(57)【要約】      （修正有）【課題】発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）のような発光電子デバイスの性能を向上できる歪平衡活性領域の構造及びその設計方法を提供する。【解決手段】活性領域２３０の下に、格子定数が調整可能な歪平衡層２２０をこの活性領域の格子基底として配置し、これによって活性領域の歪平衡を確保する。歪平衡の活性領域の設計は、１）欠陥が少なくて厚い複数層の活性領域の成長と、２）活性領域内での分極場の調整に有利であり、デバイス性能を向上させる。前記歪平衡層によって、活性領域の設計と成長への扉がさらに開かれる。一実施形態において、歪平衡層は、四元合金組成であるＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）から構成され、その格子定数を調節することによって、相反する歪を活性領域における隣接している層に加える。【選択図】図２
2011155241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に形成され、格子定数がａｓｂである歪平衡層と、
前記歪平衡層の上に形成されるＩＩＩ族窒化物の活性領域と、
を含み、
前記ＩＩＩ族窒化物活性領域は、格子定数がａｗで、厚さがｔｗである少なくとも一つの井戸層と、格子定数がａｂで、厚さがｔｂである少なくとも一つの障壁層とを有し、
前記歪平衡層の格子定数は、前記障壁層よりも大きく、前記井戸層よりも小さく、また下記の式：
｜ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ｜≦Ｋ
（ただし、Ｋ＝１．０A）
を満たす半導体発光デバイス。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物活性領域は、４〜１００の井戸層と障壁層との対を含み、井戸層と障壁層との対ごとは、下記の式：
｜ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ｜≦Ｋ
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３】
前記基板に形成される電子注入層と、
前記電子注入層と前記歪平衡層との間に挿入され、その格子定数が前記歪平衡層よりも大きく、又は前記電子注入層よりも小さく、前記歪平衡層における緩和を強化するための緩和強化層と、
をさらに含み、
前記歪平衡層の格子定数が、前記電子注入層よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項４】
前記緩和強化層は、ＡｌＧａＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項５】
前記緩和強化層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を含む（ただし、ｙ＞ｘ）ことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項６】
前記緩和強化層は完全に緩和されたことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項７】
前記基板に形成される電子注入層と、
前記電子注入層と前記歪平衡層との間に挿入され、その格子定数が前記歪平衡層よりも小さく、又は前記電子注入層よりも大きく、前記歪平衡層における緩和を強化するための緩和強化層と、
をさらに含み、
前記歪平衡層の格子定数が、前記電子注入層よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項８】
前記緩和強化層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含む（ただし、ｙ＞ｘ）ことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光デバイス。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物活性領域の上に形成され、その格子定数ａｐが、｜（ａｓｂ−ａｐ）／ａｐ｜≦０．０２の関係を満たすｐ型層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１０】
前記ｐ型層は、マグネシウがドープされたＩｎｐＧａ１−ｐＮ層（ただし、０．０２≦ｐ≦０．３）を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１１】
前記歪平衡層は、格子定数が成長方向に沿って次第に大きくなるＩＩＩ族窒化物の歪平衡層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１２】
前記歪平衡層は、格子定数が成長方向に沿って次第に小さくなるＩＩＩ族窒化物の歪平衡層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１３】
前記歪平衡層は、ＩＩＩ族窒化物の歪平衡層であって、ｎ型の導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１４】
前記歪平衡層は、ＩＩＩ族窒化物の歪平衡層であって、複数の繰り返し単位Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ／Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎを含む（ただし、ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２はいずれも０〜１（０と1も含む）にある）ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１５】
前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域と前記歪平衡層との間に、完全歪み層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１６】
基板と、
前記基板の上に形成される電子注入層と、
前記電子注入層の上に形成される緩和強化層と、
前記緩和強化層の上に形成される歪平衡層と、
前記歪平衡層の上に形成され、少なくとも一つの井戸層と障壁層との対を有するＩＩＩ族窒化物の活性領域とを含み、
前記歪平衡層の格子定数が前記障壁層よりも大きく、前記井戸層よりも小さく、また、前記歪平衡層の格子定数が前記電子注入層よりも大きい場合、前記緩和強化層の格子定数が前記歪平衡層よりも大きく、又は前記電子注入層よりも小さい、または、前記歪平衡層の格子定数が前記電子注入層よりも小さい場合、前記緩和強化層の格子定数が前記歪平衡層よりも小さく、又は前記電子注入層よりも大きい発光半導体デバイス。
【請求項１７】
前記緩和強化層は、ＡｌＧａＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１８】
前記緩和強化層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を含む（ただし、ｙ＞ｘ）ことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１９】
前記緩和強化層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含む（ただし、ｙ＞ｘ）ことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２０】
前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域は、４〜４０のＩｎｘＧａ１−ｘＮの井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮの障壁層との対を有し（ただし、０．３≦ｘ≦０．６、０≦ｙ<ｘ）、前記障壁層（ｔｂ）の厚さと前記井戸層（ｔｗ）の厚さとの比（Ｒ）（Ｒ＝ｔｂ／ｔｗ）は、０．３≦Ｒ≦１５を満たすことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２１】
前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域は、１０〜８０のＩｎｘＧａ１−ｘＮの井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮの障壁層との対を有し（ただし、０．１≦ｘ≦０．４、０≦ｙ<ｘ）、前記障壁層（ｔｂ）の厚さと前記井戸層（ｔｗ）の厚さとの比（Ｒ：Ｒ＝ｔｂ／ｔｗ）は、０．３≦Ｒ≦８を満たすことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２２】
前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域は、１５〜１００のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮの井戸層と障壁層との対を有し（ただし、０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ<０．６）、前記電位障壁層（ｔｂ）の厚さと前記井戸層（ｔｗ）の厚さとの比（Ｒ：Ｒ＝ｔｂ／ｔｗ）は、０．３≦Ｒ≦６を満たすことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２３】
前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域と前記歪平衡層との間に、完全歪み層をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２４】
前記完全歪み層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含み、０．０５≦ｘ≦０．４であることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２５】
前記歪平衡層は、１％〜２０％のインジウムを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２６】
前記歪平衡層は、２１％〜５０％のインジウムを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２７】
格子定数がａｓｂであるＩＩＩ族窒化物の歪平衡層と、
前記歪平衡層の上に形成されるＩＩＩ族窒化物の量子井戸活性領域と、
を含み、
前記ＩＩＩ族窒化物の量子井戸活性領域は、少なくとも一つの井戸層と障壁層との対からなり、前記井戸層の格子定数がａｗで、その厚さがｔｗであり、前記障壁層の格子定数がａｂで、その厚さがｔｂであり、前記歪平衡層の格子定数は前記障壁層よりも大きく、前記井戸層よりも小さいＩＩＩ族窒化物構造である半導体発光デバイスを設計する方法であって、
下記の式
｜ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ｜≦Ｋ、
（ただし、Ｋは予め決定された値である）
を満たすように、ｔｗとｔｂを選択し、又はａｓｂ、ａｗ或いはａｂを選択することを含む半導体発光デバイスの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光デバイスに関し、主に、発光デバイスにおける活性領域の性能向上及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
負電荷キャリアと正電荷キャリア（または、技術上は電子と正孔、と称される）は半導体発光デバイスにおいて、相対する電極から、いわゆる活性領域である発光領域へ駆動（注入）されて再結合する。活性領域において、注入される一つの電子−正孔対の消滅につれて一つの光子が生まれるという過程は、放射再結合過程と称される。一般的には、内部量子効率（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、以下、単にＩＱＥという）でこの放射再結合を評価する。内部量子効率は、放出される光子の数と注入される電子−正孔対の数との比である。放射再結合されてなる光子をデバイスから適宜に抽出できれば、高い内部量子効率はより優れた光電変換効率と意味する。
【０００３】
実際的には、注入される電子−正孔対が全て再結合できることはない。活性領域材料における、不純物を含む欠陥は、常に電子と正孔が再結合する前にそれらを捕獲する。活性領域での有害である電界も、電子と正孔を離間させ、電位障壁を形成して放射再結合を阻止する。この二つの現象は、いつも内部量子効率の低下の要因である。また、不適切な活性領域の設計のため、内部量子効率が低下してしまうこともある。例えば、極性半導体の場合、ビルトイン電界による量子閉じ込めシュタルク（Stark）効果（ＱＣＳＥ）を回避するために、量子井戸の活性領域が非常に薄いように設計される。このような活性領域は、強い電流で動作する場合、効率低下になる可能性がある。その理由として、注入されるキャリアが速やかに駆動電流の上昇につれて密集しすぎると、密集しすぎた電子、または正孔は斥力より互いに反発して散乱し、これによって電子−正孔対の放射再結合の確率が低くなってしまう。このような現象の発生は、一般的にオージェ（Ａｕｇｅｒ）再結合と呼ばれる。非常に薄い活性領域、例えば非常に薄い量子井戸にこのオージェ再結合が生じることは、内部量子効率低下の要因の一つになる。
【０００４】
特に窒化物半導体において、材料の欠陥とビルトイン電界による内部量子効率の低下への不良作用は顕著である。窒化インジウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムやこれらのいずれの三元又は四元合金を含む窒化物半導体は、その発光波長が赤外光から可視光、さらに紫外線（ＵＶ）までのすごく広いスペクトルに渡ることができ、高効率の固体発光デバイスを製造するための最も期待される材料系として知られている。発光ダイオード（ＬＥＤ）のような固体発光デバイスを製造するために、異なる窒化物層を組み合わせて正しい構造として形成する必要がある。これは、異なる窒化物層を他の層の上に積層する必要がある、または技術上、異なる窒化物層が他の層の上にエピタキシャル成長する必要があることを意味する。良いエピタキシャル成長を確保するために、隣接している層の間の格子定数の差を最小限に制御したほうが良い。格子の不整合は、欠陥が生じる応力を引き起こし、内部量子効率を低減する。残念ながら、窒化物半導体、特に固体発光に対して不可欠であるインジウム含有窒化物は、他の窒化物と大きな格子不整合を持つ。例えば、窒化インジウムと窒化ガリウムはｃ面において、その格子不整合が１１％と高いが、窒化アルミニウムと窒化ガリウムは格子不整合がただ３％以上である。例えば、１％の格子不整合は１０９／ｃｍ２までの欠陥（転位）を起こす。もしこのような欠陥が活性領域に存在すれば、大きなロスを引き起こす。
【０００５】
Ｃ面窒化物では、自発分極と引力による圧電分極のため、高密度の面電荷を有する。電荷密度は１０１３／ｃｍ２よりも高くなる可能性があり、１ＭＶ／ｃｍ以上の電界を引き起こす可能性がある。
【０００６】
そのため、今の窒化物発光ダイオードは、欠陥とビルトイン電界との両方からの影響を受ける。その一つの根拠として、効率が高い緑の発光ダイオードと紫外発光ダイオードの製造の困難さは高くなり、この製造の困難さは、インジウム分とアルミニウム分の増加につれて高くなっている。高インジウム分と高アルミニウム分は、構造内の高い歪と高いビルトイン電界を意味する。もう一つの根拠は、強い電流での発光ダイオードの効率減衰であり、光電変換効率は比較的小さい電流でピークに達してから、電流の上昇につれて減衰する。このような効率減衰は、一般照明のような高出力の適用にとって必要である、発光ダイオードの高電流密度での高い量子効率の実現を妨げる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、いくつの面から発光デバイスの性能を向上する。一部の実施形態において、活性領域が成長する前に、活性領域の成長の準備として、緩和強化層（Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ−Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ−Ｌａｙｅｒ、以下、単にＲＥＬという）、歪平衡層（Ｓｔｒａｉｎ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ−Ｌａｙｅｒ、以下、単にＳＢＬという）を順に堆積する。緩和強化層は、歪平衡層の歪み無し状態への加速実現に寄与し、ＳＢＬによって、活性領域が歪平衡状態を実現する格子基底を提供するためのものである。歪平衡層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｘ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であり、相反する歪を活性領域に隣接している層に与えるように、その格子定数が調節される。隣接しているそれぞれの層に与えられる歪が相反する符号を有する場合と、活性領域は全体として、歪が大幅に低減し、歪のない状態に近づいていると感じる。それにより、高品質でもし必要があれば厚みのある活性領域の発展を可能にする。歪平衡層は、様々な活性領域に応じて設計されてもよく、逆に、活性領域も歪平衡層に応じて調整され設計されてもよい。本発明は、歪が問題になる場合、デバイス設計の自由度を大幅に高める。
【０００８】
本発明において、歪平衡層は、活性領域内での分極電界を調整するためのものであってもよく、この場合、歪平衡層は活性領域に隣接するそれぞれの層の界面の面電荷の密度と種類を制御できる。一部の実施形態において、界面電荷の低減は、電子−正孔の放射再結合の確率を高め、デバイスの内部量子効率を向上させることができる。さらに、界面電荷の低減によって、より厚い活性領域という設計が許容され、高注入でのオージェ効果の消去又は顕著な低減に寄与する。
【０００９】
他の一部の実施形態において、電子−正孔波動関数のオーバーラップが主な問題でない場合、本発明は、分極電界によってデバイスの内部量子効率を高めることができることを指摘している。１ＭＶ／ｃｍを超える巨大な分極場は、欠陥による注入キャリアの捕獲を遮蔽し、キャリア損失を低減し、内部量子効率を向上することができる。
【００１０】
本発明の一つの側面によれば、基板と、前記基板の上に形成され、例えばＩＩＩ族窒化物である第１の層と、前記第１の層の上にエピタキシャル成長され、格子定数がａｓｂであるＩＩＩ族窒化物歪平衡層（ＳＢＬ）と、前記歪平衡層の上に形成されるエピタキシャルＩＩＩ族窒化物の活性領域とを含む発光半導体デバイスが提供される。ＩＩＩ族窒化物の量子井戸活性領域は、格子定数がａｗで、厚さがｔｗである少なくとも一つの井戸層と、格子定数がａｂで、厚さがｔｂである少なくとも二つの障壁層とを含む。歪平衡層の格子定数は、障壁層よりも大きく、井戸層よりも小さく、また以下の式を満たす。
【００１１】
｜ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ｜≦Ｋ
（ただし、Ｋは１Å、０．６Å、０．４Å、又は０．２Åであってもよい）
必要に応じて、第１の層と歪平衡層との間に緩和強化層（ＲＥＬ）を挿入してもよい。歪平衡層の格子定数が第１の層よりも大きい場合、緩和強化層の格子定数は、歪平衡層の格子定数よりも大きく、又は緩和強化層の下の第１の層の格子定数よりも小さくなるように選択されてもよい。歪平衡層の格子定数が第１の層の格子定数よりも小さい場合、緩和強化層の格子定数は、緩和強化層の下の第１の層の格子定数よりも大きく、又は歪平衡層の格子定数よりも小さくなるように選択されてもよい。
【００１２】
また、前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域は、４〜４０の井戸層と障壁層との対を有してもよい。量子井戸層と量子障壁層の対ごとは、以下の式を満たす：
｜ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ｜≦Ｋ。
【００１３】
また、前記半導体発光デバイスは、前記基板に形成される電子注入層と、前記電子注入層と前記歪平衡層との間に挿入され、その格子定数が前記歪平衡層よりも大きく、又は前記電子注入層よりも小さく、前記歪平衡層における緩和を強化するための緩和強化層とをさらに含んでもよい。前記歪平衡層の格子定数が、前記電子注入層よりも大きい。
【００１４】
また、前記緩和強化層は、ＡｌＧａＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎＧａＮ層を含んでもよい。また、前記緩和強化層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を含んでもよい。ただし、ｙ＞ｘ。また、前記緩和強化層は完全に緩和されてもよい。
【００１５】
また、前記半導体発光デバイスは、前記基板に形成される電子注入層と、前記電子注入層と前記歪平衡層との間に挿入され、その格子定数が前記歪平衡層よりも小さく、又は前記電子注入層よりも大きく、前記歪平衡層における緩和を強化するための緩和強化層とをさらに含んでもよい。前記歪平衡層の格子定数が、前記電子注入層よりも小さい。
【００１６】
また、前記緩和強化層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含んでもよい。ただし、ｙ＞ｘ。また、前記緩和強化層は完全に緩和されてもよい。
【００１７】
また、前記半導体発光デバイスは、前記ＩＩＩ族窒化物活性領域の上に形成され、その格子定数ａｐが、｜（ａｓｂ−ａｐ）／ａｐ｜≦０．０２の関係を満たすｐ型層をさらに含んでもよい。また、前記ｐ型層は、マグネシウがドープされたＩｎｐＧａ１−ｐＮ層（ただし、０．０２≦ｐ≦０．３）を含んでもよい。
【００１８】
また、前記ＩＩＩ族窒化物の歪平衡層は、格子定数が成長方向に沿って次第に大きくなってもよい。また、前記ＩＩＩ族窒化物の歪平衡層は、格子定数が成長方向に沿って次第に小さくなってもよい。
【００１９】
また、前記ＩＩＩ族窒化物の歪平衡層は、ｎ型の導電性を有してもよい。また、前記ＩＩＩ族窒化物の歪平衡層は、ｐ型の導電性を有してもよい。また、前記ＩＩＩ族窒化物の歪平衡層は、複数の繰り返し単位Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ／Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎを含でもよいし、ただし、ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２はいずれも０〜１（０と1も含む）にある。
【００２０】
また、前記半導体発光デバイスは、前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域と前記歪平衡層との間に、完全歪み層をさらに含んでもよい。また、前記完全歪み層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ただし、０．０５≦ｘ≦０．４）を含んでもよい。
【００２１】
本発明の他の側面によれば、基板と、前記基板の上に形成される電子注入層と、前記電子注入層の上に形成される緩和強化層と、前記緩和強化層の上に形成される歪平衡層と、前記歪平衡層の上に形成されるＩＩＩ族窒化物の活性領域とを含む発光半導体デバイスが設計される。ＩＩＩ族窒化物活性領域は、少なくとも一つの井戸層と障壁層との対を含み、歪平衡層の格子定数が障壁層よりも大きく、井戸層よりも小さい。歪平衡層の格子定数が電子注入層よりも大きい場合、緩和強化層の格子定数は、歪平衡層よりも大きく、又は電子注入層より小さくなり、または、歪平衡層の格子定数が電子注入層よりも小さい場合、緩和強化層の格子定数は歪平衡層よりも小さく、又は電子注入層よりも大きくなる。
【００２２】
また、前記緩和強化層は、ＡｌＧａＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎＧａＮ層を含んでもよい。また、前記緩和強化層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を含んでもよいし、ただし、ｙ＞ｘ。また、前記緩和強化層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を含み、前記歪平衡層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含んでもよいし、ただし、ｙ＞ｘ。
【００２３】
また、前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域は、４〜４０のＩｎｘＧａ１−ｘＮの井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮの障壁層との対を有し（ただし、０．３≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦ｘ）、前記障壁層（ｔｂ）の厚さと前記井戸層（ｔｗ）の厚さとの比（Ｒ：Ｒ＝ｔｂ／ｔｗ）は、０．３≦Ｒ≦１５を満たす。
【００２４】
また、前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域は、１０〜８０のＩｎｘＧａ１−ｘＮの井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮの障壁層との対を有し（ただし、０．１≦ｘ≦０．４、０≦ｙ<ｘ）、前記障壁層（ｔｂ）の厚さと前記井戸層（ｔｗ）の厚さとの比（Ｒ：Ｒ＝ｔｂ／ｔｗ）は、０．３≦Ｒ≦８を満たす。
【００２５】
また、前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域は、１５〜１００のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮの井戸層と障壁層との対を有し（ただし、０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ<０．６）、前記電位障壁層（ｔｂ）の厚さと前記井戸層（ｔｗ）の厚さとの比（Ｒ：Ｒ＝ｔｂ／ｔｗ）は、０．３≦Ｒ≦６を満たす。
【００２６】
また、前記半導体発光デバイスは、前記ＩＩＩ族窒化物の活性領域と前記歪平衡層との間に、完全歪み層をさらに含んでもよい。また、前記完全歪み層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ただし、０．０５≦ｘ≦０．４）含んでもよい。
【００２７】
また、前記歪平衡層は、１％〜２０％のインジウムを含んでもよい。前記歪平衡層は、２１％〜５０％のインジウムを含んでもよい。
【００２８】
本発明のさらなる他の側面によれば、応力緩和強化層と、格子定数がａｓｂであるＩＩＩ族窒化物の歪平衡層と、前記歪平衡層の上に形成されるＩＩＩ族窒化物の量子井戸活性領域とを含み、ＩＩＩ族窒化物の量子井戸活性領域は、格子定数がａｗで、厚さがｔｗである少なくとも一つの井戸層と、格子定数がａｂで、厚さがｔｂである少なくとも二つの障壁層とを含み、歪平衡層の格子定数は障壁層よりも大きく、井戸層よりも小さいＩＩＩ族窒化物構造である発光半導体デバイスを設計する方法であって、以下の式を満たすように、ｔｗとｔｂを選択し、又はａｓｂ、ａｗ或いはａｂを選択することを含む発光半導体デバイスの設計方法が提出される。
【００２９】
｜ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ｜≦Ｋ
（ただし、Ｋは予め決定された値である）
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は従来の発光デバイス構造の横断面を模式的に示す図である。
【図２】図２は本発明の一つの実施形態による発光デバイス構造の横断面を模式的に示す図である。
【図３ａ】および
【図３ｂ】図３ａは本発明の一つの実施形態による圧縮応力緩和強化層を含む発光デバイス構造の横断面を模式的に示す図であり、図３ｂは本発明の一つの実施形態による引張応力緩和強化層を含む発光デバイス構造の横断面を模式的に示す図である。
【図４ａ】および
【図４ｂ】図４ａは本発明における可視光発光多重量子井戸の実施形態を示す図であり、図４ｂは本発明における紫外光発光多重量子井戸の実施形態を示す図である。
【図５】図５は本発明の一つの実施形態による多重量子井戸発光ダイオードの横断面の構造を模式的に示す図である。
【図６】図６は本発明の実施形態がそれぞれ１０と１５の井戸／障壁対の構造を有するＬＥＤ電流電圧（ＩＶ）曲線を示す図である。
【図７】図７は本発明の実施形態による二種類のＬＥＤにおける電流電圧（ＩＶ）曲線を示し、その一方は歪平衡層があり、もう一方は歪平衡層がない。
【図８】図８は本発明の実施形態による電流電圧（ＩＶ）曲線を示し、その中、二つのＬＥＤは歪平衡層がないが、他の一つのＬＥＤは歪平衡層があり、図において、発光ダイオードの電流電圧特性に対する障壁層の厚さの影響を示す。
【図９】図９は、本発明にかかる異なる障壁層の厚さを有するＬＥＤを適用した場合の外部量子効率の比較図面である。
【図１０】図１０は本発明の実施形態によって設計された組成が均一でない歪平衡層を示す図である。
【図１１】図１１は本発明の実施形態によって設計された基本の繰り返し単位Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ/Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎを含んでなる歪平衡層の構造を示す図である。
【図１２】図１２は本発明の実施形態によって設計された基本の繰り返し単位ＧａＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮを含んでなる歪平衡層の構造を示す図である。
【図１３ａ】および
【図１３ｂ】図１３ａは、歪平衡層のない多重量子井戸発光ダイオードの横断面の構造を模式的に示す図であり、図１３ｂは、図１３ａにおける多重量子井戸発光ダイオードのエネルギーバンドと分極場分布を算出したものである。
【図１４ａ】および
【図１４ｂ】図１４ａは本発明の実施形態に基づく歪平衡層を有する多重量子井戸発光ダイオードの横断面の構造を模式的に示す図であり、図１４ｂは図１４ａにおける多重量子井戸発光ダイオードのエネルギーバンドと分極場分布を示す図である。
【図１５】図１５は算出されたＩｎＧａＮ層における単電荷の欠陥の電界強度分布である。
【図１６ａ】および
【図１６ｂ】図１６ａは歪平衡層のない多重量子井戸の深緑の発光ダイオードの横断面の構造を模式的に示す図であり、図１６ｂは図１６ａにおける多重量子井戸を持つ深緑の発光ダイオードのエネルギーバンドと分極場分布を示す図である。
【図１７ａ】および
【図１７ｂ】図１７ａは本発明の実施形態に基づく歪平衡層を有する多重量子井戸を持つ深緑の発光ダイオードの横断面の構造を模式的に示す図であり、図１７ｂは図１７ａにおける多重量子井戸を持つ深緑の発光ダイオードのエネルギーバンドと分極場分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
従来の発光デバイスにおいては、活性領域の格子定数はｎ型層によって定められたものであり、性能改良のために活性領域の格子定数を調節する自由度はない。図１は、従来の発光デバイスの横断面を模式的に示す図であり、この発光デバイスは、基板１００と、電子を与えるｎ−型接触層（ｎ−型層）１１０と、活性領域１２０と、正孔を与えるｐ−型層１３０とを有する。
【００３２】
本発明は、デバイス性能を改良するために、発光デバイスの活性領域の下に歪平衡層をさらに配置することを提案する。図２に示すように、発光ダイオードに係る実施形態において、歪平衡発光デバイスは、基板２００と、ｎ−型層である注入電子層２１０と、緩和強化層２１５と、歪平衡層２２０と、活性領域２３０と、ｐ−型層である注入正孔層２４０とを含む。歪平衡層２２０は、歪平衡の活性領域を実現するための格子基底である。
【００３３】
歪平衡層２２０は、ＩＩＩ族窒化物ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１)で作成されてもよい。言い換えれば、歪平衡層２２０は、活性領域２３０の適用目的と所望の構造によって、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムやこれらの三元又は四元化合物で作成されてもよい。
【００３４】
可視光発光ダイオードの場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＮで歪平衡層２２０を形成する必要がある。歪平衡層２２０におけるインジウム分（インジウムのモル分率）は、活性領域２３０の適用目的と所望の構造によって、１％〜６０％、すなわち、０．０１≦ｘ≦０．６に変化してもよい。例えば、青の発光ダイオードの場合、歪平衡層２２０は２０％〜３０％のインジウムを含んでもよい。緑の発光ダイオードの場合、歪平衡層２２０は２５％〜４０％のインジウムを含んでもよい。赤の発光ダイオードの場合、歪平衡層２２０は３５％〜５０％のインジウムを含んでもよい。赤外ＬＥＤの場合、歪平衡層２２０は３５％〜６０％のインジウムを含んでもよい。紫外発光ダイオードの場合、ＡｌｘＧａ１−ｘＮで歪平衡層２２０を形成する必要がある。歪平衡層２２０におけるアルミニウム分（アルミニウムのモル分率）は、５％〜６０％、すなわち、０．０５≦ｘ≦０．６に変化してもよい。
【００３５】
歪平衡層２２０は一層でも複数層でもよく、また、組成が均一である層でも変化している層でもよい。以下、組成の変化によって格子定数を変更する歪平衡層の適用について詳細に説明する。歪平衡層２２０は、ドープされてもされなくてもよく、または、シリコン、炭素、亜鉛、マグネシウや他の元素のような複数の元素を同時にドープしてもよい。歪平衡層２２０は、緩和強化層２１５の上に形成されてもよく、直接に電子注入層２１０の上に形成されてもよい。また、歪平衡層２２０が電子注入層２１０の上に形成され、且つこれらの間に緩和強化層２１５以外の他の層があってもよい。本発明の一部の実施形態において、歪平衡層２２０はエピタキシャル堆積された単結晶によるものでもよい。歪平衡層２２０は導電性なものでも高抵抗なものでもよい。
【００３６】
緩和強化層２１５は、歪平衡層が小さい膜厚で迅速に歪緩和を実現する目的として、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１)で作成されてもよい。本発明の一部の実施形態において、緩和強化層２１５は、その膜厚が５００ｎｍ以下であると、完全な緩和が実現され、より好ましくは、膜厚が１００ｎｍ以下であると、完全な緩和が実現され、最も好ましくは、膜厚が１０ｎｍ以下であると、完全な緩和が実現される。歪平衡層２２０には、緩和強化層２１５による応力が与えられる。しかし、緩和強化層２１５はその厚さが非常に薄い（歪平衡層２２０よりも薄くなってもよい）場合、歪み緩和が実現され、そのため、歪平衡層２２０と緩和強化層２１５との間の歪みエネルギーは、主に緩和強化層２１５に分布している。その結果、緩和強化層２１５によって歪平衡層２２０の迅速な歪緩和が確保される。
【００３７】
迅速な歪緩和を強化するために、歪平衡層２２０の格子定数が電子注入層２１０よりも大きい場合、緩和強化層２１５の格子定数は、歪平衡層２２０よりも大きく、又は下の電子注入層２１０よりも小さくなるように設計される。
【００３８】
迅速な歪緩和を強化するために、歪平衡層２２０の格子定数が電子注入層２１０よりも小さい場合、緩和強化層２１５の格子定数は、歪平衡層２２０よりも小さく、又は下の電子注入層２１０よりも大きくなるように設計される。
【００３９】
緩和強化層２１５は一層でも複数層でもよく、また、組成が均一である層でもよく、組成が変化して即ち格子定数が変化している層でもよい。さらに格子定数と導電特性を調節して活性領域２３０の歪平衡を微調整するために、緩和強化層２１５はドープされてもされなくてもよく、または、シリコン、炭素、亜鉛、マグネシウや他の元素のような複数の元素を同時にドープしてもよい。緩和強化層２１５は、さらに少量のホウ素を含んでもよい。本発明の一部の実施形態によれば、歪平衡層２２０は、エピタキシャル堆積された単結晶の構造であってもよく、エピタキシャル技術としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハロゲン化気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）またはいくつかの技術の組み合わせであってもよい。緩和強化層２１５は導電性のものでも電気絶縁性のものでもよい。一般的には、緩和補強層２１５は、歪が完全に緩和されるような厚さまで成長する必要がある。しかしながら、ある一部の実施形態において、緩和強化層２１５が完全に緩和される必要はない。
【００４０】
図２に示すように、緩和強化層２１５は、高温ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ或いはＡｌＩｎＧａＮ層のような電子注入層２１０の上に形成され、またはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ層のような普通の低温バッファ層の上に形成される。
【００４１】
本発明の同じ実施形態において、緩和強化層２１５は、電子注入層２１０の上に成長してもよく、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムや他の組成のＩｎＡｌＧａＮが成長してから、厚さの増加につれてＩＩＩ族元素を次第に変更し、組成と格子定数が変化し続けるが、最後に目的となる組成、格子定数および厚さに合わせる緩和強化層を得ることができる。このように得られた緩和強化層２１５は、その格子定数が次第に大きく又は小さくなってもよい。歪平衡層２２０の格子定数がその下の電子注入層２１０よりも大きい場合、緩和強化層２１５における電子注入層２１０に最も近接しているところの初期格子定数は、その後の歪平衡層２２０よりも大きく、又はその下の電子注入層２１０よりも小さくなるように設計されてもよく、または、歪平衡層２２０の格子定数がその下の電子注入層２１０よりも小さい場合、緩和強化層２１５の初期格子定数は、その後の歪平衡層２２０よりも小さく、又はその下の電子注入層２１０よりも大きくなるように設計されてもよい。
【００４２】
歪平衡層２２０の格子定数がその下の電子注入層２１０よりも大きい場合、複数層の構造である緩和強化層２１５については、電子注入層２１０に最も近接しているところの格子定数は、その後の歪平衡層２２０よりも大きく、又はその下の電子注入層２１０よりも小さくなるように設計されてもよい。緩和強化層２１５におけるｎ−型層２１０に最も近接しているところの格子定数が、その後の歪平衡層２２０よりも大きくなるように設計されると、その後の歪平衡層２２０に最も近接しているところの緩和強化層２１５の格子定数は、緩和強化層２１５におけるその下の電子注入層２１０に最も近接しているところの格子定数よりも小さくなるように設計されてもよい。緩和強化層２１５におけるその下の電子注入層２１０に最も近接しているところの格子定数が、その下の電子注入層２１０よりも小さくなるように設計されると、緩和強化層２１５におけるその後の歪平衡層２２０に最も近接しているところの格子定数は、緩和強化層２１５におけるその下の電子注入層２１０に最も近接しているところの格子定数よりも大きくなるように設計されてもよい。他の緩和強化層２１５の格子定数は、緩和強化層２１５におけるその後の歪平衡層２２０に最も近接しているところの格子定数、及びその下の電子注入層２１０に最も近接しているところの格子定数よりも大きく、小さく、またはその間にあってもよい。
【００４３】
本発明における「電子注入層」とは、電子注入層２１０が従来のドープ層又は非ドープ層のいずれでもよく、当該分野に常用されるドープ又は非ドープのｎ−型層やｐ−型層を含む意味である。このような従来のドープ又は非ドープ層は、ＩＩＩ族窒化物のＧａＮ、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ層や、他のインジウム含有III族窒化物を含むが、これに制限されない。電子注入層２１０は、単結晶の層でも非単結晶の層でもよく、また一層でも複数層でもよい。歪平衡層２２０は、緩和強化層２１５のないｎ−型層２１０の上にエピタキシャル成長されてもよく、その成長技術としては、有機金属気相成長、ハロゲン化気相エピタキシー、分子線エピタキシー法またはいくつかの技術の組み合わせであってもよい。なお、歪平衡層２２０の成長前、電子注入層２１０の上に、窒化アルミニウム又は窒化インジウム層のような付加層が堆積されてもよい。なお、緩和強化層２１５の存在に関わらず、電子注入層２１０と歪平衡層２２０との間に、格子定数が電子注入層２１０と歪平衡層２２０との間にあり、完全又は一部に緩和され、ＩＩＩ族窒化物層のような付加される層が成長してもよい。この付加層は、単結晶でも非単結晶でもよい。
【００４４】
活性領域２３０は、直接に歪平衡層２２０の上に形成されてもよい。なお、活性領域２３０と歪平衡層２２０との間に、ドープ又は非ドープのＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ（またはＩｎＡｌＧａＮと総称されるもの）、窒化珪素や酸化珪素層のような付加層が形成されてもよい。例えば、可視光発光ダイオードにおいて、歪平衡層２２０と活性領域２３０との間にＡｌＧａＮ層を挿入することは、エネルギーバンドの幅をより大きくすることができる。歪平衡層２２０と活性領域２３０との間にある付加層は、活性領域２３０に対する歪平衡層２２０の歪平衡効果に影響を与えないように完全歪み状態とするために、十分に薄くするべきである。一つの実施形態においては、この付加層はＡｌｘＧａ１−ｘＮ層でもよく、アルミニウムのモル分率が５％〜４０％、すなわち、０．０５≦ｘ≦０．４にあってもよく、またその厚さが３００ｎｍ以下である。この付加層は、完全歪み状態にあり、その歪み緩和の程度が３０％以下、好ましくは２５％以下である。活性領域２３０は、単一量子井戸又は多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ、以下、単にＭＱＷという）を含んでもよい。一般的には、一つの量子井戸層は、対応した一つの障壁層を対とする。
【００４５】
図３ａと図３ｂは、歪平衡層と緩和強化層がある二種類の実施形態を示し、ここで、歪平衡層３２０は、三元合金ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる。図３ａにおいて、緩和強化層３１５は三元合金ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなり、ｎ−型ＧａＮ層３１０による面内引張歪を受ける。緩和強化層（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）３１５がない場合と比較すると、緩和強化層３１５は、歪緩和を加速するとき、歪平衡層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層）３２０に、より大きな面内圧縮歪を与え、これによって歪平衡層３２０が薄い厚さの範囲内で緩和状態に至る。緩和強化層３１５による歪緩和への加速過程を確保するために、アルミニウムのモル分率ｙは５〜１００％、すなわち、０．０５≦ｙ≦１であることが好ましく、１０〜５０％であることがより好ましく、１５〜３０％であることが最も好ましい。
【００４６】
図３ｂにおいて、緩和強化層３１５’として三元合金ＩｎｙＧａ１−ｙＮが選択される。この実施形態において、歪緩和を加速すると、緩和強化層（ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層）３１５’は歪平衡層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層）３２０に面内引張応力を与え、これによって歪平衡層３２０が薄い厚さの範囲内で緩和状態に至る。この面内引張歪は、ＩｎＧａＮ成長におけるインジウムの凝離が抑制されることにより、歪平衡層、単一量子井戸又は多重量子井戸などの後のインジウム含有層の成長に寄与する。緩和強化層３１５’の歪緩和過程の加速を実現することを確保するために、インジウムのモル分率ｙは、１０〜１００％、すなわち、０．１≦ｙ≦１であることが好ましく、２０〜５０％であることがより好ましく、２０〜３０％であることが最も好ましい。緩和強化層３１５’の格子定数は、歪平衡層３２０よりも大きくなるように設計される。
【００４７】
発明者は、下記のことを見出している。
【００４８】
（ａ）歪平衡層、例えば歪平衡層２２０を提供すれば、量子井戸層と、対になる障壁層とに相反する歪が生じ、量子井戸に与える合計の歪が低減される。このような相反する歪による相殺効果は、歪平衡層と隣接している量子井戸−障壁層の対に存在するだけでなく、歪平衡層から離れた他の量子井戸−障壁層対にも伝送される。そのため、活性領域全体においては、歪のレベル（したがって欠陥）が顕著に低減し、これによって、欠陥の低いレベルと構造安定性を有する厚い井戸と薄い障壁、多くの量子井戸−障壁対を備えることが可能になる。緩和強化層、例えば緩和強化層２１５を提供することにより、歪平衡層において迅速な歪緩和を実現することによって歪平衡効果を高める。
【００４９】
（ｂ）活性領域で作られる歪みエネルギーは、歪および量子井戸層と障壁層の厚さに関係し、活性領域と対応する歪平衡層の設計のガイドラインとして用いられることができる。
【００５０】
（ｃ）厚いｐ−型層、例えばｐ−型ＩｎＧａＮ層は、活性領域の上のｎ−型層と相対する側にあり、その格子定数が歪平衡層に非常に近いと、歪平衡層の作用が増強され得る。ｐ−型層の格子定数が歪平衡層に非常に近い場合、ｐ−型層が活性領域と歪平衡層に与える応力はできるだけ小さくなる。このｐ−型層も、後の各層から与える可能性がある歪みを吸収するための歪み吸収領域として機能する。
そのため、本発明における一部の実施形態は、歪平衡層（ＳＢＬ）の格子定数（記号ａｓｂ）を、量子井戸層（ＱＷ）の格子定数（記号ａｗ）と量子障壁層（ＱＢ）の格子定数（記号ａｂ）との間で調節される。
【００５１】
ａｂ<ａｓｂ<ａｗ
要するに、歪平衡層は、量子井戸と障壁に相反する歪を与え、この歪は、障壁層において引張歪になり、量子井戸層において圧縮歪になる。量子井戸により与えられる合計の歪は、歪平衡層の存在のため再分布し、歪平衡層のない場合より大幅に低減される。さらに井戸層と障壁層の厚さ（記号はそれぞれｔｗとｔｂ）を調節すれば、井戸と障壁における歪みエネルギーがお互いに相殺し、活性領域に達する応力が大幅に低減され、ひいては活性領域全体が応力無しの状態になることができる。正しい厚さの選択は、以下の歪みエネルギー補償の式により得られる。
【００５２】
｜ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ｜≦Ｋ
（ただし、Ｋは、１Å、０．６Å、０．４Å又は０．２Åでもよい）
井戸と障壁との間の歪相殺のため、厚い井戸層は、オージェ効果を低減するように活性領域に適用され、歪み緩和による高密度欠陥の影響も受けない。なお、発光効率をさらに高めるように、より多くの間隔の量子井戸−障壁を成長させてもよい。
【００５３】
図４ａと図４ｂは、それぞれ可視光と紫外発光ダイオードの実施形態を示す。図４ａに示すように、可視光発光ダイオードの場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる歪平衡層４２０は、成分ＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる量子障壁層４３１と、成分ＩｎｚＧａ１−ｚＮからなる量子井戸層４３２に相反する歪を与えるように、選択される。本実施形態の設計では、ｙ<ｘ<ｚである。言い換えれば、量子井戸層（ＩｎｚＧａ１−ｚＮ層）４３２におけるインジウム分が、歪平衡層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層）４２０におけるインジウム分よりも多く、歪平衡層４２０におけるインジウム分が、量子障壁層（ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層）４３１におけるインジウム分よりも多い。可視光発光ダイオードの場合、量子井戸層４３２におけるインジウム分は、活性領域４３０の適用目的と所望の構造によって、５％〜５０％、すなわち、０．０５≦ｙ≦０．５の間で変化してもよい。例えば、青の発光ダイオードの場合、量子井戸層４３２におけるインジウム分は、１２％〜３２％の間で変化するかもしれない。緑の発光ダイオードの場合、量子井戸層４３２におけるインジウム分は、２４％〜４５％の間で変化するかもしれない。量子障壁層４３１におけるインジウム分は、活性領域４３０の適用目的と所望の構造によって、０％〜２０％、すなわち、０≦ｙ≦０．２の間で変化してもよい。例えば、青の発光ダイオードの場合、量子障壁層４３１におけるインジウム分は、０％〜１０％の間で変化するかもしれない。緑の発光ダイオードの場合、量子障壁層４３１におけるインジウム分は、０％〜２０％の間で変化するかもしれない。歪平衡層４２０におけるインジウム分は、活性領域４３０の適用目的と所望の構造によって、１％〜６０％、すなわち、０．０１≦ｙ≦０．６の間で変化してもよい。例えば、青の発光ダイオードの場合、歪平衡層４２０におけるインジウム分は、２０％〜３０％の間で変化するかもしれない。緑の発光ダイオードの場合、歪平衡層４２０におけるインジウム分は、２５％〜４０％の間で変化するかもしれない。赤の発光ダイオードの場合、歪平衡層４２０におけるインジウム分は、２５％〜５０％の間で変化するかもしれない。赤外発光ダイオードの場合、歪平衡層４２０におけるインジウム分は、３５％〜６０％の間で変化するかもしれない。
【００５４】
活性領域４３０は、一つの又は複数の量子井戸層４３２と量子障壁層４３１との対を含んでもよい。量子井戸層４３２と量子障壁層４３１の対の数は可変であり、例えば１〜１００である。異なる量子障壁層４３１の厚さは、同じでも異なってもよいが、５オングストローム（Å）まで薄くてもよく、例えば、５オングストローム〜３０オングストローム、５オングストローム〜１００オングストローム、またはそれ以上である。量子井戸層４３２の厚さは、同じでも異なってもよいが、例えば、５オングストローム〜１００オングストローム、又はそれ以上である。一つの量子井戸層４３２と量子障壁層４３１との対の組成は、他の一対と同じでも異なってもよい。本実施形態によれば、ある対における量子障壁層４３１の厚さと量子井戸層４３２の厚さとの比、即ちｔｂ／ｔｗは、１でもよく、その以上や以下でもよい。
【００５５】
基板４００は、適当な配向を有するサファイア、炭化珪素、シリコン、ＩＩＩ族窒化物、ガリウム砒素、リン化インジウム、ゲルマニウム又は他の適当な基板のいずれであってもよい。電子を与えるｎ−型接触層４１０は、基板４００の上に形成される。ｎ−型接触層４１０は、一層でも複数層でもよい。電子を与えるｎ−型接触層４１０は、伝統的に使用される可視光発光ダイオードにおいて電子を与えるいずれのｎ−型層、例えば窒化ガリウム層であってもよい。緩和強化層４１５は、電子を与えるｎ−型接触層（ｎ−型窒化ガリウム層）４１０の上に形成され、歪平衡層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層）４２０が緩和強化層４１５の上に形成されてもよい。歪平衡層４２０は、一層でも複数層でもよい。
【００５６】
図４ｂにおける紫外発光ダイオードにおいて、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる歪平衡層４２０’は、成分ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる量子障壁層４３１’と成分ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる量子井戸層４３２’に相反する歪を与えるように選択される。量子井戸層（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）４３２’におけるアルミニウム分は、５％〜６０％、すなわち、０．０５≦ｙ≦０．６の間で変化してもよい。量子障壁層（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）４３１’におけるアルミニウム成分は、１０％〜７５％、すなわち、０．１≦ｙ≦０．７５の間で変化してもよい。歪平衡層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層）４２０’におけるアルミニウム成分は、５％〜６０％、すなわち、０．０５≦ｙ≦０．６の間で変化してもよい。
【００５７】
活性領域４３０’は、一つの又は複数の量子井戸層４３２’と量子障壁層４３１’との対を含んでもよい。量子井戸層４３２’と量子障壁層４３１’の対の数は可変であり、例えば１〜１００である。異なる量子障壁層４３１’の厚さは、同じでも異なってもよいが、５オングストロームまで薄くてもよく、例えば、５オングストローム〜３０オングストローム、５オングストローム〜１００オングストローム、又はそれ以上である。量子井戸層４３２’の厚さは、同じでも異なってもよいが、５オングストローム〜１００オングストローム、又はそれ以上である。一つの量子井戸層４３２’と量子障壁層４３１’の対の組成は、他の一対と同じでも異なってもよい。本実施形態によれば、ある対における量子障壁層４３１’の厚さと量子井戸層４３２’の厚さとの比、即ちｔｂ／Ｔｗは、１でもよく、その以上や以下でもよい。
【００５８】
基板４００’は、適当な配向を有するサファイア、炭化珪素、シリコン、ＩＩＩ族窒化物、ガリウム砒素、リン化インジウム、ゲルマニウム又は他の適当な基板のいずれであってもよい。電子を与えるｎ−型接触層４１０’は、基板４００’の上に形成される。ｎ−型接触層４１０’は、一層でも複数層でもよい。電子を与えるｎ−型接触層４１０’は、伝統的に使用される紫外発光ダイオードにおいて電子を与えるいずれのｎ−型層、例えばＡｌＧａＮ層であってもよい。緩和強化層４１５’は、電子を与えるｎ−型接触層（ｎ−型ＡｌＧａＮ層）４１０’の上に形成され、歪平衡層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層）４２０’は、電子を与えるｎ−ＡｌＧａＮ層４１０’の上に形成される。歪平衡層４２０’は、一層でも複数層でもよい。
【００５９】
図５は、本発明の一つの実施形態によって設計された歪平衡層を適用した窒化ガリウム系発光ダイオードの構造を模式的に示す図である。歪平衡層５２０の上に、多重量子井戸活性領域５３０が成長し、量子井戸層５３２と量子障壁層５３１の対ごとは、平衡な歪みを有する。量子井戸層５３２と量子障壁層５３１の対ごとにおいて、キャリアに対する制限を確保するために、障壁層の格子定数は常に対応する井戸層の格子定数よりも小さく、障壁層の厚さは、井戸層の厚さに等しく、またはそれ以上や以下でもよい。従来の青色発光ダイオードの構造において、障壁厚さは井戸厚さよりも大きい。従来の発光ダイオードの構造における井戸層、例えばＩｎＧａＮ層は、大きい圧縮応力による不整合転位の発生を回避するために、非常に薄いことが必要である。新しい歪平衡多重量子井戸の設計において、歪平衡層の格子定数が、井戸層に等しく、または近く、ひいてはそれ以上になるように設計されると、井戸厚さは従来の井戸厚さ（約２ナノメートル）よりも厚く、ひいては障壁厚さよりも厚くすることができる。厚い井戸を使用することは、オージェ効果を大幅に低減し、高注入電流での井戸領域内のキャリアの再結合を強化することができる。この歪平衡構造において、井戸厚さは、５０ナノメートルに近くなってもよく、従来の井戸厚さよりも少なくともオーダーが１桁高い。そうすると、二重ヘテロ構造（ＤＨ）を活性領域として使用することができる。５１０層は、本分野での従来のｎ−型層であってもよい。基板５００は、本分野でのいずれの従来の基板であってもよい。５４０層は、本分野でのいずれの従来のｐ−型層、例えばＩＩＩ族窒化物層であってもよい。しかしながら、ｐ−型層の格子定数（記号ａｐ）が、歪平衡層の格子定数（ａｓｂ）に近く、例えば、｜（ａｓｂ−ａｐ）／ａｐ｜≦０．０２、より好ましくは≦０．００５である場合が好適である。５４０層は、その面内バルク格子定数を得るために、十分に厚い、例えば、厚さが０．１マイクロメータを超える必要がある。
【００６０】
図５における構造は、以下の過程によって作製されることができる。その上に発光ダイオード構造がエピタキシャル成長される、サファイアシートのような基板５００を、まず水素ガス又は水素ガスと窒素ガスの混合雰囲気で、所定の時間、例えば２〜２０分間で、高温（１０００〜１１００oＣ）処理を行って、表面の汚れを除去し、表面の傷を回復させる。その後、温度を４００〜８００oＣに降下すると同時に、反応室へアンモニアガスと金属有機物源を導入し、バッファ層（図に示せず）の成長を実現する。その後、バッファ層を９００〜１０５０oＣに加熱し、５〜１０分だけ維持し、高温窒化物ｎ−型層５１０の成長のために用意する。
【００６１】
高温（１０５０〜１１２０oＣ）窒化物層（ｎ−型層）５１０は、厚さが０．２〜１マイクロメータの、意図されずドープされた窒化ガリウム層と、厚さが２〜３マイクロメータの、多量のシリコンがドープされた窒化ガリウム層（反応室へシランを導入し、反応室内のシリコン濃度が２〜１０×１０１８ｃｍ-３である）と、厚さが０．１〜０．５マイクロメータであり、少量のシリコンがドープされた窒化ガリウム層（反応室へシランを導入し、反応室のシリコン濃度は１〜３０×１０１７ｃｍ-３である）とを含んでもよい。ある構造によっては、発光ダイオードの反対特性（reverse characteristica）を高めるために、さらに一層又は複数層のアルミニウム含有窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）を加えることがある。また、ｎ−型窒化物層（ｎ−型層）５１０は、窒化ガリウム層、及び／又はＡｌＧａＮ層、及び／又はＩｎＧａＮ層、又は現在通用される他の適当な材料から構成されてもよい。各層は、いずれも単結晶の層でも非単結晶の層でもよい。
【００６２】
緩和強化層５１５は、５１０層と同じ温度で成長し、より多くの金属有機物アルミニウム源を導入することによって、必要なアルミニウム分を取得してもよく、６００〜７００oＣのような低温で成長し、金属有機物インジウム源を導入することによって、より多くのインジウムを取得してもよい。反応室へ金属有機物インジウム、及び／又はガリウム、及び／又はアルミニウム源と、アンモニアガスと、シランとを導入し、インジウムのモル分率が適当であるインジウム含有層、アルミニウムのモル分率が適当であるアルミニウム含有層のような緩和強化層５１５を成長させる。シランは、ドーパントとして緩和強化層５１５のｎ−型導電性を制御するものである。以上のように、アルミニウム含有緩和強化層とインジウム含有緩和強化層は、その後の歪平衡層５２０の歪み緩和の過程を加速する。
【００６３】
緩和強化層５１５の成長が完了した後、歪平衡層５２０の成長のために、窒素雰囲気で反応室における温度を７５０〜８５０oＣのような中程度の温度まで調節する。金属有機物インジウム、及び／又はガリウム、及び／又はアルミニウム源と、アンモニアガスと、シランとを、反応室へ導入し、インジウムのモル分率が適当であるインジウム含有層、又はアルミニウムのモル分率が適当であるアルミニウム含有層のようなＩＩＩ族窒化物の歪平衡層５２０を成長させる。シランは、ドーパントとして歪平衡層５２０のｎ−型導電率を制御するものである。本実施形態において、歪みのないバルク格子定数の達成を確実にするために、歪平衡層５２０の厚さは０．１マイクロメータよりも大きい。好ましい厚さは０．１〜１．０マイクロメータであり、より好ましくは０．２〜０．５マイクロメータである。
【００６４】
一部の適用実施形態において、歪平衡層５２０は三元合金ＩｎxＧａ1-xＮである。ここで、歪平衡層５２０の面内格子定数（ａｓｂ）が量子障壁層５３１の格子定数（ａｂ）よりも大きく、また量子井戸層５３２の格子定数（ａｗ）の以下であることを確保するように、インジウムのモル分率ｘを選択する。
【００６５】
さらに具体的に言えば、インジウムのモル分率ｘの変更は、歪平衡層５２０の格子定数を変更することになり、そのため、このような変更によって、活性領域５３０の合計の歪みエネルギーを低減することできる。そのような状態は、以下の式によって表される。
【００６６】
Ｋ＝ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂ
（ここで、ｔｗとｔｂは、それぞれ量子井戸と障壁の厚さを示し、ａｗ、ａｂとａｓｂは、それぞれ量子井戸層５３２、量子障壁層５３１と歪平衡層５２０の格子定数を示す）
Ｋの値が正の数である場合、活性領域５３０に引張歪みが与えられることを意味し、負の数である場合、圧縮歪みが与えられることを意味する。０である場合、活性領域５３０に最小化された歪みが与えられる。活性領域５３０にとって、Ｋ＝０は最も望ましいであり、この場合、多重量子井戸（ＭＱＷ）の活性領域５３０は、欠陥を引き起こすことなく積層するサイクル数を増加することができる。
【００６７】
本発明に係る実施形態によれば、歪平衡層５２０の成長後、多重量子井戸の活性領域５３０は、直接または間接的に歪平衡層５２０の上に成長してもよい。成長は、窒素雰囲気で行ってもよく、その温度は、７５０〜８５０oＣのような歪平衡層５２０と同じ温度であってもよく、又は６５０〜７５０oＣまで低減してもよい。低い温度は、緑や赤、赤外発光ダイオードのような、インジウム分が高い長波長の発光器に好適に用いられる。本発明を適用すれば、多重量子井戸の障壁厚さは、５０〜３００オングストロームの範囲にあり、井戸厚さが１０〜２００オングストロームの範囲にある。
【００６８】
ｐ−型層５４０は、直接又は間接的に活性領域５３０の上に堆積されてもよく、一部の実施形態によっては、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層（アルミニウムのモル分率が０．１〜０．２５で、厚さが２０〜１２０ｎｍ）と、マグネシウムがドープされたＩｎＧａＮ層と、ｐ−型窒化ガリウム層とを含むかもしれない。
【００６９】
本発明によれば、活性領域の上での厚いｐ−型ＩｎＧａＮ層は歪平衡層５２０の性能を向上できることが指摘される。本発明の一つの実施形態において、マグネシウムがドープされたｐ−ＩｎｐＧａ１−ｐＮ層は、８００〜９５０oＣで成長してもよく、インジウムのモル分率が２〜３０％（すなわち、０．０２≦ｐ≦０．３）であり、歪平衡層５２０に近い格子定数を有する。２〜３０％であるインジウムのモル分率を有するマグネシウがドープされたｐ−ＩｎｐＧａ１−ｐＮ層は、その面内格子定数が３．１９６〜３．２９６オングストロームであるが、本発明の一つの実施形態において、それに対応する歪平衡層、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０１≦ｘ≦０．４）の面内格子定数は、３．１９２〜３．３３１オングストロームに調整されてもよい。インジウムのドープは、ｐ−型層から多重量子井戸活性領域と歪平衡層に対する応力をできるだけ小さい（ゼロ）とする。一部の実施形態において、このｐ−ＩｎＧａＮ層の厚さは０．１〜０．６マイクロメータである。ｐ−ＩｎＧａＮ層は、その後に堆積される各層に生じる可能性がある応力に対しても、歪み吸収領域として機能する。これによって、多重量子井戸活性領域がその後の各層の歪みからの影響を受けないことを確保し、少なくとも歪みを顕著的に低減させる。
【００７０】
マグネシウがドープされたｐ−ＩｎｐＧａ１−ｐＮ層が成長してから、８５０〜９５０oＣの成長温度で、厚さが０．１〜１．０マイクロメータであるマグネシウムがドープされたＧａＮを堆積する。
【００７１】
本発明による歪平衡層は、歪み相殺の能力を有するため、圧電材料又は格子の不整合が大きい材料、例えば、ＩＩＩ族窒化物、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料で作成された発光ダイオードに対して、新しい設計の扉を開いている。
【００７２】
活性領域が格子の不整合が大きい材料からなる場合、活性領域の厚さや、多重量子井戸／障壁の対の数は、不整合により厳しく制限される。例えば、従来の技術において、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性領域からなる青／緑の発光ダイオードのそれぞれは、残留歪みエネルギーを有し、そのエネルギーは前記Ｋの式によれば、青の発光ダイオードと緑の発光ダイオードについて、１つの量子井戸ごとに、それぞれ約−０．６５／−０．８６オングストロームとなるであろう。これは、多重量子井戸の間隔が２００オングストロームよりも小さく、サイクルの数が１０対よりも小さくなるように制限される必要があると意味する。従来の技術において、多重量子井戸の間隔と数の増加は、発光ダイオードの性能を低下させる。しかしながら、本発明に係る実施形態における歪平衡層を適用すれば、多重量子井戸／障壁の対を１０以上に増加させることができる。これにより、高出力ＬＥＤの性能に非常に有利となる。本発明において、多重量子井戸の数は、１０〜１００対まで達してもよくその際許容される程度のデバイス性能を持つ。一部の実施形態において、多重量子井戸として１０〜４０対を含んでもよい。他の実施形態において、多重量子井戸として１２〜２０対を含んでもよい。
【００７３】
図６に示すように、多重量子井戸の数を１０から１５まで増加させた後、従来の技術から予想されるようなＬＥＤの電気性能の低下はなく、逆に向上する。図６は、本発明による多重井戸を適用した場合、多重量子井戸が１０対と１５対であるＬＥＤにおける電流−電圧（ＩＶ）曲線（１０対の場合、中実菱形の図例で、１５対の場合、中空三角形の図例である）を示す。注意すべきのは、これらの曲線は、分離された独立なチップに対して試験を行って得られたデータではなく、ウェハーにおける簡単なプロセス過程によって作成されたデバイスから得られたものである。シャープなＩＶ曲線は、ＬＥＤの直列抵抗の低減とＩＶ特性の向上を意味する。図６におけるこれらの二つの実施形態は、図５に示すような構造を有する。具体的には、ｎ−型層５１０は、順に基板５００の上に成長した、厚さが０．１〜２マイクロメータである非ドープのＧａＮ層と、厚さが０．５〜３マイクロメータであり、多量にドープされたｎ−ＧａＮ（１〜２０×１０１８ｃｍ-３）と、厚さが０．０１〜１マイクロメータであり、少量のシリコンがドープされたＧａＮ層（０．１〜１５×１０１７ｃｍ-３）とを含む。その中で、非ドープのＧａＮが直接的に基板５００の上に成長された。緩和強化層５１５は、０．０２〜０．５マイクロメータのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０．１≦ｘ≦０．４）である。歪平衡層５２０は、０．０２〜０．５マイクロメータのＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０２≦ｘ≦０．１５）である。ＭＱＷの活性領域５３０は、ＧａＮ／Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ多重量子井戸（サイクルの数はそれぞれ１０と１５である）であり、その井戸／障壁の厚さがそれぞれ１５０／１８オングストロームである。Ｐ−型層５４０は、マグネシウがドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．３５）層と、マグネシウがドープされたＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０３≦ｘ≦０．１５）と、２００ｎｍ以下であるｐ−ＧａＮ層とを含む。その中で、ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮが直接に活性領域５３０の上に成長された。
【００７４】
従来の技術において、ＬＥＤは、圧電材料または格子不整合が大きい材料、例えば、ＩＩＩ族窒化物、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料で作製されたものであり、デバイスの起動電圧と直列抵抗が、大幅にＭＱＷの井戸／障壁の厚さと組成に依存する。例えば、従来の技術において、障壁の厚さが１４０オングストロームよりも小さいと、デバイスの起動電圧と直列抵抗が増加し、電気特性が低下する。ＬＥＤに歪平衡層を適用する一つの利点は、ＩＶ特性の改良である。これは、歪平衡層のあるＬＥＤと歪平衡層のないＬＥＤのＩＶ曲線の比較により示される。比較に供されるＬＥＤの構造の相違点は、歪平衡層の挿入のみにある。図７によると、歪平衡層の存在は、障壁／井戸の厚さが１５０／１８オングストロームであるＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸ＬＥＤの起動電圧と直列抵抗に対して、顕著な作用がある。ＬＥＤのＩＶ特性が、歪平衡層によって顕著に改良されている。図８に示すように、障壁が薄くなると、歪平衡層からＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸ＬＥＤの起動電圧に対する改良はより顕著である。従来の技術において、歪平衡層のない井戸の厚さが１８オングストロームであるＬＥＤについて、障壁の厚さが１８０オングストローム（図８では、中空三角形で表されるデータを参照）から７０オングストローム（図８では、中実正方形で表されるデータを参照）まで減らした場合、デバイス起動電圧が約１．６Ｖ（２．４Ｖから４Ｖまで）増えたことが認められる。本発明を適用し、類似な構造に歪平衡層を加えた場合、７０オングストロームのような薄い障壁のデバイスに対しても、ＩＶ特性が顕著に低下しない（図８では、中実三角形で表されるデータを参照）。これは、従来のＧａＮ／ＩｎＧａＮのＬＥＤ構造にとって、ＩＶ特性を許容されたレベルに維持するために、障壁／井戸の厚さの比が８よりも大きいように保つ必要があることを意味する。本発明においては、障壁／井戸の厚さの比が８、ひいては４よりも小さいことが許容される。さらなる実験から、低下しないようにＩＶ特性を維持することを前提として、この比がひいては１より小さくなってもよいことが明らかになる。
【００７５】
本発明を適用すれば、薄い障壁多重量子井戸の設計の直接的な利点は、高注入電流密度でのＬＥＤの効率減衰の低減にある。図９は、注入電流が増加している場合、唯一の変数である障壁厚さが異なり、歪平衡層を有するＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＷ ＬＥＤの外部量子効率（ＥＱＥ）の比較図である。図によると、量子障壁の厚さが１９７オングストローム（図９では、中空正方形で表されるデータを参照）から８０オングストローム（図９では、中実三角形で表されるデータを参照）まで減るに従って、ＥＱＥピークがより高い注入電流へ移行し、その同時に、注入電流の増加に伴うＥＱＥの減衰傾向が緩やかになる。
【００７６】
表１は、多重量子井戸／障壁の対の数が多く、障壁／井戸の厚さの比（即ち、薄い障壁及び／又は厚い井戸）が小さい幾つかの異なる発光波長のＬＥＤの活性領域の例を挙げている。表は、井戸の厚さ（ｔｗ）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ組成の井戸層におけるインジウムのモル分率（ｘ）とアルミニウムのモル分率（ｙ）も示す。対応する障壁の組成は、図４ａと図４ｂに関して論じた組成に類似するものである。ＩｎｙＧａ１−ｙＮ障壁層を用いる可視光発光ダイオードの場合、インジウムのモル分率が０％〜２０％にある。すなわち、０≦ｙ≦０．２である。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁層を用いる紫外線発光ダイオードの場合、アルミニウムのモル分率が１０％〜７５％にある。すなわち、０．１≦ｙ≦０．７５である。
【００７７】
【表１】
2011155241.tif 000003
【００７８】
歪平衡層の上に以上の多重量子井戸構造が形成されると（本発明によれば、歪平衡層は緩和強化層の上に成長してもよい）、数が多い井戸障壁の対と小さい障壁／井戸の厚さの比を選択して利用しても、満足されるデバイス性能を得ることができる。発光デバイス性能を満足する一つの要求としては、一定の電流密度で、順方向電圧が十分に低いことである。表１は、電流密度が２０Ａ／ｃｍ２である時の順方向電圧値（Ｖｆ）を示している。この順方向電圧値は、本発明による歪平衡層と緩和強化層が導入された、多重量子井戸の可視光と紫外線ＬＥＤにおいて達成され得る。例えば、多重量子井戸の前に本発明による歪平衡層と緩和強化層が形成された青色ＬＥＤについては、ＭＱＷ構造が１２〜８０の井戸／障壁の対を含み、障壁／井戸の厚さの比が０．３〜６であり、井戸の厚さが５〜２００オングストロームである場合、ＬＥＤの順方向電圧は３．４Ｖよりも小さくすることができる。一般的には、井戸の厚さは、１０〜４０オングストロームにあることが好ましい。
【００７９】
ここで、歪平衡層と緩和強化層は、図２、図３ａ及び図３ｂにおけるものに類似する。歪平衡層は、ＩＩＩ族窒化物ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１)で作製されてもよい。可視光発光ダイオードの場合、歪平衡層におけるインジウム分（インジウムのモル分率）は、１％〜４０％の間にある。すなわち、０．０１≦ｘ≦０．４である。例えば、青の発光ダイオードの場合、歪平衡層は２０％〜３０％のインジウムを含んでもよい。緑の発光ダイオードの場合、歪平衡層は２５％〜４０％のインジウムを含んでもよく、アルミニウム分（アルミニウムのモル分率）は、０％〜５％の間で変化してもよく、すなわち、０≦ｙ≦０．０５であってもよく、好ましくは０である。紫外発光ダイオードの場合、歪平衡層におけるアルミニウム分（アルミニウムのモル分率）は、５％〜６０％の間で変化してもよく、すなわち、０．０５≦ｙ≦０．６であってもよく、インジウム分（インジウムのモル分率）は、０％〜１５％の間で変化してもよく、すなわち、０≦ｘ≦０．１５であってもよく、好ましくは０である。前記実施形態において、表１におけるＭＱＷ構造は、図２、図３ａ及び図３ｂに示されるＬＥＤ構造に適用されてもよく、また図２、図３ａ及び図３ｂに類似する基板、ｎ−型層、ｐ−型層を採用する。
【００８０】
一般的には、紫外、青、緑、赤又は赤外ＬＥＤの場合、歪平衡層はＩＩＩ族窒化物ＩｎｘｓｂＡｌｙｓｂＧａ１−ｘｓｂ−ｙｓｂＮで作成されてもよい。量子井戸と障壁層も、それぞれＩｎｘｗＡｌｙｗＧａ１−ｘｗ−ｙｗＮとＩｎｘｂＡｌｙｂＧａ１−ｘｂ−ｙｂＮで構成されてもよい。ここで、ｘｓｂ、ｙｓｂ、ｘｂ、ｙｂ、ｘw、ｙwは、０〜１（０と１も含む）に定義される。緑で波長がより長いＬＥＤの場合、歪平衡層においてより多くのＩｎをドープする必要があり、量子井戸層にとっても同じである。しかし、紫外線ＬＥＤの場合、歪平衡層においてより多くのアルミニウムをドープする必要がある。
【００８１】
歪平衡層の厚さは、インジウム分又はアルミニウム分によって、数十オングストローム〜数百マイクロメータであってもよい。本発明の一つの実施形態によれば、後の層の成長を確保するために、歪平衡層は完全に緩和され、欠陥密度が低いものであるべきである。歪平衡層の組成は、活性領域の設計に基づいて算出することができる。一旦その組成が決定されると、その層は自然状態の単結晶のバルク格子定数を採用することができる程度に、十分な厚さが選択される。
【００８２】
一部の実施形態において、歪平衡層が完全に緩和される必要はない、即ち、自然状態である単結晶のバルク格子定数を維持する必要はない。これらの実施形態において、歪平衡層の組成は、活性領域の設計と歪平衡層自身の歪み緩和状態に基づいて算出される必要がある。
【００８３】
ある一部の実施形態においては、歪平衡層は複数層からなり、異なるドーパントとドープ分布、及び／又は異なる組成と組成分布を有する。歪平衡層においては、組成は、必要な格子定数とバンド幅になるまでに、直線的に上昇又は下降している。また、組成は、格子定数とバンド幅を満たすように、非直線的に変化してもよい。図１０に示すように、歪平衡層１０２０は、均一でない組成分布を有する。このような組成が均一でない歪平衡層は、従来の技術の中の、いずれかの適当な技術によって成長してもよい。例えば、歪平衡層（組成が均一でない歪平衡層）１０２０は、反応室において窒素雰囲気で７５０〜８５０oＣで成長してもよい。金属有機物インジウム、及び／又はガリウム、及び／又はアルミニウム源と、アンモニアガスと、シランとを、反応室へ導入する。成長の進行につれて、制御範囲において一つ又は複数の源の導入流れを変更し、このようにして、必要な組成分布を実現できる。ある実施形態において、組成が均一でない歪平衡層１０２０は、歪みの無い単結晶のバルク格子定数を達成するように、その厚さが０．１マイクロメータを超える。厚さは０．１〜１．０マイクロメータであることが好ましく、０．２〜０．５マイクロメータであることがより好ましい。
【００８４】
ある一部の実施形態において、組成が均一でない歪平衡層１０２０は三元合金ＩｎｘＧａ１−ｘＮである。インジウムのモル分率ｘは、歪平衡層の厚さにつれて変化している。
【００８５】
ある一部の実施形態において、組成が均一でない歪平衡層１０２０は三元合金ＡｌｙＧａ１−ｙＮである。アルミニウムのモル分率ｙは、歪平衡層の厚さにつれて変化している。
【００８６】
Ｋ＝ｔｗ（ａｓｂ−ａｗ）／ａｗ＋ｔｂ（ａｓｂ−ａｂ）／ａｂの式によって歪平衡層を設計する場合、歪平衡層１０２０の格子定数（ａｓｂ）は、この層の格子定数の平均である。
【００８７】
基板１０００と電子注入層（ｎ−型層）１０１０は、図２〜４にかかる説明に類似する。
【００８８】
一部の実施形態において、歪平衡層は、複数層の材料を含み、必要な格子定数とバンド幅になるように、組成の急激な変化を繰り返してもよい。図１１に示すように、ここで、歪平衡層１１２０は、複数のサイクルの繰り返し単位Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ層／Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ層（１１２１／１１２２）からなり、ただし、ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２はいずれも０〜１（０と１も含む）であり、また、いずれも０でない場合、（ｘ１，ｙ１）は（ｘ２，ｙ２）に等しくない。繰り返し単位の中、層ごとの厚さは、５〜１０００オングストロームであり、５〜２００オングストロームであることがより好ましく、５〜５０オングストロームであることがより好ましい。
【００８９】
基板１１００と電子注入層（ｎ−型窒化物層）１１１０は、図２〜４にかかる説明に類似する。
【００９０】
一部の具体的な実施形態（図１２）において、電子注入層（ｎ−型層）１２１０の上に直接又は間接的に成長した歪平衡層１２２０は、短いサイクルのＧａＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮ超格子により構成されてもよい。超格子のサイクルの数ｎ、即ちＧａＮ／ＩｎｘＧａ１−ｘＮの対の繰り返し数は、１０〜２００であり、２０〜１００であることが好ましく、３０〜６０にあることがより好ましい。ＧａＮ層の対応する厚さ（ｔ１）とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の対応する厚さ（ｔ２）が５〜２００オングストロームにあり、インジウム分ｘが２０〜１００％にある。超格子におけるＩｎＧａＮの厚さと組成は、その成長方向における分布が一致である必要はない。
【００９１】
一部の実施形態において、さらに格子定数と電気特性を調整して活性領域の歪平衡を微調整するように、歪平衡層はドープされてもよく、又は、シリコン、炭素、亜鉛、及び／又はマグネシウや他の元素を同時にドープされてもよい。歪平衡層は、導電性なものでも非導電性なものであってもよい。Ｓｉ及び／又はＭｇのドープ濃度は、１０１５ｃｍ-３〜１０２０ｃｍ-３のオーダーにあってもよく、１０１６ｃｍ-３〜１０１９ｃｍ-３にあることがより好ましい。
【００９２】
ｃ面のＩｎＡｌＧａＮ層では、自発分極電界と歪みによって生じた圧電分極電界が、光電デバイスに不良影響を与えることは知られている。Ｅ．Ｔ．Ｙｕは、「窒化物へテロ構造における自発分極と圧電分極」において、窒化物へテロ構造における分極電界について概略に述べている（『ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体：適用とデバイス』に収録され、Ｅ．Ｔ．ＹｕとＭ．Ｏ．Ｍａｎａｓｒｅｈ編集、１６１〜１９２頁、２００３年、Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ発行）。その中の内容は、本発明にも援用される。組成が次第に変化している活性領域によって量子井戸における分極電界を低減する方法を用いる特許（ＵＳ７,３４５,３２４参照、その内容が本発明に援用される）が既にあり、また、活性領域の上に歪みが緩和された制限層を利用して電子のバリア効果を強化する特許（ＵＳ６,９４３,３８１参照、その内容が本発明に援用される）もある。米国特許７,５４７,９０８では、完全に緩和され、低温で成長した非単結晶ＩｎＧａＮによって、変量子井戸の応力を低減する（ＵＳ７,５４７,９０８参照、その内容が本願に援用される）。なお、ＧａＮ基底の上に、四元合金によって活性領域の分極場を減少することが報告された文献（Ｊｉａｎｐｉｎｇ Ｚｈａｎｇら、「ＩｎＧａＮ量子井戸と四元合金ＡｌＩｎＧａＮ障壁を組み合わせてなる対による光ルミネセンスの強化」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．７７、Ｎｏ．１７、２０００年１０月２３日、ｐｐ．２６６８〜２６７０、並びに、Ｍａｒｔｉｎ Ｓｃｈｕｂｅｒｔら、「分極整合されたＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＩｎＮ多重量子井戸発光ダイオードの効率減衰の低減」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．９３、Ｎｏ．４、２００８年７月２８日、ｐｐ．０４１１０２（１〜３）参照。これらの二つの文献も本文に援用される）もある。本発明では、ｎ−型窒化物基底と活性領域との間に歪平衡層を挿入することによって、様々な適用に応じて分極場を調整する自由度も向上する。
【００９３】
一部の実施形態において、電子−正孔波動関数の活性領域におけるオーバーラップが十分でないと、歪平衡層によって活性領域での分極電界を減少し、電子−正孔波動関数のオーバーラップを高めることができる。図１３ａ、図１３ｂ及び図１４ａ、図１４ｂは、二種類のＬＥＤ構造のエネルギーバンドと分極場分布を比較する。
【００９４】
図１３ａにおけるＬＥＤ構造は、基板１３００と、前記基板１３００の上に堆積されるｎ−型ＧａＮ層１３１０と、ｎ−型ＧａＮ層１３１０の上に堆積される活性領域１３３０と、活性領域１３３０の上に堆積され、厚さが２０００オングストロームであるｐ−型ＧａＮ １３４０とを含む。活性領域１３３０は、複数のＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ／ＧａＮの井戸／障壁層の対（１３３２／１３３１）からなり、ただし、ＧａＮ障壁層１３３１の厚さが約８０オングストロームであり、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ井戸層１３３２の厚さが約３０オングストロームである。図１３ｂには、図１３ａにおけるＬＥＤの平衡状態でのエネルギーバンド構造と電界分布が算出された。従来の技術による量子井戸の分極電界強度は約１．５ＭＶ／ｃｍであることが得られた。このような電界強度では、量子井戸のエネルギーバンドに明らかな傾きが生じ、電子と正孔が量子井戸において分離される。これは最終的に、電子−正孔の放射再結合確率を低下させ、又はデバイスの内部量子効率を低下させる。それ以外では、障壁領域における電界強度は０．８ＭＶ／ｃｍに近く、量子井戸における電界と相反する方向を有することが見出された。これは、キャリアの輸送が妨げられ、デバイスの直列抵抗が増えてしまうことを意味する。
【００９５】
図１４ａは、本発明にかかる実施形態を適用して設計された、基板１４００（図１０に類似する）と、ｎ型ＧａＮ層（ｎ−型層）１４１０（基板１４００の上にあり、図１３ａに類似する）と、低温成長した緩和強化層（ｎ−ＧａＮ層）１４１５の上に成長し、厚さが５００オングストロームである歪平衡層（ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ）１４２０と、歪平衡層１４２０の上に成長した活性領域１４３０’と、活性領域１４３０’の上に成長し、厚さが約２０００オングストロームであるｐ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１４４０とを含むＬＥＤ構造を示す。活性領域１４３０’は図１３ａに類似し、複数のＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ／Ａｌ０．３Ｉｎ０．４１Ｇａ０．２９Ｎの障壁／井戸層の対（１４３２／１４３１’）からなり、ただし、Ａｌ０．３Ｉｎ０．４１Ｇａ０．２９Ｎ障壁層１４３１’の厚さが約８０オングストロームであり、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ井戸層１４３２の厚さが約３０オングストロームである。図１４ｂのエネルギーバンド図と電界強度分布から、図１４ａに示すＬＥＤ構造は、図１３ａに示すＬＥＤ構造と比べると、量子井戸における電界強度が、〜０．８ＭＶ／ｃｍ以下まで急激に低下したことが認められる。しかも、量子障壁における分極場の方向は、キャリア輸送に寄与するように変更される。
【００９６】
他の一部の実施形態において、内部量子効率を制限する主な要素は波動関数のオーバーラップでなく、欠陥である場合（例えば、深緑と遠紫外デバイスの活性領域）、分極場は、内部量子効率をある程度に向上するために利用され得ることを指摘した。その理論としては、欠陥がクーロン力によってキャリアを捕獲するからである。十分に強い外部電界はいずれも、このような捕獲を弱くし、捕獲断面を低減することができる。Ｊ．Ｐ．Ｓｏｒｂｉｅｒらは、理論的に、捕獲断面と外部電界の二乗根が反比例すると指摘した（Ｊ．Ｐ．Ｓｏｒｂｉｅｒら、「トラップ捕獲断面の二次元の弾道モデル」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉdｓ、Ｖｏｌ．３２２、Ｎｏ．１−３、Ｊｕｎｅ ２００３、ｐｐ．１１−１６参照。その内容が本文に援用される）。図１５において、ＩｎＧａＮ層における単電荷の欠陥の電界強度分布を見積もると、図に示すように、この単電荷の欠陥は、捕獲距離に関連し、約ＭＶ／ｃｍのオーダーの捕獲電界が生じる。このオーダーにある外部電界はいずれも、欠陥による捕獲に遮断作用を効果的に奏する。
【００９７】
深緑ＬＥＤの実施形態において、活性領域の欠陥密度が１０１０ｃｍ-２近くになり得る。これは、欠陥の間の平均距離が１０００オングストロームよりも小さいことを意味し、そのため、これらの欠陥を遮断する強い電界が強く望まれる。図１６ｂは、歪平衡層のない深緑ＬＥＤ構造のエネルギーバンド図と分極場を示し、図１６ａに示すように、その中、量子井戸内の分極電界が約１．５ＭＶ／ｃｍである。このようなＬＥＤにおける高い欠陥密度を考えると、１．５ＭＶ／ｃｍの強い電界は、既に欠陥による注入キャリアの捕獲を効果的に遮断し、内部量子効率の向上に寄与することができる。これは、欠陥に対する窒化物ＬＥＤの感度が低いが、欠陥密度に対する他の材料系のＬＥＤ、例えばＡｌＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤの感度が強い理由を説明している。ＡｌＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＧａＰＬＥＤにおいて、活性領域がゼロである分極電界を有し、そのため、その活性領域が欠陥に対して大きい感度を持つ。図１６ａにおけるＬＥＤ構造は、基板１６００と、当該基板１６００の上に形成されるｎ−型ＧａＮ層１６１０と、当該ｎ−型ＧａＮ層１６１０の上に形成される活性領域１６３０と、当該活性領域１６３０の上に形成され、厚さが２０００オングストロームであるｐ−型ＧａＮ層１６４０と含む。活性領域１６３０は、複数のＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ／ＧａＮの井戸／障壁層の対（１６３２／１６３１）からなり、各ＧａＮ障壁層１６３１の厚さが約１５０オングストロームであり、各Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ井戸層１６３２の厚さが約１５オングストロームである。
【００９８】
図１６ａと図１７ａにおけるＬＥＤ構造の唯一な相違点は、図１７ａにおけるＬＥＤ構造では、ｎ−型ＧａＮ層と活性領域との間に歪平衡層（ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層）１７２０が設けられることにある。図１７ａに示すＬＥＤ構造において、基板１７００、ｎ−型ＧａＮ層１７１０、複数のＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ／ＧａＮの井戸／障壁層の対（１７３２／１７３１）からなる活性領域１７３０、及びｐ−型ＧａＮ層１７４０は、全て図１６ａにおけるＬＥＤ構造の対応する層に類似する。図１７ｂによると、歪平衡層１７２０の適用によって、さらに量子井戸での電界強度を６．５ＭＶ／ｃｍまで高めるができる。これにより、ある程度欠陥に対する遮断は強化され、内部量子効率は高くなる。
【００９９】
以上、多量の実施形態を用いて本発明を説明した。しかしながら、本願の適用範囲が前記の実施形態を含むだけでないことは、本分野の当業者にとって理解や認識され得る。逆に、その関連する各改良や、類似又は等価であるアレンジも、本発明に含まれる。そのため、本願の請求の範囲は、全ての改良や、類似又は等価であるアレンジを含むように、最も広い解釈をすべきである。
【図１】
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【図２】
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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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【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１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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