(57)【要約】  本発明は、ワイドバンドギャップ半導体材料で作製され、ワイドバンドギャップ半導体デバイス内にトンネル接合を有する低抵抗ｐ型閉じ込め層を備えるＬＥＤである。異種材料は、この材料が生来の双極子を発生させるトンネル接合の所に配置される。この生来の双極子が使用されて、異種材料が無い状態での幅より小さいトンネル幅を有する接合を形成する。ワイドバンドギャップ半導体デバイス内にトンネル接合を有する低抵抗ｐ型閉じ込め層は、閉じ込め層の接合中に分極電荷を発生させることによって、また分極電荷が無い状態での幅より小さいトンネル幅を接合中に形成することによって作製できる。閉じ込め層中のトンネル接合を介するトンネリングは、接合内に不純物を追加することによって向上させることができる。これらの不純物は接合中にバンドギャップ状態を形成できる。
2009527920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２及び第３半導体層とメタリックコンタクトし、前記第２半導体層と前記第３半導体層の間に配置された第１組成を有する第１半導体層であって、前記第２及び第３半導体層は、第１層とは異種の組成を有し、前記第２半導体層はｐ型で、前記第３半導体層はｎ型である、第１半導体層と、
トンネル幅と、トンネリングに対する抵抗とを有し、前記第２、第１及び第３層で形成され、前記第２層中の電荷キャリアが反対の極性を有する電荷キャリア中へ遷移することを許容するように適合されているトンネル接合とを備え、
前記異種材料に付随する生来の双極子が使用されて前記接合を形成し、その結果、前記幅は、前記第１層の無い状態での前記接合内の幅より小さいことを特徴とするｐ型閉じ込め層を有する高効率ワイドバンドギャップ半導体フォトニックデバイス。
【請求項２】
前記半導体は、周期律表のＩＩＩ族窒化物材料系を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項３】
前記第１層は、約０．３〜５ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項４】
前記第１層は、前記高濃度ドープｎ型ＧａＮ層と前記高濃度ドープｐ型ＧａＮ層の間に挟まれたＩｎｘＧａｙＮ層を含み、ここでｘ＋ｙ＝１であることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項５】
前記第１層は、前記高濃度ドープｐ型ＧａＮ層と前記高濃度ドープｎ型ＧａＮ層の間に挟まれたＡｌｘＧａｙＮを含み、ここでｘ＋ｙ＝１であることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項６】
前記接合は、前記接合近傍の第２層及び第３層中に位置し、前記幅内にバンドギャップ状態を形成する不純物を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項７】
前記接合近傍の前記２層及び第３層中に位置し、前記幅内に準連続的なトンネル経路を提供する複数のバンドギャップ状態を形成する、複数のエネルギー的に異なる不純物をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項８】
前記不純物は、半導体材料中の固有欠陥（ｎａｔｉｖｅ  ｄｅｆｅｃｔ）と、転位と、拡張結晶欠陥と、メタリック又はセミメタリックアイランドあるいは量子井戸と、希土類不純物を用いるドープと、金属イオン、イオン打ち込み、及び不純物拡散を用いるドープとからなる群の１つを備え、前記接合領域への配置の結果であることを特徴とする請求項６に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項９】
前記接合のｎ型側と、
前記接合のｐ型側とをさらに含み、前記状態は、前記接合のそれぞれの側に同じ型のキャリアを形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項１０】
前記接合は、約６×１０１９／ｃｍ３以上の濃度の電荷キャリアを有するｎ型接合層を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項１１】
前記接合は、約３×１０１９／ｃｍ３以上の濃度の電荷キャリアを有するｐ型接合層を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項１２】
前記接合は、横方向の電流拡散の効率的な方法を提供することを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項１３】
前記接合は、光を吸収するｐ型オーミックコンタクト金属を、光を強く反射するｎ型オーミックコンタクト金属で置き換えることを可能にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項１４】
複数の前記接合は、複数の縦方向に集積したバイポーラ活性領域を直列につなぐことを可能にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項１５】
前記接合は、発光ダイオード構造の極性を反転可能にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体フォトニックデバイス。
【請求項１６】
トンネル接合を有する低抵抗ｐ型閉じ込め層を備えたワイドバンドギャップ半導体デバイスの製造方法であって、
前記閉じ込め層の接合中に分極電荷を発生させること、及び
前記電荷の無い状態で形成することになるトンネル幅より小さくなるように前記幅を形成することを含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記幅内にバンドギャップ状態を発生させる前記接合に、又は前記接合の近傍に不純物を導入すること、及び
トンネリングに対して、前記不純物の無い状態で形成することになる抵抗より小さい前記抵抗を有する前記トンネル幅を形成することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記幅内に複数のエネルギー的に異なるバンドギャップ状態を発生する複数の不純物を、前記接合に、又は前記接合の近傍に導入すること、及び
前記幅内に準連続的なトンネル経路を有する金属様転移部（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）と類似のトンネル幅を形成することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１９】
前記接合は、横方向の電流拡散の効率的な方法を提供することを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記接合は、光を吸収するｐ型オーミックコンタクト金属を、光を強く反射するｎ型オーミックコンタクト金属で置き換えることを可能にすることを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項２１】
複数の前記接合は、複数の縦方向に集積したバイポーラ活性領域を直列につなぐことを可能にすることを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項２２】
前記接合は、発光ダイオード構造の極性を反転可能にすることを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項２３】
第１組成、第１側面及び第２側面を有する第１ｎ型コンタクト層と、
第２組成、第１側面及び第２側面を有する第１ｐ型コンタクト層であって、前記第１ｎ型コンタクト層の前記第２側面は前記第１ｐ型コンタクト層の前記第１側面とメタリックコンタクトしている、第１ｐ型コンタクト層と、
前記第１組成、第１側面及び第２側面を有する第２ｐ型コンタクト層であって、前記第１ｐ型コンタクト層の前記第２側面は、前記第１ｎ型コンタクト層並びに前記第１及び第２ｐ型コンタクト層との間でトンネル接合を形成する第２ｐ型コンタクト層の前記第１側面とメタリックコンタクトしている、第２ｐ型コンタクト層と、
第１側面及び第２側面を有する活性領域であって、前記第１側面は前記第２ｐ型コンタクト層の前記第２側面とメタリックコンタクトしている、活性領域と、
第１側面及び第２側面を有する第２ｎ型コンタクト層であって、第２ｎ型コンタクト層の前記第１側面は前記活性領域の前記第２側面とメタリックコンタクトしている第２ｎ型コンタクト層とを含み、前記トンネル接合はトンネル幅とトンネリングに対する抵抗とを有し、異種材料に付随する生来の双極子が前記接合にわたって用いられ、その結果前記幅は、前記第１ｐ型層の無い状態での前記接合内の幅より小さいことを特徴とする高効率ワイドバンドギャップ材料のデバイス。
【請求項２４】
前記幅内にバンドギャップ状態を形成する前記接合近傍の前記第１ｎ型及びｐ型コンタクト層中に位置する複数の不純物をさらに有することを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記接合にわたって準連続的なトンネル経路を提供する前記幅内に複数のエネルギー的に異なるバンドギャップ状態を形成する、前記接合近傍の前記第１ｎ型及びｐ型コンタクト層中に位置する複数のエネルギー的に異なる不純物をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２６】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料の第１ｎ型層と、
ＩＩＩ族窒化物半導体材料のｐ型層と、
前記ｎ型層とｐ型層の間に挟まれたＩＩＩ族窒化物半導体材料の活性領域と、
ＩＩＩ族窒化物半導体材料の第２ｎ型層と、
前記ｐ型層と第２ｎ型層の間のトンネル接合とを備え、前記第１及び第２ｎ型層にわたり印加されるバイアスは前記活性領域に発光を生じさせることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２７】
基板と、前記基板上に引き続き成長させた前記第１ｎ型層と、ｐ型層と、活性領域と、トンネル接合と、第２ｎ型層とをさらに備えていることを特徴とする請求項２６に記載の発光ダイオード。
【請求項２８】
前記トンネル接合は、前記第２ｎ型及びｐ型層の間に挟まれ、前記第２ｎ型及びｐ型層とは異種の半導体材料の接合層を備えていることを特徴とする請求項２６に記載の発光ダイオード。
【請求項２９】
前記接合層はＡｌＧａＮを含み、前記第２ｎ型及びｐ型層はＧａＮを含んでいることを特徴とする請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３０】
前記接合層は、前記トンネル接合に双極子モーメントを生じさせ、前記双極子モーメントは前記トンネル接合のトンネル幅を減少させることを特徴とする請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３１】
前記トンネル接合は、前記接合層から前記第２ｎ型層への移行部で第１不純物と、前記接合層から前記ｐ型層への前記移行部で第２不純物とをさらに備えていることを特徴とする請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３２】
前記不純物は、前記接合のバッドギャップ内に深い状態を誘起（ｉｎｄｕｃｅ）することを特徴とする請求項３１に記載の発光ダイオード。
【請求項３３】
前記トンネル接合は、前記接合層から前記第２ｎ型層への前記移行部で複数の第１不純物と、前記接合層から前記ｐ型層への前記移行部で複数の第２不純物とをさらに備えていることを特徴とする請求項２８に記載の発光ダイオード。
【請求項３４】
前記第１不純物の少なくとも１つが深いドナー状態を有し、他の前記第１不純物は浅いドナー状態を有し、前記第２不純物の少なくとも１つは深いドナー状態を有し、他の前記第２不純物は浅いドナー状態を有することを特徴とする請求項３３に記載の発光ダイオード。
【請求項３５】
前記第１不純物のそれぞれは、異なるドナー状態を有し、前記第２不純物のそれぞれは、異なるドナー状態を有することを特徴とする請求項３３に記載の発光ダイオード。
【請求項３６】
前記第２ｎ型層と電気的に接触するｐ型金属コンタクトと、
前記第１ｎ型層と電気的に接触するｎ型コンタクトとをさらに備え、前記バイアスは前記コンタクトを介して前記第１及び第２ｎ型層にわたって印加されることを特徴とする請求項２６に記載の発光ダイオード。
【請求項３７】
前記ｐ型コンタクトは、前記第２ｎ型層の上面上にあり、前記上面の一部を覆い、前記ｐ型コンタクトからの電流が前記第２ｎ型層全体にわたって広がることを特徴とする請求項３６に記載の発光ダイオード。
【請求項３８】
前記第１ｎ型層に隣接する基板をさらに備え、フリップチップ実装され、前記ｐ型コンタクトは前記第２ｎ型層の表面上にあり、活性領域の光を前記基板の方へ反射する反射表面を提供することを特徴とする請求項３６に記載の発光ダイオード。
【請求項３９】
基板をさらに備え、
反転構造と、前記基板に隣接する前記第２ｎ型層と、前記トンネル接合、ｐ型層、活性領域と、前記第２ｎ型層上に引き続き形成された第１ｎ型層とを有することを特徴とする請求項３６に記載の発光ダイオード。
【請求項４０】
前記反転構造は、自発及び圧電分極の影響を低減することを特徴とする請求項３９に記載の発光ダイオード。
【請求項４１】
第１ｎ型層と、
ｐ型層と、
前記ｎ型層とｐ型層の間に挟まれた活性領域とをそれぞれ備え、縦方向に整合して互いの上に配置した複数の発光構造と、
複数の第２ｎ型層であって、その中の１つが隣接する発光構造の間に配置され、その中の１つが一番上の発光構造の上方に配置される、複数の第２ｎ型層と、
複数のトンネル接合とを備え、
複数のトンネル接合のそれぞれは、前記複数の第２ｎ型層の１つと、前記複数のｎ型層の前記１つの下の前記複数の発光構造の１つのｐ型層との間にあり、一番下の前記発光構造の前記第１ｎ型層と、一番上の前記第２ｎ層とにわたって印加されるバイアスが前記複数の発光構造の前記活性領域に発光を生じさせることを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル接合を有する発光ダイオードに関し、より詳細には、ワイドバンドギャップ材料で形成される半導体デバイス、特にトンネル接合を利用して、デバイス発光効率を増加させ、後の成長処理工程に対してデバイス表面の強靭さを増大させるワイドバンドギャップ半導体発光デバイス（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）や量子井戸レーザなどの、単一の量子井戸（ＳＱＷ）又は多重量子井戸（ＭＱＷ）を有するフォトニックデバイスは、ワイドバンドギャップ材料で作製されてきた。これらのワイドバンドギャップ材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びその組み合わせを含むが、これに限定されない。半導体フォトニックデバイスは非特許文献１に説明されており、ワイドバンドギャップ材料については、例えば、非特許文献２に開示されている。
【０００３】
一般に、フォトニックデバイスの簡単なモデルは、活性領域に負電荷キャリアを運ぶ層と活性領域に正キャリアを運ぶ層の間に挟まれた活性領域を備えている。活性領域において、負キャリアと正キャリアは発光再結合して（ｒａｄｉａｔｉｖｅｌｙ  ｒｅｃｏｍｂｉｎｅ）光を発生することができる。活性領域が厚さ、及び２つの電荷を運ぶ層とは異なる組成を有する場合、量子井戸が形成される。量子井戸の両サイド上の層は、通常、クラッド（ｃｌａｄｄｉｎｇ）層と呼ばれる。活性領域が、理論上厚さを持たない構成である場合、ダイオード接合が形成される。接合の両サイド上の層は、通常閉じ込め（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）層と呼ばれる。便宜上、これらの層をいずれのデバイスでも閉じ込め層と呼ぶことにする。閉じ込め層は、活性領域から金属コンタクト層又は基板の方に延在することがある。
【０００４】
通常、ワイドバンドギャップ半導体材料（例えば、窒化ガリウム）でできているフォトニックデバイスは、活性領域を閉じ込めるｎ型閉じ込め層及びｐ型閉じ込め層を有する。ワイドバンドギャップｐ型閉じ込め層の１つの不利な点は、それがｎ型ワイドバンドギャップ層に比べて電流の流れに対してさらに抵抗（つまり、電気伝導度が劣っている）があることである。良好な電気伝導度を有するｐ型層を備えるデバイスでは、ｐ型電気コンタクトが、ｐ型層の表面の一部分を覆うことがある。電流はコンタクトからｐ型層全体にわたって流れて、それが活性層中への一様な電流注入をもたらす。コンタクトは、やはり活性層からの発光がコンタクトによってブロックされないのに十分な、狭いｐ型層の範囲を覆っている。
【０００５】
しかし、ワイドバンドギャップｐ型層では、電流の流れに対する抵抗により、小さなフットプリントを有する金属コンタクトからの層全体にわたる十分な横方向の電流拡散（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）が妨げられる。これが、結果として活性層中への不均一な電流注入となり、全体的なデバイスの効率低下になる。
【０００６】
電流拡散の問題に取り組む１つの方法は、ｐ型層表面の大部分を覆う金属コンタクトを使用することである。同時に、これは、たしかに結果として効果的な電流拡散をもたらすが、コンタクトが活性層で発光したｐ型層を介する光のほとんどを吸収して、デバイスの全体的な効率を低下させる可能性がある。
【０００７】
この問題の他の解決方法は、Ｃｈｅｎ等の特許文献１に説明されているように、ｐ型層上に多層金属コンタクトを有することである。第１層はｐ型層全体を覆うが、たった数原子層の厚さである。Ｃｈｅｎ等は、この層は、十分な量の光が金属層を通過することを可能にし、したがって、デバイスの全体的な効率は許容できると説明している。厚くなり、いっそう強靭なコンタクトを形成する第２金属層は、活性デバイスのフットプリントの一部分を覆う。しかし、この強靭な金属層は活性領域によって発生した光に対して不透明であることになる。ｐ型アップデバイス用の半透明コンタクトに使用される、吸収性ｐ型オーミックコンタクト金属は、フォトニックデバイスによって発生した輝度を低下させる。
【０００８】
ワイドバンドギャップｐ型層に対してオーミックコンタクトを形成できる金属の中には、ｐ型層表面に効果的に接着しないものがある。この接着性が悪いことにより、ｐ型金属コンタクト用に２層半透明ウィンドの堆積が必要になることがある。このコンタクトの第１層は、半導体表面に対し、接着するｐ型層上に直接堆積することになる。金属の第２層が、第１層上に堆積されて活性領域のフットプリントにわたって横方向の電流拡散を向上させる。
【０００９】
ｐ型ワイドバンドギャップ層のもう１つの特性は、これらの層がｎ型ワイドバンドギャップ層よりさらに脆いということで、これがワイドバンドギャップフォトニックデバイスを処理する際の複雑さにつながることがある。例えば、ワイドバンドギャップフォトニックデバイスの上面がｐ型である場合、露出されたｐ型層表面に対して損傷を最小にするためにデバイス処理の全段階中ずっと、多大な注意が払われなければならない。これは、ｐ型層の堆積後に多くの処理が行われるフォトニックデバイスにおいて、とりわけ困難である。
【００１０】
ｐ型デバイスにおけるこれらの問題を解決する１つの方法は、活性領域と金属電極層の間のｐ型閉じ込め層内にトンネル接合を作製することであった。この接合は、ｐ型層の上にｎ型層の堆積を可能にしつつ、ｐ型キャリアをｎ型キャリアに変換することも可能にする。ｎ型層は、処理の間、もっと強靭であり、ｐ型層より低い抵抗を有し、ｐ型層より横方向の電流拡散においていっそう効率的であることを含むが、これに限定されない利点を持つ。この方法は、Ｓｅｏｎｇ−Ｒａｎ  Ｊｅｏｎ等によって非特許文献３に説明されている。Ｊｅｏｎは、ｐ型閉じ込め層内のトンネルダイオード接合を使用して、電荷キャリアをｎ型に変換した。
【００１１】
この方法に伴う難しさの１つはワイドバンドギャップ材料中のトンネルダイオードは非効率であり、電流の流れに対して高抵抗である傾向がある。ワイドバンドギャップ材料中に形成されたトンネル接合が、トンネリングに対して抵抗を持つトンネル幅を備える。トンネル幅のサイズと、トンネリングに対するその抵抗は、バンドギャップ幅の増加と共に増加し、接合でのドーピングを増加すると減少する。ワイドバンドギャップ材料のバンドギャップは、トンネル接合の性能をかなり劣化させる傾向があるが、他方、ワイドバンドギャップ材料でのドーパントの飽和レベルは、縮退的なドーピングでさえ、ワイドバンドギャップ材料によって見られるトンネリングに対してデバイスを効率的にするほど十分な抵抗を減少させないようなものである。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６４２０７３６号明細書
【特許文献２】米国特許再発行第３４８６１号明細書
【特許文献３】米国特許第４９４６５４７号明細書
【特許文献４】米国特許第５２０００２２号明細書
【非特許文献１】Physics of Semiconductors, 2nd Ed., SZE, Wiley Interscience, 1981 Chapter 12, pp.681-742.
【非特許文献２】Solid State Electronic Devices, 2nd Ed., Streetman, Prentice Hall, Inc., 1980.
【非特許文献３】Seong-Ran Jeon et. al., “Lateral Current Spreading in GaN-Based Light-Emitting Diodes Utilizing Tunnel Contact Junctions,” Applied Physics Letters, Volume 78, No. 21, pp.3265-3267, 21 May 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ワイドバンドギャップフォトニックデバイス内のｐ型閉じ込め層への低いトンネル抵抗を有するトンネル接合コンタクトは、大きいバンドギャップ、及び非常に薄いトンネル幅を形成することを妨げるドーピング限界のために形成が困難である。ｐ型閉じ込め層内の薄いトンネル接合が、トンネリングに対してより低い抵抗と、電極を通るより強い電流の流れと、いっそう効率的なフォトニックデバイスをもたらすことになる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による高効率ワイドバンドギャップ半導体フォトニックデバイスのｐ型閉じ込め層の一実施形態は、第２及び第３半導体層とメタリックコンタクトし、第２と第３半導体層の間に配置される第１組成を有する第１半導体層であって、第２及び第３半導体層は第１層と異種の組成を有する第１半導体層を備えている。第２半導体層はｐ型であり、第３半導体層はｎ型である。トンネル幅と、トンネリングに対する抵抗とを有するトンネル接合は、第２、第１及び第３層で形成され、第２層中の電荷キャリアが反対の極性を有する電荷キャリア中へ遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）することを許容するように適合されている。異種の材料に付随する生来の双極子が使用されて接合を形成し、その結果、この幅は第１層の無い状態での接合内の幅より小さい。
【００１５】
本発明による発光ダイオード（ＬＥＤ）の一実施形態は、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の第１ｎ型層と、ＩＩＩ族窒化物半導体材料のｐ型層とを備えている。それは、ｎ型とｐ型層の間に挟まれたＩＩＩ族窒化物半導体材料の活性領域も備えている。ＩＩＩ族窒化物半導体材料の第２ｎ型層が、ｐ型層と第２ｎ型層の間のトンネル接合とともに備えている。第１及び第２ｎ型層にわたり印加されるバイアスが、活性領域に発光を生じさせる。
【００１６】
本発明による他のＬＥＤは、縦方向に整合して互いの上面に配置された複数の発光構造を備えている。それぞれの発光構造は、第１ｎ型層と、ｐ型層と、ｎ型層とｐ型層の間に挟まれた活性領域とを備えている。このＬＥＤは、やはりその中の１つが隣接する発光構造のそれぞれの間に配置され、その中の１つが一番上の発光構造の上方に配置される複数の第２ｎ型層を備えている。また、複数のトンネル接合を有し、それぞれの接合は、複数の発光構造の１つの複数の第２ｎ型層の１つと、ｐ型層との間にある。発光構造の一番下の第１ｎ型層と、一番上の１つの第２ｎ型層にわたり印加されるバイアスが、複数の発光構造の活性領域に発光を生じさせる。
【００１７】
ワイドバンドギャップ半導体のｐ型閉じ込め層中にトンネル接合を有する低抵抗のｐ型閉じ込め層を作製する本発明による製造方法の一実施形態は、閉じ込め層の接合中に分極電荷を発生させることを含んでいる。トンネル幅は、分極電荷の無いことになる接合の幅より小さい接合内に形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、結晶の極性方向に垂直に成長した結晶層を伴う構成を有するデバイスについて説明する。一実施形態では、デバイス層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎｘＧａｙＮ）及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａｙＮ）、ここで０．３≦ｘ≦１．０、ｘ＋ｙ＝１．０である、を含む層を伴うウルツ鉱構造を持つと想定されている。言及されない限り、結晶の上面は周期律表ＩＩＩ族の極性を伴う（０００１）方向を有する。
【００１９】
開示したデバイスは、一般的にエピタキシャル成長法によって作られる半導体材料を含んでいる。エピタキシャル成長法は均一な２次元的表面を成長するが、成長が時間と共に進行する際に組成のバリエーションとドーピングが第３次元でなされることができる。通常、これらの構造は、分子線エピタキー（ＭＢＥ）又は有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって成長する。しかし、これらの目的を達成できる他の同様に有効なエピタキシャル成長方法が使用できる。
【００２０】
以下の説明に関する図中には様々なエピタキシャル技術によって成長させたデバイス構造の断面図を示している。このような図はそれぞれ、その図の中で参照される基板を含んでいる。一般的にエピタキシャル成長は基板の表面から始まり、後続の層が互いの上面に成長すると理解されたい。デバイスの中には金属層が最上層として含まれるが、金属は通常エピタキシーによって堆積しない。代わりに、スパッタなどの異なるプロセス段階が金属を堆積するのに使用される。
【００２１】
図１は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の一実施形態を説明するための構成図で、ｐ型閉じ込め層に金属層を接続するトンネル接合配置を有する発光ダイオードを示している。この実施形態では、ＬＥＤ１０はＧａＮ系で作製されるが、多くの他の材料系だけで、又は組み合わせて作製することもできる。上述したように、ＬＥＤ１０は、従来の製造プロセスを用いて作製できる。
【００２２】
ＬＥＤ１０は、ＧａＮ、炭化ケイ素、サファイアなどの多くの異なる材料でできている基板１２を備えている。ＳｉＣ、ＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物に整合したより近い結晶格子を有し、その結果、高品質のＩＩＩ族窒化膜になるので適した材料である。炭化ケイ素は、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力電力が基板の熱放散によって制限されない（サファイア上に形成されるデバイスの中の事例のように）だけの高い熱伝導率も有する。ＳｉＣ基板は ノースカロライナ州ダラムにあるクリーリサーチ社から入手でき、これらの製造方法は科学文献並びに特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載されている。他の実施形態では、基板がＧａＮであってよく、フォトニックデバイスは基板の極性面上に堆積できる。
【００２３】
ＬＥＤ１０は、２つの機能を果たす第１ｎ型層１４を備えている。先ず、基板１２に隣接する第１ｎ型層１４は、緩衝／核形成層（ｂｕｆｆｅｒ／ｎｅｃｌｅａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）として機能し、これらの緩衝／核形成層の詳細は、一般に当技術分野で周知であり、本明細書では簡単に説明するだけにする。第１ｎ型層１４の緩衝／核形成層は、基板１２との界面から離れて第１ｎ型層１４中で成長が進行するに従って、エピタキシャル成長内の欠陥を減少させる。第１ｎ型層１４の第２の目的は、ＬＥＤ１０の活性領域に対して閉じ込め層として機能することである。第１ｎ型層１４として好ましい材料は、ｎ型ＧａＮであるが、多くの異なる材料でできていてよい。本発明によるＬＥＤ１０の他の実施形態では、第１ｎ型ＧａＮ層１４は、その一方が緩衝／核形成層、他方がｎ型閉じ込め層である２つの別個の層であってもよい。緩衝／核形成層は、通常、基板１２と第１ｎ型ＧａＮ層１４との間に挟まれていることになる。
【００２４】
さらに、ＬＥＤ１０は、活性領域のための物理的支持体を提供する第１ｎ型ＧａＮ層１４とともに、この第１ｎ型ＧａＮ層１４上に形成された活性領域１６を備えている。ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８は活性領域１６上に形成され、活性領域１６及び第１ｎ型ＧａＮ層１４と組み合わせてＬＥＤ１０の基本的フォトニック層を形成する。動作中、第１ｎ型ＧａＮ層１４からのｎ型キャリアが、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８からのｐ型キャリアと結合して活性領域１６内で光を発生させる。この実施形態では、活性領域１６は量子井戸を有する領域である。これらの量子井戸は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）から作製できる。活性領域１６は、単一の量子井戸を有しても、また、多重量子井戸を有してもよい。この実施形態では、活性領域１６は、理論上物理的厚さがゼロである構造であり得る。そのような場合、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８と第１ｎ型ＧａＮ層１４は、この第１ｎ型ＧａＮ層１４の所でｐｎ接合を形成する。
【００２５】
ＬＥＤ１０は、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８上にｐ型ＡｌＧａＮ層２０と、このｐ型ＡｌＧａＮ層２０上に第２ｎ型ＧａＮ層２２を備えている。本発明によれば、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８は、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０及び第２ｎ型ＧａＮ層２２の底部と組み合わせてトンネル接合２６を形成する。図１に示したように、トンネル接合２６は、第２ｎ型ＧａＮ層２２の底部と、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８の最上部と、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０の全てとを備えている。この実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０は、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８や第２ｎ型ＧａＮ層２２のいずれとも異なるバンドギャップを有する。ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８と第２ｎ型ＧａＮ２２との間に挟まれたｐ型ＡｌＧａＮ層２０のバンドギャップにおけるこの相違点が、双極子モーメントを発生させる。この双極子モーメントは、その接合全体にわたってトンネル接合２６の幅が、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０の無いことになる所に形成されたようにトンネル接合２６のトンネル幅を短縮させる。
【００２６】
第２ｎ型ＧａＮ層２２は、図１に示したように、金属層２４によってデバイスの上部へのコンタクトがなされることを可能にする。金属層２４は、ｐ型層に電流を印加するように配置され、ｎ型ＧａＮ層１４に電流を印加するように配置されている第２金属層と連携して動作する。これによりＬＥＤ１０両端にバイアスを印加することが可能になって、その活性領域１６に発光を生じさせる。上述したように、第２ｎ型ＧａＮ層２２とオーミックコンタクトを形成する金属層２４は、ｐ型ＧａＮ層１８とオーミックコンタクトを形成する金属層より小さなフットプリントである必要がある。第２ｎ型ＧａＮ層２２は、ＬＥＤ１０の活性領域１６中へのキャリア電流の均一性を高めるより大きなキャリア移動度を有する。活性領域１６に流れ込む電流の均一性を増したことで、ＬＥＤ１０の効率の増加をもたらして、活性領域１６内で発生される光量を最大化する。
【００２７】
この実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０は、約０．３〜５ナノメートル（ｎｍ）の厚さであるが、他の厚さでもよい。このｐ型ＡｌＧａＮ層２０は、通常、３０〜１００％の間のアルミニウムであるが、他のパーセントのアルミニウムでもよい。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０内のアルミニウム分率が高ければ高いほど、トンネル接合２６内の双極子モーメントが強くなることになる。トンネル接合２６内の双極子モーメントが強くなればなる程、トンネル接合をまたぐトンネル幅は狭くなることになる。
【００２８】
ｐ型ＡｌＧａＮ層２０内のアルミニウム濃度が増すにつれ、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８からｐ型ＡｌＧａＮ層２０への移行部（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）及びｐ型ＡｌＧａＮ層２０から第２ｎ型ＧａＮ層２２への移行部を高品質結晶で成長することがそれだけ難しくなる。トンネル接合２６上で働く双極子の強度を最大にし、結晶成長の品質に関して負の影響を最小にするｐ型ＡｌＧａＮ層２０の中のアルミニウムの最適濃度を実験的に決定することができる。
【００２９】
ｐ型ＡｌＧａＮ層２０やｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８のどれよりも高いキャリア移動度を有する第２ｎ型ＧａＮ層２２が、金属層２４から第２ｎ型ＧａＮ層２２へ流れ込む電荷キャリアを活性領域１６のフットプリントにわたって均等、かつ一様に分布させることを可能にする。ｎ型電荷キャリアは、活性領域１６のフットプリントを覆って第２ｎ型ＧａＮ層２２とｐ型ＡｌＧａＮ層２０の間の移行部を一様に横断する。さらなる横方向の電流拡散を必要としないことから電荷キャリアは、トンネル接合２６を介してｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８へ前進でき、ここでｎ型電荷キャリアは、ｐ型電荷キャリアに変換される。これによりｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８から活性領域１６へのほぼ一様なキャリア注入が可能になる。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０は、第２ｎ型ＧａＮ層２２内の電荷キャリアが、トンネル接合２６を横断するために必要なバイアスを減少させてＬＥＤ１０をより効率的にする。
【００３０】
最適化したトンネル接合は効率的な横方向の電流拡散を達成し、これは半透明の金属コンタクト層を旧式なものにしている。半透明の拡散金属は活性領域１６によって発生される光を吸収しないので、半透明の金属コンタクト層が無いことが、効率とデバイスによって出力される電力を増加させる。堆積する１種類の金属層があるだけなので、このデバイスの製造は、１つのフォトリソグラフィ段階を省いた簡略化されたコンタクトメタライゼーション段階によってより簡単になる。
【００３１】
さらに、第２ｎ型ＧａＮ層２２の上面にコンタクト層を有するＬＥＤによって、上面にｐ型材料を有する構造に比べて表面に対する損傷の危険性が減少する。第２ｎ型ＧａＮ層２２によって提供される表面は、より強靭な処理表面であり、したがって、ＬＥＤ１０の表面に対する損傷の可能性が、上面としてｐ型層を有するＬＥＤに比べて減少する。
【００３２】
図２は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の他の実施形態を説明するための構成図で、ＬＥＤ１０のものと類似の層を有するが、主に基板４２を介してＬＥＤ光が発光するようにフリップチップ実装されるＬＥＤの他の実施形態を示している。このＬＥＤ４０は、低抵抗のｐ型閉じ込め層とトンネル接合配置を利用しており高い反射率の金属コンタクトの堆積を可能にする。ｐ型ＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体材料に対してオーミックコンタクトを形成できる金属コンタクトは、損失の大きい反射体を形成する傾向がある。しかし、ｎ型ＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体材料に対してオーミックコンタクトを形成できる金属は、安定した、作製が容易で、高い反射率の金属コンタクトを形成する傾向がある。ｎ型ワイドバンドギャップ半導体材料に対して高い反射率のコンタクトを形成できる金属は、アルミニウム、銀及び金を含むが、これに限らない。
【００３３】
図２に示した構造を、基板４２上に成長させ、これは図１に示した基板１２と同じ材料でできていてよい。第１ｎ型層４４は、図１に示した第１ｎ型層１４と類似で、基板４２との界面から離れて第１ｎ型層４４中で成長が進行するに従って、エピタキシャル成長内の欠陥を減少させる。第１ｎ型層４４は、ＬＥＤ４０の活性領域に対してｎ型閉じ込め層としても機能する。第１ｎ型層４４は、好ましい材料はｎ型ＧａＮであるが多くの異なる材料でできていてもよく、本発明によるＬＥＤの他の実施形態では、第１ｎ型層４４は、別個の緩衝／核形成層と、別個のｎ型閉じ込め層とを備えてもよい。
【００３４】
ＬＥＤ４０は、図１に示した活性領域１６及びｐ型ＧａＮ閉じ込め層１８と類似の、活性領域４６と、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８とを備え、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８と第１ｎ型ＧａＮ閉じ込め層４４との間に挟まれた活性領域４６を備えている。ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８と第１ｎ型ＧａＮ閉じ込め層４４にわたり印加されるバイアスが、活性領域４６に発光を生じさせる。しかし、ＬＥＤ４０は、フリップチップの向きになっているので、有効なＬＥＤ光は基板４２を介して発光する。ＬＥＤ４０の効率を改善するためには、活性領域４６で発光して、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８の方に向かい、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８を通過する光を反射させるために反射表面を有することが望ましい。しかし、上述したように、ｐ型ＧａＮ材料、並びに他のＩＩＩ族窒化物材料の表面上に効果的な反射体を堆積することは難しい。
【００３５】
ＬＥＤ４０上に効果的な反射体を堆積させることを可能とするためには、ＬＥＤ４０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層５０と、第２ｎ型ＧａＮ層５２とを、ｎ型ＧａＮ層５２とｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８の間に挟まれたｐ型ＡｌＧａＮ層５０とともに備えている。これらの層の組み合わせは、トンネル接合５６を形成し、このｐ型ＡｌＧａＮ層５０がＬＥＤ１０で上述したようにトンネルダイオード接合５６のトンネル幅を減少させる双極子を発生させる。ＬＥＤ４０の上面として第２ｎ型ＧａＮ層５２を有することによって反射性コンタクト金属層５４が、ｐ型ではなくｎ型材料上に堆積できる。
【００３６】
反射性コンタクト金属層５４は、反射体と、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８にバイアスを印加するのに使用される電気的コンタクトとしての両方の働きをして、図１に示したＬＥＤ１０で説明したように、コンタクトから活性領域中への電流拡散を伴う。反射層コンタクト金属層５４は、活性領域４６のフットプリント全体を覆うが、ＬＥＤ４０の輝度又は効率を減少させるよりむしろ、反射性コンタクト金属層５４は、輝度と効率を増加させる。ｎ型ＧａＮ閉じ込め層４４は、ワイドバンドギャップ材料によって発生されるほとんどの種類の光に対して透明である。したがって、活性領域４６で発生した光は、ｎ型ＧａＮ閉じ込め層４４を通過し、基板４２の中を進む。ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８の方向に活性領域４６を離れた光は、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８と、ｐ型ＡｌＧａＮ層５０及び第２ｎ型ＧａＮ層５２を通過する。次いで、この光は反射性コンタクト金属層５４で反射され、基板４２の方向に戻され、基板４２を通ってＬＥＤ４０を出て、ＬＥＤ４０の発光に寄与する。反射性コンタクト金属層５４が無いと、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８の方向に発光した光の全て又はほとんどが、ＬＥＤ４０の発光に寄与しないことになる。
【００３７】
ｐ型ＡｌＧａＮ層５０は、トンネル幅を減少させ、したがって、トンネル幅を超えるトンネル接合５６のトンネリングに対する抵抗及びｐ型ＡｌＧａＮ層５０の無い状態であることになる抵抗を減少させる。本発明による他の実施形態では、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８の厚さは、活性領域４６からの光がそこを通過するときにｐ型ＧａＮ閉じ込め層４８によって吸収されるＬＥＤ光の量を最小にするために小さくする場合がある。
【００３８】
図３は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）のさらに他の実施形態を説明するための構成図で、強い光束を呈し、複数の縦方向に集積された活性領域を有するＬＥＤ７０を示している。それぞれの活性領域７６ａ，７６ｂ，７６ｃは、単一の従来のフォトニックデバイスと同じ電流密度で動作できる。対応する標準デバイスと同じフットプリントを有してよい２端子デバイスは、やはり単一のデバイスの動作電圧にデバイス中の接合の数を乗じたものに等しい電圧で動作する。光出力は活性領域の数の増加に伴って増える。
【００３９】
本明細書で十分説明するように、ＬＥＤ７０は、３つの縦方向に集積された活性領域を有する。したがって、ＬＥＤ７０のデバイス構造は３つのデバイスに分割されていても、このデバイスは単一の成長で形成でき、本発明による他のデバイスは２つ以上のコンタクトを有することができるが、このデバイスは２つのコンタクトだけを必要とする点に留意する。ＬＥＤ７０の層を基板７２に成長させ、これは、それぞれ図１及び２に図示した基板１２，４２と同じ材料でできていてよい。
【００４０】
第１発光構造が、基板７２に成長され、ｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ａを有し、これは、緩衝層及び核形成層としても機能して成長したＧａＮ結晶の品質を向上させる。第１発光構造は、活性領域７６ａと、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａとを備え、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａとｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ａとの間に挟まれた活性領域７６ａを有する。ｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａは、活性領域７６ａ及びｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ａと組み合わせて発光デバイスを形成し、活性領域７６ａは、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａとｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ａにわたり印加されるバイアスに応答して発光する。ＬＥＤ７０は、ｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｂと活性領域７６ｂとｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ｂとを有し、第１発光構造の上に縦方向に向けて置かれた類似の第２発光デバイスを備えている。また、第３発光構造が含まれ、ｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｃと活性領域７６ｃとｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ｃとが、第２発光構造の上で縦方向に向けて配置されている。
【００４１】
第１ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ａは、第１発光構造のｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａと第２構造のｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｂの間に配置される。同様に、第２ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ｂは、第２構造のｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａと第３構造のｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｃの間に配置される。ＬＥＤ７０は、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ｃ上に第３ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ｃと、この第３ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ｃ上に最上層のｎ型ＧａＮ層８２とを備えている。
【００４２】
各第１，第２，第３ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ａ，８０ｂ、８０ｃは、その周辺の層とトンネル接合８４ａ，８４ｂ，８４ｃを形成する。例えば、第１ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ａとｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｂの底部及びｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａの上部は、第１トンネル接合８４ａを形成する。また、第２ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ｂとｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｃの底部及びｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ｂの上部は、第２トンネル接合８４ｂを形成する。さらに、第３ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ｃと最上層のｎ型層８２の底部及びｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ｃの上部は、第３トンネル接合８４ｃを形成する。
【００４３】
各トンネル接合のそれぞれにｐ型ＡｌＧａＮ層８０ａ，８０ｂ，８０ｃがあることによって、各トンネル接合８４ａ，８４ｂ，８４ｃに発生する双極子が、トンネル幅と、層の無い状態であることになるそこを超えるトンネリングに対する抵抗とを減少させる。これは、各トンネル接合８４ａ，８４ｂ，８４ｃの効率を増加させる。ｐ型ＡｌＧａＮ層８０ａ，８０ｂ，８０ｃは、多くの異なる厚さであってよく、異なるＡｌのパーセントを有してよいが適切なｐ型ＡｌＧａＮ層は０．３〜５．０ｎｍの間の厚さで、３０〜１００％のＡｌである。
【００４４】
トンネル接合８４ａ，８４ｂ，８４ｃは、ｐ型金属コンタクト８６から３つの活性領域７６ａ，７６ｂ，７６ｃ全体に電流を拡散し、したがって、各活性領域７６ａ，７６ｂ，７６ｃは、ｐ型金属コンタクト８６及びｎ型コンタクト（図示してない）にわたり印加されるバイアスに応答して発光する。トンネル接合８４ｃは、図１に示したトンネル接合２６と同様にｐ型金属コンタクト８６からｐ型ＧａＮ閉じ込め７８ｃを介して電流を拡散する。これによりｐ型金属コンタクト８６から活性領域７６ｃへのほぼ一様な電流注入が可能になる。
【００４５】
トンネル接合８４ａを離れたｎ型電流は、ｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｂに入る。トンネル接合８４ａは、ｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｂに対してより低抵抗の逆（ｉｎｖｅｒｓｅ）コンタクトにするように許容（ｐｅｒｍｉｔｔｅｄ）ｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ａを有している。ｎ型ＧａＮ閉じ込め層７４ｂを介して移動する反転（ｉｎｖｅｒｔｅｄ）電荷キャリアは、活性領域７６ｂに入り、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層７８ｂに正電荷キャリアとして出ていく。このサイクルは、デバイスの上方へｎ型ＧａＮ層８２に到達するまでずっと繰返される。このｎ型ＧａＮ層８２は、ｎ型金属層の単純なコンタクトが形成されてよい強靭な処理表面を可能にする。同様のプロセスにより、ｐ型金属コンタクト８６からＬＥＤ７０の層を介してｐ型電流を移動可能にする。ＬＥＤ７０の各層を介してｎ型、ｐ型電流が流れることによって、活性領域の全てが、ｎ型、ｐ型コンタクトにわたり印加されるバイアスにより同時に発光できる。
【００４６】
図３に示した構造は、単一の成長で複数の２端子フォトニックデバイスを直列に形成可能である。トンネル接合８４ａ，８４ｂ，８４ｃに発生する双極子が、トンネル幅と、トンネリングに対する抵抗とを減少させ、これがＬＥＤ７０の効率を増加させる。本発明による実施形態では、それぞれの活性領域７６ａ，７６ｂ，７６ｃは異なる材料組成を含んでよい。活性領域によって発生する光の波長はその活性領域のバンドギャップの関数であり、活性領域のバンドギャップは、その組成によって決定される。異なる組成を有することにより、３つの活性領域７６ａ，７６ｂ，７６ｃのそれぞれは異なる波長又は色の光を発生することを可能にする。次いで、これらの波長の光は、第４の、異なる波長の光に互いに組み合わされてよい。本発明による実施形態では、活性領域７６ａ，７６ｂ，７６ｃからの光は、組み合わされて白色光を生成する異なる波長の光を発光できる。
【００４７】
さらに、図３に示した構造は、デバイス効率が最高になる電流密度でフォトニックデバイスを動作し得ることを可能にする。ＧａＮのワイドバンドギャップフォトニックデバイスは、約２〜５ミリアンペア（ｍＡ）の電流密度で効率のピークを有する。この実施形態は、低い入力電力でもまた光出力を増加することになる。例えば、直列の、３つの活性領域のフォトニックデバイスは１２Ｖ、５ｍＡで動作でき、３Ｖ、２０ｍＡで動作する単独のＬＥＤより低い電流密度でより高い量子効率のため、約３０％のより高い光出力を達成できた。
【００４８】
図４は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）のさらに他の実施形態を説明するための構成図で、ＧａＮ／ＡｌＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体材料の反転フォトニックデバイス構造を備えたＬＥＤ１００を示している。ＬＥＤ１００は、図１に示した基板１２と同じ材料でできていてよい基板１０２を備えている。ＬＥＤ１００は、最上層に設けれた第１ｎ型ＧａＮ閉じ込め層１０４と、その下方に設けられたｐ型ＧａＮ閉じ込め層１０６と、この２つの間に挟まれたＩｎＧａＮ活性領域１０８とを有する反転発光構造を備えている。さらに、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１０６の下に設けられたｐ型ＡｌＧａＮ層１１０と、その下に設けられた第２ｎ型ＧａＮ層１１２を備えている。トンネル接合１１４は、ｐ型ＧａＮ閉じ込め層１０６の底部と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１１０及び第２ｎ型ＧａＮ層１１２の上部によって形成されている。
【００４９】
ＬＥＤ１００の利点は、自発（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ）及び圧電（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）分極の影響を除去又は最小にできることで、この分極は、伝導帯及び価電子帯の電子及び正孔を空間的分離（ｓｐａｔｉａｌ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）を引き起こす。したがって、この実施形態は、放射再結合確率（ｒａｔｅ）の効率（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を増加する。電流の流れを伴う反転ＬＥＤ１００の動作中の外部電界（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｆｉｅｌｄ）は、外部分極電界に対抗する。最適化した構造に設計すると、内部電界は大幅に減少させることができ、したがって、さらに効率的なフォトニックデバイスにつながる。本発明によるＬＥＤの他の実施形態では、ＬＥＤ１００の反転構造とトンネル接合が、図３に示した構造と類似の方法で、縦方向に向けて置かれた複数の発光構造を有して配置されて、強い光束のＬＥＤを作製することができる。
【００５０】
上述したデバイスは、第２ｎ型ＧａＮ１１２とｐ型ＧａＮ閉じ込め１０６との間に異種の材料層からなるｐ型ＡｌＧａＮ層１１０を備えてトンネル幅を短縮させる双極子モーメントを発生させるトンネル接合１１４を使用することによって、説明した利点を提供する。しかし、他の種類のトンネル接合も使用できる。
【００５１】
図５は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）におけるトンネル接合の実施形態を示す断面図で、上述したデバイスに使用でき、一般に、ｐ型閉じ込め層と組み合わせて配置される本発明によるトンネル接合１３０の実施形態の断面図である。このトンネル接合１３０の物理的配置の近傍に、中間バンドギャップ、又は中間ギャップ状態（ｓｔａｔｅ）を生成する不純物が、この構造を成長させる間に導入される。
【００５２】
トンネル接合１３０では、縮退的にドープ（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅｌｙ  ｄｏｐｅｄ）したｐ型窒化ガリウム層１３２を先ず成長させ、このｐ型窒化ガリウム層１３２の上面のメタリック（ｍｅｔａｌｌｉｃ）コンタクト中に縮退的にドープしたｎ型窒化ガリウム層１３４を成長させると、一般にトンネル接合１３０の成長は完成することになる。しかし、トンネル接合１３０では、成長がｐ型窒化ガリウム層１３２の成長の終端に向かって進行するにつれて、ｎ型窒化ガリウム層１３４の成長に移行する前に、不純物がｐ型窒化ガリウム層１３２に付加されて、形成すべき接合のバンドギャップ中に深い状態（ｄｅｅｐ  ｓｔａｔｅ）を誘起することができる。不純物は、成長層であるｐ型窒化ガリウム層１３２の中の、第１不純物部分１３６に導入することができ、連続的あるいは１つ又は複数の原子層に付加することもできる。第１不純物部分１３６の不純物は、ｐ型窒化ガリウム層１３２の全体的な電荷に干渉しないようにアクセプタ不純物であるべきである。
【００５３】
次いで、第１不純物部分１３６上に異種の層１３８を成長させ、本発明による実施形態では、この異種の層１３８は、０．３〜５．０ｎｍのｐ型ＡｌｘＧａｙＮ、ここで０．３≦ｘ≦１．０及びｘ＝ｙ＝１．０、を含んでよいが、他の厚さ及び組成も使用できる。本発明による他の実施形態では、異種の層１３８は、ゼロの物理的厚さを有するトンネル接合であってよい。
【００５４】
次いで、異種の層１３８上にｎ型窒化ガリウム層１３４を成長させ、異種の層１３８からｎ型窒化ガリウム層１３４に移行した直後に、第２不純物部分１４０をｎ型窒化ガリウム層１３４へ移行しながら成長させてよい。第２不純物部分１４０は、バンドギャップ中に深い状態を付加するために不純物を追加して、縮退的にドープしたｎ型窒化ガリウムであってよい。第２不純物部分１４０からバンドギャップ中に導入される不純物及び深い状態は、ｎ型窒化ガリウム層１３４の電荷に干渉しないようにドナーであるべきである。本発明による実施形態では、状態密度は約１０１９／ｃｍ３以上であってよいが、他の状態密度も使用できる。
【００５５】
これら不純物又は欠陥が、第１不純物部分１３６と第２不純物部分１４０に成長すると、トンネル接合１３０の接合領域中に中間（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）バンドギャップ状態が導入される。これらの中間バンドギャップ状態は、キャリアがギャップを介して途中までトンネルすることを可能にすることによって接合１３０のトンネル幅を減少させ、次いで、ずっと継続されてトンネリングを完了する。これらの状態は、トンネル接合１３０のバンドギャップを互いに接近させることができる空間電荷をトンネル接合１３０に形成することによって、トンネル幅の低下に寄与することができる。
【００５６】
図６は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）におけるトンネル接合の他の実施形態を示す断面図で、図５に示したトンネル接合１３０と類似であるトンネル接合１６０の実施形態を示しており、図１乃至図４で上述したフォトニックデバイスに使用できる。このトンネル接合１６０は、その接合領域に付加された種々の状態を含んでいる。縮退的にドープしたｐ型窒化ガリウム層１６２を先ず成長させ、その成長の終結に近づくにつれて不純物が導入されて、特定の種類の深い中間バンドギャップ状態を有する第１不純物部分１６４を形成する。この不純物部分１６４を成長した後、少しばかり浅い中間バンドギャップ状態を有する第２不純物部分１６６を成長できる。この第２不純物部分１６６を成長した後、異種の層１６８をその上に成長できる。
【００５７】
この実施形態では、異種の層１６８は、０．３〜５．０ｎｍのｐ型ＡｌｘＧａｙＮ、ここで０．３≦ｘ≦１．０及びｘ＝ｙ＝１．０、を含むが、他の厚さ及び密度が使用できる。この異種の層１６８を成長すると、ｎ型窒化ガリウム層１６７を成長する場合、ｐ型からｎ型へキャリアの移行部がある。第３不純物部分１７０をｎ型窒化ガリウム層１６７への移行部で成長し、その中には堆積した（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）深い中間バンドギャップ状態のドナーを有する。次いで、浅い中間バンドギャップ状態を有する第４不純物部分１７２を成長し、上述した移行部の後に縮退的にドープしたｎ型窒化ガリウム層１６７を成長する。
【００５８】
一連の異なる不純物及び状態が導入可能であって、トンネル幅にわたって準連続的階段（ｑｕａｓｉ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｓｔａｉｒｃａｓｅ）を提供する。この準連続的階段は、最も理想的に金属転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）に関連させることができよう。この幅にわたるキャリアの伝導は、ほとんど金属のようになる。高電界領域つまりトンネル幅のトンネル接合１６０中に導入された深い状態は、最大の利点を得て、高電流での飽和を防ぐために１０１９／ｃｍ３〜１０２０／ｃｍ３の範囲の濃度を持つべきである。全ての使用できる状態がトンネル幅にわたってトンネリングする電流によって占められて、トンネルできない過剰電流を後に残す場合に飽和が生じる。
【００５９】
図７は、本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）におけるトンネル接合を有する半導体デバイスの製造方法の一実施形態を説明するためのフローチャートを示す図である。この半導体デバイスの製造方法１９０は、まず、ブロック１９２において、ワイドバンドギャップ半導体デバイス中にトンネル接合を有する低抵抗のｐ型閉じ込め層を作製する（ブロック１９２）。次に、ブロック１９４において、分極電荷を閉じ込め層の接合中に発生させる。次に、ブロック１９６において、電荷の無い状態で形成することになる幅より小さいトンネル幅を形成する。
【００６０】
異種の材料が成長の間に接合の所に配置されてよい。これらの構造の成長は、一般的にＭＢＥ又はＭＯＣＶＤによって実施されるが、構造を作製するのに他のエピタキシャル成長方法を用いることもできる。通常ＧａＮに対して最適化した成長条件は、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮに対する最適成長条件とはかなり異なる。条件により、高品質の結晶を成長させる材料も無いような中間の期間があるものなので、１つの材料から他の材料への成長条件の移行は注意して処理されなければならない。
【００６１】
異種材料の組成中のＩｎ又はＡｌの分率は、３０〜１００％でよい。しかし、接合内の異種材料中のアルミニウム分率が多くなればなる程、トンネル接合上の分極効果は大きくなる。異種材料中に高い分率のアルミニウムがある程、その材料の高品質結晶を成長することはそれだけ難しい。
【００６２】
この実施形態では、新しい成長条件が安定する間ずっと成長を中断することがある。これらのヘテロ接合での急峻な界面（ａｂｒｕｐｔ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）は、急峻な勾配（ｓｔｅｅｐ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）を有する狭い接合を提供する。しかし、材料界面では、成長が中断されている間に、表面に不純物堆積をかけている。
【００６３】
この実施形態では、成長条件が変わる間に、組成の移行部を傾斜させる（ｒａｍｐ）。これは、双極子の効果を大きな間隔にわたって引き伸ばし、それがバンドの曲がりに関して有する影響（ｉｍｐａｃｔ）を小さくする。傾斜した移行部によって生じたバンドの曲がりが弱まることにより、結果としてトンネル接合の縮小も少なくなる。
【００６４】
本発明が、その一定の好ましい構成を参照して詳細に説明されたが、他のバージョンも可能である。したがって、特許請求の範囲の趣旨とその技術的範囲は、本明細書に含まれる好ましいバージョンに限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の一実施形態を説明するための構成図である。
【図２】本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の他の実施形態を説明するための構成図である。
【図３】本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）のさらに他の実施形態を説明するための構成図である。
【図４】本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）のさらに他の実施形態を説明するための構成図である。
【図５】本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）におけるトンネル接合の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）におけるトンネル接合の他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）におけるトンネル接合を有する半導体デバイスの製造方法の一実施形態を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月23日(2008.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料の第１ｎ型層と、
ＩＩＩ族窒化物半導体材料のｐ型層と、
前記ｎ型層とｐ型層の間に挟まれたＩＩＩ族窒化物半導体材料の活性領域と、
ＩＩＩ族窒化物半導体材料の第２ｎ型層と、
前記ｐ型層と第２ｎ型層との間のトンネル接合とを備え、
前記第１ｎ型層と前記第２ｎ型層にわたり印加されるバイアスは、前記活性領域に発光を生じさせることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記トンネル接合は、前記第２ｎ型層と前記ｐ型層との間に挟まれ、前記第２ｎ型層と前記ｐ型層とは異種の半導体材料の接合層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記接合層は、前記トンネル接合に双極子モーメントを生じさせ、前記双極子モーメントは、前記トンネル接合のトンネル幅を減少させることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記トンネル接合は、前記接合層から前記ｐ型層への移行部で第１不純物と、前記接合層から前記第２ｎ型層への前記移行部で第２不純物とをさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記不純物は、前記接合のバッドギャップ内に深い状態を誘起することを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記トンネル接合は、前記接合層から前記ｐ型層への前記移行部で複数の第１不純物と、前記接合層から前記第２ｎ型層への前記移行部で複数の第２不純物とをさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記第１不純物の少なくとも１つが深いドナー状態を有し、前記第１不純物の他の不純物が浅いドナー状態を有し、前記第２不純物の少なくとも１つが深いドナー状態を有し、前記第２不純物の他の不純物が浅いドナー状態を有することを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記第１不純物のそれぞれは、異なるドナー状態を有し、前記第２不純物のそれぞれは、異なるドナー状態を有することを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記第２ｎ型層の上面にあり、該上面の一部を覆うｐ型コンタクトをさらに備え、前記ｐ型コンタクトからの電流が前記第２ｎ型層の全体にわたって広がることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記第１ｎ型層に隣接する基板をさらに備え、フリップチップ実装され、前記第２ｎ型層の面上にあり、前記活性領域の光を前記基板の方へ反射する反射表面を提供するｐ型コンタクトをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
基板をさらに備え、
反転構造と、前記基板に隣接する前記第２ｎ型層と、前記トンネル接合と、ｐ型層と、活性領域と、前記第２ｎ型層上に引き続き形成された第１ｎ型層とを備え、前記反転構造は、自発及び圧電分極の影響を低減することを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
【国際調査報告】
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2009527920.tif 000011
2009527920.tif 000012