(57)【要約】【課題】歪み、特に圧縮歪み管理のための効率的かつ費用効果的なアプローチ、および大幅に改善された材料品質およびデバイス性能の歪み管理を有するＬＥＤ、特に紫外線ＬＥＤ構造を開示する。【解決手段】発光装置のためのヘテロエピタキシー歪み管理構造は、基板またはテンプレートＳ１と、基板またはテンプレートＳ１上にエピタキシャルに形成されるエピタキシャル層Ｅ２とを備える。基板またはテンプレートＳ１によってエピタキシャル層に加えられる計算された面内圧縮歪みが１％以上であり、エピタキシャル層Ｅ２と基板またはテンプレートＳ１との間に挿入された高度にドープされた中間層ＨＤＩＬを含み、高度にドープされた中間層ＨＤＩＬは、エピタキシャル層Ｅ２の材料組成と実質的に同じ材料組成であり、厚さが４０〜４００ｎｍであり、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルでドープされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光装置のためのヘテロエピタキシー歪み管理構造であって、
基板またはテンプレートと、
前記基板またはテンプレート上にエピタキシャルに形成されるエピタキシャル層であって、前記基板またはテンプレートによってエピタキシャル層に加えられる計算された面内圧縮歪みが１％以上であるエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層と前記基板またはテンプレートとの間に高度にドープされた中間層と、を有し、
前記高度にドープされた中間層は、前記エピタキシャル層の材料組成と実質的に同じ材料組成であり、厚さが４０〜４００ｎｍであり、かつ、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルでドープされるヘテロエピタキシー歪み管理構造。
【請求項２】
前記エピタキシャル層がＡｌＮ層であり、前記基板がサファイア基板であり、前記高度にドープされた中間層が、厚さが５０〜１７５ｎｍのＳｉドープまたはＧｅドープされたＡｌＮ層であり、
前記発光装置は、
前記サファイア基板と、
前記サファイア基板の上に形成された、前記高度にドープされた中間層と、
前記高度にドープされた中間層の上に直接形成された前記ＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上に形成されたｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層と、
前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層の上に形成された発光活性領域と、
前記光活性領域の上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ構造と、
を有する請求項１に記載のヘテロエピタキシャシー歪み管理構造。
【請求項３】
前記エピタキシャル層がｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層であり、前記テンプレートがＡｌＮ層であり、前記高度にドープされた中間層がＳｉドープされたまたはＧｅドープされたＡｌＧａＮ層であり
前記発光装置は、
前記テンプレートと、
前記テンプレートの上に直接形成された、前記高度にドープされた中間層と、
前記高度にドープされた中間層の上に形成されたｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層と、
前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層の上に形成された発光活性領域と、
前記発光活性領域の上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ構造と、
を有する請求項１に記載のヘテロエピタキシャシー歪み管理構造。
【請求項４】
基板と、
前記基板の上に形成されたＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層の上に形成されたｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層と、
前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層の上に形成された発光活性領域と、
前記発光活性領域の上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ構造と、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ構造の上に形成されたｐ−コンタクト層と、を有し、
前記ＡｌＮ層と前記基板との間に、５×１０１９ｃｍ−３以上のドーピングレベルを有する厚さが４０〜４００ｎｍの高度にドープされたＡｌＮ中間層が挿入され、前記ＡｌＮ層が前記高度にドープされたＡｌＮ中間層上に直接形成される紫外線発光装置。
【請求項５】
前記高度にドープされたＡｌＮ中間層は、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルでＳｉまたはＧｅがドープされ、５０〜１７５ｎｍの範囲内の厚さを有する請求項４に記載の紫外発光装置。
【請求項６】
前記高度にドープされたＡｌＮ中間層の厚さが７０〜１５０ｎｍである請求項５に記載の紫外線発光装置。
【請求項７】
前記基板は、ｃ面またはａ面のサファイア基板である請求項４に記載の紫外線発光装置。
【請求項８】
前記ＡｌＮ層により前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層に作用する計算された面内圧縮歪みが１．０％以上であり、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルを有する高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＮ中間層が、前記ＡｌＮ層と前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層との間に挿入され、前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層は、前記高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＮ中間層上に直接形成される請求項４に記載の紫外線発光装置。
【請求項９】
前記ｐ−ＡｌＧａＮ構造によって前記ｐコンタクト層に作用する計算された面内圧縮歪みが１．０％以上であり、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルで高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層が前記ｐ−ＡｌＧａＮ構造と前記ｐコンタクト層との間に挿入され、前記ｐ−コンタクト層は前記高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層上に直接形成される請求項４に記載の紫外線発光装置。
【請求項１０】
基板と、
前記基板の上に形成されたＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層の上に形成されたｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層と、
前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層の上に形成された発光活性領域と、
前記発光活性領域の上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ構造と、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ構造の上に形成されたｐ−コンタクト層と、を有し、
ドーピングレベルが５×１０１９ｃｍ−３以上で厚さが４０〜４００ｎｍの第１の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＮ中間層が、前記ＡｌＮ層と前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層との間に形成され、前記第１の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層のＡｌ組成が前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層のＡｌ組成以上であり、前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層は前記第１の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＮ中間層上に直接形成される紫外線発光装置。
【請求項１１】
前記第１高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎｎ−ＡｌＮ中間層は、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３のドーピングレベルでＳｉまたはＧｅがドープされている請求項１０に記載の紫外発光装置。
【請求項１２】
前記第１の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＮ中間層は、１００〜３００ｎｍの範囲の厚さのｎ−ＡｌＧａＮ層である請求項１１に記載の紫外発光装置。
【請求項１３】
前記第１の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＮ中間層は、５０〜１７５ｎｍの範囲の厚さのｎ−ＡｌＮ層である請求項１１に記載の紫外発光装置。
【請求項１４】
ドーピングレベルが５×１０１９ｃｍ−３以上で厚さが４０〜４００ｎｍの高度にドープされたＡｌＮ中間層が、前記基板と前記ＡｌＮ層との間に挿入されている請求項１０に記載の紫外発光装置。
【請求項１５】
前記高度にドープされたＡｌＮ中間層は、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３のドーピングレベルでＳｉまたはＧｅがドープされ、厚さが５０〜１７５ｎｍの範囲である請求項１４に記載の紫外線発光装置。
【請求項１６】
５×１０１９ｃｍ−３以上のドーピングレベルを有する第２の高度ｎ−ＡｌＧａＮ中間層が、前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層と前記発光活性領域との間に挿入され、前記第２の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層のＡｌ成分は前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層のＡｌ成分と実質的に等しい請求項１０に記載の紫外発光装置。
【請求項１７】
前記第２の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層は、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルでＳｉまたはＧｅがドープされ、４０〜４００ｎｍの範囲である請求項１６に記載の紫外線発光装置。
【請求項１８】
前記第２の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層は、８０〜２００ｎｍの範囲の厚さである請求項１７に記載の紫外発光装置。
【請求項１９】
５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルを有する高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層が、前記ｐ−ＡｌＧａＮ構造と前記ｐコンタクト層との間に挿入されている請求項１０に記載の紫外発光装置。
【請求項２０】
前記高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層は、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルでＭｇがドープされ、Ａｌ成分がｐコンタクト層のＡｌ成分以上であり、４０〜８０ｎｍの範囲の厚さを有する請求項１９に記載の紫外線発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、面内圧縮歪みを有する2つの隣接する層と、それらの間に挿入された高度にドープされた歪み管理中間層とを有する半導体エピタキシャル層構造、および高度にドープされた歪み管理中間層を有するIII族窒化物系紫外線発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮなどの窒化物化合物半導体、およびそれらの三元および四元合金は、非常に重要なオプトエレクトロニクス材料とみなされている。合金組成に依存して、窒化物化合物は、４１０ｎｍから約２１０ｎｍの範囲の紫外線（ＵＶ）放出を可能にすることができる。これには、ＵＶＡ（４００〜３１５ｎｍ）、ＵＶＢ（３１５〜２８０ｎｍ）、ＵＶＣ（２８０〜２１０ｎｍ）の一部が含まれる。ＵＶＡの放出は硬化産業の革命につながり、殺菌効果によるＵＶＢやＵＶＣの放出は、食料、水、空気、および表面消毒事業の一般的な採用を期待している。水銀ランプのような従来のＵＶ光源と比較して、窒化物化合物でできたＵＶ光エミッタは本質的な利点を提供する。一般に、窒化物ＵＶエミッタは、堅牢で、コンパクトで、スペクトル調整可能で、環境に優しい。高い紫外線強度と線量を提供できることから、これらのＵＶエミッタは、空気、食物および水を新鮮に保ち、細菌、ウイルスおよび真菌などの微生物を含まないようにするのに理想的な光源の用途である。さらに、これらの固体素子の光出力は、数百メガヘルツまでの周波数で変調することができ、秘密通信および生化学検出のための革新的な光源として有望である。
【０００３】
ほとんどの市販のＵＶＢおよびＵＶＣ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ｃ面（（０００１）面）サファイアまたはＡｌＮ紫外線透明基板、エピタキシーテンプレートとして機能する基板上にコーティングされたＡｌＮ層、転位消滅および歪み管理のための一連のＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子である。ＡｌＮテンプレートとＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子を利用することにより、高品質の高導電率のｎ型ＡｌＧａＮ（ｎ−ＡｌＧａＮ）電子供給層を成長させることができ、次のＡｌＧａＮ系多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域に電子を注入する。ＭＱＷ活性領域の反対側には、オーミックコンタクト形成のためのＡｌＧａＮ電子ブロック層、ＡｌＧａＮ正孔注入層、正孔供給層、ＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層がある。先行技術のＡｌＧａＮ紫外線ＬＥＤ構造は、参考文献に見出すことができる。
（例えば、「Ｍｉｌｌｉｗａｔｔ  ｐｏｗｅｒ  ｄｅｅｐ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｌｉｇｈｔ-ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ｏｖｅｒ  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｗｉｔｈ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ａｔ  ２７８ ｎｍ」、Ｊ．Ｐ．Ｚｈａｎｇら、ＡＰＰＬＩＥＤ
ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８１，４９１０（２００２）（その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。）。
【０００４】
従来技術の紫外線ＬＥＤ構造では、効率的な紫外線ＬＥＤを実現するには、少なくとも４つ大きく圧縮された歪み界面が適切に対処される必要がある。興味深い界面１はサファイア−ＡｌＮ界面であり、（０００１）面のサファイアとＡｌＮとの間の面内格子不整合が約１３．１％の圧縮歪みを生じる。大きな１３．１％の圧縮歪みにかかわらず、低転位密度のＡｌＮテンプレートを得る必要性が高い。興味深い界面２は、ＡｌＮ−ＡｌＧａＮ界面である。計算すると、ＡｌＮテンプレートと電子供給体のｎ−ＡｌＧａＮ層との間の圧縮歪みは、ｎ−ＡｌＧａＮ層中のＡｌ−組成に線形的に依存して、０〜２．４７％の間で変化する。２７０ｎｍ以上の波長、例えば２８０ｎｍ、３１０ｎｍ、３４０ｎｍの波長のＵＶ放射の場合、ｎ−ＡｌＧａＮ層とＡｌＮテンプレートとの間の圧縮歪みは１．０％を超えることがある。このサイズの圧縮歪みは、ｎ−ＡｌＧａＮ層の転位発生および成長表面の粗面化につながる可能性がある。興味深い界面３は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ界面である。コヒーレントＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ  ＭＱＷは、高効率のＵＶ放射に必須であるが、ＡｌＧａＮ圧電効果のためにこのように完全に歪んだＭＱＷは、紫外線ＬＥＤの順方向電圧を高くする可能性がある。興味深い界面４は、ｐ型ＡｌＧａＮ正孔注入層／ｐ型コンタクト層界面である。ここでの大きな圧縮歪みは、ｐコンタクト層の表面形態および導電性を劣化させる可能性がある。
【０００５】
従来、サファイアやＧａＮなどの異種基板上のＡｌＧａＮヘテロエピタキシーの歪みを管理するために、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子が適用されていた（例えば、「Ｃｒａｃｋ-ｆｒｅｅ  ｔｈｉｃｋ  ＡｌＧａＮ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｕｓｉｎｇ  ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ＡｌＮ/ＡｌＧａＮ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｆｏｒ ｓｔｒａｉｎ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ」 、Ｊ．Ｚｈａｎｇら、Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.８０，３５４２（２００２）；「ＡｌＧａＮ  ｌａｙｅｒｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ＧａＮ  ｕｓｉｎｇ  ｓｔｒａｉｎ-ｒｅｌｉｅｆ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ」、Ｃ．Ｑ．Ｃｈｅｎら、Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.８１，４９６１（２００２年）;および米国特許第７，５４７，９２５号）。歪みを管理するためのこの超格子アプローチは、効果的であるには、通常、例えば、５ペアを超える、さらには１０ペアを超えるなどの、超格子の多数のペアを利用し、また、効果的であるには、超格子周期およびバンドギャップオフセットは十分に大きくなければならない。これらの制約は、ＵＶ光エミッタ構造内のいくつかの界面にとって歪み管理のための超格子アプローチを非実用的または不都合なものにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，５４７，９２５号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Ｍｉｌｌｉｗａｔｔ  ｐｏｗｅｒ  ｄｅｅｐ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｌｉｇｈｔ-ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ  ｏｖｅｒ  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｗｉｔｈ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ａｔ  ２７８ ｎｍ」、Ｊ．Ｐ．Ｚｈａｎｇら、ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８１，４９１０（２００２）
【非特許文献２】「Ｃｒａｃｋ-ｆｒｅｅ  ｔｈｉｃｋ  ＡｌＧａＮ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｕｓｉｎｇ  ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ＡｌＮ/ＡｌＧａＮ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｆｏｒ ｓｔｒａｉｎ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ」 、Ｊ．Ｚｈａｎｇら、Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.８０，３５４２（２００２）
【非特許文献３】「ＡｌＧａＮ  ｌａｙｅｒｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ＧａＮ  ｕｓｉｎｇ  ｓｔｒａｉｎ-ｒｅｌｉｅｆ  ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ」、Ｃ．Ｑ．Ｃｈｅｎら、Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.８１，４９６１（２００２年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、歪み、特に圧縮歪み管理のための効率的かつ費用効果的なアプローチ、および大幅に改善された材料品質およびデバイス性能の歪み管理を有するＬＥＤ、特に紫外線ＬＥＤ構造を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、発光デバイスのためのヘテロエピタキシー歪み管理構造を提供する。ヘテロエピタキシー歪み管理構造は、
基板またはテンプレートと、
前記基板またはテンプレート上にエピタキシャルに形成されるエピタキシャル層であって、前記基板またはテンプレートによってエピタキシャル層に加えられる計算された面内圧縮歪が１％以上であるエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層と前記基板またはテンプレートとの間に高度にドープされた中間層と、を有し、
前記高度にドープされた中間層は、前記エピタキシャル層の材料組成と実質的に同じ材料組成であり、厚さが４０〜４００ｎｍであり、かつ、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルでドープされる。
【００１０】
本発明の別の態様は、紫外線発光デバイスを提供する。紫外線発光装置は、
基板と、
前記基板の上に形成されたＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層の上に形成されたｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層と、
前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層の上に形成された発光活性領域と、
前記発光活性領域の上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ構造と、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ構造の上に形成されたｐ−コンタクト層と、を有し、
前記ＡｌＮ層と前記基板との間に、５×１０１９ｃｍ−３以上のドーピングレベルを有する厚さが４０〜４００ｎｍの高度にドープされたＡｌＮ中間層が挿入され、前記ＡｌＮ層が前記高度にドープされたＡｌＮ中間層上に直接形成される。
【００１１】
本発明のさらに別の態様は、紫外線発光装置を提供する。
【００１２】
紫外線発光装置は、
基板と、
前記基板の上に形成されたＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層の上に形成されたｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層と、
前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層の上に形成された発光活性領域と、
前記発光活性領域の上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ構造と、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ構造の上に形成されたｐ−コンタクト層と、を有し、
ドーピングレベルが５×１０１９ｃｍ−３以上で厚さが４０〜４００ｎｍの第１の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮまたはｎ−ＡｌＮ中間層が、前記ＡｌＮ層と前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層との間に形成され、前記第１の高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層のＡｌ組成が前記ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層のＡｌ組成以上である。
【００１３】
本発明のさらなる理解を提供し、本出願の一部を構成するために含まれる添付の図面は、本発明の実施形態を示し、説明と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。図中の同様の参照番号は全体を通して同様の要素を指し、層は同じ機能に関連する層のグループを指すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一態様による歪み管理原理を示しており、断面模式図は、その中の圧縮歪みを管理する高度の中間層を有する面内圧縮歪み材料系を示す。
【図２Ａ】ＡｌＮエピタキシャル層がひずみ管理の高度にドープされた中間層を有する異種基板上に形成される、本発明の一態様による実施形態を示す。
【図２Ｂ】様々な厚さの歪み管理の高度にドープされた中間層（高度にＳｉドープされたＡｌＮ）を有するサファイア基板上に形成されたＡｌＮエピタキシャル層上の実験的なX線ロッキングカーブデータを示す。
【図３Ａ】様々な歪み管理の高度ドープ中間層が組み込まれている、本発明の一態様による紫外線ＬＥＤ構造の断面概略図を示す。
【図３Ｂ】様々な歪み管理の高度ドープ中間層が組み込まれている、本発明の一態様による紫外線ＬＥＤ構造の断面概略図を示す。
【図４Ａ】本発明の実施形態に従って作製された紫外線ＬＥＤ構造の一部の二次イオン質量分析をプロットしたものである。
【図４Ｂ】本発明の実施形態に従って作製された紫外線ＬＥＤ構造の一部の二次イオン質量分析をプロットしたものである。
【図５】本発明の一実施形態による図３に示す高度にドープされた中間層２を有する場合と含まない場合の２７５ｎｍおよび３０７ｎｍの紫外線ＬＥＤのエレクトロルミネッセンススペクトルをプロットして比較する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、改善された量子効率を有する圧縮歪み管理を組み込んだ歪み管理アプローチおよびＬＥＤ、特に紫外線ＬＥＤ装置を開示する。本明細書を通して、用語III族窒化物または窒化物は、一般に、元素の周期律表のIIIＡ族から選択されるカチオンを有する金属窒化物を指す。すなわち、III族窒化物は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびこれらの三元（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ）および四元（ＡｌＩｎＧａＮ）合金を含む。この明細書では、第III族元素の１つが非常に小さい場合には、簡略化のために四元化合物を三元系に減らすことができる。例えば、四元ＡｌＩｎＧａＮのＩｎ組成が１％よりもかなり小さい場合、この四元ＡｌＩｎＧａＮは、単純化のために３元ＡｌＧａＮとして示すことができる。同じ論理を使用すると、III族元素の１つが非常に小さい場合、単純化のために三元を二元に減らすことができる。例えば、三元ＩｎＧａＮのＩｎ組成が１％よりもかなり小さい場合、この三元ＩｎＧａＮは、単純化のために二元ＧａＮとして示すことができる。III族窒化物または窒化物はまた、１０％以下のモル分率を有するＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮなどの遷移金属窒化物の小さな組成物を含むことができる。例えば、III族窒化物または窒化物は、（１−ｘ−ｙ−ｚ）≦１０％の、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＴｉ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＺｒ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＨｆ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎを含むことができる。III族窒化物層または活性領域は、その層または活性領域がIII族窒化物半導体からなることを意味する。
【００１６】
以下の説明では、ウルツ鉱ｃ面窒化物発光装置または構造が、本発明の原理および精神を解明するための例として使用される。当業者であれば、本明細書の教示を創造性なく、非ｃ面窒化物半導体、ＩＩ−ＶＩ半導体および他の格子不整合発光装置または半導体装置に適用することができる。
【００１７】
図１に、本発明の一態様による歪み管理原理を説明するために使用される、格子不整合材料のヘテロエピタキシー構造の断面模式図を示す。そこでは、Ｓ１は、自由面内格子定数ａ１０を有する一般的な基板またはテンプレートまたはエピタキシャル層を表し、Ｅ２は、Ｓ１上にエピタキシャル形成される自由面内格子定数ａ２０のエピタキシャル層を表す。紫外線ＬＥＤ用途では、Ｓ１は、サファイアまたはＡｌＮ基板、または適切な基板（例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉなど）上に形成されたＡｌＮテンプレートまたはＡｌＧａＮエピタキシャル層であり、Ｅ２は、ＡｌＮエピタキシャル層またはＡｌＧａＮエピタキシャル層である。ａ２０＞ａ１０の場合、Ｓ１上にエピタキシャル形成された層Ｅ２は、面内圧縮歪みを受ける。計算された面内圧縮歪み
【００１８】
【数１】
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の格子不整合ＡｌＧａＮエピタキシャル構造では、エピタキシャル層が基板またはテンプレート上に直接エピタキシャル形成されれば、高密度のミスフィット転位に加えて、エピタキシャル層が激しい表面粗面化を被ることになるというのが本発明者らの見解である。本発明によれば、圧縮ひずみを緩和するために、図１に示すように、高度にドープされた中間層（ＨＤＩＬ）が、基板／テンプレートＳ１とエピタキシャル層Ｅ２との間に挿入される。歪み管理層ＨＤＩＬは、層Ｅ２と同じ材料で作ることができ、層Ｅ２以外の異なる材料で作ることもできる。一実施形態では、Ｓ１はサファイア基板であり、Ｅ２はＡｌＮエピタキシャル層であるが、歪み管理層ＨＤＩＬは高度にドープされたＡｌＮ層である。別の実施形態では、Ｓ１はサファイア、炭化ケイ素またはシリコンなどの適切な基板上に形成されたＡｌＮテンプレートであり、Ｅ２はＡｌｘＧａ１−ｘＮエピタキシャル層であるが、歪み管理層ＨＤＩＬは、層Ｅ２と同じ組成の高度にドープされたＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（ｙ＝ｘ）、または層Ｅ２の組成以外の異なる組成、すなわちｙ≠ｘ、好ましくはｙ＞ｘである。さらに別の実施形態では、Ｓ１はＡｌｚＧａ１−ｚＮエピタキシャル層であり、Ｅ２はＡｌｘＧａ１−ｘＮエピタキシャル層であり、ここでｘ＜ｚであり、歪み管理層ＨＤＩＬは層Ｅ２と同じまたは異なる組成の高度にドープされたＡｌｙＧａ１−ｙＮ層であり、好ましくは１≧ｙ≧ｘである。
【００１９】
導電型要件に依存する歪み管理層ＨＤＩＬに対するドーパントは、ドナー、アクセプタ、または深いレベルのタイプのドーパントとすることができる。例えば、窒化物ＨＤＩＬにおいて、ドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｃ、Ｆｅ、Ｎｉ等から選択することができる。好ましくは、ドーパントは、Ｓｉ、ＧｅまたはＭｇのようなドーパントのドナー型またはアクセプタ型である。ドーパント濃度は、圧縮歪みの強度またはサイズと相関させることができる。例えば、１．０％以上の圧縮歪みの場合、ドーパント濃度は、５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３、例えば８×１０１９〜２×１０２０ｃｍ−３の範囲であり得る。１．０％未満の圧縮ひずみの場合、ドーパント濃度は、８×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３の範囲内であり得る。歪み管理層ＨＤＩＬの厚さは、一般に４０〜４００ｎｍの範囲であり、以下の説明で詳細に述べる特定の実施形態に応じて、例えば４０〜８０ｎｍ、５０〜１７５ｎｍ、または１００〜３００ｎｍである。
【００２０】
歪み管理層ＨＤＩＬは、通常、均一なドーパント濃度を有する単一の層である。望ましい場合、ドーパント濃度は、歪み管理層ＨＤＩＬ内の層成長方向に沿って増加または減少することができる。歪み管理層ＨＤＩＬは通常、Ｓ１上に直接形成され、層Ｅ２は通常、歪み管理層ＨＤＩＬ上に直接形成される。望ましい場合、歪み管理層ＨＤＩＬとＳ１との間、または歪み管理層ＨＤＩＬと層Ｅ２との間に他の適切な層を挿入することができ、例えば核形成層を歪み管理層ＨＤＩＬと基板Ｓ１との間に挿入することができる。歪み管理層ＨＤＩＬは、以下でより詳細に説明されるように、層の対の圧縮歪みを低減するように、発光装置内の様々な位置で様々な層の対の間に挿入することができる。
【００２１】
図２Ａは、本発明の一実施形態による歪み管理構造の断面概略図である。基板１０は、ｃ面（またはａ面）のサファイア基板であることができ、エピタキシャル層２４は、後の層成長のためのテンプレート層として働くＡｌＮ層である。（ｃ面）サファイア上にエピタキシャル形成されたＡｌＮ層の面内圧縮歪み（１３．１％）を考慮すると、層２４と基板１０との間に挿入されるのは、歪み管理層２２、すなわち高度にドープされた中間層１である。歪み管理層２２は、ＡｌＮからなり、５×１０１９ｃｍ−３以上、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３、例えば８×１０１９〜２×１０２０ｃｍ−３のドーピングレベルまで、好ましくはＳｉまたはＧｅを高度にドープしたものである。一般に、歪み管理層２２の厚さは、４０〜４００ｎｍ、例えば５０〜１７５ｎｍ、または７０〜１５０ｎｍの範囲にある。図２Ａには示されていないが、歪み管理層２２と基板１０との間に、厚さ１５〜３０ｎｍのＡｌＮからなる核形成層が存在してもよい。
【００２２】
歪み管理層２２および層２４は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）をそれぞれアルミニウム、窒素およびドーパントシリコンの前駆体として使用することができる金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって基板１０上にエピタキシャルに形成することができる。歪み管理層２２の形成温度は、層２４の形成温度よりも１００〜３００℃低くすることができる。例えば、歪み管理層２２の形成温度は１１３０〜１１８０℃の範囲であり得るが、層２４の形成温度は１２５０〜１４５０℃の範囲であり得る。ＭＯＣＶＤ反応器がより高い温度に対応できる場合、層２４の形成温度は、１４５０℃より高くすることもできる。歪み管理層２２および層２４は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）および分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの他のエピタキシー法を用いて、基板１０上にエピタキシャルに形成することもできる。
【００２３】
実験的には、高品質のＡｌＮエピタキシャル層が、図１に示す教示および上記の関連する説明、および図２Ａに示す実施形態に従って、高度にドープされた中間層を用いてサファイア基板上に形成されている。図２Ｂにプロットされているのは、いくつかのＡｌＮエピタキシャル層（ＡｌＮエピタキシャル層が、高度にドープされたＡｌＮ中間層上に直接形成されている）材料品質データと高度にドープされたＡｌＮ中間層の厚さであり、材料品質データは、（１０．２）Ｘ線ロッキングカーブの全幅半値（ＦＷＨＭ）データで示されている。図２Ｂに示す構造で使用されるＡｌＮエピタキシャル層および高度にドープされたＡｌＮ中間層は、すべてＴＭＡ、ＮＨ３およびＳｉＨ４を前駆体として用いたＭＯＣＶＤによって形成され、基板１０がｃ面サファイア基板であり、層２４が１．８μmのＡｌＮエピタキシャル層であり、歪み管理層２２が高度にドープされた様々な厚さのＡｌＮ中間層である。ここでは、歪み管理層２２のドーパント濃度を１×１０２０ｃｍ−３に一定に保ち、歪み管理層２２および層２４を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成し、歪み管理層２２および層の形成温度２４はそれぞれ１１６０℃および１３２０℃であった。明らかなように、ＡｌＮ層（２４）の（１０．２）Ｘ線ロッキングカーブＦＷＨＭは、高度にＳｉドープされたＡｌＮ中間層（２２）の厚さに対して非常に敏感である。高度にＳｉドープされたＡｌＮ中間層（２２）の厚さが０から７４ｎｍに増加すると、ＦＷＨＭ値は５００から２３９ａｒｃｓｅｃに急激に低下し、１７５ｎｍ未満の厚さでは４００ａｒｃｓｅｃ未満を維持する。Ｘ線（１０．２）ロッキングカーブＦＷＨＭ値が小さいほど、材料品質が良好であるため、したがって、図２Ｂは、本研究における高度にＳｉドープされたＡｌＮ中間層の最適厚さが５０〜１７５ｎｍ以内であることを決定する。その厚さをさらに厚くすると、ＡｌＮ層表面上にピットが形成される可能性を含む材料品質の低下を招く可能性がある。一般に、高度のＳｉドープＡｌＮ中間層の形成温度を低下させ、そのＳｉドープレベルを増加させることにより、最適なＡｌＮ中間層の厚さを減少させることができる。
【００２４】
波長２７０〜２８０ｎｍの紫外線を照射する場合、電子供給層として５５％〜５９％のＡｌ組成（ｘ）のｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が適用される。３１０ｎｍおよび３４０ｎｍのＬＥＤの場合、電子供給部のｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成は、それぞれ４２％〜５０％および３０％〜３５％の範囲にある。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の格子定数（ａ(ｘ)）は、
【００２５】
【数２】
2018022883.tif 000004
として計算することができ、ここで、
【００２６】
【数３】
2018022883.tif 000005
および
【００２７】
【数４】
2018022883.tif 000006
はそれぞれ、ＡｌＮおよびＧａＮの自由格子定数である。したがって、ＡｌＮテンプレート上のＡｌ０．６Ｇａ０．４ＮおよびＡｌ０．５９Ｇａ０．４１Ｎエピタキシャル層の本明細書で前に定義した計算された歪み（格子不整合）は、それぞれ０．９９％および１．０１％である。すなわち、厚いＡｌＮ基板／テンプレートの上にコヒーレントに形成された６０％未満のＡｌ組成のＡｌＧａＮ層は、１．０％以上の計算された面内圧縮歪みを受ける傾向がある。より一般的には、厚いＡｌｙＧａ１−ｙＮテンプレートの上にエピタキシャルに形成された薄いＡｌｘＧａ１−ｘＮエピタキシャル層の場合、１．０％以上の計算された面内圧縮歪みは、ｙ−ｘ＞０．４であればＡｌｘＧａ１−ｘＮエピタキシャル層に作用する。ここで、厚いＡｌＮ基板／テンプレートまたは厚いＡｌｙＧａ１−ｙＮテンプレートは、その厚さが一般に１０００ｎｍより大きく、好ましくは２０００ｎｍより大きく、好ましくは３０００ｎｍより厚いことを意味する。薄いＡｌｘＧａ１−ｘＮエピタキシャル層は、その厚さが数ナノメートルから数千ナノメートルの範囲にあることを意味する。基板またはテンプレートは、通常、エピタキシャル層の厚さよりも厚く、エピタキシャル層のエピタキシャルベースとして役立つ。このサイズの圧縮歪み（≧１．０％）は、表面粗面化の成長をもたらす傾向がある。本発明のこの態様によれば、ＡｌＮ基板または厚いＡｌＮテンプレート上に形成された６０％未満のＡｌ組成の電子供給体ｎ−ＡｌＧａＮ層を有するＵＶエミッタが提供される。また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌｙＧａ１−ｙＮヘテロ構造を含む紫外線ＬＥＤ構造も提供され、ここでｙ−ｘ＞０．４であり、それらの間に高度にドープされた中間層を介して歪み管理が行われる。
【００２８】
本明細書全体にわたって、「圧縮歪み」という用語は、特に明記しない限り、上述のように計算された面内圧縮歪みを意味する。
【００２９】
図３Ａに示すように、紫外線ＬＥＤが提供される。基板１０はｃ面（またはａ面）のサファイア基板であり、エピタキシャル層２４はＡｌＮ層である。（ｃ面）サファイア上にエピタキシャル形成されたＡｌＮ層の大きな面内圧縮歪み（１３．１％）を考慮すると、歪み管理層２２、すなわち高度にドープされた中間層１が、中間層２４と基板１０との間に挿入される。図３Ａには示されていないが、歪み管理層２２と基板１０との間に、厚さ１０〜２０μｍのＡｌＮからなる核形成層が存在してもよい。歪み管理層２２は、ＡｌＮからなり、５×１０１９ｃｍ−３以上、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲の濃度にＳｉまたはＧｅを高度にドープすることが好ましい。一般に、歪み管理層２２の厚さは４０〜４００ｎｍの範囲にある。図２Ｂから分かるように、層２２の好ましい厚さは、５０〜１７５ｎｍ、または７０〜１５０ｎｍである。歪み管理層２２の形成温度は、層２４の形成温度よりも１００〜３００℃低くすることができる。例えば、層２２の形成温度は、１１３０〜１１８０℃の範囲であり得るが、層２４の形成温度は、１２５０〜１４５０℃の範囲であり得る。層２４は、ＵＶエミッタのエピタキシャルテンプレートとしての役割を果たすので、ＵＶエミッタの構造品質の基礎を確立するために、層２４の厚さは、好ましくは、１μｍより厚く、例えば、２〜３μｍ、または３μｍより厚いことが好ましい。層２４の上に形成された厚いｎ−ＡｌＧａＮ層３４は、ＵＶエミッタのｎ型コンダクタンスを支配するために２μｍより厚い、例えば２．５〜４．０μｍの厚さを有する電子供給層である。層３４のためのｎ型ドーパントは、１．５×１０１８〜４．０×１０１８ｃｍ−３の範囲のドーピングレベルを有するＳｉまたはＧｅであり得る。
２７０ｎｍ以上のＵＶ放射の場合、層３４のＡｌ組成は６０％未満である。例えば、２７０〜２８０ｎｍのＵＶ放射の場合、層３４のＡｌ組成は５５％〜５９％の範囲であり、３１０ｎｍおよび３４０ｎｍのＬＥＤについては、層３４のＡｌ組成はそれぞれ４２％〜５０％および３０％〜３５％の範囲である。層２４上に直接形成される場合、層３４は１．０％より大きい計算された面内圧縮ひずみを被り、望ましくない成長表面粗さを生じる可能性がある。本発明によれば、歪み管理層３２、すなわち高度にドープされた中間層２がテンプレート層２４と電子供給層３４との間に挿入され、圧縮歪みを吸収する。歪み管理層３２は、電子供給層３４のＡｌ組成と等しいかまたはそれより高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮからなる。いくつかの実施形態では、層３２は、層３４のＡｌ組成と等しい高組成ＡｌＧａＮ層である。いくつかの実施形態では、層３２は、層３４のＡｌ組成よりも高い、例えば層３４より２％〜５％高いＡｌ組成を有する高度にドープされたＡｌＧａＮ層である（例えば、層３４のＡｌ組成が３５％の場合、層３２のＡｌ-組成は、３７％〜４０％の範囲内であり得る。）。いくつかの実施形態では、層３２は、高度にドープされたＡｌＮ層である。層３２は、５×１０１９ｃｍ−３以上、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲、例えば８×１０１９〜２×１０１０ｃｍ−３の濃度にＳｉまたはＧｅを高度にドープすることができる。一般に、歪み管理層３２の厚さは、４０〜４００ｎｍの範囲、１２０〜２００ｎｍなど、例えば１００〜３００ｎｍの範囲にある。層３２の形成温度は、電子供給層３４のそれより低いか、または２０〜１００℃低くすることができる。例えば、層３２の形成温度は９３０〜１０５０℃の範囲内であり得るが、層３４の形成温度は１０３０〜１１００℃の範囲内であり得る。図３Ａには示されていないが、層３２、３４の間には、１０〜１００ｎｍの範囲の厚さを持つ、層３４と同じ組成のアンドープＡｌＧａＮ層が存在してもよい。
【００３０】
電子供給層３４上には、歪み管理層３６、すなわち、厚さ４０〜４００ｎｍ、好ましくは厚さ８０〜３００ｎｍの、８×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３でｎ型ドーパントが高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層３が形成されている。層３６上には、８０〜１４０ｎｍの厚さで２×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３のドーピングレベルを有する軽度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ層３８が形成される。層３６は、活性領域ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ４０内の圧縮ひずみおよび圧電場を収容/軽減するために使用される。層３６は、活性領域ＭＱＷ４０の量子井戸に対して量子障壁によって加えられる計算された圧縮歪みが０．３％より大きい場合に特に望ましい。層３４、３６、３８は実質的に同じ組成を有することができる。
【００３１】
活性領域ＭＱＷ４０上に形成されるのは、電子供給層３４の１．２〜１．５倍のＡｌ組成を有する単一のｐ−ＡｌＧａＮ層とすることができるｐ−ＡｌＧａＮ構造５０、またはＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮなど、ｐ型のドープされた超格子または多層の層である。ｐ−ＡｌＧａＮ構造５０の上に形成されるのは、歪み管理層６２、すなわち高度にドープされた中間層４が間に挿入された、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐコンタクト層６４である。歪み管理層６２は、ＵＶＣ／ＵＶＢ  ＬＥＤの場合、ｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ構造５０のＡｌ組成がｐ−コンタクト層（ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）６４（ｙ-ｘ＞０．４）のＡｌ組成よりもはるかに高いので、ｐ−ＡｌＧａＮ構造５０とｐ−コンタクト層６４との間の圧縮歪みに対応するために使用される。歪み管理層６２は、ｐコンタクト層６４のＡｌ組成よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮからなる。歪み管理層６２は、好ましくはＭｇを５×１０１９ｃｍ以上、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３、例えば８×１０１９〜２×１０２０ｃｍ−３の範囲の濃度で高度にドープされたｐ型である。一般に、歪み管理層６２の厚さは４０〜８０ｎｍの範囲にある。歪み管理層６２の形成温度は、ｐコンタクト層６４のそれよりも５０〜１００℃低くすることができる。例えば、層６２の形成温度は、８００〜９２０℃の範囲であり得るが、層６４の形成温度は、９００〜１０２０℃の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、層６２、６４はＭｇドープＧａＮ、またはＩｎ組成が５％未満のＭｇドープＩｎＧａＮで作られる。
【００３２】
紫外線ＬＥＤは、図３Ａにしたがい、ｐ−コンタクト層６４上にｐ−オーミックコンタクトメタル７２を形成し、ｐ−メタルパッド７４が層７２上に形成されることによって製造することができる。ｎ−コンタクト側では、ｎ−オーミックコンタクトメタル層８２が、好ましくは歪み管理層３６上に形成され、ｎ−メタルパッド８４が層８２上に形成される。ｎ−メタルパッド８４およびｐ−メタルパッド７４は金（Ａｕ）で形成され、ｐ−オーミックコンタクトメタル層７２はＮｉ／Ａｕ積層物から作られ、ｎ−オーミックコンタクトメタル層８２は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ積層物から作ることができる。図３Ａに示す紫外線ＬＥＤ構造は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎ、ＳｉおよびＭｇのソースにそれぞれＴＭＡ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３、ＳｉＨ４およびＣｐ２Ｍｇを（ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム）を前駆体として用いてＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャルに形成することができる。ｃ面サファイア基板（１０）がＭＯＣＶＤ反応器に装填される。水素およびアンモニアガスの流れおよび圧力７０ｍｂａｒの雰囲気下で、基板を約８０〜１００℃／分の昇温速度で室温から１０００℃まで加熱する。次いで、核形成ＡｌＮ層の堆積のために、基板を１０００℃から６５０℃まで６０℃／分の傾斜速度で冷却する。核形成層ＡｌＮは厚さ２０ｎｍであり、ＴＭＡおよびアンモニア源を同時に開き、５ｎｍ／分の成長速度で形成される。その後、ＡｌＮ核形成層を有する基板は、高度にＳｉドープされたＡｌＮ層（層２２）の形成のために、１００℃／分の上昇率で１１６０℃まで加熱される。いくつかの実施形態では、層２２は５０ｎｍの厚さであり、２×１０２０ｃｍ−３の濃度でＳｉでドープされる。いくつかの実施形態では、層２２は５０ｎｍの厚さであり、５×１０１９ｃｍ−３の濃度のＳｉでドープされる。さらにいくつかの実施形態では、層２２は７０ｎｍの厚さであり、１×１０２０ｃｍ−３の濃度のＳｉでドープされる。さらにいくつかの実施形態では、層２２は１５０ｎｍの厚さであり、９×１０１９ｃｍ−３の濃度でＳｉドープされる。層２２の成長速度は１０ｎｍ／分である。層２２の形成が完了すると、基板１０とのウェハと高度にドープされた層２２は、１．０〜３．０μｍ／時間の成長速度で、厚いＡｌＮ層２４の形成のために１３２０℃まで加熱される。続いて、ウェハは、高度にＳｉがドープされたＡｌＧａＮである層３２を形成するために１０８０〜１１００℃に冷却される。いくつかの実施形態では、２７０〜２８０ｎｍの紫外線ＬＥＤの場合、層３２は、１．５×１０２０ｃｍ−３でＳｉがドープされた厚さ２５０ｎｍのＡｌ０．５８Ｇａ０．４２Ｎからなる。いくつかの実施形態では、層３２は、Ｓｉが１．０×１０２０ｃｍ−３でドープされた厚さ１５０ｎｍのＡｌ０．５８Ｇａ０．２２Ｎからなり、いくつかの実施形態では、層３２は、１．１×１０２０ｃｍ−３でＳｉがドープされた厚さ５０ｎｍのＡｌＮからなる。３１０ｎｍの紫外線ＬＥＤの場合、いくつかの実施形態では、層３２は、Ｓｉが１．５×１０２０ｃｍ−３でドープされた厚さ２００ｎｍのＡｌ０．５８Ｇａ０．４２Ｎからなり、いくつかの実施形態では、層３２は、１．３×１０２０ｃｍ−３���Ｓｉがドープされた厚さ２５０ｎｍのＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎからなり、いくつかの実施形態では、層３２は、１．１×１０２０ｃｍ−３のＳｉでドープされた厚さ５０ｎｍのＡｌＮからなる。層３２に続いて、同様の温度およびガス流条件（シラン流を除く）で、３．０×１０１８ｃｍ−３でＳｉがドープされた厚さ２．８μｍのｎ−ＡｌＧａＮ層３４が、電子供給層として層３２上に形成される。次に、厚さ２００ｎｍの層３６を形成するために、成長圧力を１０８ミリバールに上げ、Ｓｉドーピングレベルを１．５×１０１９ｃｍ−３に増加させる。次に、厚さ１００ｎｍの層３８を形成するためにＳｉドーピングレベルを３×１０１７ｃｍ−３に減少させる。層３６、３８は、層３４のＡｌ組成と同様の（同じまたはわずかに低い、例えば２％〜５％低い）Ａｌ組成である。続いて形成される層３８は、活性領域ＭＱＷ４０である。次いで、ウエハ温度は、約１．５×１０１９〜３．０×１０１９ｃｍ−３のＭｇドーピングレベルを有するｐ−ＡｌＧａＮ構造５０の形成のために、９８０〜１０２０℃に下げられる。次に、層６２を形成するために、温度をさらに８００〜８５０℃に下げる。いくつかの実施形態では、層６２は厚さ５０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎであり、いくつかの実施形態では、層６２は厚さ４０ｎｍのＭｇドープＧａＮであり、いくつかの実施形態では、層６２は厚さ６０ｎｍのＭｇドープＧａＮであり、いくつかの実施形態では、層６２は厚さ４０ｎｍのＭｇドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎである。この温度を低下させることにより、層６２へのＭｇの取り込み率を目標Ｍｇ濃度５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３に増加させることができある。次に、ｐ−コンタクト層６４を形成するために、温度を９２０〜９５０℃に上昇させる。いくつかの実施形態では、層６４は厚さ１５０ｎｍのＭｇドープＧａＮであり、いくつかの実施形態では、層６４は厚さ１００ｎｍのＭｇドープＧａＮであり、いくつかの実施形態では、層６４は厚さ５０ｎｍのＭｇドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎである。層６４のＭｇドーピングレベルは、２．５×１０１９〜５．０×１０１９ｃｍ−３であり得る。
【００３３】
図３Ａに示す紫外線ＬＥＤは、４つの高度にドープされた中間層、すなわち層２２、３２、３６、６２を含む。他の実施形態では、高度にドープされた中間層のいくつかは存在しなくてもよい。例えば、本発明のこの態様による実施形態では、図３Ｂに示すように、歪み管理層２２を省略することができる。これは、例えば、テンプレート層２４がＡｌＮ層であり、基板１０がＡｌＮまたはＳｉＣ基板である場合、基板１０およびテンプレート層２４が１％未満の格子不整合を有する場合に実用的である。他の実施形態では、特に、活性領域ＭＱＷ４０の量子井戸に対して量子障壁によって加えられる計算された圧縮歪みが０．３％未満である場合、歪み管理層３６を省略することができ、さらに他の実施形態では、特に、ｐ−ＡｌＧａＮ構造５０によってｐコンタクト層６４に加えられた計算された圧縮歪みが１％未満である場合、歪み管理層６２を省略することができる。
【００３４】
図４Ａおよび図４Ｂにプロットされるのは、図３Ａに基づいて作製された紫外線ＬＥＤにおける高度にドープされた中間層を明らかにする実験データである。ここで、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）深さプロファイリングデータを使用して、図３Ａに従って作製された、サファイア基板上に形成されたＡｌＧａＮ紫外線ＬＥＤの様々な層のドーパント濃度を分析する。図４Ａに示すように、強い酸素（Ｏ）不純物ピーク（＞１０２１ｃｍ−３）が、エピタキシャル層−基板界面を規定し、Ｏ不純物はサファイア基板から来る。この試験用紫外線ＬＥＤでは、Ｓｉドープレベルが〜９×１０１９ｃｍ−３で厚さが〜７０ｎｍの厚いＳｉドープＡｌＮ中間層、歪み管理層２２が、厚さが〜２０００ｎｍのＡｌＮテンプレート層２４とサファイア基板１０との間に形成されている。高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層３２がＡｌＮテンプレート層２４上に形成され、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層３４が、高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層３２上に形成される。ここで、高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層３２は、〜２５０ｎｍの厚さ、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層３４と同じＡｌ組成、および約１．２×１０２０ｃｍ−３のＳｉドーピングを有する。ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層３４は厚さが２２００ｎｍであり、Ａｌ組成が０．５８である。高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層３６が、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層３４上に形成され、高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層３６上に形成されるのは、活性領域ＭＱＷ４０である。活性領域ＭＱＷ４０上にｐ−ＡｌＧａＮ構造５０が形成され、高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層６２がｐ−ＡｌＧａＮ構造５０上に形成され、高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層６２上にｐコンタクト層６４が形成される。高度にドープされた中間層３６および６２が図４Ｂに示される。高度にドープされたｎ−ＡｌＧａＮ中間層３６は、厚さが〜８０ｎｍであり、Ａｌ組成が０．５６であり、ドーピングレベル９×１０１８ｃｍ−３で高度にＳｉがドープされている。活性領域ＭＱＷ４０は、厚さ１０ｎｍの９つのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ量子障壁によって隔てられて閉じ込められた８つの厚さ２．５ｎｍのＡｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎ量子井戸８で構成されている。高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層６２の厚さは〜４０ｎｍであり、Ｍｇドーピングレベルは〜４×１０１９ｃｍ−３である。ｐ−コンタクト層６４の厚さは８０ｎｍであり、Ｍｇドーピングレベルは２×１０１９ｃｍ−３である。この試験用紫外線ＬＥＤでは、高度にドープされたｐ−ＡｌＧａＮ中間層６２およびｐ−コンタクト層６４は、ＭｇドープＧａＮでできていた。
【００３５】
図５には、２７０ｎｍおよび３１０ｎｍの紫外線ＬＥＤのエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルの一部が示されている。様々な歪み管理用の高度にドープされた中間層（図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ参照）を組み込むことによって本発明に従って製造された紫外線ＬＥＤは、より強い光出力パワーおよびクリーンスペクトルを有するが、歪み管理用の高度にドープされた中間層、特に歪み管理層３２を組み込まない紫外線ＬＥＤは、ＥＬスペクトルが望ましくない長波長の肩部を有する（図５に矢印で示す）。望ましくない長波長放射は、歪み管理用の高度にドープされた中間層を組み込まないＵＶＢ  ＬＥＤ（例えば、３１０ｎｍおよび３４０ｎｍ  ＬＥＤ）のＥＬスペクトルに影響を及ぼす。望ましくない長波長の肩部は、ＡｌＧａＮ層（ＭＱＷ４０および／または層３４、３６など）の圧縮歪み誘起成長粗面化に起因するデバイス活性領域（ＭＱＷ４０）内の組成相分離を示す。明らかなように、本明細書に記載された本発明は、効率的なＵＶＢ／ＵＶＣ  ＬＥＤを実現するために重要である。
【００３６】
本発明の原理は、介在する歪みが存在する限り、他の半導体装置に容易に拡張することができる。エピタキシャル系の歪みの大きさが例えば１％以上に大きくなると計算されると、ひずみ管理のためにひずみ管理用の高度の中間層を界面に挿入することができる。
【００３７】
本発明を例示的な実施形態を用いて説明した。しかしながら、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されないことを理解されたい。それどころか、創造的な作業や過度の実験をすることなく、当業者が得ることができる様々な改変および類似の配置または均等物を含むことが意図されている。したがって、特許請求の範囲は、そのような変更および同様の構成および均等物の全てを包含するように最も広い解釈が与えられるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【外国語明細書】
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