(57)【要約】【解決手段】本発明は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第１ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１である第１ｎ型クラッディング層と、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第２ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、更に実質的にマグネシウムがない第２ｎ型クラッディング層と、第１及び第２クラッディング層の間にあり、複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮウェル層を有し、０＜ｘ＜１であり、対応する複数のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮバリア層によって分離されており、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１であるマルチ量子ウェルの形態のアクティブ部と、ＩＩＩ族窒化物のｐ型層であって、第２ｎ型クラッディング層がこのＰ型層とマルチ量子ウェルとの間に位置する、ｐ型層とを含み、第１及び第２ｎ型クラッディング層のそれぞれのバンドギャップは、各々、ウェル層のバンドギャップよりも大きい。好適な実施形態では、ＩＩＩ族窒化物超格子がマルチ量子ウェルを支持する。
2005528809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁スペクトルの赤から紫外線部分までにおいて発光可能な発光素子の半導体構造であって、
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第１ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１である、第１ｎ型クラッディング層と、
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第２ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、実質的にマグネシウムを含まない第２ｎ型クラッディング層と、
前記第１及び第２クラッディング層の間にあり、複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮウェル層を有し、０＜ｘ＜１であり、対応する複数のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮバリア層によって分離されており、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１であるマルチ量子ウェルの形態のアクティブ部と、
ＩＩＩ族窒化物のｐ型層であって、前記第２ｎ型クラッディング層が前記ｐ型層と前記マルチ量子ウェルとの間に位置する、ｐ型層と
を備えており、
前記第１及び第２ｎ型クラッディング層のそれぞれのバンドギャップは、各々、前記ウェル層のバンドギャップよりも大きい
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項２】
請求項１記載の半導体構造において、前記マルチ量子ウェルは、第１面と第２面とを有し、前記マルチ量子ウェルの前記第１面は、前記第１ｎ型クラッディング層と接触し、前記マルチ量子ウェルの前記第２面は前記第２ｎ型クラッディング層と接触していることを特徴とする半導体構造。
【請求項３】
請求項１記載の半導体構造において、前記ｐ型層は、前記マルチ量子ウェルの逆側において、前記第２ｎ型クラッディング層と接触していることを特徴とする半導体構造。
【請求項４】
請求項１記載の半導体構造において、前記第２ｎ型クラッディング層は、本質的に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなり、０＜ｘ＜１であることを特徴とする半導体構造。
【請求項５】
請求項１記載の半導体構造において、前記アクティブ層は、本質的に、ＩｎｙＧａ１−ｙＮからなり、０＜ｙ＜１であることを特徴とする半導体構造。
【請求項６】
請求項１記載の半導体構造において、前記ｐ型層は、マグネシウム・ドープ窒化ガリウムであることを特徴とする半導体構造。
【請求項７】
請求項６記載の半導体構造において、前記第２ｎ型クラッディング層は、前記ｐ型層から前記マルチ量子ウェルへのマグネシウムの移動を阻止するには十分厚く、しかも前記マルチ量子ウェルにおける電子と正孔の再結合が容易に行われる程度に薄いことを特徴とする半導体構造。
【請求項８】
請求項１記載の半導体構造において、前記ｐ型層は窒化インジウムであることを特徴とする半導体構造。
【請求項９】
請求項１記載の半導体構造において、前記ｐ型層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、０＜ｘ＜１であることを特徴とする半導体構造。
【請求項１０】
請求項１記載の半導体構造において、前記ｐ型層は、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮであって０＜ｘ＜１である物質からなる群から選択した複数のＩＩＩ族窒化物層で形成した超格子からなることを特徴とする半導体構造。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体構造において、前記超格子は、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮであって０＜ｘ＜１である物質からなる群から選択した複数のＩＩＩ族窒化物層の交互層で形成したことを特徴とする半導体構造。
【請求項１２】
請求項１記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第３ｎ型層を備えており、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、前記第３ｎ型層は、前記第２ｎ型クラッディング層と前記ｐ型層との間に位置することを特徴とする半導体構造。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体構造において、前記第３ｎ型層は、第１面と第２面とを有し、前記第３ｎ型層の前記第１面は、前記ｐ型層と接触し、前記第３ｎ型層の前記第２面は、前記第２ｎ型クラッディング層と接触することを特徴とする半導体構造。
【請求項１４】
請求項１記載の半導体構造において、該構造は更に、ｎ型炭化珪素基板を備えており、前記第１ｎ型クラッディング層が、前記炭化珪素基板と前記マルチ量子ウェルとの間に位置することを特徴とする半導体構造。
【請求項１５】
請求項１記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、
ｎ型炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板と前記第１ｎ型クラッディング層との間に位置する導電性バッファ層と
を備えていることを特徴とする半導体構造。
【請求項１６】
請求項１５記載の半導体構造において、前記導電性バッファ層は、第１面と第２面とを有し、前記導電性バッファ層の前記第１面は、前記炭化珪素基板と接触し、前記導電性バッファ層の前記第２面は、前記第１ｎ型クラッディング層と接触することを特徴とする半導体構造。
【請求項１７】
請求項１５記載の半導体構造において、前記導電性バッファ層は、本質的に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮを有する窒化アルミニウム・ガリウムからなり、０＜ｘ＜１であることを特徴とする半導体構造。
【請求項１８】
請求項１５記載の半導体構造において、該構造は更に、ＩＩＩ族窒化物のｎ型遷移層を備えており、該遷移層が、前記導電性バッファ層と前記第１ｎ型クラッディング層との間に位置することを特徴とする半導体構造。
【請求項１９】
請求項１５記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、窒化ガリウム及び窒化インジウム・ガリウムからなる群から選択した複数の離散結晶部分を備えており、該離散結晶部分が、前記導電性バッファ層と前記炭化珪素基板との間に位置し、前記離散結晶部分が、前記導電性バッファ層と前記炭化珪素基板との間でバリアを減少させるには十分な量であるが、前記炭化珪素基板上に結果的に形成される発光素子の機能に悪影響を与える量未満で存在することを特徴とする半導体構造。
【請求項２０】
請求項１記載の半導体構造において、
３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒからなる群から選択したポリタイプのｎ型単結晶炭化珪素基板を備えており、
前記ｐ型層が、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮであって０＜ｘ＜１である物質からなる群から選択した少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物で形成されており、
前記第１ｎ型クラッディング層が、前記炭化珪素基板と前記マルチ量子ウェルとの間に位置する
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項２１】
請求項１又は請求項２０記載の半導体構造において、前記バリア層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなり、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及びｘ＋ｙ≦１であることを特徴とする半導体構造。
【請求項２２】
請求項１又は請求項２０記載の半導体構造において、前記バリア層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなり、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及びｘ＋ｙ≦１であることを特徴とする半導体構造。
【請求項２３】
請求項１又は請求項２０記載の半導体構造において、前記マルチ量子ウェルにおける前記バリア層は、前記マルチ量子ウェルにおける前記ウェル層よりも、バンドギャップが大きいことを特徴とする半導体構造。
【請求項２４】
請求項２０記載の半導体構造において、前記第１ｎ型クラッディング層は、第１面と第２面とを有し、前記第１ｎ型クラッディング層の前記第１面は、前記炭化珪素基板と接触し、前記第１ｎ型クラッディング層の前記第２面は、前記マルチ量子ウェルと接触しており、前記第１ｎ型クラッディング層の組成が徐々に変化して、前記第１ｎ型クラッディング層の前記第１面における結晶格子が前記基板の結晶格子に一層密接に整合し、前記第１ｎ型クラッディング層の前記第２面における結晶格子が前記マルチ量子ウェルの前記結晶格子に一層密接に整合するようにしたことを特徴とする半導体構造。
【請求項２５】
請求項１又は請求項２０記載の半導体構造において、前記第２ｎ型クラッディング層は、第１面と第２面とを有し、前記第２ｎ型クラッディング層の前記第１面は、前記マルチ量子ウェルと接触し、前記ｎ型クラッディング層の前記第２面は、前記ｐ型層と接触しており、前記第２ｎ型クラッディング層の組成が徐々に変化して、前記第２ｎ型クラッディング層の前記第１面における結晶格子が前記マルチ量子ウェルの結晶格子に一層密接に整合し、前記第２ｎ型クラッディング層の前記第２面における結晶格子が前記ｐ型層の結晶格子に一層密接に整合するようにしたことを特徴とする半導体構造。
【請求項２６】
請求項２０記載の半導体構造において、前記ｐ型層は、マグネシウム・ドープ窒化ガリウムであることを特徴とする半導体構造。
【請求項２７】
請求項２６記載の半導体構造において、前記第２ｎ型クラッディング層は、前記ｐ型層から前記マルチ量子ウェルへの前記マグネシウムの移動を阻止するには十分厚く、しかも前記マルチ量子ウェルにおける電子と正孔の再結合が容易に行われる程度に薄いことを特徴とする半導体構造。
【請求項２８】
請求項２０記載の半導体構造において、前記ｐ型層は、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮであって、０＜ｘ＜１である物質からなる群から選択した２つのＩＩＩ族窒化物層の交互層で形成した超格子であることを特徴とする半導体構造。
【請求項２９】
請求項１又は請求項２０記載の半導体構造において、該構造は更に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第３ｎ型層を備えており、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、前記第３ｎ型層は、前記第２ｎ型クラッディング層と前記ｐ型層との間に位置することを特徴とする半導体構造。
【請求項３０】
請求項１又は請求項２０記載の半導体構造において、前記第３ｎ型層は、第１面と第２面とを有し、前記第３ｎ型層の前記第１面は、前記ｐ型層と接触し、前記第３ｎ型層の前記第２面は、前記第２ｎ型クラッディング層と接触することを特徴とする半導体構造。
【請求項３１】
請求項２０記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、本質的にＡｌｘＧａ１−ｘＮであり、０≦ｘ≦１である窒化アルミニウム・ガリウムからなる導電性バッファ層を備えており、該導電性バッファ層が、前記炭化珪素基板と前記第１ｎ型クラッディング層との間に位置することを特徴とする半導体構造。
【請求項３２】
請求項３１記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、ＩＩＩ族窒化物のｎ型遷移層を備えており、該遷移層が、前記導電性バッファ層と前記第１ｎ型クラッディング層との間に位置し、前記第１ｎ型クラッディング層と同じ導電性型を有することを特徴とする半導体構造。
【請求項３３】
請求項１４又は請求項２０記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、窒化ガリウム及び窒化インジウム・ガリウムからなる群から選択した複数の離散結晶部分を備えており、該離散結晶部分が、前記第１ｎ型クラッディング層と前記炭化珪素基板との間に位置し、前記離散結晶部分が、前記第１ｎ型クラッディング層と前記炭化珪素基板との間でバリアを減少させるには十分な量であるが、前記炭化珪素基板上に結果的に形成される発光素子の機能に悪影響を与える量未満で存在することを特徴とする半導体構造。
【請求項３４】
電磁スペクトルの赤から紫外線部分までにおいて発光可能な発光素子の半導体構造であって、
複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮウェル層を有し、０＜ｘ＜１であり、対応する複数のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮバリア層によって分離されており、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１であるマルチ量子ウェルの形態のアクティブ部と、
前記マルチ量子ウェルを支持するＩＩＩ族窒化物超格子と、
前記マルチ量子ウェルに隣接し、前記マルチ量子ウェルに関して前記超格子の逆側にある、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの層であって、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であって、マグネシウムを実質的に含まないＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの層と、
前記ＡｌＩｎＧａＮ層に隣接し、該ＡｌＩｎＧａＮ層に関して前記マルチ量子ウェルの逆側にあるＩＩＩ族窒化物の第１ｐ型層と、
前記超格子を支持し、該超格子に関して前記マルチ量子ウェルの逆側にあるｎ型ＩＩＩ族窒化物層と
を備えていることを特徴とする半導体構造。
【請求項３５】
請求項３４記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、炭化珪素基板と、該基板上の導電性ＩＩＩ族窒化物バッファ層とを備えており、前記基板及び前記導電性バッファ層が前記構造の残りの部分を支持することを特徴とする半導体構造。
【請求項３６】
請求項３５記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、
前記導電性バッファ層と前記支持用のｎ型層との間にある追加のｎ型ＧａＮ層と、
前記第１ｐ型層上にあるｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層へのオーミック・コンタクトと、
前記基板へのオーミック・コンタクトと
を備えていることを特徴とする半導体構造。
【請求項３７】
請求項３４記載の半導体構造において、前記超格子は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮの交互層からなり、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１であり、ｘはｙに等しくないことを特徴とする半導体構造。
【請求項３８】
請求項３７記載の半導体構造において、ｘは０に等しく、０＜ｙ＜１であることを特徴とする半導体構造。
【請求項３９】
請求項３７記載の半導体構造において、前記超格子は５〜５０周期を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項４０】
請求項３４記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、
炭化珪素基板と、
前記基板上にある導電性ＩＩＩ族窒化物バッファ層と、
前記第１ＩＩＩ族窒化物層が、前記導電性バッファ層上の第１ｎ型ＧａＮ層であり、
前記第１ＧａＮ層上にある第２ｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、
前記超格子が、前記第２ＧａＮ層上にあり、ＧａＮ及びＩｎｙＧａ１−ｙＮの交互層で形成され、０＜ｙ＜１であり、
前記マルチ量子ウェル上に、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの層があり、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、
前記ＡｌＩｎＧａＮ層上に前記ＩＩＩ族の第１ｐ型層があり、
前記第１ｐ型層上にあるｐ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層へのオーミック・コンタクトと、
前記基板へのオーミック・コンタクトと
を備えていることを特徴とする半導体構造。
【請求項４１】
請求項４０記載の半導体構造において、前記マルチ量子ウェルにおける前記バリア層は、前記マルチ量子ウェルにおける前記ウェル層よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする半導体構造。
【請求項４２】
請求項１、２０又は４０記載の半導体構造において、前記マルチ量子ウェルにおける前記バリア層の少なくとも１つはドープされていないことを特徴とする半導体構造。
【請求項４３】
請求項１、２０又は４０記載の構造において、前記マルチ量子ウェルにおける前記ウェル層の少なくとも１つはドープされていないことを特徴とする半導体構造。
【請求項４４】
請求項４０記載の半導体構造において、該半導体構造は更に、窒化ガリウム及び窒化インジウム・ガリウムからなる群から選択した複数の離散結晶部分を備えており、該離散結晶部分が、前記第１ｎ型クラッディング層と前記炭化珪素基板との間に位置し、前記離散結晶部分が、前記第１ｎ型クラッディング層と前記炭化珪素基板との間でバリアを減少させるには十分な量であるが、前記炭化珪素基板上に結果的に形成される発光素子の機能に悪影響を与える量未満で存在することを特徴とする半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁スペクトルにおける赤から紫外線部分の光を発光可能な、ＩＩＩ族窒化物で形成した発光素子、特に、発光ダイオード及びレーザ・ダイオードの半導体構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体素子は、３つの分類に分けられる。即ち、電気エネルギを光放射線に変換する素子（例えば、発光ダイオード及びレーザ・ダイオード）、光信号を検出する素子（例えば、光検出器）、及び光放射線を電気エネルギに変換する素子（例えば、光電素子及び太陽電池）である。これら３種類の素子には全て有用な用途があるが、発光ダイオードは、種々の消費者向け商品及び用途に応用されているので、一般に最も認識度が高いであろう。
【０００３】
発光素子（例えば、発光ダイオード及びレーザ・ダイオード）をここではＬＥＤと呼ぶが、これらは電力を発光に変換する光ｐ−ｎ接合半導体素子である。恐らく最も一般的であろうが、ＬＥＤは多くの消費者向け製品（例えば、オーディオ・システム、自動車、家庭用電子製品、及びコンピュータ・システム）に用いられる種々の信号、インジケータ、ゲージ、及びディスプレイを形成する。ＬＥＤが光出力素子として望ましいのは、一般に、その寿命が長く、必要な電力が少なく、しかも信頼性が高いからである。
【０００４】
広範囲で用いられてはいるが、ＬＥＤはいくらか機能的に制約がある。何故なら、ＬＥＤが生成することができる色は、当該ＬＥＤを製作するために用いられる半導体材料の性質によって制限されるからである。当技術分野及び関連技術における当業者には周知であろうが、ＬＥＤが生成する光は「エレクトロルミネセンス」と呼ばれ、これは、電圧が印加された材料を通過する電流による光の発生を表す。エレクトロルミネセンス光を生成する個々の組成のいずれでも、比較的狭い波長範囲において発光する。
【０００５】
所与のＬＥＤ材料によって発光可能な光の波長（即ち、その色）は、当該材料の物理的特性、特にそのバンドギャップ・エネルギによって制限される。バンドギャップ・エネルギとは、半導体における低い方のエネルギ価電子帯と高い方のエネルギ伝導帯とを分離するエネルギ量のことである。これらの帯域は、キャリア（即ち、電子又は正孔）が周知の量子力学の原則にしたがって位置することができるエネルギ状態である。「バンドギャップ」とは、キャリアには禁止されている、伝導帯と価電子帯との間のエネルギ範囲である（即ち、キャリアはこれらのエネルギ状態では存在することができない）。ある状況下では、電子及び正孔がバンドギャップを横切って再結合するとき、これらは光の形態でエネルギを放出する。言い換えると、半導体材料によって生成することができる電磁放射線の周波数（即ち、色）は、当該材料のバンドギャップ・エネルギの関数である。
【０００６】
これに関して、バンドギャップが狭い程、エネルギが低く、波長が長い光子を生成する。逆に、バンドギャップが広い材料程、エネルギが高く、短い波長の光子を生成する。青色光は、可視スペクトルにおける他の殆どの色よりも波長が短く、したがって周波数は高い。その結果、青色は、緑、黄色、オレンジ色、又は赤色光を生成する遷移よりもエネルギが高い遷移から生成されるはずである。可視スペクトルの青又は紫外線部分における波長を有する光子を生成するには、バンドギャップが比較的長い半導体材料が必要となる。
【０００７】
可視スペクトル全体は、約３９０ｎｍの紫から、約７８０ｎｍの赤にまで及ぶ。一方、可視スペクトルの青色部分は、約４２５〜４８０ｎｍの波長間に及ぶと考えることができる。約４２５ｎｍ（紫に近い）及び４８０ｎｍ（緑に近い）の波長は、一方、約２．９ｅＶ及び約２．６ｅＶのエネルギ遷移をそれぞれ表す。したがって、少なくとも約２．６ｅＶのバンドギャップを有する材料でなければ、青色光を生成することはできない。
【０００８】
色に加えて、波長が短い素子には多数の利点がある。特に、ＣＤ−ＲＯＭ光ディスクのような光学的記憶及びメモリ素子に用いられる場合、波長を短くすることによって、このような記憶素子は極めて多くの情報を保持することが可能となる。例えば、青色光を用いて情報を格納する光素子は、赤色光を用いるものと同じ空間において、遥かに多い情報を保持することができる。
発光ダイオードが動作する基本的な機構は、当技術分野では周知であり、例えば、SzeのPhysics of Semiconductor Devices（半導体素子の物理）、第２版（１９８１）の６８１〜７０３頁に明記されている。
【０００９】
本特許出願と同じ譲受人は、この分野において、青色スペクトルの光を放出するＬＥＤを最初に開発し、商用に大量に入手可能とし、商業的に採算の合うようした。これらのＬＥＤは、炭化珪素、即ち、バンドギャップが広い半導体材料内に形成された。このような青色ＬＥＤの例は、各々”Blue Light Emitting Diode Formed in Silicon Carbide”（炭化珪素に形成した青色発光ダイオード）と題するEdmondの米国特許第４，９１８，４９７号及び第５，０２７，１６８号に記載されている。ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの構造及びレーザ構造の他の例は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第５，５２３，５８９号、第５，５９２，５０１号、及び第５，７３９，５５４号に記載されている。
【００１０】
炭化珪素に加えて、青色発光素子の候補となる材料には、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ならびに窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）、及び窒化アルミニウム・インジウム（ＡｌＩｎＧａＮ）のような、関連するＩＩＩ族（即ち、周期表のＩＩＩ族）窒化化合物である。これらの材料が特に関心を引くのは、これらによって得られる直接エネルギ遷移が常温で約１．９〜約６．２ｅＶの間であるからである。シリコン、燐化ガリウム、又は砒化ガリウムのような更に一般的な半導体材料は、青色光を生成するには適していない。何故なら、これらのバンドギャップは約２．６ｅＶ以下であり、シリコンの場合、間接半導体であり、非効率的な発光体となるからである。
【００１１】
ＬＥＤ及び電子遷移に精通している者には周知であろうが、直接遷移が半導体において発生するのは、価電子帯の最大値と伝導帯の最小値が同じ運動量状態を有するときである。これが意味するのは、結晶運動量は電子及び正孔の再結合の間容易に保存されるので、遷移によって生成されるエネルギは大部分が効率的に光子に移れるということである（即ち、熱ではなく光を生成することが可能となる）。伝導帯最小値及び価電子帯最大値が同じ運動量状態を有さないとき、光子（即ち、振動エネルギの量子）は結晶運動量(crystal momentum)を保存する必要があり、遷移は「間接的」と呼ばれる。第３の粒子、光子が必要となるために、間接的放射遷移の可能性は低下することにより、素子の発光効率が低下する。
【００１２】
一般に、直接バンドギャップ材料に形成されるＬＥＤは、間接バンドギャップ材料に形成されるものよりも効率的に動作する。したがって、ＩＩＩ族窒化物の直接遷移特性により、炭化珪素のような間接材料からの放出よりも、明るく効率的な放出、したがって一層明るく効率的なＬＥＤの潜在的可能性が得られる。このため、過去１０年における関心の多くは、窒化ガリウム及び関連するＩＩＩ族窒化物における発光ダイオードの生産に集中していた。
【００１３】
ＩＩＩ族窒化物は広いバンドギャップ・エネルギ範囲にわたる直接遷移をもたらすが、この材料には特異な数々の技術的な製造上の問題がある。即ち、光素子を形成する窒化ガリウム・エピタキシャル層に適した基板として機能することができる窒化ガリウム（ＧａＮ）のバルク単結晶を、採算が取れるように生産するための技術は未だに出現していない。
半導体素子は全て、ある種の構造的基板を必要とする。通例では、アクティブ領域と同じ材料で形成した基板が、特に、結晶成長及び格子整合において、著しく有利である。窒化ガリウムのバルク結晶は、特に、半導体素子の製造に商業的に有用なサイズでは、形成が難しいので、窒化ガリウム光素子はＧａＮ以外の基板上にエピタキシャル層として形成するのが通例である。
【００１４】
ＩＩＩ族窒化物基板の分野における最近の業績には、同時継続中で本願と同じ譲受人に譲渡された、米国特許第６，２９６，９５６号"Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride"（窒化アルミニウムのバルク単結晶の成長）、米国特許第６，０６６，２０５号"Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride from a Melt"（溶融体からの窒化アルミニウムのバルク単結晶の成長）、米国特許第６，０４５，６１２号"Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride"（窒化アルミニウムのバルク単結晶の成長）、米国特許第６，０４８，８１３号"Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitrides: Silicon Carbide Alloys"（窒化アルミニウムのバルク単結晶の成長：炭化珪素合金）、及び同時継続中で１９９８年９月１６日に出願した特許出願第０９／１５４，３６３号"Vertical Geometry In GaN LED"（縦型形状のＩｎＧａＮ  ＬＥＤ）が含まれる。
【００１５】
しかしながら、異なる基板を用いると、更に数々の別の問題が発生し、殆どの場合、これらの問題は結晶格子整合の分野で起こる。殆ど全ての場合において、材料が異なれば、結晶格子パラメータも異なる。その結果、窒化ガリウム・エピタキシャル層を異なる基板上に成長させると、何らかの結晶格子不整合や、熱膨張係数不一致が発生する。その結果得られたエピタキシャル層を、この不整合によって「歪んでいる」と言う。結晶格子の不整合、及びこれらによって生ずる歪みによって、結晶欠陥が潜在的生じる可能性がある。そして、これは結晶及び接合部の電子特性に影響を及ぼし、このため光素子の性能を低下させる傾向がある。これらの種類の欠陥は、高電力構造では更に一層問題となる。
【００１６】
初期のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤでは、窒化ガリウム素子に最もよく用いられた基板はサファイアであった（即ち、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３）。現在のＩＩＩ族窒化物素子でも、これを用い続けているものもある。
サファイアは、可視及び紫外線範囲において透過性があるが、窒化ガリウムとでは約１６パーセントの結晶格子不整合がある。更に、サファイアは、導電性ではなく絶縁性であり、導電性ドーピングには不向きである。したがって、ＬＥＤを通過して発光を生じさせなければならない電流を、サファイア基板を通過させることはできない。このため、ＬＥＤに対する別の種類の接続部を作成しなければならない。
【００１７】
一般に、垂直な幾何学的形状を有するＬＥＤは、オーミック・コンタクトを素子の対向端に配置することができるように導電性基板を用いる。このような縦型ＬＥＤは、多くの理由で好ましいが、その中には、非縦型素子よりも製造が容易であり最終使用機器への組み込みが簡単なことが含まれる。しかしながら、導電性基板がないと、縦型素子を形成することはできない。
サファイアとは対照的に、窒化ガリウムの格子不整合は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とでは約２．４パーセント、炭化珪素とでは約３．５パーセントに過ぎない。炭化珪素の不整合は、窒化アルミニウムの場合よりも、約１パーセントだけ不整合が少ない。
【００１８】
ＩＩＩ族三元及び五元窒化物（例えば、窒化インジウム・ガリウム及び窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム）も、比較的広いバンドギャップを有することが示されている。したがって、このようなＩＩＩ族窒化物の固溶体も、青色及び紫外半導体レーザ及びＬＥＤへ潜在的に適用可能である。しかしながら、これらの化合物には、窒化ガリウムと同じ問題がある、即ち、同一の単結晶基板がないのである。このため、異なる基板上に成長させたエピタキシャル層の形態で各々を用いるのが通例である。
【００１９】
したがって、本発明の譲受人は、基板としてのサファイアの導電性問題を解決する手段として、窒化ガリウム及びその他のＩＩＩ族素子のために炭化珪素基板の使用を発案した。炭化珪素は導電性を有するようにドープすることができるので、縦型ＬＥＤを形成することができる。先に注記したように、縦型構造では、ＬＥＤの製造及びその回路や最終使用機器への組み込みを容易に行うことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ＩＩＩ族窒化物に精通している者には周知のように、これらの特性は、現在のＩＩＩ族元素（例えば、ガリウム、アルミニウム、インジウム）の同一性(identity)及びモル比率を基準にするので、異なっている。例えば、アルミニウムのモル比率を増加させると、バンドギャップが広がる傾向があるが、アルミニウムの量を減少させると、屈折率が大きくなる傾向がある。同様に、インジウムの割合が大きい程、当該材料のバンドギャップは減少するので、所望の周波数の光子を生成するようにバンドギャップを調節即ち「調整」(tune)することができる。溶液におけるモル比を変化させると、結晶格子の間隔も変化する。したがって、そしてこの分野における多大な努力にも拘わらず、縦型形状を組み込み、ＩＩＩ族窒化物光素子のアクティブ層、クラッディング層、及びバッファ層においてインジウム、アルミニウム、及びガリウムの割合を所望に調節したときに得られる特性を利用する素子がなおも求められている。
【００２１】
本発明の更に別の目的は、非放射再結合(nonradiative recombination)を減少し、効率を高めた発光素子を提供することである。
したがって、本発明の目的は、ＩＩＩ族窒化物の好ましい特性を利用するようにＩＩＩ族窒化物から発光ダイオード及びレーザ・ダイオードを生成することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、電磁スペクトルの赤から紫外線部分までにおいて発光可能な発光素子の半導体構造によって、この目的を達成する。この構造は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第１ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１である、第１ｎ型クラッディング層と、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第２ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、更に実質的にマグネシウムがない、第２ｎ型クラッディング層と、第１及び第２クラッディング層の間にあり、複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮウェル層を有し、０＜ｘ＜１であり、対応する複数のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮバリア層によって分離されており、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１であるマルチ量子ウェルの形態のアクティブ部と、ＩＩＩ族窒化物のｐ型層であって、第２ｎ型クラッディング層がＰ型層とマルチ量子ウェルとの間に位置する、ｐ型層とを備えており、第１及び第２ｎ型クラッディング層のそれぞれのバンドギャップは、各々、ウェル層のバンドギャップよりも大きい。
【００２３】
別の態様では、本発明は、半導体構造であって、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒからなる群から選択したポリタイプのｎ型単結晶炭化珪素基板と、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮであって、０＜ｘ＜１である物質からなる群から選択した少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物で形成したｐ型層と、基板とｐ型層との間にあり、複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮウェル層を有し、０＜ｘ＜１であり、対応する複数のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮバリア層によって分離されており、０＜ｘ＜１及び０＜ｙ＜１であるマルチ量子ウェルの形態のアクティブ部と、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第１ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、炭化珪素基板とマルチ量子ウェルとの間に位置する、第１ｎ型クラッディング層と、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第２ｎ型クラッディング層であって、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であり、マルチ量子ウェルとｐ型層との間に位置する、第２ｎ型クラッディング層とを備えており、第１及び第２ｎ型クラッディング層のそれぞれのバンドギャップは、各々、マルチ量子ウェルにおけるウェルのバンドギャップよりも大きい。
【００２４】
更に別の態様では、本発明は、電磁スペクトルの赤から紫外線部分までにおいて発光可能な発光素子の半導体構造であり、複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮウェル層を有し、０＜ｘ＜１であり、対応する複数のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮバリア層によって分離されており、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１であるマルチ量子ウェルの形態のアクティブ部と、マルチ量子ウェルを支持するＩＩＩ族窒化物超格子と、マルチ量子ウェルに隣接し、マルチ量子ウェルに関して超格子の逆側にある、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの層であって、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、及び（ｘ＋ｙ）≦１であって、マグネシウムが実質的に存在しない、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの層と、ＡｌＩｎＧａＮ層に隣接し、ＡｌＩｎＧａＮ層に関してマルチ量子ウェルの逆側にあるＩＩＩ族窒化物の第１ｐ型層と、超格子を支持し、超格子に関してマルチ量子ウェルの逆側にある、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層とを備えている。
【００２５】
本発明の前述した、そしてその他の目的及び利点、ならびにこれらを達成する態様については、以下の詳細な説明及び添付図面において更に詳細に述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、電磁スペクトルの赤から紫外線の部分において発光可能な発光素子の半導体構造である。第１実施形態では、この構造は、第１ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッディング層と第２ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッディング層との間に配置したＩＩＩ族窒化物アクティブ部を含む。アクティブ部は、好ましくは、アクティブ層と、量子ウェル又はマルチ量子ウェルを含む。これについてはこの中において以下で更に説明する。第２ｎ型クラッディング層は、マグネシウムが実質的にない（即ち、マグネシウムは存在してもよいが、半導体素子に機能的な影響を及ぼさない程度の少量に過ぎない）ことを特徴とする。半導体構造自体は、更に、半導体構造内に位置し、第２ｎ型クラッディング層がｐ型層とアクティブ層との間にくるようにした、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層を特徴とする。加えて、アクティブ層のバンドギャップは、第１及び第２ｎ型クラッディング層のそれぞれのバンドギャップよりも小さい。ここで用いる場合、「層」という用語は単結晶エピタキシャル層全体を意味することとする。
【００２７】
個々の導電型（即ち、ｎ型又はｐ型）は偶発の場合もあるが、該当するドナー及びアクセプタ原子を用いてＩＩＩ族窒化物を具体的にドープした結果であることの方が一般的である。素子においてｐ−ｎ接合を形成するためには、逆の導電型の層を含むことが望ましい。順方向電圧バイアスの下では、ｐ−ｎ接合を通じて注入した少数キャリアは、再結合して所望の発光を行う。ＩＩＩ族窒化物の適切なドーピングは当技術分野では周知であり、ここでは本発明を説明するために必要なこと以外は、これ以上論じないこととする。
一般に、アクティブ部とクラッディング層がＩＩＩ族窒化物化合物を構成する。このような化合物におけるＩＩＩ族窒化物は、アルミニウム、インジウム、ガリウム、又は２つ以上のこのような元素の組み合わせとすることができる。
【００２８】
当業者には周知であろうが、アクティブ層、第１ｎ型クラッディング層、及び第２ｎ型クラッディング層におけるアルミニウム、インジウム、及びガリウムのモル比は、一般に、次の式ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮで表すことができ、ここで、０≦ｘ≦１、及び０≦ｙ＜１、そして（ｘ＋ｙ）≦１である。これに関して、アルミニウム、インジウム、及びガリウムの相対的濃度は、層毎に異なる場合もある。しかしながら、ＩｎＮは全ての可能な組み合わせの中でバンドギャップが最も低いのでクラッディング層は窒化インジウムとなることはできず（即ち、ｙ＝１）、更にＡｌＮは可能な全ての組み合わせの中で一番バンドギャップが高いので、アクティブ層は窒化アルミニウムとなることはできない（即ち、ｘ＝１）ことは当業者には理解されよう。これらの実施形態において、クラッディング層のエネルギ・バンド・ギャップはアクティブ層よりも大きいことは理解されよう。
【００２９】
本発明は、図１を参照することによって理解することができる。図１は、本発明によるＬＥＤの半導体構造の断面概略図である。この半導体構造は、全体的に１０で示されており、ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮの第１ｎ型クラッディング層１を含む。ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、そして（ｘ＋ｙ）≦１である。
また、半導体構造１０は、ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮの第２ｎ型クラッディング層も含み、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、そして（ｘ＋ｙ）≦１である。あるいは更に具体的な実施形態では、インジウムがない窒化アルミニウム・ガリウムのｎ型クラッディング層１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮという式を有し、０＜ｘ＜１である。これに関して、アルミニウム及びガリウム双方の存在（即ち、アルミニウム及びガリウムの合金）が必要であるので、変数ｘの範囲は０及び１を除外することは当業者には理解されよう。先に注記したように、第２ｎ型クラッディング層１２は、特定的にマグネシウムを除外しており、ドープされていてもまたドープされていなくてもよい。クラッディング層は、ｎ型、即ち、ドープされていなくてもよい。
【００３０】
ｎ型アクティブ層１３は、ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮという式を有し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、そして（ｘ＋ｙ）≦１であり、第１ｎ型クラッディング層と第２ｎ型クラッディング層１２との間に位置する。更に具体的な実施形態では、アクティブ層１３は、アルミニウムを含有せず、本質的に窒化インジウム・ガリウムからなり、ＩｎｙＧａ１−ｙＮという式を有し、０＜ｙ＜１である。これに関して、変数ｙの範囲は、０及び１双方を除外する。これは、当業者には周知であろうが、インジウム及びガリウム双方（即ち、インジウム及びガリウムの合金）の存在が必要であるからである。
【００３１】
半導体構造は、更に、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層１８によって特徴付けられる。これは、既に注記したように、第２ｎ型クラッディング層１２がｐ型層１８とアクティブ層１３との間にくるように、半導体構造に位置付けられている。好適な実施形態では、このｐ型層は、窒化ガリウム（好ましくは、マグネシウムをドープした窒化ガリウム）、窒化インジウム、又は式ＩｎｘＧａ１−ｘＮの窒化インジウム・ガリウム（０＜ｘ＜１）で作られる。
【００３２】
尚、ｐ型層１８がマグネシウムをドープした窒化ガリウムで作られる実施形態では、第２ｎ型クラッディング層１２は、ｐ型層１８からアクティブ層１３へのマグネシウムの移動を阻止するには十分厚く、しかもアクティブ層１３における電子と正孔の再結合が容易に行われる程度に薄くなければならないことを注記しておく。これによって、アクティブ層１３からの発光を最大限高める。更に、ｐ−ｎ接合がＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間の界面に形成されていない、即ち、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮのｐ−ｎ接合を回避するので、界面の界面状態密度は低下しているはずである。このような界面状態の低下によって、アクティブ層においてキャリアの再結合が効率化され、対応して素子全体の効率も高まることになる。
【００３３】
他の実施形態では、ｐ型層は、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮという式の窒化インジウム・ガリウム（０＜ｘ＜１）からなる群から選択し、選択的にドープしたｐ型ＩＩＩ族窒化物層で形成したｐ型超格子（スーパーラティス）を備えている。即ち、超格子は、これらＩＩＩ族窒化物層の内いずれか２つの交互層で形成するのが最良である。このような超格子では、窒化ガリウム及び窒化インジウム・ガリウムの交互層が最も好ましい。
アクティブ層１３は、ドープしても又はドープしなくてもよい。ＩＩＩ族窒化物の特性に精通している者には理解できるであろうが、非ドープ材料は、概して偶発的にｎ型となり、第２ｎ型クラッディング層１２がこれに該当する。即ち、第１ｎ型クラッディング層１１及び第２ｎ型クラッディング層１２のそれぞれのバンドギャップは、各々、アクティブ層１３のバンドギャップよりも長い。
【００３４】
これらの特性を得るために、ＩＩＩ族モル比率を選択することができる。例えば、図２は、バンドギャップ・エネルギ対格子パラメータについて理論的に示している。図２の三角形領域は、アルミニウム、インジウム、及びガリウムのＩＩＩ族窒化物に得られるバンドギャップ・エネルギの範囲を表す。図２から、いずれの特定の格子パラメータでも、ガリウムを除去すると、バンドギャップ・エネルギが最大になる（即ち、窒化アルミニウム・インジウムのバンドギャップは、ＡｌＮ−ＩｎＮセグメントによって規定される）ことが明白となる。
【００３５】
半導体構造、特にレーザ構造に精通する者には周知であろうが、アクティブ層は、隣接するｎ型クラッディング層よりもバンドギャップが低く、隣接するクラッディング層よりも屈折率が高くなければならない。このような構造は、レーザの能力に重要な２つの効果を与える。第１に、アクティブ層のバンドギャップが最も低い場合、これは量子ウェルを形成する可能性があり、その中にキャリアが落ち込み易くなる。これは、素子の効率を高めるのを促進する。第２に、構造内で屈折率が最も高い材料において、導波が発生する。したがって、アクティブ層のバンドギャップが隣接する層のそれよりも小さく、その屈折率が隣接する層のそれよりも大きい場合、素子のレーザ発生能力が高められる。
【００３６】
更に、当業者には理解されるであろうが、三元及び五元ＩＩＩ族窒化物の組成が、これらの屈折率及びこれらのバンドギャップに影響を及ぼす可能性もある。一般的に言うと、アルミニウムの割合が大きい程バンドギャップが減少し、屈折率が低下する。したがって、好適な実施形態では、クラッディング層１１及び１２のバンドギャップがアクティブ層１３よりも大きく、屈折率がアクティブ層１３よりも小さくなるように、クラッディング層１１及び１２は、アクティブ層１３と比較して、アルミニウム又はガリウムの比率が高いことが好ましい。クラッディング層１１及び１２のバンドギャップが大きい程、キャリアをアクティブ層１３に閉じ込め、これによって素子の効率が向上する。同様に、ヘテロ構造層１１及び１２の屈折率が低い程、光は一層好ましくアクティブ層１３に沿って（即ち、これに制限されて）案内されるようになる。
【００３７】
先に注記したように、前述の変数（例えば、ｘ及びｙ）は、これらの構造層に関係する。即ち、１つの層に対する変数の値は、他の層に対する変数の値には重要ではない。例えば、半導体構造を記述する際に、変数ｘは第１ｎ型クラッディング層１１に対して１つの値を有し、第２ｎ型クラッディング層１２に対して別の値を有し、アクティブ記述層１３に対して更に別の値を有することもできる。当業者には理解されようが、式ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮにおける制限０≦（ｘ＋ｙ）≦１から、ＩＩＩ族元素及び窒化物は１：１分子比で存在することが要件となる。
【００３８】
好適な実施形態のあるものでは、アクティブ層１３は、インジウムのモル分率が約０．０５と０．５５との間であるＩｎＧａＮ層からなる。図１及び図３を参照すると、クラッディング層は、アルミニウムのモル分率が約０．１４と０．２４との間であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ層であることが好ましく、一方、クラッディング層１１は、アルミニウムのモル分率が約０と０．１５との間であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ層であることが好ましい。図３を参照すると、ｐ型層１９は、アルミニウムのモル分率が約０と０．１５との間であるＡｌｘＧａ１−ｘＮであることが好ましい。
【００３９】
本明細書で用いる場合、２つの他の層の「間にある」１つの層の概念は、３つの層が必ずしも隣接している（即ち、密接状態）訳ではないということは、当業者には認められよう。むしろ、ここで用いる場合、２つの他の層の間にある１つの層という概念は、半導体構造における層の相対的な位置を記述することを意図している。同様に、ここで用いる場合、第３層の「逆側で」第２層に接触している第１層という概念は、半導体構造における第１及び第２層の相対的な位置を単に記述するに過ぎない。
【００４０】
即ち、半導体構造の好適な実施形態では、アクティブ層１３は、第１ｎ型クラッディング層１１に隣接する第１面１４と、第２ｎ型クラッディング層１２に隣接する第２面１５とを有する。言い換えると、このような実施形態では、アクティブ層１３は、第１ｎ型クラッディング層１１と第２ｎ型クラッディング層１２との間に直接挟持されており、この三層アイソタイプ・ヘテロ構造（即ち、材料の全てが同じ導電性であるヘテロ構造）を阻害する追加の層はない。このヘテロ構造は括弧１６で示されている。他の好適な実施形態では、ｐ型層１８が前記アクティブ層１３の逆側で前記第２ｎ型クラッディング層１２に接触している。
【００４１】
「ヘテロダイン」という構造の名称は、当技術分野では良く用いられて理解されている。これらの構造の態様については、例えば、SzeのPhysics of Semiconductor Devices（半導体素子の物理）、第２版（１９８１年）の７０８〜７１０頁において論じられている。引用したSzeの論述はレーザについて言及するが、ホモ構造、単一ヘテロ構造、及び二重ヘテロ構造素子の性質、及びこれらの間の相違を例示している。アイソタイプ・ヘテロ構造については、Hartman et al.による米国特許第４，３１３，１２５号によって論じられている。
【００４２】
また、半導体素子は、ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮの追加のｎ型層も含むことができ、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１、そして（ｘ＋ｙ）≦１である。図３に示す一実施形態では、第３ｎ型層１９が、第２ｎ型クラッディング層１２とｐ型層１８との間に位置付けられている。好ましくは、第３ｎ型層１９は、ｐ型層１８と接触する第１面と、第２ｎ型クラッディング層１２と接触する第Ｉ２面とを有する。
第３ｎ型層１９は、ｐ型層１８と格子が整合している。好ましくは、第３ｎ型層１９は、ｐ型層１８と共に、ｐ−ｎホモ接合を形成する。ｐ−ｎホモ接合を有すると、接合部における界面状態の数が減少する。このような状態は非放射再結合に至る可能性があるので、このような状態の数を削減すれば、再結合効率が向上し、素子全体の効率が向上する。
【００４３】
半導体素子１０は、更に、炭化珪素基板１７も備えることができ、これは第１ｎ型クラッディング層１１と同じ導電型を有する（即ち、ｎ型炭化珪素基板）。炭化珪素基板１７は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、またｈ１５Ｒのポリタイプを有することが好ましい。第１ｎ型クラッディング層１１は、炭化珪素構造１７とアクティブ層１３との間に位置する。本発明の一実施形態では、炭化珪素基板は、アクティブ層１３の逆側で第１ｎ型クラッディング層１１と接触している（即ち、炭化珪素基板１７と第１ｎ型クラッディング層１１との間には介在する層がない）。
【００４４】
炭化珪素基板１７は、単結晶であることが最も好ましい。当業者には周知であろうが、高品質の単結晶基板では多数の構造上の利点が得られ、これによって大幅な性能向上及び長寿命化という利点が得られる。炭化珪素基板１７は、米国特許第４，８６６，００５号（現在では米国特許第ＲＥ３４，８６１号）に記載されている方法によって形成することができる。好ましくは、炭化珪素基板１７及び第１クラッディング層１１はｎ型である。
【００４５】
図４に示す好適な実施形態では、第１ｎ型クラッディング層１１の第１面２１は炭化珪素基板１７と接触しており、第２面はアクティブ層１３と接触している。即ち、第１ｎ型クラッディング層１１の組成は、徐々に変化していき、その第１面２１における結晶格子が炭化珪素１７の結晶格子と一層密接に整合し、その第２面２２における結晶格子がアクティブ層１３の結晶格子と一層密接に整合するようにしている。炭化珪素基板１７に隣接する第１面２１において導電性を維持することを確保するためには、第１ｎ型クラッディング層１１には、十分なモル分率のインジウムが存在しなければならない。
【００４６】
当業者には理解されるであろうが、漸進的な変化には、段階的変化及び直線的変化の双方が含まれる。したがって、ここで用いる場合、それぞれの結晶格子を一層密接に整合させる概念は、完全な整合を暗示するのではなく、組成が徐々に、組成上変化していき、層界面におけるその格子の隣接する層の結晶格子との適合性が高まるようにした層を暗示する。素子を製造する際、多数の考慮点のバランスを取る必要があるが、その１つが格子の整合である。他の要因の方が重要な場合、完全な又は密接な格子整合の方が重要性が低いと考えられ、その逆の場合もある。
【００４７】
これに関して、ｎ型クラッディング層、特に、窒化アルミニウム・インジウムｎ型クラッディング層は、ガリウム含有アクティブ層、特に、窒化ガリウム及び窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層に対して選択的に格子を整合させ、歪みや欠陥を低減することができる。即ち、窒化アルミニウム・インジウムが有用であるのは、これらが低いバンドギャップで他のＩＩＩ族窒化物と格子を整合させることができ、したがってクラッディング層の材料として有用であるからである。図２を参照のこと。格子整合の効果は、ここでは、アクティブ部に対するマルチ量子ウェルと、１つ以上の超格子構造とを含む構造にも適用することができる。
当業者には理解されるであろうが、クラッディング層及びアクティブ層の格子整合は、一方側格子整合（即ち、アクティブ層の一方側で格子の整合が生ずる）、又は両側格子整合（即ち、アクティブ層の両側で格子の整合が生ずる）である可能性がある。
【００４８】
図５に示す別の実施形態では、半導体構造は、更に、炭化珪素基板１７と第１ｎ型クラッディング層１１との間に配置した導電性バッファ層２３も含む。この実施形態の変形では、導電性バッファ層２３は、炭化珪素基板１７と第１ｎ型クラッディング層１１との間に挟持され、介在する層はない。導電性バッファ層２３は、本質的に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮという式を有する窒化アルミニウム・ガリウムからなることが好ましく、０＜ｘ＜１である。あるいは、第１ｎ型クラッディング層１１が、本質的に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮという式を有する窒化アルミニウム・インジウムからなり、０＜ｘ＜１である場合、導電性バッファ層２３は、本質的に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮという式を有し、０＜ｘ＜１である、窒化アルミニウム・インジウムからなることが好ましい。その他の容認可能なバッファ及びバッファ構造は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第５，５２３，５８９号、第５，３９３，９９３号、及び第５，５９２，５０１号に記載されているものを含む。
【００４９】
第１ｎ型クラッディング層１１と導電性バッファ層２３との間の遷移を促進するために、半導体構造は、更に、ＩＩＩ族窒化物遷移層２４を含むことができる。これは、窒化ガリウムで形成することが好ましく、導電性バッファ層２３と第１ｎ型クラッディング層１１との間に位置する。図６を参照のこと。遷移層２４は、第１ｎ型クラッディング層１１と導電性が同じである（即ち、ｎ型遷移層）。
あるいは、図７に示すように、導電性バッファ層２３及び遷移層２４は、離散結晶部分２８と置換することもできる。これについては、本願と同じ譲受人に譲渡された、"Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure"（導電性バッファ層間構造を有する炭化珪素基板上のＩＩＩ族窒化物光素子）と題する米国特許第６，２０１，２６２号に更に詳しく開示されている。
【００５０】
更に別の実施形態では、半導体構造１０は、更に、第１オーミック・コンタクト２５と第２オーミック・コンタクト２６とを含む。図１に示したように、第１オーミック・コンタクト２５は、炭化珪素基板１７が第１オーミック・コンタクト２５と第１ｎ型クラッディング層１１との間にくるように半導体構造内に位置する。第２オーミック・コンタクト２６は、ｐ型層１８が第２オーミック・コンタクト２６と第２ｎ型クラッディング層１２との間にくるように、半導体構造内に位置する。
好ましくは、第１オーミック・コンタクト２５を、第１ｎ型クラッディング層１１とは逆側の（又は、個々の構造的実施形態に応じて、導電性バッファ層２３又は離散結晶部分２８とは逆側の）、炭化珪素基板１７上に直接配置し、第２オーミック・コンタクト２６は、第２ｎ型クラッディング層１２とは逆側のｐ型層１８上に直接配置する。この実施形態の変形では、第２オーミック・コンタクト２６と第２ｐ型層（図示せず）との間に、ｐ型層１８を挟持する。
【００５１】
当業者には認められようが、導電性バッファ層２３により、炭化珪素基板１７と第１ｎ型クラッディング層１１との間で物理的及び電子的遷移が生ずる。多くの状況において、導電性バッファ層２３が存在することにより、炭化珪素基板１７と第１ｎ型クラッディング層１１との間の格子差から生ずる可能性がある物理的な歪みを軽減するのに役立つ。更に、素子の縦型機能を保存するために、導電性バッファ層２３は、十分な導電性を有し、所望の又は必要な電流を搬送して半導体素子１０を動作させなければならない。同様に、遷移層２４は、同様の物理的及び電子的遷移に役立つ。
【００５２】
オーミック・コンタクト２５及び２６は、本発明の利点である縦型構造を完成させ、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）のような金属、合金、その配合物、又は２つ以上のこれらの金属の連続層で形成することが好ましいが、オーミック特性を有し、発光素子１０の構造や機能を妨害しないのであれば、当業者には既知のその他のオーミック・コンタクト材料で形成してもよい。
第１オーミック・コンタクト２５を炭化珪素基板１７に形成することに関しては、本発明は、サファイアを用いている他の素子と差別化される。サファイアは、導電性にすることができず、したがってオーミック・コンタクトに接続することはできない。その結果、サファイアを用いた素子は、ＬＥＤに最も好ましい類の縦型構造に形成することはできない。
【００５３】
したがって、好適な一実施形態では、本発明は、発光素子用半導体構造であり、この構造は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、又は１５Ｒポリタイプのｎ型単結晶炭化珪素基板１７と、窒化ガリウム（好ましくは、マグネシウムをドープした窒化ガリウム）、窒化インジウム、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、０＜ｘ＜１である窒化インジウム・ガリウムからなる群から選択した少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物で形成したｐ型層１８と、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、そして（ｘ＋ｙ）≦１である非ドープ・アクティブ層と、ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮであり、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、そして（ｘ＋ｙ）≦１である第１ｎ型クラッディング層１１と、ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮであり、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、そして（ｘ＋ｙ）≦１である第２ｎ型クラッディング層１２とを含む。最も好ましくは、ｐ型層１８は、前述のＩＩＩ族窒化物の内のいずれか２つの交互層で形成した超格子を備えている。
【００５４】
既に開示したように、第１ｎ型クラッディング層１１及び第２ｎ型クラッディング層１２は、それぞれのバンドギャップが、アクティブ層１３のバンドギャップよりも各々大きい。更に、第１ｎ型クラッディング層１１は、炭化珪素基板１７とアクティブ層１３との間に位置し、第２ｎ型クラッディング層１２は、アクティブ層１３とｐ型層１８との間に位置し、アクティブ層１３は、第１ｎ型クラッディング層１１と第２ｎ型クラッディング層１２との間に位置する。
【００５５】
第１ｎ型クラッディング層１１の組成は、徐々に変化させて、その第１面２１における結晶格子が炭化珪素１７の結晶格子に一層密接に整合し、その第２面２２における結晶格子がアクティブ層１３の結晶格子と一層密接に整合することができるようにしている。同様に、第２ｎ型クラッディング層１２の組成は、徐々に変化させて、その第２面における結晶格子がｐ型層１８の結晶格子と一層密接に整合することができるようにしている。先に注記したように、エピタキシャル層を横切る漸次的変化は、段階的変化及び連続的変化（即ち、段階がない）双方を含む。ｎ型クラッディング層１２をｐ型層１８に対して結晶を整合させることによって、これらの層の間に形成されるｐ−ｎ接合における界面状態の数が減少する。このような状態によって非放射再結合を生起することができるので、このような状態の数が減少すると、再結合の効率が向上し、したがってアクティブ層１３における素子全体の効率が向上する。
【００５６】
更に、そして前述の説明によれば、この好ましい構造は、１つ以上の次にあげる層も含むことができる。第３ｎ型クラッディング層１９、導電性バッファ層２３、ＩＩＩ族窒化物遷移層２４、離散結晶部分２８、ならびにオーミック・コンタクト２５及び２６。これに関して、導電性バッファ層２３は、式ＡｌｘＧａ１−ｘＮを有し、０≦１＜１である窒化アルミニウム・ガリウムであることが最も好ましい。
【００５７】
図８、図９、図１０、図１１及び図１２は、本発明の実施形態を含む種々の構造のバンドギャップ図である。バンドギャップ図８から１２の全ては、順方向バイアス（即ち、「フラット・バンド」状態）下におけるバンドギャップを表す。尚、図８から図１２のバンドギャップは、当然概略的であり、必ずしも同じ拡縮率で描かれている訳ではないことは、当業者には理解されよう。これは本発明の重要な面を示すが、実際のバンド構造は、図とは多少異なる場合もあることは理解されよう。図８〜図１２において、可能なときは、同じ参照番号を用いて図の同一部分を示すこととする。
【００５８】
加えて、図８〜図１２は単一のアクティブ層を示すが、図示の関係は、アクティブ部がマルチ量子ウェルである場合にも同様に適用されることも理解されるであろう。これについては以下で更に詳しく説明する。
図８は、ｎ型窒化ガリウム・クラッド層３０、窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層３１、及びｐ型窒化アルミニウム・ガリウム層３２を示す従来技術の素子のバンドギャップ図である。この素子では、ｐ−ｎ接合は３３における点線で表されている。
【００５９】
素子の物理的構造及び層間の界面の品質に関して、同一材料間では界面を高品質に作るのが最も簡単である。ＩＩＩ族窒化物の中では、窒化ガリウムと窒化ガリウムとの間の界面は高品質に作るのが最も簡単であり、窒化ガリウムと窒化アルミニウムとの間の界面の方が難しいが、その他の殆どよりは簡単である。２番目に悪いのは、窒化ガリウムと窒化インジウム・ガリウムとの間の界面であり、最も悪い界面品質は、窒化インジウム・ガリウムと窒化アルミニウム・ガリウムとの間であるのが通例である。
【００６０】
更に、窒化インジウム・ガリウムの分裂温度(disassociation temperature)は、一般に他のＩＩＩ族窒化物の全てよりも低いことが思い起こされよう。したがって、マルチ量子ウェルをアクティブ部として含むＩｎＧａＮアクティブ層が成長したならば、残りの層の成長温度は、窒化インジウム・ガリウム層の望ましくない分裂又は劣化を回避する温度に制限しなければならない。別の言い方をすれば、ＩｎＧａＮアクティブ層又はマルチ量子ウェルがない場合、ＡｌＧａＮ及びＧａＮ層を成長させる温度を高くすることができ、これらの材料のエピタキシャル層の品質を高めるには、一層好ましいことである（他の要因は全て等しいとする）。
【００６１】
その結果、窒化インジウム・ガリウム層を保護するために必要な窒化アルミニウム・ガリウム層を成長させるために用いた成長温度が低いと、得られた窒化アルミニウム・ガリウム層の品質は、高い温度で層を成長させることができる場合よりもいくらか劣ることになる。
したがって、通常ＡｌＧａＮ−ＡｌＧａＮ界面は優れたホモ接合を形成すると考えられているが、本発明では所望の窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層を保護するために成長温度を低くしなければならないため、窒化アルミニウム・ガリウムの品質は劣り、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウム層は特に悪い。その結果、窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層を組み込む素子では、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムとｎ型窒化アルミニウム・ガリウムとの間の界面及び接合は、概して非常に品質が低い。このように、本発明のこのような接合の回避は、反直観的であり、思いもよらない程、優れた素子が得られる。言い方を変えると、図８の構造を組み込んだ従来技術の素子は、ＩＩＩ族窒化物間に界面を必要とするが、これらを高品質で形成するのは困難である。
【００６２】
図９は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第６，４５９，１００号に記載されている素子を示す。図８におけるように、ｎ型窒化ガリウム層を３０で示し、窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層を３１で示し、ｐ−ｎ接合を３３で示し、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムを３２で示す。しかしながら、図９に示す素子は、追加のｎ型窒化ガリウム・クラッド層３４も含み、これは、窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層３１との界面を多少改善する。即ち、隣接するＧａＮ−ＩｎＧａＮ層は、隣接するＡｌＧａＮ−ＩｎＧａＮ層よりも、高品質の界面が得られる確率が高くなるという結果につながる。また、図９は、第２窒化ガリウム層３４とｐ型窒化アルミニウム・ガリウム層３２間に、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウム層３５も示す。最後に、図９は、追加のｐ型窒化ガリウム層３６を頂部コンタクト層として含む。この素子は、窒化アルミニウム・ガリウムの隣接する層間に形成されたｐ−ｎ接合３３を有するという利点があり、ＧａＮ層３４も同様に、図８のＡｌＧａＮ層３２よりも、窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層３１との界面を多少改善する。
【００６３】
図１０は、図１に示した、本発明の実施形態のバンドギャップ関係を示し、ｎ型窒化ガリウム層３０（図１では１１）が、ここでも、窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層３１（図１では１３）のクラッド層となっている。対向するクラッド層３６は、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成されており、素子はｐ型窒化ガリウム層３６で完成し、ｎ型ＡｌＧａＮ層３５とｐ型窒化ガリウム層３６との間にｐ−ｎ接合３３を規定する。これは、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウム３５とｐ型窒化ガリウム３６との間の界面にｐ−ｎ接合を有するという利点がある。先に注記したように、ＧａＮ−ＧａＮ接合以外では、ＡｌＧａＮ−ＧａＮ接合は、成功する素子に要求される品質で最も容易に形成できる。
【００６４】
図１１は、本発明の別の実施形態を示し、第１クラッド層がｎ型窒化ガリウム層３０であり、アクティブ層が窒化インジウム・ガリウム３１であり、第２クラッド層がｎ型窒化アルミニウム・ガリウム３５である。しかしながら、この実施形態は、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウム層３５に隣接して、追加のｎ型窒化ガリウム層３７を含む。その結果、ｎ型窒化ガリウム３７とｐ型窒化ガリウム３６との間にｐ−ｎ接合が形成され、構造的な観点から最高の品質が得られるＧａＮ−ＧａＮ界面が実現する。
【００６５】
図１２は、別の好適な実施形態を示し、ｎ型窒化ガリウム層３０が、ここでも窒化インジウム・ガリウム・アクティブ層３１の一方のクラッド層を形成する。同様に、頂部コンタクト層は、図１０及び図１１におけるように、ｐ型窒化ガリウム層３６である。クラッド及び遷移層として、図１２は、部分４０を含む。これは、ＩｎＧａＮアクティブ層３１との界面におけるｎ型窒化アルミニウム・ガリウムと、ｐ型窒化ガリウム層３６との界面における実質的に完全なｎ型窒化ガリウムとの間で組成が徐々に変化する。その結果、この場合も、ｐ−ｎ接合３３は、漸進変化層４０のｎ−ＧａＮ部分とｐ−ＧａＮ層３６との間のホモ接合として作られる。
【００６６】
アクティブ層とｐ−ｎ接合との間にある１つ又は複数の層の厚さは、素子の機能性に影響を及ぼす。層が薄すぎると、適切な閉じ込めを行うことができず、一方層が厚すぎると、その厚い層において過度に多くの再結合が行われてしまい、再結合を必要とするアクティブ層では行われなくなってしまう。したがって、図１に示した実施形態に関して、クラッド層１２の厚さは、約３０及び７０Åの間にするとよい。図３に示した実施形態に関しては、クラッド層１２の厚さは、約２０及び５０Åの間とするとよく、層１９の厚さは、約３０及び５０Åの間とするとよい。層２１及び１９全体の厚さは、当然約１００Å以下であることが好ましい。素子の効率に関して、１つの目標は、放射結合電流(radiative combination current)（Ｊｒ）を極力増大させつつ、非放射再結合電流（Ｊｎｒ）を極力減少させることである。これに関して、図８に示した構造は、最大の（即ち、最も望ましくない）非放射再結合電流を有する。図９の素子の非放射再結合電流は、図８のそれよりはいくらか少ないが、なおも図１０、図１１又は図１２の非放射再結合電流よりは大きく、非放射再結合電流が低い図１０、図１１又は図１２の方が好ましい。
【００６７】
図１３及び図１４は、本発明の実施形態の１つを更に詳細に示し、ここではアクティブ部がマルチ量子ウェル（「ＭＱＷ」）であり、超格子を素子構造の一部として組み込んでいる。一般に、超格子（各々厚さが数ｎｍの異なる２種類の半導体材料の交互層）は、優れた結晶成長及び素子の層間におけるより良い遷移を促進し支援することができる。超格子は、ＩＩＩ族窒化物光素子のクラッディング層における歪みを軽減することができ（例えば、厚いＡｌＧａＮクラッディング層はクラックが入り易い）、更にバルク膜と比較して、キャリアの濃度を高めることができる。マルチ量子ウェル（電子のポテンシャル・エネルギが層外部よりも少ない半導体の薄い層）は、キャリアを徐々に収集することによって、素子の効率を高める。また、マルチ量子ウェル構造では、光素子の出力（波長及び周波数）を調整する別の方法も得られる。通例、この方法では、ＩＩＩ族元素のモル分率、ドーパント濃度、ならびにウェル及びバリア層の厚さを制御する。
【００６８】
図１３及び図１４において、ＬＥＤ構造４５は、基板５０を備えており、これは４Ｈ又は６Ｈのｎ型炭化珪素であることが好ましい。また、基板５０は、サファイア、バルク窒化ガリウム、又はその他の適した基板でもよい。
図１３に示す実施形態は、基板５０上に成長した窒化ガリウム系半導体層を備えた層状半導体構造を含む。即ち、図示の実施形態は、以下の層を含む。導電性バッファ層５１、第１シリコン・ドープＧａＮ層５２、第２シリコン・ドープＧａＮ層５４、シリコン・ドープＧａＮ及び／又はＩｎＧａＮの交互層からなる超格子構造５６、マルチ量子ウェル構造からなるアクティブ領域６０、非ドープＧａＮ又はＡｌＧａＮ層６２、ｐ型不純物をドープしたＡｌＧａＮ層６４、同様にｐ型不純物をドープしたＧａＮコンタクト層６６。更に、この構造は、ｎ型基板５０上に形成したオーミック・コンタクト７０と、ｐ型コンタクト層６６上に形成したオーミック・コンタクト７２とを含む。
【００６９】
バッファ層５１は、ｎ型ＡｌＧａＮであることが好ましい。炭化珪素とＩＩＩ族窒化物材料との間のバッファ層の例は、本願と同じ譲受人に譲渡され、"Vertical Geometry InGaN Light Emitting Diode"（縦型形状のＩｎＧａＮ発光ダイオード）と題する米国特許第５，３９３，９９３号、第５，５２３，５８９、及び第６，４５９，１００号に提示されている。これらは、本願の譲受人に譲渡されている。第１ＧａＮ層５２は、厚さが約５００から３０００ｎｍまでの間であることが好ましく、厚さが約１５００ｎｍであることが最も好ましい。ＧａＮ層５２は、約１−２Ｅ１８ｃｍ−３（１−２×１０１８ｃｍ−３）のレベルでシリコンをドープされている。第２ＧａＮ層５４は、厚さが約１０から５０Åまでであることが好ましく、厚さが約８０Åであることが最も好ましい。ＧａＮ層５４には、約１Ｅ１９ｃｍ−３未満のレベルでシリコンがドープされている。
【００７０】
超格子構造５６は、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ及びＩｎＹＧａ１−ＹＮの交互層からなり、ｘは０と１までの間であり、ｘはｙに等しくない。好ましくは、ｘ＝０（即ち、インジウムはこのような層にはない）であり、ＩｎＧａＮの交互層の各々の厚さは、約８から１８Åまでであり、一方ＧａＮの交互層の各々の厚さは、約１５から２０Åまでである。超格子構造５６は、約５から５０周期からなる（１周期は、超格子を構成するＩｎＸＧａ１−ＸＮ及びＩｎＹＧａ１−ＹＮ層の各々の１回の繰り返しに等しい）。一実施形態では、超格子構造５６は、２５周期からなる。別の実施形態では、超格子構造５６は１０周期からなる。
【００７１】
アクティブ領域６０は、マルチ量子ウェル構造を備えており、バリア層７６によって分離された多数のＩｎＧａＮ量子ウェル層７４を含む。バリア層７６は、ＩｎＸＧａ１−ＸＮからなり、０＜ｘ＜１である。好ましくは、バリア層７６のバンドギャップが量子ウェル層７４よりも高くなるように、バリア層７６のインジウム組成は量子ウェル層７４のそれよりも小さい方がよい。バリア層７６及び量子ウェル層７４は、ドープしなくてもよい（即ち、シリコン又はマグネシウムのような不純物原子を故意にドープしない）。ＵＶ放出が望ましい場合、バリア層７６にＳｉを１Ｅ１９ｃｍ−３未満のレベルでドープすることが好ましい場合もある。
【００７２】
別の実施形態では、バリア層７６は、ＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮからなり、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、そして（ｘ＋ｙ）＜１である。バリア層７６の結晶にアルミニウムを含ませることによって、バリア層７６は量子ウェル層７４と格子を整合させることができ、量子ウェル層７４における結晶品質を改良し、素子の発光効率を高めることができる。
【００７３】
図１４を参照すると、一実施形態において、アクティブ領域６０は、高い結晶品質を有するウェル支持層７６ａからなる周期的繰り返し構造７７と、量子ウェル層７４と、量子ウェル層７４の保護キャップ層として機能するキャップ層７６ｂとを備えている。構造７７を成長させるとき、キャップ層７６ｂ及びウェル支持層７６ａが一体となって、隣接する量子ウェル７４の間にバリア層を形成する。好ましくは、ＩｎＧａＮ量子ウェル層７４を成長させるときに用いる温度よりも高い温度で、高品質ウェル支持層７６ａを成長させる。例えば、ＩｎＧａＮ量子ウェル層７４を成長させるために高品質の表面を得るためには、ウェル支持層７６ａを、約７５０及び９００℃の間の成長温度で成長させる。次に、成長室の温度を約５０℃だけ低下させ、高品質のＩｎＧａＮ量子ウェル層７４を成長させる。次いで、温度を低い方のＩｎＧａＮ成長温度に維持しつつ、キャップ層７６ｂを成長させる。このようにして、高品質のＩｎＧａＮ層からなるマルチ量子ウェル領域を製作することができる。
【００７４】
アクティブ領域６０は、窒素雰囲気において成長させることが好ましく、こうすることによって、ＩｎＧａＮ結晶品質が向上する。バリア層７６の厚さは、約５０から４００Åまでの間である。好ましくは、バリア層７６の厚さは約９０Åよりも大きく、厚さが約２２５Åであることが最も好ましい。量子ウェル層７４の厚さは、約１５から３５Åまでである。好ましくは、量子ウェル層の厚さは２０Åよりも大きく、厚さが約２５Åであることが最も好ましい。先に注記したように、量子ウェル層７４におけるインジウムの厚さ及び割合を様々に変化させれば、所望の波長を有する光を生成することができる。
【００７５】
アクティブ領域６０上に成長する層６２は、非ドープＧａＮ又はＡｌＧａＮであることが好ましく、厚さは約０及び５０Åの間であり、更に好ましくは厚さが約３５Åである。層６２がＡｌＧａＮからなる場合、このような層におけるアルミニウムの割合は、約１０から３０％が好ましく、約２４％が最も好ましい。層６２におけるアルミニウムのレベルも、段階的に又は連続して減少するように、徐々に変化させることができる。層６２は、量子ウェル領域６０の成長温度よりは高い温度で成長させると、層６２の結晶品質を高めることができる。非ドープＧａＮ又はＡｌＧａＮの追加層は、層６２の近傍に含ませることができる。例えば、ＬＥＤ４５は、層６２の直下に、厚さが約６から９Åの非ドープＡｌＧａＮの追加層を含むこともできる。
【００７６】
マグネシウムのようなｐ型不純物をドープしたＡｌＧａＮ層６４を、層６２の上に成長させる。ＡｌＧａＮ層６４の厚さは、約５０及び２００Åまでの間であり、厚さ約８５Åが最も好ましい。コンタクト層６６は、ｐ型ＧａＮで形成され、厚さが約１６００Åであることが好ましい。
オーミック・コンタクト７０及び７２は、それぞれ、ｐ−ＧａＮコンタクト層６６及び基板５０に被着される。
【００７７】
マルチ量子ウェル及び超格子の成長に関する追加情報は、米国特許出願公開第２００３−００２００６１号に明記されている。図面及び明細書には、本発明の典型的な実施形態を開示した。具体的な用語は、包括的かつ記述的な意味で用いられたに過ぎず、限定の目的ではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に明記してある。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明による発光素子の半導体構造の態様の断面概略図である。
【図２】アルミニウム、インジウム、及びガリウムのＩＩＩ族窒化物合金についてのバンドギャップ・エネルギ対格子パラメータのグラフである（線形補間を想定した）。
【図３】半導体構造の一実施形態の断面概略図である。
【図４】半導体構造の一実施形態の断面概略図である。
【図５】半導体構造の一実施形態の断面概略図である。
【図６】半導体構造の一実施形態の断面概略図である。
【図７】半導体構造の一実施形態の断面概略図である。
【図８】従来技術の素子に対応するバンドギャップ図である。
【図９】従来技術の素子に対応するバンドギャップ図である。
【図１０】本発明による素子のバンドギャップ図である。
【図１１】本発明による素子のバンドギャップ図である。
【図１２】本発明による素子のバンドギャップ図である。
【図１３】本発明の別の実施形態の断面概略図である。
【図１４】本発明の超格子部分の断面図である。
【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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【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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【国際調査報告】
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