(57)【要約】  半導体センサ、太陽電池又はエミッターあるいはそれらの前駆体は、基板と、この基板上に堆積されたテクスチャ出しされた１以上の半導体層とを有する。このテクスチャ出しされた層は、光取り出しや光吸収を増大させる。多重量子井戸層の領域におけるテクスチャ出しは、半導体が有極性であり、そして量子井戸が極性方向に沿って成長される場合に、内部量子効率を大幅に増大させる。本願発明のLEDのエレクトロルミネセンスは、二色性であり、変色LEDを生じ、白色LEDを含み、蛍光体を使用しない。【選択図】図５ｃ
2009515340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッターとして使用される半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
前記基板上の第１の層であって、III族窒化物半導体からなると共に、第1の層の表面がランダムにテクスチャ出しされたトポロジーを有する第１の層と、
第1の層がｎ型ドープされ、及び第１の層が第１接点と電気的に結合され、
障壁層と交互になると共に、第１の層の表面によってテクスチャ出しされた１以上の量子井戸層とを備え、
障壁層はIII族窒化物半導体からなり、また量子井戸層はIII族窒化物半導体からなり、
上部層はIII族窒化物半導体からなり、該上部層は近接した量子井戸層の表面によってテクスチャ出しされ、該上部層ｐ型ドープされ、該上部層は第２接点と電気的に結合され、装置のエレクトロルミネセンス・スペクトルは前記第１及び第２接点の間の装置を通って電流が通過することによって制御されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板は、表面がランダムにテクスチャ出しされ、また前記第１及びそれに続く層は、基板のテクスチャ出しを複製する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記基板は（０００１）サファイア、（１０-１２）サファイア、（１０-１０）サファイア、（１１-２０）サファイア、（０００１）シリコン・カーバイド、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）ＡｌＧａＮからなる群から選択された材料からなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板は、前記第１の層に面した側にテクスチャ出しされた表面からなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
基板は、前記第１の層から離れた側にテクスチャ出しされた表面からなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
基板は、前記第１の層に面する側に磨いた表面からなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
基板の表面は、リソグラフィー又はエッチングによってテクスチャ出しされる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
第一の層は、水素化気相エピタキシー、金属−有機化学気相成長法、分子線エピタキシー、液相成長法、レーザー・アブレーションの１つ又はこれらの方法の組み合わせから生じる基板上の堆積である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
第１の層は、その上に過剰のHClの存在でIII族窒化物半導体材料の水素気相エピタキシーの結果である請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
水素化気相エピタキシーの過程におけるHClに対するNH3のモル比が５：１から１０：１である請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
量子井戸層及び障壁層は、分子線エピタキシーの結果である請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１２】
第１の層は、Gaよりも過剰の分子Nの存在で分子光線エピタキシーの結果である請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１３】
一以上の量子井戸層は、水素化気相エピタキシー、金属有機化学気相成長法、分子線エピタキシー、液相成長法、レーザアブレーションのいずれか１つ又はこれらの方法の組み合わせによって成長させた請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１４】
装置のエレクトロルミネセンス・スペクトルは二以上のピークからなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１５】
多重量子井戸は、異なる厚さの量子井戸層を有す散在した領域からなる請求項１４の半導体装置。
【請求項１６】
多重量子井戸の平らな領域における量子井戸層は、多重量子井戸の傾斜領域における量子井戸層より厚い請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記ピークの１つが３９０〜４５０nmの範囲で他のピークが５００〜６００nmの範囲である請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１８】
第一及び第二の接点間の装置を通した電流の増加は、前記ピークの１つで他方に比べてエレクトロルミネセンスを増加する請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１９】
増加するピークは３９０〜４５０nmの範囲である請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】
エレクトロルミネセンスの着色温度は前記第一及び第二の接点間の装置を通した電流を増加することにより青色シフトされる請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２１】
そのエレクトロルミネセンスは白色である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項２２】
そのエレクトロルミネセンスは２５００°〜７５００°Kの範囲の着色温度によることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項２３】
更に蛍光体からなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項２４】
蛍光体が５００〜７００nmの範囲に発光ピークを持つ請求項２３に記載の半導体装置。
【請求項２５】
サファイア、シリコン・カーバイド、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
III族窒化物半導体からなる前記基板上の第一層であって、該第一層の表面がランダムにテクスチャ出しされたトポロジーを持ち、該第一層がn-ドープされ、及び該第一層が第一接点に電気的に結合され、
障壁層と交互になっていて及び第一層の表面によってテクスチャ出しされた１以上の量子井戸層であって、該障壁層がIII窒化物半導体からなり、量子井戸層がIII族窒化物半導体からなり、
III族窒化物半導体からなる上部層であって、該上部層は第一層から最も遠くの量子井戸層の表面によってテクスチャ出しされ、該上部層はp-型ドープされ、及び該上部層は第二接点に電気的に結合され、
これらのものからなる発光ダイオードを備え、
前記第一の及び第二の接点との間の装置を通して電流を通すことであって、該ダイオードのエレクトロルミネセンス・スペクトルは前記電流によって制御される工程からなる、発光ダイオードの発光スペクトルを制御する方法。
【請求項２６】
前記ダイオードのエレクトロルミネセンス・スペクトルは二以上のピークからなり、前記第一及び第二の接点の間の装置通しての電流の増加は他方に比較して一方の前記ピークでのエレクトロルミネセンスを増加する請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
３９０〜４５０nmの範囲におけるピークのエレクトロルミネセンスは、一以上の他のピークに比較して増加している請求項２６の方法。
【請求項２８】
エレクトロルミネセンスの着色温度は、前記第一及び第二の接点の間の装置を通して電流を増加することにより青色シフトされる請求項２６の方法。
【請求項２９】
請求項１の半導体装置、及び入力信号に応じて前記第一及び第二の接点の間の装置を通した電流を調節するためのコントローラーを備える可変着色表示器であって、入力信号の変化が装置による発光の色の変化に生じる可変着色表示器。
【請求項３０】
請求項１の一以上の半導体装置、及び一以上の入力信号に応じて前記第一及び第二の接点の間の装置のおのおのを通した電流を調節するためのコントローラーを備え、入力信号の変化が装置による発光の強度及び色の変化を生じる可変着色照明装置。
【請求項３１】
複数の前記半導体装置はアレイに配置される請求項３０の照明装置。
【請求項３２】
複数の前記半導体装置を備え、各半導体装置が独立して制御される請求項３０の照明装置。
【請求項３３】
複数の前記半導体装置を備え、半導体装置が調和して制御される請求項３０の照明装置。
【請求項３４】
請求項１の複数の半導体装置を備える二次元アレイ、及び入力信号に応じて前記第一及び第二の接点の間の各半導体装置を通して電流を調節するためのコントローラーを備え、入力信号が半導体装置によって発光の着色型の形成を生じる二次元着色表示装置。
【請求項３５】
着色型がアレイでの精査によって見える画像を形成する請求項３４に記載の着色表示装置。
【請求項３６】
静止画像を形成する請求項３５の表示装置。
【請求項３７】
動画を形成する請求項３５の表示装置。
【請求項３８】
請求項１の複数の半導体装置を備える二次元アレイ、及び入力信号に応じて前記第一及び第二の接点の間の各半導体装置を通して電流を調節するためのコントローラーを備える映写機であって、入力信号が半導体装置によって発光の着色型の形成を生じ、映写スクリーンに映写された映写機。
【請求項３９】
カラー・パターンが映写スクリーン上に画像を形成する請求項３８の映写機。
【請求項４０】
静止画像映写機である請求項３８の映写機。
【請求項４１】
動画映写機である請求項３８の映写機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、２００５年１０月３１日に出願された「テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置」なる名称の米国仮出願第６０／７３２，０３４号の優先権を主張する。この出願は、また、２００５年４月１５日に出願された「テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置」なる名称の米国出願第１１／１０７，１５０号の部分継続出願中のものであり、これは２００４年４月１５日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたＩＩＩ−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第６０／５６２，４８９号と、２００４年１０月１日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたＩＩＩ−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第６０／６１５，０４７号と、２００５年１月２１日に出願された「平坦で、ひだのある量子井戸に基づいた窒化物ＬＥＤ」なる名称の米国仮出願第６０／６４５，７０４号とに基づく優先権を主張する。
更に、この出願は、２００５年４月１５日に出願された「テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置」なる名称のPCT/US/2005/012849の部分継続出願である。上記した先願のそれぞれは、ここにその開示全体を参照によって組み入れる。
【０００２】
［連邦補助研究または開発に関する表明］
この発明を導いた研究の一部は、合衆国陸軍研究事務所によって与えられた契約第ＤＡＡＤ１９−００−２−０００４及び合衆国エネルギー省助成金第DE-FC26-04NT42275の下で提供された合衆国政府支援によって遂行されたものである。従って、合衆国政府はこの発明に相応の権利を有する。
【０００３】
「背景技術」
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、赤外、可視又は紫外（ＵＶ）領域の光を発生することが可能な半導体光学装置である。可視及び紫外で発光するＬＥＤは、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、その窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との合金を使用して作られる。これらの装置は一般に、ｐ−ｎ接合として配置されたｐ及びｎ型半導体層からなる。標準的なＬＥＤ装置では、半導体層は、研磨された基板、例えばGaAs又はサッファイア上に均一に成長される。典型的な半導体層は、ｐ又はｎ型層となるようにドープされている窒化ガリウム（ＧａＮ）によって形成される。
【０００４】
ＬＥＤにとって重要な性能指数は、その内部量子効率（ＩＱＥ）と光取り出し効率である。典型的なＬＥＤにとって、ＩＱＥは、多くの要因、例えば点欠陥の密度、オージェ過程及び装置設計に依存する。極性（０００１）又は（０００−１）方向に沿って成長される窒化物ＬＥＤの場合、内部効率はまた、内部電界によって引き起こされるｎ及びｐドープ層間の量子井戸の歪みに起因して低減される。ＧａＮ系基準ＬＥＤの光取り出し効率は、スネルの法則から表面当たり４％であると決定される。ＬＥＤは通常、小エネルギーギャップ半導体（井戸）と広バンドギャップ半導体（障壁）とから作られたいくつかの量子井戸を有する。可視ＬＥＤは、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を井戸として使用し、またＧａＮを障壁として使用する。紫外ＬＥＤは、異なる組成のＡｌＧａＮを井戸及び障壁の双方に使用する。極性方向に沿って成長された窒化物半導体系のＬＥＤ装置の内部量子効率（IQE）は、その量子井戸に加わる電界によって低減される。この現象は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と呼ばれる。ＱＣＳＥは、ＬＥＤの光放出に影響を与えて、放出波長を赤色シフトすると共に光ルミネサンス強度を低減する。基準LEDにおける光取り出し効率の幾分小さな値は、半導体層の出口界面における高屈折率の結果である。
【０００５】
幾らかのアプローチがLEDから光の取り出しを高めることを企てている。例えば、GaAs LEDにおいて、光の取り出しは、GaAs基板における放射光の吸収によって影響が及ぼされる。この問題の緩和のために、ひとつはエピタキシャルな離昇及びウエハ結合法を用いることができ、透過する基板までGaAs LED構造を移動することである。LED表面幾何学の最適化（例えば尖端を切った逆さにしたピラミッド）を含む、基板鏡の使用と併合した、別のアプローチは３０％まで取り出し限界を推し進めている。他のアプローチは、継続的に変化する屈折率透過材料の使用を含み、境界領域で後方反射を低減する。これらのアプローチの幾つかは、製造限界があり、最後のひとつは、時がたつにつれて速い指標材料の劣化を受けることである。
【０００６】
最近、ますます引きつけるようになってきているアプローチは、ランダムに微小テクスチャ出しされた薄いフィルム表面から光子取り出しである。GaAs に基づくLEDについて室温で外部量子効率が４４％を示した記録を持ち（ウインディシュ等、２０００）、取り出し効率の意義がある改善がされてきている。この引例では、テクスチャ出しされた表面はリソグラフの方法を用いるLEDの成長後に形成された。そのような場合であっても、大部分の光子は、平坦な表面に対応する臨界角内の放射錐体内からなお抜き取られることとなった。従って、この値より下の取り出し井戸を改善するために、なお広い空間が存在する。
【０００７】
GaNに基づく可視及び紫外（UV）LED  及び他のIII-窒化物材料は、フルカラー・ディスプレー、自動車の照明具、消費者電子工学バックライティング、交通信号、固体状態照明のための白色LEDとして広く使われている。様々なアプローチは白色LEDの形成の方向に用いられている。一つのアプローチは、三色LED（RGB）の使用であり、及びハイブリッド法、例えば三色蛍光体と組み合わせたUV LED、又は二色又は一色蛍光体と青色及び青色／赤色LEDを用いるどちらかのアプローチ。２００lm/W以上の効率が商業的に魅力ある半導体照明である場合、最近の白色LEDの出来栄えは３０lm/Wに達している。
【０００８】
窒化LEDの光子への電子―正孔対転換についての最新の内部量子効率（IQE）は〜２１％である（ツアオ、２０００）。したがって、IQEは、固体状態照射に関する応用のために６０％−７０％に増加する必要がある。これを成し遂げるために、最新状態の技術の多くの改善が要求される。例えば、バンドギャップ工学（量子井戸、量子ドット）は光子に対するキャリアー転換を最大限に活用することをもたらすものでなければならない。また、LED構造の種々の層での改善は欠陥密度を減少することが要求され、これによって、キャリアー輸送を改善する。このような改善は熱の発生を減少し、装置の寿命を延ばし、色彩の安定性を上昇し、寿命に対する消費者価格を削減する。
【０００９】
［発明の要約］
本発明は、光エミッター又はセンサとして、あるいは太陽電池として使用される装置を提供する。III-窒化物のような極性半導体に基づくこの発明のエミッターについては、内部量子効率（ＩＱＥ）及び光取り出し効率が従来の装置に対して改良される。センサ又は太陽電池については、光源を装置内に結合する効率も改良される。一実施形態では、半導体材料は、テクスチャ出しされた（テクスチャード）最初の半導体層が成長時に基板上に堆積されることからスタートして、複数の層として堆積される。一実施形態では、この層は、基板上に成長されるときにランダムにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面形態を有するようにする。基板とテクスチャ出しされた層は、多重的半導体層の成長用テンプレート（型板）として使用され得る。例えば、装置は、第１のテクスチャ出しされた層の上に堆積された第２の層を備えることがある。これらの層は、ｐ及びｎドーパントを伴って堆積されて、ｐ−ｎ接合型発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成することができる。テクスチャ出しされた発光層は、光脱出を強化する。最初の半導体層は、その上に量子井戸が成長される障壁層として役立つことが好ましい。複数の半導体層の各々は、第１の成長層のテクスチャと同様になり、かくして光が取り出されるＬＥＤの外面は、最初の半導体層とほぼ同じテクスチャを有する。
【００１０】
複数の障壁及び量子井戸層を備えた多重量子井戸は、それぞれが本来のテクスチャを複製する複数の半導体層を交互にしながら、互いの上に堆積されることが好ましい。障壁及び井戸層を通して複製されたテクスチャ出しは、量子井戸の位置を変えて、それらの表面が［０００１］極性方向と直交しないようにする。かくして、量子井戸は、それらの方形井戸形状をほぼ維持する。何故ならば、それらは、極性化に起因する内部電界によっては歪まされないからである。この結果、正孔及び電子の波動関数は重なって、効率的な再結合に導き、かくして劇的にＩＱＥを改善する。
【００１１】
この発明の装置は、基板、例えばシリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＡｌＧａＮ）、炭化シリコン、酸化亜鉛、サファイア及びガラスからなることができる。サファイア基板は、その上に層が堆積される前に、窒化されることもある。
【００１２】
GaNテンプレート上に、あるいは全成長プロセス中でもう１つの層の上に成長される半導体層は、任意の好適なプロセスによって堆積され得る。そのような堆積プロセスの例には、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、液相成長法及びレーザアブレーションがある。半導体装置の層は、ＩＩＩ−窒化物材料、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれら材料の任意の組み合わせからなることができる。基板は、層成長の前にあるいは基板上の第１の半導体層がテクスチャ出しされた表面を有するというような成長の適切な条件を選択することによって、テクスチャ出しされることができる。
【００１３】
半導体層は、ドーパントを含んで、この層がｐ又はｎ型になることができる。例示的なドーパントには、ベリリウム、セレン、ゲルマニウム、マグネシウム、亜鉛、カルシウム、Ｓｉ、イオウ、酸素又はこれらドーパントの組み合わせがある。１つの層は、単結晶又は多結晶の層である。この発明の装置は、いくつかのｐ及びｎ型層と、一般に層成長を促進する１以上の緩衝層を含むことができる。例示的な緩衝層は、ＧａＮ半導体層である。緩衝層は、基板上又は半導体層間に堆積される。
【００１４】
この発明の装置用の半導体層は、約１０オングストローム（Å）から１００ミクロン（μｍ）までの厚さに堆積される。GaNテンプレートと堆積層のテクスチャ出しは、約１００ナノメータ（ｎｍ）から５μｍまでの平均的な山−谷距離を有する。
【００１５】
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第１の半導体層を基板の表面上に成長する工程と備える。第１の層は、成長時に自然にランダムにテクスチャ出しされるか、テクスチャ出しされた基板表面によってランダムにテクスチャ出しされる。基板又は第１の層は、それからテンプレートとして、テンプレートと同じテクスチャを有した他の半導体層を堆積することに使用されうる。好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。多重量子井戸は、第１の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。
【００１６】
［発明の詳細な説明］
本発明のＬＥＤや光検出器は、外部光取り出し効率及び内部量子効率（IQE）の一方又は双方が改良されている。光取り出し効率は、最初の半導体基板層からの層を適用するプロセスによって典型的に複製されるテクスチャ出しされた放出表面によって改良されている。更に、本発明のLEDは、その色がLEDを通るバイアス電流によって制御される二色エレクトロルミネセンス・スペクトルを有する。
【００１７】
成長速度の制御と適切な堆積手順の使用により、テクスチャ出しされた表面層を最初の基板上に形成することができる。このテクスチャは、後続の層が適用されるときにそれらの層を通して複製され、その結果、大幅に改良された光取り出し効率を有する放出層を生じる。最終表面のテクスチャ出しも、下地の基板を別にテクスチャ出しするか、あるいは深い溝で装飾された未研磨の基板を使用することによって達成可能である。何故ならば、ウエハは通常インゴットからソーを使用して切断されるからである。
【００１８】
ＬＥＤの内部量子効率（IQE）の改良は、ｐ−ｎ接合に、多重量子井戸（ＭＱＷ）を組込むことによって達成される。この結果、ｐ及びｎ側からそれぞれ注入された電子及び正孔がより良好に閉じ込められ、かくしてより効率的な再結合が生じる。
【００１９】
量子井戸を含んだ半導体装置が極性方位上に成長されるとき、生じる量子井戸は歪められ、電子及び正孔の分離が生じる。このことにより、電子−正孔領域は遠くに離れて配置され、光を発生する電子−正孔再結合の効率を低減する。この発明のＬＥＤは、テクスチャ出しされた表面上に量子井戸を成長させることによって、この欠損を克服する。このように、量子井戸は歪まされることはなく、かくして井戸中の電子及び正孔はより効率的に再結合する。
【００２０】
本発明に係るＬＥＤの一実施形態では、ＬＥＤは、基板２上に形成される。図１並びに図２ａ及び２ｂに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、テクスチャ出しされた半導体層４が基板上に堆積される。この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされ、テクスチャ出しされた表面トポロジー（又は形態学）１０を有するようになる。基板及びテクスチャ出しされた層は、ＬＥＤを形成するための多重半導体層の成長用テンプレートとして使用される。そのようなテクスチャ出しされたＡｌＮテンプレートは、紫外ＬＥＤを製造することにも使用できる。例えば、１つの装置は、第１のテクスチャ出しされた層上に堆積された第２の層を備えることもできる。これらの層は、ドープされて、発光ダイオード（ＬＥＤ）用のｐ−ｎ接合を形成することが可能である。適切なドーパントには、セレン、ゲルマニウム、亜鉛、マグネシウム、ベリリウム、カルシウム、Ｓｉ、イオウ、酸素又はそれらの任意の組み合わせがある。半導体層の各々は、第１の成長層及びそのテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされ、改良された取り出し効率のテクスチャ出しされた放出表面を有することができる。
【００２１】
別の実施形態では、図３ａ，ｂ、図４ａ，ｂ並びに図５ａ，ｂに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、複数の障壁及び量子井戸層を備えた多重量子井戸が、装置のｎ及びｐドープ層間で、半導体層を交互にして、互いの上に堆積されている。ここで使用する「量子井戸」の用語は、隣接する障壁層と共に合わさった量子井戸層に関する。多重量子井戸は、第１の層の上に成長されるときに、その層のテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされる。
【００２２】
殆どの場合、テクスチャ出しされた層と量子井戸との間に、厚さ可変のｎドープＡｌＧａＮクラッド層が成長される。
【００２３】
第１の層の成長に使用される好適な基板は、この技術分野では知られている。例示的基板には、サファイア、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン（Ｓｉ）及びガラスがある。例えば、好ましい基板は、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）Ｓｉ、（１１１）ＧａＡｓ、（０００１）ＧａＮ、（０００１）ＡｌＮ、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア及び（０００１）炭化シリコンであり得る。
【００２４】
この発明の装置用の基板は、成長された表面を化学的に清浄化することによる半導体層成長用に準備され得る。基板の成長表面は、オプションで研磨されてもよい。基板はまた、層成長に先行して加熱して脱ガスされてもよい。基板の表面は、参照によりここに組み入れられる米国特許第６，９５３，７０３号に開示されているように、オプションで窒化されることも可能である。切断された状態の未研磨、未処理の基板上での成長は、その上にテクスチャ出しされた表面を成長することを促進する。
【００２５】
半導体層は、いくつかのプロセス、例えば水素化気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）、レーザアブレーション及びこれら方法の変形例によって成長され得る。典型的な成長プロセスは、参照によりここに組み入れられる米国特許第５，７２５，６７４号、第６，１２３，７６８号、第５，８４７，３９７号及び第５，３８５，８６２号に開示されている。半導体層はまた、窒化物層を生じる窒素の存在下でも成長され得る。窒化物層の例には、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びそれらの合金がある。
【００２６】
図１は、この発明の半導体装置の部分的表現である。好ましい実施形態では、この装置は、テクスチャ出しされ、基板２と、その上に成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層４とを備える。基板２は、最初にテクスチャ出しされているか、あるいは平滑に研磨され得る。第１の層４は、基板２上に成長されるときにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面トポロジー１０を有する。第１の層は、変形ＨＶＰＥ堆積プロセスによって成長されて、テクスチャ出しされた表面１０を生じることが好ましい。変形ＨＶＰＥプロセスは、成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層を、その層の欠陥領域を増強塩酸（ＨＣｌ）濃度でエッチングすることによって、部分的に生じさせる。変形ＨＶＰＥプロセスのＨＣｌ濃度は、以下で例示されるように、典型的な堆積プロセスのものよりも実質的に高い。
【００２７】
一実施形態では、第１の層４は、ＩＩＩ族窒化物の層からなる半導体層であり得る。この層４は、以下で示されるように、堆積中の好適なドープによってｐ又はｎ型とされた半導体層であることが好ましいが、それはまたＡｌＮのような絶縁層でもよく、あるいは両者でもよい。層４は、参照によりここに組み入れられる米国特許第５，６８６，７３８号に記載されているように、オプションで、基板上に堆積された緩衝層の上に成長され得る。
【００２８】
基板２及び層４の厚さは、広い範囲をカバーできるものであるが、層４の厚さは、その表面に複製されたテクスチャ出しの程度に影響を及ぼすものである。例えば、厚さ１００μｍの層は、約１００ｎｍ〜５μｍの山−谷テクスチャ距離を有することができる。半導体層のテクスチャ出しは、その層の上に成長されてテクスチャを複製するＬＥＤ層の光取り出し特性に影響を与える。半導体層４は、典型的には成長時にランダムにテクスチャ出しされる。層４は、単結晶又は多結晶の材料である。
【００２９】
図２ａは、図１の装置上に成長された第２の層８を示す。この層８は、任意の好適な堆積プロセスによって成長される。第２の層は、第１の層４のテクスチャ出しされた表面１０の上に成長される。第２の層８は、図２ｂに示されるように、第１の層４のテクスチャ出しされた表面トポロジー１０を埋め込むほど厚くないことが好ましい。第２の層８は、図２ａに示されるように、層４による複製によってテクスチャ出しされた上面９を有することが好ましい。
【００３０】
層８は、ＩＩＩ族窒化物からなる半導体層であることが好ましい。第２の層８は、層４のドーピングとは逆の典型的にｐ又はｎ型半導体層である。第２の層８は、単結晶又は多結晶の半導体層である。一実施形態では、第１及び第２の層４及び８のドーピングは、光センサ又はエミッタとして使用されるｐ−ｎ接合３を形成する。これらの装置は、電子ディスプレイ、固体状態ライト、コンピュータ又はソーラーパネル用に使用され得る。電極１１及び１３は、この技術分野でそのような用途について知られているように、層４及び８に接続される。
【００３１】
図３ａ及び３ｂは、図１の装置上に成長された多重量子井戸６を有するＬＥＤの部分的表現である。量子井戸６は、第１の層４の表面トポロジーによってテクスチャ出しされている。上述したように、第１の層４は、基板２上に成長されるときにテクスチャ出しされ得る。一実施形態では、多重量子井戸６は、１以上の障壁層５と量子井戸層７とを交互に備える。
【００３２】
いくつかの障壁層５及び量子井戸層７は、テクスチャ出しされた第１の層４をそれぞれ複製する半導体層を交互にすることによって成長され得る。例えば、量子井戸は、第１の層４の上に成長された障壁層５によって形成され得る。それから量子井戸層７は、障壁層５の上に成長される。それから第２の障壁層５は、量子井戸層７の上に成長され、その上に第２の量子井戸層が成長される。一実施形態では、量子井戸層７及び第１の層４は、組成が一致させられている。障壁層５は、第１の層４及び量子井戸層７の双方とは異なる組成を有することができる。
【００３３】
障壁層５は、１以上のＩＩＩ−Ｖ族窒化物の化合物を備えることができる。一実施形態では、１以上の障壁層５は、ＡｌＧａＮである。同様に、１以上の量子井戸層７は、ＩＩＩ族窒化物、例えばＧａＮであるか、又はもう１つのＩＩＩ−Ｖ族化合物である。これらの層はまた、任意の好適な堆積プロセスによって成長させられる。これらの層は、単結晶又は多結晶の層である。
【００３４】
それぞれの層の厚みは、その下の層をテクスチャ出して上記表面を複製するために典型的に充分に薄い。これらの層に関するテクスチャ出しの度合いは、内部量子効率（IQE）及び光取り出し効率に影響を与える。この発明の装置は、１〜２０個の量子井戸を備えて、複数の障壁層５及び量子井戸層７を構成することが好ましい。
【００３５】
図３ａ及び３ｂは、テクスチャ出しされた多重量子井戸６上に成長された上部半導体層８も示している。この層８は、既知の堆積プロセスによって成長され得る。この層は、テクスチャ出しされた層９（図３ａ）であるか、第１の層４のテクスチャ出しされた表面トポロジーを埋め込むように厚いものである（図３ｂ）か、それを研磨したものである。
【００３６】
層８は、ＩＩＩ族窒化物からなる半導体層であることが好ましい。上層８もまた、層４とは逆のｐ又はｎ型半導体層であって、ｐ−ｎ接合を形成する。このｐ−ｎ接合は、半導体装置、例えばＬＥＤや光検出器として機能することを可能にする。上層８は、単結晶又は多結晶の半導体層である。多重量子井戸６もまた、成長時にテクスチャ出しされた障壁層５及び量子井戸層７を備えることができる。例えば、層５及び７は、例えばHVPE、MBE、又はMOCVDのような堆積プロセスによって成長され得る。
【００３７】
図３ａに示された装置構造は、通常の装置の効率よりもかなり高い内部量子効率及び外部光取り出し効率を呈することが可能である。図３ｂの装置は、内部量子効率（IQE）の増加を全体的に有する。
【００３８】
この発明の装置は、１００％に近い光取り出し効率を有することが可能である。同様に、そのような装置は、５０〜６０％或いはそれ以上の範囲の内部量子効率（IQE）を有することがある。
【００３９】
図４ａ及び４ｂは、最初にテクスチャ出しされた表面を有する基板を備えた装置を示している。第１の層４に後続する層は、テクスチャ出しされた基板２上に堆積されて、上面が複製によってテクスチャ出しされる。
【００４０】
図４ａの装置は、層８上のテクスチャ表面９を備えるか、あるいは図４ｂでは、その実施形態においてテクスチャ出しされていない層を備える。
【００４１】
代替実施形態では、基板は、図示のように、例えば図５ａでは、上述したものと実質的に同じ手順を使用して、テクスチャ出しされた上下双方の表面９及び１５を有する。図５ｂでは、底層２だけを備え、表面１５は、テクスチャ出しされ、そして放出表面として機能することができる。
【００４２】
例えば、図５ｃは、サファイア基板２上の平坦なＡｌＮテンプレート４ａを使用したＬＥＤである。ＡｌＮテンプレートと量子井戸及び障壁層７及び５との間には、クラッド又はコンタクト層として知られる厚いＡｌＧａＮ層４ｂがある。この層は、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され得る。それらの上にあるのは、それぞれＡｌＧａＮ及びＧａＮのｐドープ層８ａ及び８ｂである。層４ｂ及び８ｂは、電気コネクタ１１及び１３を受けて、サファイア基板２を通して下向きに光取り出しを行う。層８ａは、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され、そして電子遮蔽層として機能して電子の損失を防止する。層５及び７は、明瞭化のために平坦に示されているが、望み通りに、ひだがつけられている、と理解されるべきである。
【００４３】
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第１の半導体層を基板の表面上に成長する工程と備える。第１の層は、以下で説明されるように、成長時にランダムにテクスチャ出しされ、成長後に石版でテクスチャ出しされ、又はランダムにテクスチャ出しされた基板表面によってテクスチャ出しされる。それから基板又は第１の層は、テンプレートとして、他の半導体層を堆積してテクスチャ出しすることに使用され得る。そのようなテンプレートは、この製造段階で販売され、他のものが、多層化を完了して、そのテクスチャを放出層まで複製できるようにする。
【００４４】
好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。この場合、当該井戸は、半導体層を交互に設けながら堆積され得る障壁及び量子井戸層の双方を備える。多重量子井戸は、第１の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
【００４５】
本発明は特別なテクスチャを有す厚いGaN及び他のIII窒化物フィルム（テンプレート）を基板上に形成する方法を記述している。このように自発的に形成したテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、高効率の装置、例えばIII窒化物発光ダイオード（LＥD）、太陽電池及び光検出器の発展のために基板として使われる。このような装置の高効率は二つの効果による。
（a）LEDについては有効な光取り出し、及び太陽電池及び光検出器の場合については材料中への光の有効な結合。
（ｂ）極性効果の抑制によるテクスチャ出しされたIII窒化物MQWに基づくLEDのIQEにおける改善。
【００４６】
本発明は、HVPE、MOCVD、及びMBEによる窒化物フィルムの成長の間の、テクスチャ出しされたIII族窒化物テンプレートを調整する方法に関する。また、このようなテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、より有効な取り出し効率だけでなく改善されたIQEをもつLED構造の成長及び制作のための基板として使われる。さらにまた、このようなテクスチャ出しされたテンプレート上に作られたLED、太陽電池及び光検出器のようなその他の装置は、改善された効率も持つだろう。共通に所有された米国特許５,３８５,８６２、５,６３３,１９２、５,６８６,７３８、６,１２３,７６８、５,７２５,６７４を参照としてここに示す。
【００４７】
LEDの内部効率が固有の材料及び装置設計特性である場合、このような装置の外部効率は半導体から光取り出し効率の尺度である。GaN屈折率及び取り巻く物質（通常は空気）の間の大きな相違は、活性物質内に生じた光の大部分について合計された内部反射を生じる。GaNの屈折率（n＝２．５）について、内部光が漏れ出る円錐形は、sinθ=1/n、又はθ＝２３．５°の臨界角内でスネルの法則により限定される。それは固体角に対して取り出された放射物の合計を限定する。
Ω＝２Π（１−cosθ）
【００４８】
ここで、半導体から漏出しうる光の総分率は、前式を４Πで割ることにより計算されうる。
Ω/４Π＝１/２（１−cosθ）
この式により、入射放射物の４％のみがGaNに基づくLEDに抜き取られる。ここで、LEDにおいて、内部的に反射した放射物の大部分は再吸収されるが、これは、レーザー光線を発する閾値以下で作用するLEDにおいてであるからであり、パーパス刺激利得はパーパス吸収損失より少ない。
【００４９】
III窒化物テンプレートの形成及びこのようなテンプレート上の窒化物装置のエピタキシャルな成長が、例えば、以下にのべられるような、三種の異なるエピタキシャルな方法を用いてもたらされる。
【００５０】
HVPE法はGaN又はAlNの外見上の基板（テンプレート）の開発のために使用される。この堆積法はGaClの形で基板にGaを移動するためにHClを用いる。HClの存在でGaNの成長は、多くの付加的利点ももつ。HClは成長フィルムの表面から過剰なGaをエッチングし、そしてこれは高成長率（１００−２００〜μ／時）を可能にする。それは、六角ドメインの境界に、このような領域の不完全な合体により、最初に生じる欠陥のあるGaNをもエッチングする。結局、別の利点は金属不純物の洗脱であり、これはたいていの半導体における再結合中心に貢献するのに役に立つ。このように、この方法は非常に高品質なGaNフィルムをもたらす。
【００５１】
この発明によりテクスチャ出しされたＧａＮテンプレートは、変形ＨＶＰＥプロセスによって成長される。このＧａＮテンプレートは、変形ＨＶＰＥリアクタを通して成長されうる。このリアクタ内において、ＩＩＩ族前駆体はＧａＣｌガスでありうるもので、これは、Ｇａを含有した石英ボート上を流れるＨＣｌによって、約５００℃〜１０００℃の温度で上流に合成される。それからＧａＣｌガスは、下流の基板ウエハの表面付近で、アンモニア（ＮＨ３）と混合され、約９００℃〜１２００℃の温度でＧａＮを形成する。この発明のＧａＮ又はＡｌＮ又はＡｌＧａＮテンプレートは、極性方向及び非極性方向に沿って成長され得る。テンプレートはまた、立方対称性を有する基板、例えば（１００）Ｓｉや（００１）ＧａＡｓを選択することによって、それらの立方構造内で成長することができる。この場合、その上に成長される後続の窒化物層は、同様に立方対称性を有する。
【００５２】
変形リアクタは、一般的に４つのゾーンに分割され、各ゾーンの温度は、個別に制御可能である。このリアクタはまた、反応原系ガス及び希釈剤用に３つの別々の配送チューブを有する。窒素や水素は、ＮＨ３及びＨＣｌに対する希釈剤及びキャリヤガスとして使用される。窒素は、中間チューブを通して送られ、このチューブは、下流ガスシースとして作用して、ＧａＣｌ及びＮＨ３ガスが、基板表面に接触する前に、混合されることを防止する。ＧａＮ層のテクスチャ出しは、ＨＣｌのエッチング効果の結果であり得る。例えば、テクスチャ出しは、ＨＣｌが成長中の層の表面からＧａをエッチングするときに起こる。ＨＣｌはまた、第１の層の境界ドメインにおいて欠陥のあるＧａＮをエッチングする。変形ＨＶＰＥプロセスのＨＣｌ濃度は、テクスチャ出しが回避された典型的な堆積プロセスのそれよりも実質的に高い。
【００５３】
テクスチャ出しされたＧａＮテンプレートは、ＩＩＩ族前駆体に対するＮＨ３の流率によって制御される約３０〜２００μｍ毎時の範囲の高成長速度条件下で成長され得る。この流率は、典型的には約３００〜１０である。テンプレートの成長は、ＧａＣｌガスによって基板を前処理するか、又はサファイア表面を１０００℃で短時間（窒化物化）アンモニアに曝すことにより、次いで薄いＧａＮ緩衝層を５５０℃〜６５０℃で成長させることによって行われる。それから成長領域は、ＧａＮの高温エピ層成長用に約１０７０℃まで勾配をつけられる。基板もまた、スパッタされた酸化亜鉛を伴う成長に先行して、前処理され得る。酸化亜鉛の普通の厚さは、約５００Å〜１５００Åである。それからテンプレートの成長は、チャンバを成長温度まで加熱し、更に成長を開始するために反応系ガスを流すことによって行われる。
【００５４】
MOCVDはGaNに基づくLEDの成長のための工業によって最近、使用される方法である。この方法はNH3とIII族アルキル（例えば(CH3)3Ga又は(C2H5)3Ga）の反応によって窒化物を製造する。この方法の一つの問題はNH3の高い消費量に起因している費用である。１μ／時間におけるGaNフィルムの成長は５〜１０lpm(=リッター／分)のNH3を要する。
【００５５】
MBE法は、RF又はマイクロ波プラズマの種々の形成による活性化された分子状窒素とIII族元素の反応によってIII窒化物を形成する。他にとるべきアプローチは、加熱した基板上でのアンモニアとIII族元素の反応である。III族元素は流出セルから蒸発させられるか、III族アルキルの形で供給されるかである。MBE法によって製造された生成物は処理量の収率の問題のためにより高額であると一般的に信じられている。しかしながら、窒化物の成長において、費用の重要な部分は窒素前駆体の消費によって決定される。窒化物装置のMBE成長の間、１〜５０sccm(標準ｃｃ／分)近くの窒素又はアンモニアを使うが、これはMOCVD成長の間使用されるものより数オーダー低い。これとMBE製造装置が多重ウエハ堆積系を使用すると言う事実は、安価な窒化物装置の開発のためにＭＢＥ法を魅力のあるものとする。InGaNに基づくレーザーダイオードは最近ＭＢＥ法によって製造されている。（フーパー等、エレクトロニクス  レターズ、第４０巻、２００４年１月８日）
【００５６】
本発明の一つの態様はGaNテンプレートの表面がランダムにテクスチャ出しされていることである。適当なランダムな表面テクスチャは、改変HVPEを含む、幾つかの適当な機械的または化学的技術によって製造されうる。改変HVPEにおいては、GaNテンプレートの表面テクスチャはＶ族に対するIII族の比を変えることにより制御されうる。例えば、５：１から１０：１のHClに対するNH3のモル比を用いることは改変HVPEによるランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレートを生じるのに対して、２０：１から５０：１又はそれ以上の高い比率を用いると従来のHVPEは平坦なテンプレートを生じる。ランダムにテクスチャ出しされたGaNを生じる他の方法は、サファイア・ウエハの様な基板の不完全な窒化物化、又は非常に薄いGaN緩衝体を用いることを含む。窒素リッチ条件下で高温でのＧａＮの成長は、MBE法によるランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレートもまた生じる。例えば、１以下のGa/Nの分子比を用いて、ランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレートを生じる。１以上のGa/Nの分子比を用いると、平坦なGaNテンプレートを生じる。
【００５７】
表面テクスチャは、原子間力顕微鏡(AFM)及び走査電子顕微鏡(SEM)のような入手可能な技術を用いて研究されうる。ランダムさの程度は表面深度の分布を求めることによってつきとめることができ、ランダムにテクスチャ出しされた表面は近似的に表面深度のガウス分布を示す。エミッターから最適光取り出し得るために、平均表面深度は放出光の波長範囲内が好ましい。例えば、可視光LEDについては、２００nmから１．５μm範囲の平均表面深度が好ましい。
【００５８】
テクスチャ出しされたIII窒化物テンプレートは極性又は非極性方向に沿って形成されうる。
【００５９】
文献に報告されたIII窒化物における仕事の大部分は、様々な堆積方法によって（０００１）サファイア又は６H−SiC基板上にこれらの材料のヘテロエピタキシャル成長を含む。これらの基板上に成長した材料及び装置は、高密度の貫通欠陥（転位及び転換ドメイン境界）を含む。さらに、（０００１）配向は非中心対称ウルツアイト構造の極性方向であり、これは自発的及びピエゾ電子極性によってヘテロ構造内に内部電界を生じる。このような極性効果が幾つかの装置の型（例えばFETにおけるピエゾ電子ドーピング）に望まれるかもしれない場合、それらはQCSEによる多重量子井戸(MQW)構造に基づくエミッターについて望ましくないかもしれない。この効果は、量子井戸の歪によるQW放射における赤方シフトを生じ、電子及び正孔の波動関数が空間で分離されるため減少した量子効率もまた生じる。
【００６０】
R-平面サファイア（１０-１２）上のGaN/AlGaN MQWsの成長が（１１-２０）方向に沿ったフィルムを導く（アイヤー等、２００３年）ことが最近実証されている。（１１-２０）方向はMQWの平面に極性ベクトルを持ち、これは量子井戸に垂直な内部フィールドを除去する。これゆえ、このような量子井戸からの放射は赤方シフトせず、ルミネセンス効率は減少しない。
【００６１】
極性方向に沿ったテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、６H−SiC、（０００１）ZnO、（１１１）Si、（１１１）GaAs上に成長されうる。非極性方向に沿ったテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、R-面（１０−１２）及びM-面（１０−１０）サファイア基板及び６H-SiC及びZnOの対応する平面上に成長しうる。このようなテクスチャ出しされたテンプレートは、既に議論したような三つの堆積方法によって成長しうる。
【００６２】
テクスチャ出しされた窒化物テンプレートは高効率LEDの成長のために基板として使われる。表面が成長の間にある程度まで自発的にテクスチャ出しされる効力によって、半導体のバルクから空気中への屈折率の徐々の変化は効果的に光漏出円錐体を増加し、内部反射経由で光の損出を減少する。よって、半導体から放出された光はより効率的に取り出され、これにより装置の外部量子効率を増加させる。同様の議論で、このようなテンプレートに成長した光検出器及び太陽電池は、より高い効率で光を吸収するであろうし、それらは更に反射防止コーティングを要しない。
【００６３】
さらに、テクスチャ出しされた窒化物表面は、極性効果の部分的抑制によりIII-窒化物半導体MQWsに基づくLEDのIQEをも増加しうる。
【００６４】
GaNテンプレートは様々な表面テクスチャでHVPE法によって成長しうる。これらのテンプレートはそれらの表面形態学、反射率、移動及び光ルミネセンス特性によって特徴付けられる。ルミネセンス取り出し効率はほとんど１００％でありうる。GaN/AlGaN MQWは平坦なもの及びテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長されうる。QWは（０００１）極性方向に垂直でないから、ひだのあるQW上の光ルミネセンスの寸法は平坦なQWからのそれと比較してIQEの重大な改善と、量子限界シュタルク効果(QCSE)の減少に起因する結果とを示している。ひだになるQWを取り込む窒化物LED構造は、平坦な量子井戸を使うものより顕著に高い外部量子効率をもつ。
【００６５】
GaN層（最上層）と空気（又は他の物質）との間のテクスチャ出しされた境界は、最上層内で総内部反射の量を減少することによって境界を横切る光子軌道に関して取り出し効率を増加する。テクスチャ出しされた表面の表面特徴は、約１波長と同じくらい小さい特徴ある特質をもちうる。しかしながら、より大きなテクスチャの特徴は許容可能である。最上層はテクスチャ出しされたテンプレートのようにより低層の上に等角に成長しうる。最上層は幾千Åもの厚さになることは可能であるが、必要ではない。
【００６６】
GaN層と空気（又は他の物質）との間の境界は、テクスチャ出しされたテンプレート、例えばn型GaN層、干渉層の上に、例えば量子井戸(QWs)又はMQWs、これらはテクスチャ出しされたテンプレートの上に等角に成長し又は堆積したが、これらの上に直接GaN層を成長させ、堆積することにより、テクスチャ出しされうる。代わりになるべきものとして、例えGaN層がテクスチャ出しされた表面に成長しないとしても、平坦なGsN層が成長され、続いてその表面は、例えばリソグラフィーにより、粗くされうる。このように、成長後に粗面化することは、GaN層の表面に障害を与え得る。例えば、「点欠陥」が生じうる。しかし、この障害は、たとえば、アニーリングによって、修正されうる。
【００６７】
MQWは、p-GaN層がMQW上に成長される前にn-GaN層上に成長されうる。例えば、MQW層はMBE又はMOCVDによって成長されうる。一つの実施態様では、１０対のGaN井戸及びAlGaN障壁が、各井戸及び各障壁の厚さが約７８Åで成長する。別の実施態様では、各層は５０Åである。しかしながら、広範囲の（５０Å以下、７８Å以上を含む）井戸及び障壁の厚さが許容可能である。MQWの全体の厚さは１０００Åかそれ以上でありうる。さらに、井戸及び障壁層は同じ厚さである必要はない。例えば、７０Å（各）の井戸層は８０Åの障壁層と結合しうる。
【００６８】
言及したように、n-型及びp-型GaN層間のテクスチャ出しされたMQWはp−n接合のIQEを増加し、これによって、p-n接合によって生じた光の量（又は光検出器の場合に前記接合で検出される外部光の量）を増加する。実施態様はテクスチャ出しされた接合箇所のみ、テクスチャ出しされた最上層のみ、又はテクスチャ出しされた接合箇所及びテクスチャ出しされた最上層の組み合わせを含むことができる。更に、これらの実施態様のどれもがテクスチャ出しされたQWs又はMQWs含むことができるか又は二者択一に削除できる。
【００６９】
（QWs又はMQWSを持つか又は持たない）テクスチャ出しされたp-n接合は、LED又は他の半導体装置の一定の半径またはその他の外側の寸法を与える、平坦なp-n接合より大きな接合における表面（接触）面積をもつ。この増加した表面積は装置の効率を増加し得る。
【００７０】
リソグラフのマスク等を集積回路ウエハに記録するために、例えば、続くウエハを含む処理工程のために、光源が顕微鏡を通してウエハを照らす場合、操作者は一般的に顕微鏡を通してウエハを観察する。光はウエハの最上表面を照らし、操作者に可視なウエハ上の記録マークを作る。しかし、少量の光では上述した一以上の特性を含む装置から反射される。よって、光学顕微鏡を用いる本発明の一以上の見地によって構築されたウエハの表面に記録マークを観察することは、困難でありうる。この観察の困難性は続く処理工程に使われるリソグラフのマスクを記録する困難性を導きうる。この困難性に打ち克つために、本発明の別の実施態様によれば、光源はウエハの端（側）を照らし、これにより操作者に可視なウエハ上に記録マークをつくる。光は、先行技術の様に、表面から反射されるよりはむしろ、ウエハの表面から、顕微鏡を通して、操作者へ伝送される。光源は顕微鏡に対して外部でありうるが必要ない。
【００７１】
本発明は新型の白色LEDも提供する。HVPEによって製造されたテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したテクスチャ出しされたInGaN/GaN MQWに基づくLEDは、二色エレクトロルミネセンス生成し、白色光を発生する。例えば、本発明による白色LEDの着色温度は約２５００°Kから約７５００°Kの範囲であり、及びDC注入電流を変更することにより変え得る。エレクトロルミネセンスの第一のピークは、典型的には約３９０-４５０nmの範囲であり、第二のピークは約５００-６００nmの範囲である。結合した二色放射の色は、エレクトロルミネセンスを駆動するのに使われるバイアス又は注入電流に依存する。全体にわたる色は、３９０-４５０nmの範囲のピークから全体にわたる寄与で増加することによる、注入電流の増加での青色シフトである。本発明によるLEDの二色放射は、ランダムにテクスチャ出しされたMQWの二以上の異なる領域からの光の放射から生じると信じられる。堆積過程は平らな領域に幾らか厚い井戸を生じ、傾斜領域には幾分薄い井戸を生じるから、ランダムにテクスチャ出しされたMQWにおける量子井戸は少なくとも二つの異なる厚さをもつ。より薄い井戸はより高いエネルギーを放射し、これにより、より厚い井戸層に比較して青色シフトされる発光ピークを生じる。
【００７２】
一実施態様では、本発明によるLEDは一以上の従来のLEDと結合され、変更された又は全てのスペクトル結合LED装置を生じる。別の実施態様では、本発明による二以上のLEDは、おのおのが異なるエレクトロルミネセンス特性をもち、例えば着色温度のようであるが、結合して変化した又は全てのスペクトル結合LED装置を生じる。
【００７３】
LED着色におけるバイアス電流効果に加えて、本発明のLEDの全体のエレクトロルミネセンス・スペクトルは、In含有率の変更によって変更しうる。Inは、装置の与えられたIII窒化物層の少なくとも１０％から１００％まで変更した量で存在しうる。In含有量の増加は、エレクトロルミネセンス・スペクトルの赤色シフトを生じる。
【００７４】
本発明によるLEDの変色可能な特徴は、多くの応用例があり、変色可能指示器及び表示装置、静止絵画や写真、ビデオ画像を表示する着色画像表示器、及び静止画像やビデオまでの映写装置の製作に使用することを含む。着色画像表示器を製造するための本発明によるLEDの配置及び制御のための技術及び装置は技術上よく知られている。例えば、LED画像表示装置のための従来のデジタル・ドライバーは米国特許第７,１０９,９５７に開示されるが、参照のためここに示す。このような制御装置は、着色画像を形成するためにそれらの色を改変するように本発明のLEDのバイアス電流制御するために改変されうる。同様に、制御回路、ソフトウエア、及びLED配置を用いる映写装置を製作するための光学を含む技術はよく知られていて、本発明によるLEDに用いるために適合されうる。例えば、米国特許第６,２２４,２１６号はこのようなLED映写装置を記載していて、その全体が参照される。
【００７５】
ここでの実施例は、本発明の利点を説明するために与えられる。これら実施例は、上述された発明の変形例又は実施形態のいずれかを含むか組み入れることができる。上述された実施形態もまた、発明の他の実施形態のいずれか又は全ての変形例を含むか組み入れることができる。以下の実施例は、いかなる意味においても、発明の範囲を制限することを意図されていない。
【実施例１】
【００７６】
HVPEによるテクスチャ出しされたGaNテンプレートの成長
テクスチャ出しされたGaNテンプレートは、上述した改変HVPE製法によって制作される。図７は、p接触２０で放射する電気的に励起されたウエハレベルのＬＥＤを示す。この青色ＬＥＤ構造は、未研磨の（０００１）サファイア基板上に作られた。この基板上には、３ミクロンの多量にドープされたｎ型ＧａＮが成長され、次いでインジウムを１３％含むＩｎＧａＮを井戸とし、またＧａＮを障壁とする１０個のＭＱＷが成長された。ＭＱＷの成長に続いて、マグネシウムでｐ型にドープされた、Ａｌを３０％含むＡｌＧａＮからなる薄い（約１０μｍ）の電子遮断層が成長され、次いでマグネシウムで多量にｐ型にドープされた２００ｎｍのＧａＮが成長される。光が放出される自由表面は、未研磨のサファイア基板のモーフォロジーを複製している。
【００７７】
図８aは、変形ＨＶＰＥプロセスによって成長されるときにランダムにテクスチャ出しされたＧａＮテンプレートの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。この画像は、電子線に対して約３０度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。ＧａＮ層の成長は、（０００１）サファイア基板上に起こった。この成長は、２５標準立方センチメータ毎分（ｓｃｃｍ）のＨＣｌを使用するプロセスによって１０００°の前処理中に行われた。このプロセスはまた、ＩＩＩ族前駆体に対するアンモニアの比１５０を、約５９０°での緩衝層成長中に使用した。それから１０７０°での高温成長の段階は、ＩＩＩ族に対するアンモニアの比６０を使用した。テンプレートのテクスチャ出しの程度又は度合いは、成長前線に到達したＧａＣｌの量に依存しているものと決定された。そのようなＧａＣｌの量は、成長速度も制御することができる。
【００７８】
図８aと比較して、図8bは、原子的に平坦な標準ＧａＮ層のＳＥＭ画像を示している。図示のように、通常のＧａＮ層の表面トポロジーは、２〜３の表面欠陥にも係わらず、テクスチャ出しされていない。この画像は、電子線に対して約３０度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。原子的に平坦な表面を有する通常のＧａＮ層の光ルミネサンスは、この発明のランダムにテクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレートのそれと比較された。両方の層サンプルは、１０ミリワット（ｍＷ）のヘリウム・カドミウムレーザを励起源として使用する同一の条件で測定された。
【００７９】
この比較の結果は、図９によって示されている。この図において、テクスチャ出しされたテンプレートの光ルミネサンス強度は、平坦なＧａＮ層の強度よりも５０倍以上大きい。強化された光取り出しは、そのような半導体層の高屈折率によって特にテクスチャ出しされた表面を通して起こる。テクスチャ出しされた表面は、ＧａＮ層と空気との間の高屈折率変化によって制限されたエスケープコーン（脱出円錐）と比べて、単一フォトンのエスケープコーンを増加させる。
【００８０】
この発明のＩＩＩ族層テンプレートのテクスチャ出しのランダム性は、図１０ａ及び１０ｂに描かれている。図１０ａは、図１０ｂの画像化領域の深さ分析プロットを持つ、この発明のＧａＮテンプレートの原子間力顕微鏡画像である。このプロットは、テンプレートについての表面トポロジーのガウス分布、ランダム性の特徴を示している。平均的な山−谷表面トポロジーは、約１．３ミクロンである。
【実施例２】
【００８１】
テクスチャ出しされたテンプレート上の複合ひだのある量子井戸の成長
図６は、テクスチャ出しされた表面上の多重な量子井戸（ひだのある量子井戸）を示す透過電子顕微鏡画像である。これら量子井戸は、１０対のＡｌＧａＮ及びＧａＮ層を備える。個別のＧａＮ層は、テクスチャ出しされた量子井戸層からなることがある。この場合、ＡｌＧａＮ層は、障壁層として作用する。ＡｌＧａＮ層の組成は、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである。一般的に、ＡｌｘＧａ1−xＮである。多重量子井戸はまた、小ギャップのＩＩＩ−Ｖ窒化物膜（井戸）と大ギャップのＩＩＩ−Ｖ窒化物膜（障壁）の任意の組み合わせによって作ることができる。ＭＱＷの組成は、光の放出エネルギーを純ＩｎＮの約０．７ｅＶから純ＡｌＮからの６ｅＶまで決定する。複数の量子井戸層は、任意の好適な堆積プロセスによって成長される。ＭＢＥプロセスは、無線周波数又はマイクロ波プラズマによって活性化されている窒素に対するＩＩＩ族材料の反応を含む。代替的解決法は、ＩＩＩ族材料を、加熱された基板上のアンモニアと反応させることである。
【００８２】
成長プロセスによる半導体成長用のＩＩＩ族材料は、噴散セルから蒸発可能であるか、あるいはＩＩＩ族アルキルの形態で提供され得る。ＭＢＥプロセスやプラズマ援助ＭＢＥプロセスでの半導体成長中に、窒素やアンモニアガスは、典型的に約１〜１００ｓｃｃｍ使用される。量子井戸が成長されるときに、量子井戸の層は、テンプレートのテクスチャを複製する。そのようなＭＢＥプロセスは、この技術分野で既知である。この発明はまた、当業者によって使用されることがある他の典型的な半導体成長用の解決法も考慮する。
【００８３】
１０対のテクスチャ出しされたＡｌＧａＮ及びＧａＮ量子井戸は、約７ナノメータ（ｎｍ）の井戸厚さと、対応する約８ｎｍの障壁層厚さとを有していた。複数の量子井戸は、約７５０°の温度で基板に成長された。先ず、ＡｌＧａＮ障壁層が、この発明のテクスチャ出しされたＩＩＩ族テンプレート上に成長される。それから障壁層は、量子井戸、ＧａＮ層の堆積用表面となる。それから、ＧａＮ層は、次の障壁層用の成長表面となる。この成長パターンは、多重量子井戸層が形成されるまで継続され得る。これらの井戸は、下地のテクスチャ出しされたテンプレートの表面トポロジーを複製する。井戸及び障壁層の厚さは、例えば、１０Åから５００Å以上となり得る。
【００８４】
図１１及び１２は、通常の量子井戸の光ルミネサンス・スペクトルと、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート上に成長されたテクスチャ出しされた量子井戸をそれぞれ示す。通常の平坦なＧａＮ層上に成長された量子井戸からの光ルミネサンス・スペクトルは、高い強度ピークを３６４ｎｍに呈する。この強度ピークは、一次的にはＭＱＷ直下の平坦なバルクＧａＮ層に起因する。約３９６ｎｍにある極めて低く且つ広いルミネサンスピークは、平坦な井戸に起因しているものと仮定される。平坦な井戸サンプルの陰極ルミネサンス・スペクトルは、この仮定を立証することに使用された。このスペクトルは、量子井戸を探索するために約４ｋＶの低加速度電圧を使用して行われた。これらの結果は、図１１の挿入図によって示されている。これらの結果は、約３９６ｎｍで生じた広いピークが通常の量子井戸に対応したものであることを確認している。
【００８５】
これゆえ、平坦な量子井戸から観察されたルミネサンスは、大きさが大幅に低減されていると共にバルクに対して赤色シフトされたものとして示されている。これらの結果は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と一致する。
【００８６】
典型的な量子井戸と比べて、この発明のテクスチャ出しされたテンプレートによってテクスチャ出しされた量子井戸の光ルミネセンス・スペクトルは、バルクＧａＮ層のルミネサンス・スペクトルに対して青色シフトされている。複数のテクスチャ出しされた量子井戸は、井戸がその上に成長されたテンプレートと比較したときに、実質的に増加されたルミネサンスを呈する。
【００８７】
これらの結果は、テクスチャ出しされたＩＩＩ族窒化物テンプレート上に形成された、ひだのある井戸が、極性化に関連した内部電界によっては歪まされないことを示している。図１２はまた、テクスチャ出しされた量子井戸についてのピーク光ルミネサンスが、通常の平坦なＧａＮ層上に成長されたものよりも約７００倍以上も高いことを示している。この違いは、テクスチャ出しされた表面を通しての増強された光取り出しと、ＱＣＳＥの消去により増強された自然放出率の双方に起因する。
【実施例３】
【００８８】
マスクされたテンプレートのエッチングにより作成されたテクスチャ出しされた表面
この実施例では、テクスチャ出しされた基板は、テクスチャ出しされた表面を伴って作られている。この表面上には、テクスチャ出しされた特徴を複製しながら追加層が成長される。追加層は、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート、ｐ−ｎ接合又は光学装置を形成するように成長される。追加層は、複数の井戸及び障壁層によって形成された多重量子井戸も備えることができる。テクスチャ出しされる基板の表面は、平坦であるか、予めテクスチャ出しされている。基板の表面はまた、改変されていないか、そうでなければ自然のままである。
【００８９】
単分散球状コロイド様粒子の単層を備えるマスク構造が、基板の表面上に被覆される。この基板は、シリコン、炭化シリコン、サファイア、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛又はガラスである。球状単分散コロイド様粒子は、０．０２〜１０ミクロンの範囲のサイズで市販されている。この粒子の基板の表面上へのパッキングは、被覆に使用される技術に依存して、周期的かランダムのいずれかである。基板の１〜５インチ径部分に対するマスク構造の被覆は、数分を要する。そのような被覆領域は、１０８〜１０１２サブミクロンの特徴を基板上に規定できる。
【００９０】
マスクされた表面はそれから、例えばイオンビームエッチングによってエッチングされる。このエッチングは、個別の粒子を基板表面上でピラーの形にする。ピラーの縦横比と形状は、相対マスクエッチ率と下地の基板材料によって決定される。ピラーの縦横比を最小化するために、物理的及び化学的援助イオンビームエッチングの双方が使用され得る。基板の表面はそれから、液体又は気体、例えばフッ化水素、塩素、三塩化ホウ素又はアルゴンによってエッチングされる。液体又は気体による基板のエッチングは、ある領域では、他の領域よりも有意ではない。これは、ピラーが、基板表面の部分のエッチングを遅らせたり、阻止する傾向があるからである。
【００９１】
エッチング後に、基板の表面上のピラーは、溶剤によって除去される。この溶剤は、ピラーを溶解して、テクスチャ出しされた表面を基板に生ずる。基板の表面はそれから、テクスチャ出しされた特徴を複製する追加層を成長することに使用される。基板の表面をエッチングし、テクスチャ出しするためのこの技術は、デックマン等の“分子規模の微孔性超格子”、ＭＲＳブルティン、ｐｐ．２４−２６（１９８７）によって、とても詳細に記載されている。
【実施例４】
【００９２】
テクスチャ出しされたGaNテンプレート上のLED構造の製作及び特徴
LED構造は異なるテクスチャを有するHVPE成長テンプレート上に製作された。装置構造は図１９に図解で示される。８００μ×８００μのメサが、ICPエッチングによって形成された。金属接点は、光線蒸発によって、n-GaNは即ちTi(10nm)/Al(120nm)/Ni(20nm)/Au(80nm) 及び、p-GaNは即ちNi(5nm)/Au(20nm)に堆積された。メサの最上部のAu金属は、かなり厚くて、LED構造内に発生した光の少量のみが伝送された。異なる表面テクスチャをもつ二つの装置のスペクトル依存は、図１７に注入電流の関数として示される。これらのデータは、注入電流の増加により、照射光が可視スペクトルの全領域を占め、これより白色光が生じたことを示す。発光の可視検査によれば、青色及び緑色発光はメサの異なる部分から生じると観測される。これは、広い緑色スペクトルが欠陥に関係しないが、平面QWからの放射が極性方向に近似的に垂直である証拠である。この発光はQCSEによって赤色シフトされる。この解釈はより平たい表面をもつ第二のLEDと一致する。
【実施例５】
【００９３】
ｃ-面サファイア基板上のＨＶＰＥ法による厚いn-GaNテンプレートの製作
この方法の成長条件は、原子的に平坦なものから完全にランダムなテクスチャのものまで表面形態学の種々の程度をもつn-型GaNテンプレートに導くために調整された。これらのGaNテンプレートは、He−Cdレーザーで励起されるそれらの光ルミネセンス(PL)と同様にスペクトルのUV及び可視部分におけるそれらの反射率を研究することによって特徴づけられた。反射率は、平坦な表面の約２０％から、全スペクトル領域のランダムにテクスチャ出しされた表面の１-２％まで、抑制された。テクスチャ出しされたGaNテンプレートからの光ルミネセンスの強度は、原子的に平坦な平面を有する同様に製造され及び同様にドープされたGaNテンプレートからのそれと比較して顕著に高いことが発見された。特に、GaNテクスチャ出ししたテンプレート及び平坦な表面をもつGaNテンプレートとの間の集積された光ルミネセンスの比は、同一条件下で測定されて、約５５だった。ランダムにテクスチャ出ししたGaNテンプレートからの光ルミネセンスの有意の増加は、テクスチャ出しした表面を通して光取り出しが増加することに部分的に起因し、これは平坦な表面からは４％しか期待できなく、またテクスチャ出しした表面の励起子局在により自発的発光での増加に部分的に起因する。
【００９４】
７nmの井戸及び障壁幅を有する、同一のGaN/AlGaN MQWは、プラズマ支援MBEによってテクスチャ出しした及び平坦なGaNテンプレートの双方上に成長形成され、それらの光学特性は光ルミネセンス(PL)及び陰極ルミネセンス（CL）測定によって評価された。平坦な及びひだのついたQWの光ルミネセンス・スペクトルは、著しい相違を示した。平坦な量子井戸からの光ルミネセンスは３９６nmの単一ピークをもっていて、QCSEによるバルクGaNフィルムの光ルミネセンス・スペクトルから期待された赤色シフトに一致する。３５８nmで生じたひだのあるQWからの光ルミネセンス・ピークは、バルクGaNフィルムの光ルミネセンス・スペクトルに関して青色シフトされ、結果は正方形の形状をもつQWに一致する。更に、多重ひだのある量子井戸からの集積された光ルミネセンス強度は、平坦なMQWのそれより約７００倍も高い。
【００９５】
ひだのあるQWからの光ルミネセンスの有意の増加は、テクスチャ出しされた表面を通して光取り出しにおける増加及び増加した自発的放射速度に部分的に起因する。量子井戸は極性（０００１）方向に垂直でないから、IQEにおける増加はQCSEの減少によるものであると信じられる。IQEにおける更なる増加は、楔形電子固有様式からの量子キャリア制限によると信じられている。後者は、量子井戸のＶ型の相交わる平面により２Ｄから１Ｄへキャリア挙動において遷移の起源を持ち、ここで楔形は量子弦としてふるまい、これは励起子の局在と捕獲を生じる。
【実施例６】
【００９６】
極性（０００１）方向に沿ったIII窒化物のテクスチャ出しされた表面の形成
GaNテクスチャ出しされたテンプレートはHVPE法により調製された。GaNテクスチャ出しされたテンプレートは特注のHVPE反応器（図２０参照）で成長された。この反応器において、第III族前駆体、GaCl(g)は、５００℃から１０００℃の間の温度でGaを含有する石英ボートの上に塩酸(HCl)を流すことによって上流に合成された。また、GaClはサファイア・ウエハの表面近くの下流にアンモニア(NH3)と混合して、図２０に示されるように９００℃から１２００℃の温度でGaNを形成する。反応器は４つのゾーンに仕切られていて、各ゾーンの温度は個々別々に制御された。それは反応ガス及び希釈液のための３つの別れた放出チューブをもっていた。窒素及び／又は水素はNH3とHClの両方に希釈液及びキャリアーガスとして使われた。窒素は、GaCl及びNH3が基板表面に突き当たる前に前混合するのを防ぐために窒素は下流でガスカーテン又はシースとして作用する中部チューブを通しても送られた。
【００９７】
GaNテンプレート（平坦なものとランダムにテクスチャ出しされた表面をもつものの両方）は、１０から３００のNH3／III族前駆体流量比によって制御された30−200μm／時の範囲の高成長速度状態のもとで成長された。テンプレートは種々の技術を用いて成長された。これらの1つは、GaCl(g)又は１０００℃でサファイア基板の窒化物化を用いる基板表面前処理と、その後の５９０℃での薄いGaN緩衝層の成長を用いる三段階成長法であった。また、成長ゾーンは高温GaN成長のために１０７０℃まで上昇された。別の方法はスパターされたZnOを用いた成長に先行してサファイア表面の外部前処理を使用した。ZnOの通常の厚さは５００Åから１５００Åであった。また、GaNテンプレートの成長は、直接チャンバーを成長温度まで加熱し、成長を始めるために反応ガスを流すことにより行われる。
【００９８】
図８aはHVPE法によって成長したランダムなテクスチャを持つGaNテンプレートのSEM画像を示す。成長は、１０００℃で前処理の間２５sccmのHCl、５９０℃で緩衝層成長の間NH3／III族比が１５０及び１０７０℃で高温成長の間NH3／III族比が６０を用いる三段階成長技術を用いて行われる。テクスチャの程度は、成長速度を制御もする成長前面に到達するGaClの量によることが認められた。
【００９９】
図８aに記載されるテクスチャ出しされた表面の反射率は、図２１に示される。この図面からわかりうることとして、反射率は３２５nmと７００nmの間１％以下であった。これは平坦なフィルムの反射率が約１８％であるのと対比されるべきである。
【０１００】
一つは原子的に平坦な表面を持ち、他方がランダムにテクスチャ出しされた表面を持つHVPEによって成長した二つのGaNフィルムからの室温光ルミネセンス(PL)は、図９に示される。二つのフィルムは１０mW HeCdレーザーを用いる同一条件下で測られた。これらのデーターから、テクスチャ出しされた表面を持つ試料の光ルミネセンス強度は、平坦なフィルムの光ルミネセンス強度より５５倍大きかったと、我々は視ている。
【実施例７】
【０１０１】
異なる表面粗さを持つGaNテンプレートの光ルミネセンス
種々の表面テクスチャを持つGaNテンプレートが成長され、それらの光ルミネセンス・スペクトルが２４４nmで２０mWの出力で放射するアルゴン-イオン・レーザーを用いて測定された。これらのテンプレートは原子間力顕微鏡(AFM)によってまず特徴づけされる。GaNテクスチャ出しされたテンプレートVH092403-81(VH81)、VH082504-129(129)、VH061603-63(VH63)及びVH080604-119(VH119)について、AFM表面形態学を図２５から３２は示す。これらテンプレートのrms粗さは６２７nmから２３８nmまで可変である。これらデータからの他の情報は図面の説明書きに挙げられている。
【０１０２】
図２５から３２に記載されたGaNテクスチャ出しされたテンプレートについての光ルミネセンス・スペクトルは図３３に示される。挙げられた挿入図は、半値全幅(FWHM)と共に種々のテンプレートのrms粗さである。
【０１０３】
rms粗さに対するピーク強度は図３４に示される。それは、ルミネセンス強度がrms粗さで増加するというこれらのデータから明白である。
【０１０４】
光取り出しにおいてGaNテクスチャ出しされたテンプレートの効率を更にテストするために、励起強度依存光ルミネセンス測定がなされた。図２２ｂが同じ担体濃度をもつ平坦なフィルム及びテクスチャ出しされたテンプレートでなされた測定を示すのに対して、図２２aは、平坦な表面をもつGaNを含む、テクスチャ出しの異なる程度を持つ幾つかのテンプレート間の効率の比較を示す。図面から、高光ルミネセンス強度が高n-ドーピングによらないことが明白である。
【実施例８】
【０１０５】
非極性方向に沿ったIII窒化物表面の形成
図２３はHVPEによってR−平面サファイア（１-１０２）で成長したGaNフィルムで得られた表面テクスチャの型を示す。このテンプレートは、実施例７で記載されたように三段階過程によっても成長される。
【０１０６】
図２３に記載されたテクスチャ出しされた表面の反射率は図２４に示される。この図から知りうることは、反射力が３２５nmと７００nmの間で１％以下であった。
【実施例９】
【０１０７】
極性方向に沿ったテクスチャ出しされたGaNテンプレート上にGaN/AlGaN多重量子井戸(MQWs)の形成
テクスチャ出しされたGaNテンプレート上にLED構造を形成する能力を更にテストするために、１０対のGaN/Al0.2Ga0.8N MQWsがGaNテクスチャ出しされたテンプレートがVH129上にMBEによって堆積された（図２８参照）。MQWsは分子窒素及びGaとAlを蒸発するヌードセン流出セルを活性化するのにRFプラズマ源を用いて形成された。種々のMQWsは量子井戸か障壁のどちらか又は両方に導入したSiによって形成され、n-型にドープされた。代替的には、MQWsは窒素源とするNH3を用いて成長されうるものであった。同様なMQW構造もMOCVDによって成長されうるものであった。同様の方法も電磁スペクトルの近UV及び可視部での放射のための種々の組成物でInGaN/AlGaN MQWsを成長するのに使用できた。図３５はGaNテクスチャ出しされたテンプレートVH129上に成長したGaN/AlGaN MQWのAFM表面形態学を示す。表面形態学及びテクスチャはMQWsの堆積の際に変化しなかった。換言すれば、MQWsは等角的にテンプレートの表面を被覆した。
【実施例１０】
【０１０８】
極性方向に沿って成長したテクスチャ出しされたGaNテンプレート上のGaN/AlGaN多重量子井戸の光ルミネセンス
GaNテクスチャ出しされたテンプレートVH082504-129（図２８）上に成長した一つのGaN(7nm)/  Al0.2Ga0.8N(8nm) MQW 構造についての光ルミネセンス・スペクトルは図３６に示される。データから知りうるように、MQWsからのルミネセンス強度は、GaNテクスチャ出しされたテンプレートのそれより著しく高い。特にピーク強度の比は１４である。さらに、MQWsからの放射は、GaNテクスチャ出しされたテンプレートからの放射に比べて青色シフトされる。
【０１０９】
図３７において、テクスチャ出しされた及び原子的に平坦なGaNテンプレート上にMBEによって成長された同一のGaN/AlGaN MQWsについての光ルミネセンス・スペクトルが、示される。挿入図(a)は、平坦なGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトルをより大規模に示す。平坦なテンプレートからの光ルミネセンス・スペクトルにおけるメインピークは、テンプレート自身からの光ルミネセンスによる。MQWsからの光ルミネセンスは、極性（０００１）に沿って成長したMQWsに存在するQCSEによる消光であった。平坦なGaNテンプレート上のMQWsからのルミネセンス・スペクトルは挿入図(b)に示されるが、この中で低電圧(4KV)陰極ルミネセンス(CL)はできるだけ表面近くを探るために使用された。挿入図から、MQWsのルミネセンス・ピークは３９６nmに中心点が見出された。もし平坦なテンプレート上のMQWsからのカウント数が約５０００に概算されるならば、そして、テクスチャ出しされたテンプレート上のMQWsからの光ルミネセンスのピーク強度が３．５０×１０６であるなら、その比は約７００である。
【０１１０】
GaNテクスチャ出しされたテンプレート上に成長したGaN(5nm)/Al0.2Ga0.8N(8nm) MQWsからの光ルミネセンス強度におけるこの非常に著しい増加を理解するために、スポット陰極ルミネセンス測定がこのような試料から実行された。特に、陰極ルミネセンス・スペクトルは、図３８に示されるように試料の平らな領域（近似的に（０００１）配向）及び傾斜領域に電子線の焦点を合わせることによって測定された。この図はある方向に沿って表面の断面を表す。図３８に示される点AからCにおいて取られた陰極ルミネセンス・スペクトルは図３９に示される。図３９(a)は大きな照射領域(60μm×40μm)からの陰極ルミネセンス・スペクトルを示す。３５６nm及び３７５nmの二つのピークは、（０００１）極性方向に垂直でない量子井戸（３５６nm）及び（０００１）極性方向にほぼ垂直な量子井戸（３７５nm）からのルミネセンスに起因する。３７５nmが赤色シフトするのに対して、３５６nmのピークはバルクGaN陰極ルミネセンスピーク（３６４nm）に関して青色シフトされる。３７５ピークの赤色シフト及びその弱い強度もMQWsを歪める極性効果による内部電界によると説明されうる。この現象はQCSEである。図３９(b)は、図３８に示される様なMQWsの半ば平たい領域上のポイント照射領域からのスペクトルを示す。予期した通り、３８２nmのルミネセンスはQCSEによる歪んだ量子井戸からのものである。３５９nmのより小さなピークは、平たい表面における微小の粗さに起因し、よって量子井戸表面の小さな部分は（０００１）に垂直でない。図３９(c)は、図３８における点Bからとられる陰極ルミネセンス・スペクトルを示す。この場合に、スペクトルは二つのピークに分離し、GaNテンプレートからの放射に起因する一つは３５６nmでのMQW放射からものでありもう一方は、３６４nmでのMQW放射からものである。さらに、その表面が（０００１）方向に垂直でないMQWsは、バルクについて青色シフトする発光を示し、QCSEの顕著な減少による強烈なルミネセンスをもつことをデータは支持する。図３９(d)は、図３８の点Cからの陰極ルミネセンス・スペクトルを示す。さらに、ルミネセンスは、QCSEに煩わされないQW放射に一致した３５６nmに生じる。
【実施例１１】
【０１１１】
極性方向に沿って成長したテクスチャ出しされたGaNテンプレート上のGaN p-n接合LED構造の形成
厚さ〜０．５μmの高導電性Mg-ドープp-GaN（正孔密度〜１０１８cm-3）はn-型自動ドープされた（電子密度〜１０１９cm-3が代表的）テクスチャ出しされたGaNテンプレートの最上部にMBEによって堆積された。ｐ-型GaNフィルムは、分子窒素を活性化するRFプラズマ源及びGa及びMgを蒸発させるヌードセン流出セルを用いて形成された。成長は、過剰なGaリッチの条件で行われたが、それは比較的高基板温度(７００℃-８００℃)でMgの取り込みを助ける。代わりになるべきものとして、p-型層が窒素源としてNH3を用いて成長させることができた。同様のp-型層もMOCVD又はHVPE法によって成長させることができた。図１２はテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に作られたGaN p-n接合構造のウエハ・レベル・エレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。このスペクトルは８０mAの電流注入の下で室温で取られた。
【実施例１２】
【０１１２】
GaN/AlGaN MQW LEDsの成長と特性
本文献に報告されたIII窒化物の研究の大部分は、種々の堆積方法による（０００１）サファイア又は６H−SiC基板上にこれらの材料のヘテロエピタキシャルな成長を含む。これらの基板上に成長した材料及び装置は、高密度の貫通欠陥（転位及び転置ドメイン境界）を含む。さらに、（０００１）配向は非中心対称性ウルツァイト構造において極性方向であり、それは自発的及びピエゾ電子極性によるヘテロ構造での内部電界を生じる。このような極性効果が幾つかの型の装置で望ましい場合がある（例えば、FETsにおけるピエゾ電子ドーピング）のに対して、QCSEによる多重量子井戸(MQW)構造に基づく放射は望ましいものではない。この効果は量子井戸の歪によるQW放射における赤色シフトを生じ、そしてまた、電子及び正孔波動関数は空間で分離されるので、量子効率の減少を生じる。（図４０a参照）
【０１１３】
ホモエピタキシャルな成長が、自立の(１０-１０)GaN基板（Ｍ−面）上のGaN/AlGaN MQWについて論証され、（１１−２０）方向に沿ってフィルムを導くサファイア（１０−１２）（Ｒ−面）上に成長した同様なMQWsについても同様である。（１０−１０）及び（１１−２０）の両方向は、MQWsの平面に極性ベクトルを持つ。図４０bに示されるように、AlGaN/GaN MQWs の光ルミネセンスピーク位置は、極性方向をもつ同様なMQWsが著しい赤色シフトを示す間に、非極性方向に沿って成長したMQWsについて方形井戸動作に従う。ルミネセンス発光効率は、５nmの厚さ以上の量子井戸について非極性方向に沿って成長したQWsについてより約２０倍大きかった。
【０１１４】
HVPEによるGaNテンプレートの成長及び特徴
HVPEによるGaNテンプレートの成長及び特徴はキャバルらによって報告されているが、全体で、参照によりここに組み入れられる。
【０１１５】
GaNテンプレート（平坦な及びランダムにテクスチャ出しされた両表面をもつ）は、３０-２００μm/時の範囲で高成長速度条件下で成長されたが、これは        NH3/III族前駆体流量比が１０から３００によって制御された。テンプレートの成長の間、三段階成長法が使われた。これは１０００℃でなすGaCl前処理工程、続く５５０℃から６５０℃の間の温度で低温GaN緩衝の成長、そして最後に高温GaN エピ層の成長からなっていた。
【０１１６】
テンプレートは走査電子顕微鏡(SEM)、光ルミネセンス、反射率及びホール効果測定による特徴があった。光ルミネセンス測定は、励起源としてHe-Cdレーザーを用いてなされ、一方、反射率測定は広域帯光源として１５０Wキセノンランプを使用してなされた。
【０１１７】
図８は平坦な（図８b）及びテクスチャ出しされた（図８a）GaNテンプレートのSEM画像を示す。これらの画像は電子線に対して３０°傾斜した試料で取られた。テンプレート上の表面テクスチャの程度は、成長前端に達するGaClの量によるものと分かったが、これもフィルムの成長速度を制御している。平坦なGaNテンプレートの原子間力顕微鏡表面形態学は図８cに示す。この結果から分かるように、フィルムは原子的に平坦であって、ステップフロー成長モードのもとで成長させた。
【０１１８】
図４１aはテクスチャ出しされたテンプレート表面の１００μm2AFMスキャンを示す。AFMデータの深度分析（図４１b）は表面粗さのガウス分布（ランダム分布）を示す。表面テクスチャの種々の程度をもつGaNテンプレートは、８００nmから３μmに入る平均深度をもって製造された。
【０１１９】
図８aで記載されたテクスチャ出しされたテンプレートの反射率は３２５nm及び７００nmの間で１％以下であると測定された。すなわち、広域帯光源からのほとんど全ての入射光はGaNテクスチャ出しされたテンプレートと結合している。これは、約１８％である平坦なフィルムの反射力と対照されるべきだ。
【０１２０】
調査されたテクスチャ出しされたテンプレートについての電子濃度に対する電子移動度は図４２に示される。データーから分かるように、これらGaNテンプレートはすべて厚くn-型に自動ドープされ、よってGaN  LEDsにおける底部接触層に適している。
【０１２１】
HVPE法によって成長された、二つのGaNテンプレートからの室温光ルミネセンス(PL)は、一つは原子的に平坦な表面で、他方はランダムにテクスチャ出しされた表面を持つものが、図９に示される。二つの試料は１０mW He−Cdレーザーを用いた同一の条件で測定された。テクスチャ出しされた表面を持つ試料のピーク光ルミネセンス強度は、平坦な表面をもつ試料の光ルミネセンスより近似的に５５倍大きかった。
【０１２２】
ランダムにテクスチャ出しされたGaN表面からの光ルミネセンス強度の顕著な増大は、テクスチャ出しされた表面を通して上昇した光取り出しに部分的に帰する。表面のランダムなテクスチャ出しにより、逃避円錐が半導体と空気の屈折率により定義されたものにより制限されないから、単一の光子の逃避可能性増加が存在する。これは、テクスチャ出しされたテンプレートにおける屈折率が、GaNに対応する２．５の値から空気に対応する１．０まで光学軸に沿って徐々に変化するからである。換言すれば、境界面のランダム  テクスチャにより各放射された光子について利用可能な付加的逃避角が存在する。これは、回折格子を通しての伝送に類似していて、該格子は入射波に位相シフトを与え、入射光（９）の波長による特定の角度で波頭を曲げる。この場合に、位相シフトは、格子／空気界面での格子材料の厚さの周期的変化（又は周期的表面テクスチャ）により制御される。テクスチャ出しされたGaNテンプレートの場合に、表面のテクスチャは周期的でないが、ランダムであり、これは界面を横切ってランダムな位相シフトを生じる。これは、光子逃避可能性を効果的に増加させる逃避角度のランダム化を導く。よって、表面テクスチャは、図４３ｂに図示するように平坦な界面をもちいて定義された臨界角内ではないより大きい逃避角を許容する。
【０１２３】
もし、テクスチャ出しされたGaNテンプレートからの放射光ルミネセンスの取り出し効率が１００％ならば、その時平坦でテクスチャなテンプレートの等しいIQEの仮定のもとで、テクスチャ出しされた及び平坦なテンプレートからの光ルミネセンス強度の比は２５であるべきだった。しかし、ここに示すデータは、この比が５５に等しいことをしめしている。これは、テクスチャ出しされたGaNテンプレートのIQEが平坦なGaNテンプレートのそれより少なくとも２倍以上高くあるべきであることを意味する。テクスチャ出しされたテンプレートからのIQEは、テクスチャ出しされたテンプレートからの取り出し効率が正確に１００％であることはありそうもないから、平坦なテンプレートのIQEより２倍以上で実際にあるべきである。理論上、テクスチャ出しされた表面に関連する無秩序はある程度の電位変動を導き、よって励起子は局在化する電位最小値に捕獲される。これは、励起子局在による増大した自発的放射の可能性を導く。
【０１２４】
種々の表面テクスチャをもつGaNテンプレート上のMBEによるGaN/AlGaN MQWsの成長及び特徴
種々の表面テクスチャをもつGaNテンプレート上のMBEによるGaN/AlGaN MQWsの成長及び特徴は、キャバル等によって記載され、その全体がここに参照によって取り込まれる。
【０１２５】
１０対のGaN/Al0.2Ga0.8N MQWは、７５０℃の基板温度で、井戸の厚さ７nm及び障壁の厚さ８nmで、テクスチャ出しされたものと平坦なGaNテンプレートの両方の上でMBEによって堆積された。テクスチャ出しされたテンプレート上のMQWsのAFM研究は、MQWsが等角にテクスチャ出しされたGaNテンプレートを覆ったことを示す。
【０１２６】
GaNテクスチャ出しされたテンプレート上に成長した１０周期GaN(7nm)/Al0.2Ga0.8N (8nm) MQWsについて（０００２）ブラッグ・ピークの周囲のX線回折パターンは、図４４に示される。この図は、一次及びより高いオーダーの超格子ピークの出現によって示されるようなランダムにテクスチャ出しされたテンプレート上にMQWsが形成されうる更なる証拠を示す。更に、これらのピークの観察は、AlGaN障壁及びGaN井戸の間の険しい界面を示す。図４４はまた、動学上の分散モデルを用いるシミュレーション結果を示す。AlGaN障壁とGaN井戸が等しい成長速度を持つと仮定して、シミュレーション結果は障壁幅８．２nm及び井戸幅７．２nmに対応する１５．４nmの周期を決定した。第ゼロオーダー超格子ピークの位置から及びこの材料システムにおいてベガードの法則の有効性を仮定するなら、AlGaN障壁におけるAl組成は２０％までと決定された。この値は目的の厚さ（８nm障壁及び７nm井戸幅）及び成長の間の合金組成（２０％Al）に一致している。
【０１２７】
平坦な及びテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトルは図１１及び図１２にそれぞれ示される。平坦なGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトル (図１１) は、主に３６４nmのGaNテンプレートからの光ルミネセンスを示し、約３９６nmに非常に小さくて広いルミネセンスピークが示された。さらに、この小さなピークがQWsからのルミネセンスによるとの立証は、QWsを探るために低加速電圧(４KV)を用いる同じ試料の陰極ルミネセンス・スペクトルを測定することによって示された。これらのデータは図１１の挿入図に示される。実際データは、３６４nmのGaNテンプレートからのルミネセンスに加えて、３９６nmに生じる広いピークはQWsからの陰極ルミネセンスに対応する。よって、QWsからのルミネセンスはバルクに関して赤色シフトされ、大きさにおいて顕著に減少される。これらの結果の両者は、これらQWsが（０００１）極性方向に垂直であるから、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)に矛盾しない。
【０１２８】
図１２はテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトルを示す。比較のために、テクスチャ出しされたGaNテンプレートからの光ルミネセンス・スペクトルが同じ図に示されている。MQWsからの光ルミネセンス・スペクトルはバルクGaN光ルミネセンス・スペクトルに関して青色シフトしていて、またルミネセンス強度はテクスチャ出しされたGaNテンプレートからのそれより著しく高かったことに注目することが重要である。これら両方の結果は方形量子井戸に一致する。換言すれば、テクスチャ出しされたGaNテンプレートにおける量子井戸が（０００１）方向に垂直でないから、それらは極性に関連する内部電界によって歪まされていない。
【０１２９】
図１１及び図１２におけるMQWsのピーク光ルミネセンスの直接の比較は、ひだのあるMQWsからの光ルミネセンス強度が平坦なMQWsからのそれより〜７００倍高いことを示している。ひだのあるMQWsからの光ルミネセンスのこの顕著な上昇は、テクスチャ出しされた表面を通しての光取り出しにおける上昇及び自発的放射速度の上昇に部分的に起因している。もし、テクスチャ出しされた表面からの光取り出しによる上昇が平坦な表面からのそれより２５倍高い要素であると仮定するなら、自発的放射速度の上昇によるに違いない付加的に約３０倍の係数が存在する。先に議論した証拠は、量子井戸が極性（０００１）方向に垂直でないから、IQEにおける増加はQCSEの減少によることが示唆される。さらなるIQEにおける上昇は、楔形電子固有モードからの量子担体制限によるとものと期待される。後者は、量子井戸のV型交差する平面による２Dから1Dへの担体挙動での遷移にその起源をもち、これにより楔形は量子弦としてふるまい、これは励起子の局在化及び捕獲を生じる。
【実施例１３】
【０１３０】
蛍光体を用いない白色LED
この例はリンのようなエミッターを用いることなしにGaNに基づく白色LED又は種々の着色のLEDを作る方法を述べる。
【０１３１】
図１４aは、ルミレッズ・テクニカル・データー・シートDS25から取られた商業的に利用可能な白色LEDのスペクトルを示す。この白色LEDは、近似的に４３０nmで発光し、５５０nmでのピークに広いスペクトルを発光するYAG蛍光体を励起する窒化物LED構造に基づく。テクスチャ出しされたInGaN/GaN MQWsに基づいて製作されたLED構造は、HVPEによって製造されたテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長された。これらのLEDは蛍光体を使用しないで図１４aに示すものと同じスペクトルを持つ。
【０１３２】
図１４bはこのようなLEDのエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。スペクトルは３０mAのDC注入電流のもとで測定された。これらのスペクトルは、蛍光体が５３７nmに幅広い放射の発生のために使われなかったけれども、図１４aに示された商業的に利用可能な白色LEDのスペクトルと著しい類似点をもつ。図１４cは、そのスペクトルが２５ｍAのDC注入電流を用いる図１４bに示されるLEDを示す。
【０１３３】
これら二つのピーク間の相対的強度は電流注入のレベルに依存する。高エネルギー帯がバイアス電流で増加した。同じLEDは、その色が二つの帯域の相対比によるから、異なる色を生じることができた。図１５a-１５cにおいて、同じふるまいを示す他のLED装置のスペクトルが示される。
【０１３４】
図１６は図１５bに記載されたようなDC注入のもとで取られたLED構造の写真を示す。期待通りにLEDは、緑色帯がより顕著なものであるから、緑色をもつ。しかし、ウエハのある部分は青色光を発光した。
【０１３５】
図１７において、エレクトロルミネセンス・スペクトルのDC注入電流への依存は、二つの異なるLEDを表示する。右側のLEDは平らな表面のより大きな割合をもつ。
【実施例１４】
【０１３６】
MBEを用いるテクスチャ出しされたテンプレートの製作
GaNテンプレートはプラズマ支援MBEによって作られたが、このうちガリウムは分子窒素をプラズマ源に通すことによって得られた原子窒素と反応する。試料は両方とも８２５℃で成長した。核形成は、富ガリウム条件下の成長（活性窒素の流量よりガリウムの流量の方が大きい）は平坦な表面（図４５a）を生じ、富窒素条件下の成長（ガリウムの流量より活性窒素の流量の方が大きい）はランダムにテクスチャ出しされた表面（図４５b）を生じたほかは同一であった。
【実施例１５】
【０１３７】
量子井戸層の厚さにおけるQCSEの依存
QCSEは量子井戸層の幅に依存することが予期されるから、厚さ５．５nm及び７．０nmをもつ量子井戸層のPLスペクトルが調査された。図４６a及び４６bは、平坦な及びテクスチャ出しされたGaN/Al0.2Ga0.8N MQWs両方の井戸幅に対する、それぞれ放射ピーク及びルミネセンス強度の依存性を示す。図４６aをみると、平坦なMQWsからのPLスペクトルは赤色シフトされたが、テクスチャ出しされたMQWsからのPLスペクトルはバルクGaN放射に関してやや青色シフトされていた。相応じて、平坦なMQWsからのPL強度は、井戸幅が狭くなるに伴い増加したが、一方、図４６bに示されるようにテクスチャ出しされたMQWsからのわずかな増加のみがあった。これらの結果は、QCSEに定性的に一致する。
【実施例１６】
【０１３８】
量子井戸層における内部電界及び極性の効果
量子井戸層の傾斜した部分における自発的発光の増加は、量子井戸のV型の交差平面による２Dから1Dへの（及び可能性として０D）担体動作の変遷によって説明される。よって、傾斜部分は、励起子の局在化及び捕獲を生じる、量子弦（量子ドット）としてふるまうことができる。さらに、図４７aに示されるように、量子井戸層に平行な極性成分により、図４７ｂに示されるように、楔形部分の電子の蓄積が予期される。これら楔形における平衡電荷密度により、自発的放射の上昇がプラズモン効果から生じ得る。
【０１３９】
本発明は、ここでは好ましい実施形態に関連して説明されてきたが、当業者は、先の明細書を読んだ後に、ここに言及されている装置及び方法に対して、変化、均等物の置換及び他の変更をもたらすことが可能となる。上述した各実施形態は、他の実施形態のいずれか又は全てに関して開示されたそのような変形を含むか組み入れることが可能である。それ故、特許によって与えられる保護は、添付された請求の範囲及びその均等物に含まれる定義によってのみ広さを制限されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】この発明のテクスチャ出しされたテンプレートの部分的表現である。
【図２ａ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積されてｐ−ｎ接合を形成する半導体層の部分的表現である。
【図２ｂ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積されてｐ−ｎ接合を形成する半導体層の別の部分的表現である。
【図３ａ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積された多重量子井戸及び半導体層の部分的表現である。
【図３ｂ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積された多重量子井戸及び半導体層の別の部分的表現である。
【図４ａ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の部分的表現であり、この表面は、その上に堆積された多重量子井戸を含む半導体層をテクスチャ出しする。
【図４ｂ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の別の部分的表現であり、この表面は、その上に堆積された多重量子井戸を含む半導体層をテクスチャ出しする。
【図５ａ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の部分的表現であり、それらの表面上には、多重量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図５ｂ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の別の部分的表現であり、それらの表面上には、多重量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図５ｃ】テクスチャ出しされた表面を有する基板のさらに別の部分的表現であり、それらの表面上には、多重量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図６】テクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したテクスチャ出しされたGaN/AlGaN複合量子井戸の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）図。
【図７】InGaN 複合量子井戸（MQW）を有する放射する電気的に励起されたGaNウエハレベルのＬＥＤ。
【図８ａ】この発明のテクスチャ出しされた窒化ガリウム（ＧａＮ）テンプレートの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図８ｂ】通常の平坦なＧａＮ半導体層のＳＥＭ画像である。
【図８ｃ】図８ｂの平坦なGaNテンプレートの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による表面形態を示す。
【図９】通常のＧａＮ層と図８aのテクスチャ出しされたテンプレートとの間の光ルミネセンスの比較である。
【図１０ａ】図８aのテクスチャ出しされたテンプレートの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像。
【図１０ｂ】画像化領域の深さ分析プロットを示す。
【図１１】通常の平坦な量子井戸の光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図１２】図８ａのテクスチャ出しされたテンプレート上に成長させたテクスチャ出しされた量子井戸の光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図１３】図８aのテクスチャ出しされたテンプレートを備えたｐ-ｎ接合ＬＥＤ装置のエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。
【図１４ａ】商業的に利用可能な白色LED（ルミレッズ LXHL-BW02及び技術的データシートDS25）の発光スペクトルを示す。
【図１４ｂ】30ｍAのDC(直流)の注入電流で測られた、発明のＬＥＤ（HVPEによって製造したテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したテクスチャ出しされたInGaN複合量子井戸（MQW））のエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。
【図１４ｃ】25mAのDC(直流)注入電流での図１４bの放射白色GaN LEDを示す。
【図１５ａ】DC注入電流の指示値を用いる、図１４ｂのデータを得るために用いたものと同様のLEDのエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。
【図１５ｂ】DC注入電流の指示値を用いる、図１４ｂのデータを得るために用いたものと同様のLEDの別のエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。
【図１５ｃ】DC注入電流の指示値を用いる、図１４ｂのデータを得るために用いたものと同様のLEDのさらに別のエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。
【図１６】ある部分が青色光を発光するのに対して、ウエハの多くが緑色光を発光することを示す、図１５ｂに記載された条件下のLEDの写真である。
【図１７】異なるテクスチャを有するウエハの部分からとられたLED構造のエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。DC注入電流は対応する曲線と同じオーダーで各グラフの右側に記載される。
【図１８】HVPEによって成長した５０ミクロンの厚さの原子的に平坦なGaNテンプレートの原子間力顕微鏡（AFM）画像。可視光条が近似的に２Åの厚さでの変化に対応する工程である。
【図１９】あるLEDの態様の横断面の概略図。
【図２０】HVPE反応器の概略図。
【図２１】HVPE経由で成長した無作為にテクスチャ出しされたGaNテンプレートの反射率スペクトル。
【図２２ａ】平坦な及び異なる程度のテクスチャ出しされた表面を持つ幾つかのGaNテンプレートの光ルミネセンス効果を示す。
【図２２ｂ】平坦な及びテクスチャ出しされた表面を持ち、同じキャリア濃度を有する二つのGaNテンプレートの光ルミネセンス効果を示す。
【図２３】HVPEによるサファイア（１-１０２）のR面上に成長したGaNフィルムで得られた表面テクスチャを示す。
【図２４】図２３に記述したテクスチャ出しされた表面の屈折力を示す。
【図２５ａ】テクスチャ出しされたGaNテンプレート(VH81)の原子間力顕微鏡（AFM）による表面形態を示す。
【図２５ｂ】図２５aのテクスチャ出しされたテンプレートの粗度の分析。
【図２６ａ】図２５aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートの深さ分析を示す。
【図２６ｂ】図２５aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートのスペクトル密度分析を示す。
【図２７ａ】テクスチャ出しされたGaNテンプレート(VH129)の原子間力顕微鏡（AFM）による表面形態を示す。
【図２７ｂ】図２７aのテクスチャ出しされたテンプレートの粗度の分析。
【図２８ａ】図２７aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートの深さ分析を示す。
【図２８ｂ】図２７aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートのスペクトル密度分析を示す。
【図２９ａ】原子間力顕微鏡（AFM）によってテクスチャ出しされたGaNテンプレート(VH63)の表面形態を示す。
【図２９ｂ】図２９aのテクスチャ出しされたテンプレートのラフネスの分析。
【図３０ａ】図２９aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートの深い分析を示す。
【図３０ｂ】図２９aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートのスペクトル密度分析を示す。
【図３１ａ】テクスチャ出しされたGaNテンプレート(VH119)の原子間力顕微鏡（AFM）による表面形態を示す。
【図３１ｂ】図３１aのテクスチャ出しされたテンプレートの粗度の分析。
【図３２ａ】図３１aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートの深さ分析を示す。
【図３２ｂ】図３１aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートのスペクトル密度分析を示す。
【図３３ａ】図２５aに記述の異なるｒｍｓ(二乗平均平方根）粗度を持つGaNテンプレートの光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図３３ｂ】図２７aに記述の異なるｒｍｓ粗度を持つGaNテンプレートの光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図３３ｃ】図２９aに記述の異なるｒｍｓ粗度を持つGaNテンプレートの光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図３３ｄ】図３１aに記述の異なるｒｍｓ粗度を持つGaNテンプレートの光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図３４】図２５a、２７a、２９a、及び３１aにおけるテクスチャ出しされたテンプレートのためのｒｍｓ粗度に対するピーク強度を示す。
【図３５ａ】GaNテクスチャ出しされたテンプレート(VH129)上に成長したGaN/AlGaN MQWのAFM表面形態を示す。
【図３５ｂ】GaNテクスチャ出しされたテンプレート(VH129)上に成長したGaN/AlGaN MQWの粗度分析を示す。
【図３６】MQW構造を成長させるために使用したGaN(7nm)/Al0.2Ga0.8N(8nm)MQW構造及びGaNテクスチャ出しされたテンプレート(VH129、図２８参照）についての光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図３７】テクスチャ出しされた及び原子的に平坦なGaNテンプレートにおいて分子ビーム・エピタキシー(MBE)によって成長した同一のGaN/AlGaN MQWについての光ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図３８】図３９に示される陰極ルミネセンスのために使用される表面位置の型を概略的に示す。
【図３９】図３８に示される点AからCで取られた陰極ルミネセンス・スペクトルを示す。
【図４０ａ】量子井戸歪の効果を示す。
【図４０ｂ】非極性（M−面）及び極性（C−面）方向に沿って成長したAlGaN/GaN MQWの光ルミネセンス・ピークを示す。
【図４１ａ】テクスチャ出しされたテンプレート表面の原子間力顕微鏡（AFM）スキャンを示す。
【図４１ｂ】図４１aからのAFMデータの深さ分析を示す。
【図４２】テクスチャ出しされたGaNテンプレートについての電子移動度対電子濃度のプロットを示す。
【図４３ａ】平坦な表面についての光子漏出可能性の分析を図解する。
【図４３ｂ】テクスチャ出しされた表面についての光子漏出可能性の分析を図解する。
【図４４】GaNテクスチャ出しされたテンプレート上に成長した１０周期GaN(7nm)/  Al0.2Ga0.8N(８nm) MQW についての（０００２）ブラッグ・ピークの周囲のX線回折パターンを示す。
【図４５ａ】MBEによって調整された平坦なGaNテンプレート。
【図４５ｂ】MBEによって調整されたランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレート。図４５ｂのテクスチャ出しされたランダムな表面は窒素リッチ条件でGaNフィルムを成長させることにより生成した。
【図４６ａ】異なる厚さの量子井戸層についての光ルミネセンス放射ピークを示す。
【図４６ｂ】異なる厚さの量子井戸層についてのルミネセンス強度を示す。
【図４７ａ】ひだのよった量子井戸層における極性及び内部電界効果。
【図４７ｂ】ひだのよった量子井戸層の傾斜部分の底部における電子蓄積を示す。
【図４８】可変性のカラー・インジケーターの実施態様の概略表現。
【図４９】可変性のカラー・イルミネーション装置の実施態様の概略表現。
【図５０】カラー・ディスプレイの実施態様の概略表現。
【図５１】カラー・プロジェクターの実施態様の概略表現。
【符号の説明】
【０１４１】
２          基板
３          ｐ−ｎ接合
４ａ        ＡｌＮテンプレート
４ｂ        ｎ−ドープされたＡｌＧａＮの層
５          障壁層
７          量子井戸層
８ａ        ｐ−ドープされたＡｌＧａＮの層
８ｂ        ｐ−ドープされたＧａＮの層
９          テクスチャ出しされた層
１１，１３  電極
［引用文献等］
１．キャバル等「HVPE法による成長の間に形成されたテクスチャ出しされたGaNテンプレートからの増大した光取り出し及び自発的発光」化合物半導体XLI及び窒化物及び広域バンドギャップ半導体、センサー及び電子工学Vにおける技術プログラムの状態、エレクトロケミカル・ソサイエティ・プレシーデイング、２００４-０６巻、３５１頁。
２．キャバル等「プラズマ支援分子光線エピタキシー（PAMBE）により成長したひだのある量子井戸からの上昇した光取り出し及び自発的放射」２２回北米分子光線エピタキシー会議の講演、バンフ、アルバータ、カナダ、１０月１０-１３日、２００４年、１１０頁。
３．アイヤー等「R−面（１００１２サファイア）における非極性（１１−２０）GaN及びAlGaN/GaN MQWsの成長及び特徴」Mater. Res. Soc. Symp. Proc., ７４３巻、L3.20頁、（２００３年）。
４．リュー等、量子電子工学における選択的トピックスのIEEE        ジャーナル、８巻、２３１頁（２００２年）。
５．ツアオ、J.、「一般的照明用発光ダイオード(LED)」OIDA技術ロードマップ・アップデート（２００２年）。
６．ウインデイッシュ等、「自然リソグラフの最適化による４０％効率薄膜表面テクスチャ出しされたLEDs」IEEE Trans. Electron Devices、４７巻、１４９２頁、（２０００年）。
【図１】
2009515340.tif 000003
【図２ａ】
2009515340.tif 000004
【図２ｂ】
2009515340.tif 000005
【図３ａ】
2009515340.tif 000006
【図３ｂ】
2009515340.tif 000007
【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
2009515340.tif 000010
【図５ｂ】
2009515340.tif 000011
【図５ｃ】
2009515340.tif 000012
【図６】
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【図７】
2009515340.tif 000014
【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
2009515340.tif 000018
【図１０ａ】
2009515340.tif 000019
【図１０ｂ】
2009515340.tif 000020
【図１１】
2009515340.tif 000021
【図１２】
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【図１３】
2009515340.tif 000023
【図１４ａ】
2009515340.tif 000024
【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１５ａ】
2009515340.tif 000027
【図１５ｂ】
2009515340.tif 000028
【図１５ｃ】
2009515340.tif 000029
【図１６】
2009515340.tif 000030
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【図２７ａ】
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【図２７ｂ】
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【図２８ａ】
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【図２８ｂ】
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【図２９ａ】
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【図２９ｂ】
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【図３０ａ】
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【図３０ｂ】
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【図３１ａ】
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【図３１ｂ】
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【図３２ａ】
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【図３２ｂ】
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【図３３ａ】
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【図３３ｂ】
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【図３３ｃ】
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【図３３ｄ】
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【図３４】
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【図３５ａ】
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【図３５ｂ】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０ａ】
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【図４０ｂ】
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【図４１ａ】
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【図４１ｂ】
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【図４２】
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【図４３ａ】
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【図４３ｂ】
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【図４４】
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【図４５ａ】
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【図４５ｂ】
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【図４６ａ】
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【図４６ｂ】
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【図４７ａ】
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【図４７ｂ】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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