示される値は単なるガイドとして挙げられている。他の値をとることも予測され、そして、それらの値はデザインの選択またはその他の状況に応じて変わり得る。擬似格子整合型（pseudomorphic）Ａｌ1-xＩｎxＰ層における歪みは、０．００５および０．００１６のあいだであると計算されるが、これは、薄膜が臨界厚さを超える際にミスフィット転位および貫通転位の形成を経て緩和される傾向がある。ある程度の歪みを保持していることは、直接ギャップを理想的な発光波長へとエネルギー的に高くわずかに押し上げることにより、素子に利益をもたらすかもしれない。しかしながら、仮想基板を形成するために基板とＡｌ1-xＩｎxＰ素子層とのあいだに傾斜組成バッファ層を挿入することにより、Ａｌ1-xＩｎxＰは、その緩和格子定数がバッファ層の末端における面内格子定数と整合しているならば、実際上歪みなしに成長され得る。
【００１６】
表１  緑色発光に適したＡｌ1-xＩｎxＰ化合物に関する発光および格子定数情報
【表１】
0005852660.tif 000002
【００１７】
表２  Ａｌ1-xＩｎxＰに格子整合したＧａ1-xＩｎxＡｓおよびＧａＢｉxＡｓ1-xバッファ層の比較
【表２】
0005852660.tif 000003
【００１８】
ステップ傾斜バッファ層が使用される場合、ＧａＡｓに実質的に格子整合している層でまず開始され、そしてその後、傾斜層の所望の面内格子定数がＡｌ1-xＩｎxＰの所望の緩和格子定数に整合するまで、それぞれの逐次層において少しずつ格子定数が増加される。バッファ層はあるいは、規定されたステップというよりも連続的な傾斜組成で構成されてもよい。全体の歪みの一部分がステップ傾斜バッファ層の各層において緩和される。歪み緩和の間に形成される転位は、理想的には大部分これらの層に閉じ込められ、そして、Ａｌ1-xＩｎxＰ素子層はその後、顕著に低減された転位密度（≒１０5〜１０6ｃｍ-2）で成長され得る。バッファの最上層は依然としてある程度の残存歪みを含んでいるかもしれず、そのため、バッファ層の歪み面内格子定数は歪みのないＡｌ1-xＩｎxＰ層の格子定数と整合されなければならないことに留意すべきである。表１に示される不整合性の値のためには、およそ３〜８のステップ傾斜バッファ層が使用され得る。ＧａyＩｎ1-yＰよりＡｌ1-xＩｎxＰを使用することの追加の利点は、成長が伸張（ａfilm＜ａsubstrate）よりも、圧縮（ａfilm＞ａsubstrate）において起こることであり、これは成長にとって望ましいことである。
【００１９】
Ａｌ1-xＩｎxＰそのもの、Ｇａ1-xＩｎxＡｓ、ＧａＳｂxＡｓ1-x、ＧａＢｉxＡｓ1-x、または、基版とＡｌ1-xＩｎxＰ層とのあいだの格子定数の範囲にあるその他のIII-Ｖ族化合物を含む、いくつかの化合物が傾斜組成バッファ層として適している。Ａｌ1-xＩｎxＰステップ傾斜バッファ層としては、ＧａＡｓとほぼ格子整合しているＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層が始めに成長され（実質的にＣａＡｓに格子整合している）、そしてその後、Ｉｎ濃度が後に続く層中で増加され得る。このアプローチは、これらの層の荷電子帯端および伝導帯端エネルギーが最後のＡｌ1-xＩｎxＰ素子層のものと好ましくは揃えられており、したがってＧａＡｓ基板への電子またはホール拡散を防ぐことから有利である。高品質な、幅広いＩｎ濃度を有するＧａ1-xＩｎxＡｓステップ傾斜の成長はまた選択肢の１つである。格子定数をＡｌ1-xＩｎxＰにとって望ましい値にシフトさせるためにＧａＡｓに添加されるＩｎの量は、ｘ≒０．０７５（Ａｌ0.46Ｉｎ0.54Ｐ、ａ＝５．６８Å）からｘ≒０．２２５（Ａｌ0.32Ｉｎ0.68Ｐ、ａ＝５．７４Å）の範囲に及ぶ。これは、傾斜組成バッファ中の残存歪みの原因となる傾斜層オーバーシュートを含んでいるかもしれず、ここでバッファ末端における面内格子定数はＡｌ1-xＩｎxＰ素子層の所望の緩和格子定数と整合している。
【００２０】
ｘ≒０．０７５の値となるようにＩｎを傾斜させることは、Ｉｎ濃度の増加を伴う３つの０．５μｍステップによって達成され得るが、バッファ層の正確なデザインは多くのファクターに依存するであろう。最終的に、ＧａＢｉxＡｓ1-xの緩和は貫通転位の形成をもたらさないようである。Ａｌ1-xＩｎxＰ活性層へ伝播し得る貫通転位の数を成長のあいだ低減するという可能性は、バッファ層としてＧａＢｉxＡｓ1-xを使用することの利点である。
【００２１】
Ｓｉ、ＧｅおよびＧａＰを含むその他の基板がＧａＡｓを代替し得る。Ｇｅは５．６５３２Å（０．００８％不整合）と比べわずかにより大きい５．６５７８Åの格子定数を有しており、ある程度の不整合を低減するため、Ｇｅの使用が好ましい。Ａｌ1-xＩｎxＰの格子定数までの傾斜は、ＳｉxＳｎyＧｅ1-x-yによって実現されるかもしれない。バッファ層が活性層中の貫通転位密度を許容できるレベルまで低減することができない場合、少量のＧａが、格子定数を、ＧａＡｓの格子定数と等しくはないが、その値に戻る方向に近づけるために、Ａｌ1-xＩｎxＰに添加され、Ａｌ1-x-yＩｎxＧａyＰが形成されてもよい。これは直接ギャップから間接ギャップへの移行が起こるエネルギーの低下をもたらすが、いくつかの実施態様においてその代償は価値があるかもしれない。低下したＡｌ濃度はまた有益であるかもしれない。ある一定のＬＥＤデザイン態様を可能にするために有用であるようならば、ＩｎＰもまた、その上で傾斜組成バッファおよびＡｌ1-xＩｎxＰ素子層を成長させるために許容可能な基板であり得る。上記で説明されるＧａＡｓのための材料と類似の材料が、傾斜組成バッファのために使用され得る。
【００２２】
ＬＥＤ素子のデザインは、光の取り出し、内部量子効率、ピーク電力、熱放散などが最適化されている任意の既存の変形を含んでいてもよい。ダブルへテロ構造（ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐ変形）の構成において、活性領域はｎ型およびｐ型ドープ層、または真性半導体的に（intrinsically）ドープされる層を含んでいても良い。クラッド層は多数のアプローチを通じてデザインされ得る。
【００２３】
例示的な実施態様において、活性層よりＡｌ濃度の高い、したがってより大きなバンドギャップを有するｎ型およびｐ型ドープＡｌ1-xＩｎxＰ層が、ｔｙｐｅ−Ｉバンドアライメントを通じて活性領域にキャリアを閉じ込めるために使用されてもよい。Ａｌ1-xＩｎxＰは、ＡｌおよびＩｎがIII族の副格子を秩序化する強い傾向があり、これはバンドギャップを強力に低下させる。
【００２４】
この秩序化効果はクラッド層デザインの別の実施態様においても使用され得る。すなわち、活性領域は秩序化された、または部分的に秩序化された（η＞０）Ａｌ1-xＩｎxＰ層を含んでいてもよい。クラッド層は、同じ組成であるが、より大きな間接遷移型バンドギャップをもつｎ型およびｐ型ドープされた秩序化されていない（η＝０）ＡｌxＩｎ1-xＰ層を含んでいても良い。秩序化／無秩序化の制御は成長温度、成長速度、例えばＳｂ、Ｂｉなどのサーファクタント（surfactant：表面活性剤）もしくは例えばＺｎなどの迅速に拡散する外因性不純物の使用、または、基板結晶方位を通じて実現され得る。これらの実施態様は図３に示されている。
【００２５】
ＧａＰまたは他の透明導電層からなる窓層が、素子上の上端接点からの電流を拡散するために含まれてもよい。上端接点は、金属接点が配置された後にエッチングで取り除かれる、高濃度にドープされたＧａＡｓ層で形成され得る。底面接点は、基板およびバッファ層が高濃度にドープされている場合には、基板の底面を通じて、または、素子が分離された後に最後のバッファ層の上端上に配置される接点を通じて、形成され得る。代わりの素子構造がまた使用されてもよい。これらの層の、精密な厚さ、ドーパントおよびドーピング濃度が素子性能のために最適化されなければならない。全てのまたはいくつかの層の成長は有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術によって行われてもよい。
【００２６】
最終的に、Ａｌ1-xＩｎxＰの直接遷移型バンドギャップは緑色、黄色、橙色および赤色波長発光範囲に及ぶ。同一チップ上での複数の可視波長発光を備えた素子が、種々の組成を有するＡｌ1-xＩｎxＰ素子の積層構造を成長させることによって製造され得る。例えば素子が仮想基板上に残される場合、最も長波長の光を発光するＡｌ1-xＩｎxＰ素子層が始めに成長され、そしてその後、その波長には透明である傾斜組成バッファが続き、そしてその後、次に長波長の光を発光する次のＡｌ1-xＩｎxＰ素子層と続く。ＩｎＰ基板上の仮想基板の形成は、実際的なアプローチとなり得る。例えば伸張においてよりも圧縮においての成長が好ましい場合、または、素子全体の積層構造が成長後に仮想基板から取り除かれる場合、素子層は上に記載した順番とは逆の順番で成長され得る。すなわち、最も短波長を発光するＡｌ1-xＩｎxＰ素子層が始めに成長され、その後、その波長には透明である傾斜組成バッファが続き、その後、次に短波長の光を発光するＡｌ1-xＩｎxＰ素子層が続く。全ての発光波長に透明でない限り、仮想基板はその後取り除かれ得る。
【００２７】
本明細書に記載される実施態様にはいくつかの利点があるであろう。例えば、ＧａＡｓに格子不整合であるＡｌ1-xＩｎxＰ（０．５＜ｘ＜０．７）は、窒化物ではない任意のIII-Ｖ族化合物の中で最も大きな直接遷移型バンドギャップを提供する。緑色波長発光はそれゆえ、直接遷移エネルギーが間接遷移から数ｋＴ（〜１００ｍｅＶ）離れており、キャリアの谷間移動を通じた効率損失を防ぐ化合物組成で実現され得る。別の利点は、安価なＧａＡｓ、ＧｅまたはＳｉ基板が使用され得ることであろう。さらなる別の利点は、同一素子からの複数の波長発光を可能にする、より長波長の発光もＡｌ1-xＩｎxＰ系内で可能であることであろう。
【００２８】
多数の例示的な局面および実施形態が上記で議論されてきたが、当業者はそれらの一定の変更、置換、追加および部分的組合せを認識するであろう。したがって、以下の添付の請求項および以後に示す請求項は、本発明の趣旨および範囲内において、そのような全ての変更、置換、追加および部分的組合せを含むことが意図される。
【図１】
0005852660.tif 000004
【図２】
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【図３】
0005852660.tif 000006