(57)【要約】【課題】ＩＩＩ−窒化物半導体発光デバイスの高電流密度における効率を改善すること。【解決手段】デバイス構造体は、ｐ型領域とｎ型領域との間に配置されたＩＩＩ−窒化物のウルツ鉱型の半導体発光領域を有する。接合界面が２つの表面の間に配置され、その表面の１つがデバイス構造体の表面となる。該接合界面は、発光領域中のウルツ鉱型結晶ｃ軸の配向が、キャリアを発光領域中に閉じ込めて、高電流密度における効率を潜在的に高める配向となることを促進する。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型領域とｎ型領域との間に配置されたＩＩＩ−窒化物発光領域を含み、前記発光領域がウルツ鉱型結晶構造体を含むデバイス構造体と、
１つが前記デバイス構造体の表面となる２つの表面の間に配置された接合界面と、
を含み、
前記発光領域と前記ｐ型領域との間に配置される界面を横切って、ＩＩＩ−窒化物単位格子の窒素面からＩＩＩ−窒化物単位格子のガリウム面に向うものとして定義されたウルツ鉱型結晶のｃ軸が、前記発光領域の方向に向いていることを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記２つの表面の両方がＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記２つの表面の１つが、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＳｉＣ，及びＳｉの群から選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
前記デバイス構造体の前記表面が、ｐ型、ｎ型、及び非ドープ型のうちの１つであるＩＩＩ−窒化物表面であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項５】
前記２つの表面の１つが、誘電体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項６】
前記誘電体層が、ＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，ＳｉＯＮ，ＴｉＯ2，ＳｉＯ2，ＳｎＯ2，ＺｒＯ2，ＺｎＯ，ＭｇＦ2，及びＡｌ2Ｏ3の群から選択されたものであることを特徴とする請求項５に記載の構造体。
【請求項７】
前記２つの表面の１つが、テクスチャ処理されていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項８】
テクスチャ処理された前記表面が、テクスチャ処理された前記表面上に形成されたホールの周期的配列を有することを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項９】
前記ホールの周期的配列が、λが発光領域中の光の波長であるとして、０．１λから４λまでの間の格子定数をもつことを特徴とする請求項８に記載の構造体。
【請求項１０】
前記接合界面が、半導体接合であり、実質的に金属を含まないことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１１】
前記接合界面に配置される金属層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１２】
前記接合界面に配置される金属―半導体合金をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１３】
前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域に電気的に接続したコンタクトをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１４】
発光領域の一部を含むメサと、メサの反対側に配置されたレーザ・ファセットとをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１５】
半導体発光デバイスを形成する方法であって、
成長基板上に成長させたエピタキシャル構造体を形成するステップと、
前記エピタキシャル構造体を、少なくとも１つがＩＩＩ−窒化物表面である２つの表面の間の接合部によってホスト構造体に接合するステップと、
前記成長基板を除去して前記エピタキシャル構造体の表面を露出させるステップと、
前記成長基板の除去後に、前記エピタキシャル構造体上に又はその内部にｐ型領域を形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
エピタキシャル構造体を形成するステップが、前記成長基板の除去によって露出される前記表面がウルツ鉱型ＩＩＩ−窒化物単位格子の窒素面となるように、成長基板上にＩＩＩ−窒化物構造体を成長させるステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記成長基板の除去後に、前記エピタキシャル構造体を薄層化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
Ｐ型領域を形成するステップが、半導体領域中にｐ型ドーパントを拡散させるか又は注入するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
Ｐ型領域を形成するステップが、前記エピタキシャル構造体の露出表面をアニールするステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
Ｐ型領域を形成するステップが、ｐ型領域を成長させるステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記エピタキシャル構造体が、
前記成長基板上に成長させた第１の領域と、
前記第１領域上に成長させた発光領域と、
前記発光層上に成長させたｎ型領域と、
を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
接合ステップは、前記ｎ型領域が前記発光領域と前記接合部との間に配置されるように、前記ホスト構造体を前記エピタキシャル構造体に接合するステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記成長基板の除去後に、前記第１領域を薄層化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１領域の残存部の中に、ｐ型ドーパントを拡散させるか又は注入するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
拡散又は注入の後に、前記残存部をアニールするステップをさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１領域の残存部の上にｐ型領域を成長させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記エピタキシャル構造体が、第１のエピタキシャル構造体であり、前記成長基板が第１の成長基板であり、
前記ホスト構造体が、
第２の成長基板と、
前記第２成長基板上に成長させた第２のエピタキシャル構造体と、
を含む、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
接合ステップが、前記ｎ型領域が前記発光領域と前記接合部との間に配置されるように第２エピタキシャル構造体を第１エピタキシャル構造体に接合するステップを含むこと、及び、除去ステップが、前記第１成長基板を除去するステップを含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記エピタキシャル構造体が、
前記成長基板上に成長させたｐ型領域と、
前記ｐ型領域上に成長させた発光領域と、
前記発光領域上に成長させたｎ型領域と、
を有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項３０】
接合ステップは、前記ｎ型領域が前記発光領域と前記接合部との間に配置されるように、前記エピタキシャル構造体を前記ホスト構造体に接合するステップを含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記成長基板の除去後に前記ｐ型領域を薄層化するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
薄層化後に残存する前記ｐ型領域をアニールするステップをさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
アニールするステップが、ＮＨ3中でアニールするステップを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板の除去後に残存する前記ｐ型領域の一部の上に追加のｐ型領域を成長させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記成長基板の除去後に残存する前記ｐ型領域の一部の中にｐ型ドーパントを拡散させるか又は注入するステップをさらに含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記エピタキシャル構造体が第１のエピタキシャル構造体であり、前記成長基板が第１の成長基板であり、
前記ホスト構造体が、
第２の成長基板と、
前記第２成長基板上に成長させた第２のエピタキシャル構造体と、
を有する、
ことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
接合ステップが、前記ｎ型領域が前記発光領域と前記接合部との間に配置されるように前記第１エピタキシャル構造体を前記第２エピタキシャル構造体に接合するステップを含むこと、及び、除去ステップが、前記第１成長基板を除去するステップを含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記ホスト構造体が分散型ブラッグ反射鏡を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項３９】
前記エピタキシャル構造体が発光領域を含む請求項１５に記載の方法であって、前記方法が
前記発光領域の一部を含むメサを形成するステップと、
メサの反対側にレーザ・ファセットを形成するステップと、
をさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分極反転型の発光領域をもつ半導体発光デバイスと、そのようなデバイスの製作方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤs）、共振空洞型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤs）、垂直空洞型レーザダイオード（ＶＣＳＥＬs）、及び、エッジ発光型レーザを含む半導体発光デバイスは、現在入手可能な最も効率的な光源の部類に入る。可視域の全域にわたり動作可能な高輝度発光デバイスを製造する上で、現在関心が持たれている材料系には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ−窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の２成分、３成分、及び４成分合金が含まれる。典型的には、ＩＩＩ−窒化物発光デバイスは、サファイア、シリコンカーバイド、ＩＩＩ−窒化物、又は他の適切な基板上に、種々の組成とドーパント濃度を持った多くの半導体層を、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル法を用いて、エピタキシャルに成長させることによって製造される。その積層体は、多くの場合、基板上に形成され、例えばＳｉでドープされた１つ又はそれ以上のｎ型層と、該ｎ型層上に形成された発光又は活性領域と、活性領域上に形成され、例えばＭｇでドープされた１つ又はそれ以上のｐ型層とを含む。導電性基板上に形成されるＩＩＩ−窒化物デバイスは、デバイスの両側に形成されたｐ−コンタクト及びｎ−コンタクトを有することがある。ＩＩＩ−窒化物デバイスは、サファイア等の絶縁性基板上に、デバイスの同じ側に両方のコンタクトを有するように製造されることが多い。そのようなデバイスは、コンタクトを通して（エピタキシ・アップ・デバイスとして知られる）、又は、コンタクトの反対側のデバイス表面を通して（フリップ・チップ型デバイスとして知られる）光を取り出すように実装される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
当技術分野において必要とされるのは、高電流密度において効率的に動作するＩＩＩ−窒化物の発光デバイスである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態によれば、デバイス構造体は、ｐ型領域とｎ型領域の間に配置されるＩＩＩ−窒化物ウルツ鉱型の半導体発光領域を有する。接合された界面が２つの表面の間に配置され、該表面の１つはデバイス構造体の表面となる。該接合界面は、発光領域中のウルツ鉱型結晶ｃ軸の配向が、キャリアを発光領域中に閉じ込めて、高電流密度における効率を潜在的に高める配向となることを促進する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、通常のＩＩＩ−窒化物発光デバイスを示す。Ｎ型領域１１がサファイア基板１０の上に成長させられる。活性領域１２は、障壁層によって隔てられた多数の量子井戸を含むことができるが、ｎ型領域１１上に成長させられ、次いで、ＧａＮスペーサ層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ層１４、及びｐ型コンタクト層１５が成長させられる。
【０００６】
図１のデバイスに加えられる電流密度が増加すると、発生する光子フラックスの供給されたキャリアに対する比として定義される、デバイスの内部量子効率は、図１４に示されるように、初め増加し、次いで減少する。高電流密度における内部量子効率の減少は、少なくとも部分的には、図１のデバイス設計による活性領域からの電子漏出に起因する可能性がある。
【０００７】
電子の漏出は、ウルツ鉱型結晶中で自然発生する分極によって悪化させられる。サファイアなど格子不適合性の基板上に成長するＩＩＩ−窒化物デバイス中の結晶層は、多くの場合、歪んだウルツ鉱型結晶として成長する。そのような結晶は、２つの型の分極を示す。それらは、結晶の対称性から生じる自然分極、及び、歪みから生じる圧電分極である。層中の全分極は、自然分極と圧電分極の和となる。分極誘起のシート電荷が、異なる組成をもった層の間に生じる。一般に、シート電荷の密度は、自然分極と、２つの隣接する層の間の歪みによる圧電分極とに依存する。図２は、図１のデバイスの伝導バンドの一部を示す。シート電荷の符号と位置は図２の中の“＋”及び“−”の記号で示されている。
【０００８】
サファイア又はＳｉＣなど、通常の基板上の普通の成長は、図２の１８に示されているウルツ鉱型結晶ｃ軸の配向をもたらす。活性領域とｐ型層との間の界面を横切って、ｃ軸はｐ型層の方向に向いている。この配向は、ＧａＮスペーサ層１３とｐ型ＡｌＧａＮ層１４の間の界面に正のシート電荷を生じる。図１に示されるデバイスにおいては、ＧａＮスペーサ層１３とｐ型ＡｌＧａＮ層１４の間の界面１７は、伝導バンドの電子を活性領域に閉じ込めるための“障壁”を形成することを意図したものである。ＧａＮスペーサ層１３は省くことができ、他の材料で障壁を形成できること、及び、障壁を形成する界面における正のシート電荷の問題は、他のデバイスに対して一般化できることが理解されるべきである。界面における正のシート電荷は、ＡｌＧａＮ障壁の有効高さを減じ、電子が活性領域から漏出することを可能にする。いかなる漏出電流も、ｐ型領域において非放射的に再結合し、デバイスからの光放射には寄与しない。電流密度が増加するにつれて、漏出電流の量が増加し、高電流密度における内部量子効率の減少の一因となる。また、低電流密度においても漏出電流が存在し、デバイスの全般的なピーク効率を低減する。
【０００９】
図１に示されるＩＩＩ−窒化物デバイスにおいては、電流フローの方向（即ち、正電荷キャリア又はホールの運動）は、［０００１］ｃ軸の方向に逆平行となる。この電流フローと分極の相対的な配置は、ｎ型領域の前ではなく後に、Ｍｇでドープされたｐ型ＩＩＩ−窒化物材料を成長させるプロセスが比較的容易であることと、サファイア基板上のＭＯＣＶＤ法による高品質ＩＩＩ−窒化物層の通常の成長のために用いられて、結晶表面上にＮに比べて過剰のＧａを生ずる条件とから生じるが、その結果、膜表面を外れた方向を指す［０００１］ｃ軸の正の方向をもたらす。ｐ型領域は、ｎ型領域の上に位置するので、電流はウエーハの最上部から基板に向かって流れる。
【００１０】
本発明の実施形態により、半導体発光デバイスの発光領域は、通常のＩＩＩ−窒化物半導体発光デバイスの反転した分極を有する。“反転分極”は［０００１］ｃ軸に関する電流フローの相対的配置を反転させることを意味し、それゆえ、電流フローが、図１のデバイスにおけるような逆平行ではなく、［０００１］ｃ軸に平行となる。発光領域における分極を反転させることにより、漏出電流を減らすことができ、潜在的に光発生効率を増すことができる。
【００１１】
図３は、本発明の実施形態によるデバイスの伝導バンドの一部を示す。図３に示されるデバイスにおいては、発光層２０の中に電荷キャリアを閉じ込める、発光層のｐ型側面上の障壁が、ＧａＮであるスペーサ層２１とｐ型ＡｌＧａＮである層２２の間に配置されている。発光領域とｐ型領域の間、すなわち層２０と２１の間の界面を横切って、図３の１８に示されるように、ｃ軸は発光領域に向かう方向を向く。この配向においては、順方向バイアス動作条件下での電流フローはｃ軸に平行となる。この配向は障壁２４（層２１と２２の間の界面）において負のシート電荷を生じ、この電荷が障壁の高さを増加させ、発光領域２０を通り過ぎて漏出する電子電流を低減する。本発明の実施形態においては、発光領域２０は、図３に示されるように、単一の厚い又は薄い発光層であってよく、又は、図２に示されるように、障壁層で隔てられた多数の量子井戸を含んでもよい。幾つかの実施形態においては、スペーサ２１はｎ型にドープされるか、又は意図的にはドープされていなくともよい。スペーサ層２１は発光領域のｐ型側面上に位置するので、スペーサ層２１は、たとえスペーサ層２１がｎ型又は非ドープ型であっても、デバイスのｐ型領域の一部と考えられる。
【００１２】
図１２は、ガリウム原子９３と窒素原子９４とから形成される、ウルツ鉱型ＧａＮの単位格子を示す。ウルツ鉱型ＧａＮは、ガリウム面９０と窒素面９１をもつ。Ｃ軸９２は、窒素面９１からガリウム面９２へ向う方向を指している。例えば、サファイ基板のｃ平面上での通常の成長法によって生成されるＧａＮの露出した上表面は、ガリウム面９０である。ＧａＮ表面のガリウム面９０上での成長は、図２に示されるｃ軸配向を生じる。サファイアｃ面上での通常の成長の後に、サファイアに隣接するＧａＮの埋もれた表面は、窒素面９１となる。本発明の実施形態においては、エピタキシャル構造体が、ガリウム面が露出するように、通常の方法で成長させられる。次に、エピタキシャル構造体がもう一つのエピタキシャル構造体又はホスト基板に接合され、成長基板が除去され、その結果、窒素面が露出する。接合後の成長又は加工処理の結果、生成するデバイス中の発光領域は、窒素面がｐ型領域に面する結晶表面となるように配向し、発光領域とｐ型領域との間の界面は、図３に示されるｃ軸配向をもつことになる。
【００１３】
加工処理の終了後、発光領域の１つの側面に近接するｎ型領域の部分と、発光領域と、発光領域のもう一つの側面に近接するｐ型領域の部分とによって規定されるデバイス構造体が、接合部によって妨げられないように、該接合部が発光領域から間隔を空けられていることが好ましい。例えば、幾つかの実施形態においては、接合部は発光領域の端から少なくとも５００ｎｍの間隔を空けられることができる。他のエピタキシャル構造体又はホスト構造体に接合されるエピタキシャル表面は、ｐ型、ｎ型、又は非ドープ型であってよい。
【００１４】
図４は、図３に示される発光領域のｃ軸配向をもったデバイスを形成するための第１の方法を示す。２つの独立したエピタキシャル構造体が成長基板４０及び４６の上に成長させられる。成長基板は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ、又はＧａＮなど、任意の適切な成長基板であることができる。随意的なｎ型、ｐ型、又は非ドープ型の領域４１が、以下ではｎ型領域と呼ばれるが、基板４０上に成長させることができる。Ｎ型、ｐ型、又は非ドープ型であってもよいが、以下ではｎ型領域と呼ばれる第１の領域４４、発光領域４３、及び第２のｎ型領域４２が、基板４６上に成長させられる。発光領域４３は、例えば、単一の薄い又は厚い発光層、又は、障壁層で隔てられた多数の量子井戸、であることができる。Ｎ型領域４４は、後の加工処理後に、活性領域のｐ型側面上に位置することになるが、図３の層２１のような、発光領域４３に隣接するＧａＮ層と、図３の層２２のような、ＧａＮ層に隣接するＡｌＧａＮ層と、を含むことができる。Ｎ型、ｐ型、又は非ドープ型であってよい他の領域が、ｎ型領域４４を基板４６から離すことができ、ｎ型領域４２上（即ち、ｎ型領域４２と、領域４１をもつ接合界面との間）に形成されることができる。Ｎ型領域４４、又は、基板４６と発光領域４３との間の任意の他の領域は、簡単な化学エッチング法による成長基板の剥離、又は、基板除去後のエピタキシャル層の薄層化、を促進することを目的とする剥離層を含むことができる。
【００１５】
基板４６上に成長させられた半導体構造体の最上表面である図４のｎ型領域４２と、ｎ型領域４１の表面とが、高温高圧下で互いに接合される。接合のための適切な温度は、例えば、５００℃から１５００℃までの間であり、接合のための適切な圧力は、例えば５から１５００ｐｓｉまでである。上記両表面は、上記の温度及び圧力において、例えばＮ2雰囲気中で、所定の時間、例えば少なくとも２分間、多くの場合少なくとも３０分間、互いに圧着される。これらの条件下で二つの表面間に堅牢な半導体接合が形成される。そのような接合は、付加的な半導体層の成長ステップなど、接合に続く更なる半導体加工処理に必要な温度に耐えることができる。半導体ウエーハ接合法以外に、拡散はんだ付け接合法など、他の接合法を用いることもできる。拡散はんだ付け接合法においては、Ｚｎ及びＳｎなどの１つ又はそれ以上の金属が接合界面に低温で堆積されて、接合される。ＺｎＳｎ接合は、例えば９００℃を超える温度など、高温で安定である。もう一つの代替方法においては、Ａｌなどの金属薄膜を接合層として用いて、表面が接合される。Ａｌは２つの半導体表面に混入して合金を形成することができ、高温で安定な接合を造る。幾つかの実施形態においては、ＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，ＳｉＯＮ，ＴｉＯ2，ＳｉＯ2，ＳｎＯ2，ＺｒＯ2，ＺｎＯ，ＭｇＦ2，Ａｌ2Ｏ3などの１つ又はそれ以上の誘電体層が、接合表面の１つを形成することができ、或いは、２つの接合表面の間に配置されることができる。
【００１６】
接合部５０（図５）は、２つのＧａＮ表面の間、ＩｎＧａＮ表面とＧａＮ表面との間、２つのＩｎＧａＮ表面の間、又は、他の任意の適切な表面の間に、形成することができる。その代わりに、ＧａＮ又はＩｎＧａＮと、Ａｌ2Ｏ3，Ｓｉ又はＳｉＣ基板など、非ＩＩＩ−窒化物のホスト基板との間に、直接に接合を形成することもできる。例えば、図４の基板４０及びｎ型領域４１は、取替え基板上に成長したいかなるエピタキシャル層をも有しないＳｉ，ＳｉＣ，又はＡｌ2Ｏ3基板に取り替えることができる。或いは、ホスト基板は誘電体製の分散型ブラッグ反射鏡であってもよい。引用によりここに組み入れられる“波長変換型半導体発光デバイス”、特許出願番号第［代理人整理番号ＬＵＭ−０４−０２−０７］、はホスト基板として用いることのできるセラミック体について記述している。幾つかの実施形態においては、ホスト基板は、接合後に行われる任意の加工処理に必要な条件に耐えることができなければならない。２つの接合される表面は、接合ステップに先立って、例えば、通常の方法で研磨することにより、随意的に滑らかにすることができる。幾つかの実施形態においては、接合ステップのための滑らかな表面の形成に好都合な条件において、２つのエピタキシャル構造体が成長させられる。
【００１７】
接合後、図５に示されるように、基板４６はデバイス上面から除去される。サファイア製成長基板は、基板４６を通して、基板４６と結晶領域４４の間の界面の部分を高フルエンスのパルス紫外レーザにステップ・アンド・リピート・パターン法で露光することによって除去することができる。露光された部分は、レーザ照射によって生じる衝撃波を遮断するために、デバイスの結晶層を通してエッチングされたトレンチによって隔離することができる。そのようなエッチングは、接合ステップの前に行われる。レーザの光子エネルギーは、サファイア（ある実施形態においてはＧａＮ）に隣接する結晶層のバンドギャップより高く、従ってパルスエネルギーは、サファイアに隣接するエピタキシャル材料の、初めの１００ｎｍ以内の熱エネルギーに有効に変換される。十分に高いフルエンス（即ち、５００ｍＪ／ｃｍ2より大きい）で、光子エネルギーが、ＧａＮのバンドギャップより高く、サファイアの吸収端より低い（即ち、約３．４４ｅＶから約６ｅＶまでの）条件において、初めの１００ｎｍ以内の温度は、ナノ秒スケールで上昇し、ＧａＮをガリウム及び窒素ガスに分解して基板４６からエピタキシャル層を放出するのに十分に高い１０００℃より高温にまで達する。ＳｉＣ，Ｓｉ，及びＳｉベースの加工基板など、他の基板は、エッチング及び／又はラッピングなどの通常のプロセスによって、除去することができる。
【００１８】
基板４６の除去後、図５の例における生成された構造体は、エピタキシャルｎ型領域４４、活性領域４３、及び、接合部５０を通してｎ型領域４１及び基板４０に接合されたｎ型領域４２を有する。基板４６が除去された後、ドライ・エッチング法、光電気化学エッチングなどのウエット・エッチング法、及び／又は化学的機械研磨法によって、ｎ型領域４４ａ（図５）を、発光領域４３の直ぐ上にまで薄くすることができる。
【００１９】
次にｐ型領域が発光領域４３上に形成される。図６において、ｐ型領域５２は、Ｍｇなどのｐ型ドーパントを薄層化されたｎ型領域４４ｂ中に拡散させることにより、従って、この領域の導電性をｎ型からｐ型へ変換することによって、形成される。例えば、Ｍｇ及びＡｕは、ｎ型領域４４ａの表面上に熱蒸着することができて、次いで、例えば９００℃の温度に至るまで６時間加熱される。残存するＭｇ及びＡｕは、次にエッチング法によって除去され、該デバイスは、拡散したＭｇを活性化するために、例えば８５０℃から１０５０℃までの間の温度において、アニールされる。或いは、Ｍｇ（多くの場合、Ｐと共に注入される）又はＢｅ（多くの場合、Ｏと共に注入される）などのｐ型ドーパントをｎ型領域４４ｂ中に注入してもよい。例えば、注入ステップの間に表面を保護するために、ｎ型領域４４ｂの上にＮｉ層を形成することができ、次にＢｅ金属及びＯ2ガスを用いて、５０ｋｅｖより大きなエネルギー、及び、１０13ｃｍ-2から１０16ｃｍ-2までの間の投与量において、Ｂｅ及びＯをｎ型領域４４ｂ中に注入する。次にＮｉが除去され、該デバイスは、注入されたドーパントを活性化するために、９００℃より高温度でアニールされる。注入法はまた、例えば図７に関連して以下で説明されるｐ型領域５２など、すでにｐ型である材料のドーピング・レベルを高めるために用いることもできる。
【００２０】
図７において、ｐ型領域５２は、薄層化されたｎ型領域４４ａ上に成長させられる。Ｐ型領域５２は、例えばエッチング法による表面の随意的な洗浄の後、通常の成長条件において成長させることができる。半導体接合部５０を含んだデバイス内のあらゆる構造体が、ＩＩＩ−窒化物の成長に必要な高温度に耐えることができるので、ｐ型領域５２の再成長が可能となる。
【００２１】
基板４６の除去によって露出されるｎ型領域４４の表面は、窒素面である。その結果、ｐ型ドーパントのｎ型領域中への拡散又は注入によって、或いは露出したｎ型領域上での成長によって、形成されたｐ型領域５２はまた、窒素面を上にもち、そのため、図３に示される活性領域とｐ型領域との間での望ましいｃ軸配向をもたらす。窒素面膜は、より詳しくは、引用によりここに組み入れられる文献“有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）によって成長させたホモエピタキシャルＧａＮの形態的及び構造的特性”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｇｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ２０４（１９９９）４１９−４２８及び“極性を持った振る舞い”，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ｂ）２２８，Ｎｏ．２，５０５−５１２（２００１）に記載されているように、例えば分子線エピタキシ法又はＭＯＣＶＤ法によって成長させることができる。図６及び図７に示されるデバイスは、いまや通常のフリップ・チップ加工を行う準備ができた状態であり、その加工には、ｎ型領域４２又は４１の１つの一部を露出するためにメサをエッチングするステップと、ｎ型領域４２又は４１、及びｐ型領域５２の上に透過性又は反射性のコンタクトを形成するステップと、光がコンタクトを通して（透過性コンタクトの場合）、又は、基板４０を通して（反射性コンタクトの場合）取り出されるようにデバイスを実装するステップと、が必要である。或いは、該デバイスは、薄層デバイスとして加工することができ、その際、図６及び図７のどちらかにおけるｐ型領域５２の表面は、ｐ型領域５２へのコンタクトを形成する接合部を通して、ホスト基板に金属接合され、次に基板４０が除去され、ｎ型領域４１の露出表面上にコンタクトが形成され、ｎ型領域４１の露出した表面を通して光が取り出されるように、該デバイスを実装することができる。ホスト基板が誘電体の分散型ブラッグ反射鏡である実施形態においては、垂直空洞型レーザ又は共振空洞型発光ダイオードを形成することができる。
【００２２】
図８は、図３によるデバイスを形成するための第２の方法を示す。図４におけるように、２つの独立したエピタキシャル構造体が成長基板４０及び４６の上に成長させられる。図４におけるように、ｎ型、ｐ型、又は非ドープ型の領域４１は、以下でｎ型領域と呼ばれるが、基板４０上に成長させられる。基板４６上には、ｐ型領域５４が初めに成長させられ、次いで発光領域５３及びｎ型領域５６が成長させられる。Ｐ型領域５４は、図３の層２１のような、発光領域５３に隣接するＧａＮ層と、図３の層２２のような、ＧａＮ層に隣接するＡｌＧａＮ層とを含むことができる。Ｎ型、ｐ型、又は非ドープ型であってよい他の領域は、ｐ型領域５４を基板４６から引き離すことができて、ｎ型領域５６上（即ち、ｎ型領域５６と領域４１の接合界面との間）に形成されてもよい。
【００２３】
基板４６上に成長させた半導体構造体の上面、即ち図８におけるｎ型領域５６の表面と、ｎ型領域４１の表面とは、図４を参照して説明されたのと同じ条件下で、互いに接合される。上記のように、ｎ型領域４１は省くことができて、ｎ型領域５６を適切なホスト基板に直接に接合することができる。次に、上記のように基板４６が除去され、ｐ型領域５４は随意的に薄くすることができる。Ｐ型領域５４は、簡単な化学エッチング法による成長基板の剥離、又は、基板除去後のエピタキシャル層の薄層化、を促進することを目的とする剥離層を含むことができる。第２のｐ型領域５８を、基板４６の除去後にｐ型領域５４の表面上に成長させてもよいが、又は、Ｍｇなどのｐ型ドーパントを、図９に示されるように、ｐ型領域５４中に拡散させるか又は注入してもよい。幾つかの実施形態においては、薄層化後に、薄層化のステップ中に生じる結晶の損傷から回復させるために、第２のｐ型領域の成長、拡散、又は注入が必要となる。薄層化によって生じる損傷は、光学的及び電気的損失をもたらすので、該損傷を発光層５３から遠ざけるために、薄層化後にｐ型領域５８を成長させることが望ましい。Ｐ型領域５４の表面に対する損傷は、ＮＨ3雰囲気中における高温アニールによって修復することができる。例えば、該デバイスは、２００Ｔｏｒｒの圧力、及び８５０℃から１０００℃までの温度において、アニールすることができる。Ｐ型領域５４を修復するために、或いは、コンタクト抵抗を低減するためにｐ型領域５４をさらにドープするために、ＣＰ2Ｍｇなどのｐ型ドーパント前駆体をアニール中に加えることができる。次に、図９に示されるデバイスは、上記のように、フリップ・チップ型又は薄層デバイスとして加工することができる。
【００２４】
幾つかの実施形態においては、接合ステップの前に、１つの表面が粗面化されるか又はテクスチャ処理される。図１０及び図１１は、テクスチャ処理された領域６０を有する実施形態を示す。幾つかの実施形態においては、テクスチャ処理された領域６０は、ホールの周期的配列の形態をとる光結晶領域である。光結晶構造体は、参照することによりここに組み入れられる“光結晶構造体を用いたＬＥＤ効率”と題する米国特許公開公報第２００３／０１４１５０７号の中でより詳しく説明されている。ホールの周期的配列は、半導体構造体中の活性領域による光放射の波長をλとして、０．１λから４λまでの範囲にわたることのできる、格子定数ａをもつ。他の実施形態においては、２ミクロンより大きな特徴的周期がテクスチャ処理された領域６０の中に形成される。テクスチャ処理された領域６０は、図１０に示されるように、接合部５０によって４１に接合される。該構造体は次に裏返され、図１１に示されるように、ｐ型領域５８とホスト基板６５との間の界面に形成される金属接合（図示されず）などの接合部によって、ホスト基板６５に接合される。次に、図１０の基板４０が除去され、領域４１の露出表面上にコンタクト（図示されず）が形成され、そのコンタクトを通して、光がデバイスから取り出される。テクスチャ処理された領域６０は、デバイス内部の埋められた光散乱層として働き、このことがデバイスから取り出される光量を増加させることができる。図１１は、薄層デバイスを示しているが、図１０の接合されたデバイスもまた、上記のようにフリップ・チップ型デバイスに加工することができる。同様に、図１０及び図１１は、ｐ型領域５４が発光領域５３に先立って成長させられ、次いでｎ型領域５６上にテクスチャ処理又は粗面化された領域が形成される図８及び図９に示されるデバイス、と類似のデバイスを示すが、しかしそれらテクスチャ処理又は粗面化された領域は、テクスチャ処理又は粗面化された領域がｎ型領域４２上に形成され、次いで領域４１に接合される図４、図５、図６、及び図７に示されたデバイスのように、デバイス中に組み込むこともできる。
【００２５】
図１３は、米国特許第６，２７４，９２４号中にさらに詳細に記載されている、パッケージされた発光デバイスの分解図である。脱熱スラグ１００が、挿入成型されたリードフレーム中に配置される。挿入成型リードフレームは、例えば、電気的経路を与える金属フレーム１０６の周りに成型された充填プラスチック材料１０５である。スラグ１００は随意的に反射キャップ１０２を含んでよい。発光デバイス・ダイ１０４は、上記のどのデバイスであってもよく、スラグ１００に、直接に又は熱伝導性補助マウント１０３を介して間接的に取り付けられる。カバー１０８を加えてもよく、このカバーは光学レンズとすることができる。
【００２６】
図７、図９及び図１０に示されるデバイスは、エッヂ発光型、又は、垂直キャビティ表面発光型のレーザに加工することができる。これらの構造体によってもたらされる低減されたキャリア漏出は、しきい電流など、レーザの動作特性を改善することができる。しきい電流は、次式のように書くことができる。
Ｉth＝Ｉtho＋Ｉl
ここで、Ｉthoは漏出の無いときの電流であり、Ｉlは漏出電流である。漏出電流が小さくなると、誘導放射が始まるレーザのしきい電流も小さくなる。その結果、漏出電流が小さくなると、レーザはより低い動作入力で動作できる。ＩＩＩ−窒化物レーザは、近ＵＶ（３９０ｎｍ）から青色（４６０ｎｍ）までの波長範囲に限られる。誘導放射が始まる電流しきい値を低下させることは、ＩＩＩ−窒化物レーザの潜在的動作波長をＵＶから緑色まで拡張することができる。電流漏出はまた、レーザの総出力を制限するので、この漏出を低減することによって、本発明の実施形態は、より高出力のＩＩＩ−窒化物レーザを可能にする。従来技術のＩＩＩ−窒化物レーザと同様に、発光デバイス構造体は、信頼性を増すために、転位密度の低いテンプレート上に成長させることができる。
【００２７】
エッヂ発光型レーザが図１５に示される。図１５のデバイスは、図９と同様のエピタキシャル層を含むが、しかしレーザはまた、図６又は図７と同様のエピタキシャル層をもって形成されることもできる。レーザキャビティの幅を規定するため、及び、接触のためにｎ型領域を露出させるために、帯状メサ構造がｎ型領域５６領域に至るまでエッチングされる。Ｎコンタクト５７及びｐコンタクト５５は、標準的な方法によって堆積され、規定される。キャビティはドライ・エッチング法、又はレーザ・ファセットをへき開することによって、縦長（ページに垂直方向に）形状に規定される。垂直方向に光学的レーザ・モードを制限するために、追加的なＡｌＧａＮクラッディング層を領域５３と５６との間に追加することができる。
【００２８】
以上、本発明を詳細に説明したが、当業者は、本開示が与えられたことにより、ここで説明された本発明の着想の精神から離れることなしに、本発明に変更を加えることができることを、認識するであろう。従って、本発明の範囲が図示され説明された特定の実施形態に限定されることは、意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ＩＩＩ−窒化物発光デバイスを図示する。
【図２】図１のデバイスに関する伝導バンドの一部を図示する。
【図３】本発明の実施形態によるデバイスに関する伝導バンドの一部を図示する。
【図４】２つのエピタキシャル構造体を互いに接合するステップを図示する。
【図５】１つの成長基板の除去後、及び、露出エピタキシャル層の随意的な薄層化の後の、図４のデバイスを図示する。
【図６】ｐ型ドーパントの拡散又は注入後の図５のデバイスを図示する。
【図７】新しいｐ型領域の再成長後の図５のデバイスを図示する。
【図８】２つのエピタキシャル構造体を互いに接合するステップを図示する。
【図９】１つの成長基板の除去後、及び、新しいｐ型領域の随意的な再成長の後の、図８のデバイスを図示する。
【図１０】テクスチャ処理された領域を組み込んだデバイスを図示する。
【図１１】ホスト基板への接合後、及び、第２の成長基板の除去後の、図１０のデバイスを図示する。
【図１２】ウルツ鉱型ＧａＮの単位格子を図示する。
【図１３】パッケージされた発光デバイスの分解図を示す。
【図１４】電流密度の関数としての量子収率のプロットを示す。
【図１５】本発明の実施形態によるレーザを図示する。
【符号の説明】
【００３０】
１０：サファイア基板
１１、４１、４２、４４、５６：ｎ型領域
１２：活性領域
１３、２１：ＧａＮスペーサ領域
１４、２２：ｐ型ＡｌＧａＮ層
１５：ｐ型コンタクト層
１７：界面
１８：ウルツ鉱型結晶ｃ軸の配向
２０、４３、５３：発光領域
２４：障壁
４０、４６：成長基板
５０：接合部
５４、５８：ｐ型領域
５５、５７：コンタクト
６０：テクスチャ処理領域
６５：ホスト基板
９０：ガリウム面
９１：窒素面
９２：ｃ軸
９３：ガリウム原子
９４：窒素原子
１００：脱熱スラグ
１０２：反射キャップ
１０３：熱伝導性補助マウント
１０４：発光デバイス・ダイ
１０５：充填プラスチック材料
１０６：金属フレーム
１０８：カバー
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
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