(57)【要約】【課題】発光性能が全面的に向上した新しいタイプの歪半導体へテロ構造を開示すること。【解決手段】歪半導体へテロ構造（１０）は、ｐ導電型の第１エミッタ層（１１）とｎ導電型の第２エミッタ層（１２）とを含む注入領域と、第１エミッタ層（１１）と第２エミッタ層（１２）との間に配される発光層（１３）とからなる。電子捕獲領域（１４）は、発光層（１３）と第２エミッタ層（１２）との間に配され、電子捕獲領域（１４）は、第２エミッタ層（１２）に隣接する捕獲層（１６）と、捕獲層（１６）に隣接する閉じ込め層（１５）とを含む。本発明によれば、閉じ込め層（１５）および捕獲層（１６）の幅と材料は、捕獲層（１６）内の電子の局在化エネルギーレベルの１つと、第２エミッタ層（１２）の伝導帯下端との間のエネルギー差が光学フォノンのエネルギーに等しくなるよう選択される。【選択図】図２
2008513987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪半導体へテロ構造（１０）であって、
ｐ導電型の第１エミッタ層（１１）とｎ導電型の第２エミッタ層（１２）とを含む注入領域と、
前記第１エミッタ層（１１）と前記第２エミッタ層（１２）との間に配され、バンドギャップエネルギーが、前記第１エミッタ層（１１）および前記第２エミッタ層（１２）のバンドギャップエネルギーより小さい発光層（１３）と、
前記発光層（１３）と前記第２エミッタ層（１２）との間に配され、前記第２エミッタ層（１２）に隣接する捕獲層（１６）と、前記捕獲層に隣接する閉じ込め層（１５）とを含む電子捕獲領域（１４）と、
を備え、
前記閉じ込め層（１５）のバンドギャップエネルギーは、前記発光層（１３）のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
前記捕獲層（１６）のバンドギャップエネルギーは、前記閉じ込め層（１５）のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
そして、前記捕獲層（１６）内の電子の最低エネルギーレベルは、前記発光層（１３）内の最低エネルギーレベルよりも高く、
前記閉じ込め層（１５）および前記捕獲層（１６）の幅と材料は、前記捕獲層（１６）内の電子の局在化エネルギーレベルの１つと、前記第２エミッタ層（１２）の伝導帯下端と、の間のエネルギー差が、光学フォノンのエネルギーに等しくなるよう選択されることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項２】
請求項１に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記第２エミッタ層（１２）の電子濃度は、前記第１エミッタ層（１１）の正孔濃度と、前記第２エミッタ層（１２）の正孔の拡散係数と前記第１エミッタ層（１１）の電子の拡散係数との比と、前記第１エミッタ層（１１）の電子の拡散距離と前記第２エミッタ層（１２）の正孔の拡散距離との比と、の積に等しくなるように調整されることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記歪半導体へテロ構造は、焦電半導体材料で形成され、
前記発光層（１３）の幅と材料は、自発的な焦電分極によって引き起こされたビルトイン電界が、ビルトイン圧電電界と、実質的に等しい大きさと実質的に反対の方向とを有するように選択されることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項４】
請求項３に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記第１エミッタ層（１１）は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎからなり、ここで、０≦ｘ１≦１である条件、
前記第２エミッタ層（１２）は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎからなり、ここで、０≦ｘ２≦１である条件、
前記発光層（１３）は、Ａｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎからなり、ここで、０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｘ３＋ｙ３≦１である条件、
前記閉じ込め層（１５）は、Ａｌｘ４Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ｎからなり、ここで、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｘ４＋ｙ４≦１である条件、
前記捕獲層（１６）は、Ａｌｘ５Ｉｎｙ５Ｇａ１−ｘ５−ｙ５Ｎからなり、ここで、０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｘ５＋ｙ５≦１である条件、
の少なくとも１つが満たされることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項５】
請求項１または２に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記第１エミッタ層（１１）は、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ａｓａ１Ｎｂ１Ｐ１−ａ１−ｂ１からなり、ここで、０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｘ１＋ｙ１≦１、かつ、０≦ａ１≦１、０＜ｂ１≦０．１、０≦ａ１＋ｂ１≦１である条件、
前記第２エミッタ層（１２）は、Ａｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ａｓａ２Ｎｂ２Ｐ１−ａ２−ｂ２からなり、ここで、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｘ２＋ｙ２≦１、かつ、０≦ａ２≦１、０＜ｂ２≦０．１、０≦ａ２＋ｂ２≦１である条件、
前記発光層（１３）は、Ａｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ａｓａ３Ｎｂ３Ｐ１−ａ３−ｂ３からなり、ここで、０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｘ３＋ｙ３≦１、かつ、０≦ａ３≦１、０＜ｂ３≦０．１、０≦ａ３＋ｂ３≦１である条件、
前記閉じ込め層（１５）は、Ａｌｘ４Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ａｓａ４Ｎｂ４Ｐ１−ａ４−ｂ４からなり、ここで、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｘ４＋ｙ４≦１、かつ、０≦ａ４≦１、０＜ｂ４≦０．１、０≦ａ４＋ｂ４≦１である条件、
前記捕獲層（１６）は、Ａｌｘ５Ｉｎｙ５Ｇａ１−ｘ５−ｙ５Ａｓａ５Ｎｂ５Ｐ１−ａ５−ｂ５からなり、ここで、０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｘ５＋ｙ５≦１、
かつ、０≦ａ５≦１、０＜ｂ５≦０．１、０≦ａ５＋ｂ５≦１である条件、
の少なくとも１つが満たされることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項６】
請求項１または２に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記電子捕獲領域１４は、前記閉じ込め層（１５）と前記発光層（１３）との間に挿入される、少なくとも一対のワイドバンドギャップ層および狭バンドギャップ層を含み、
閉じ込め層に隣接する層は、前記狭バンドギャップ層の１つであり、
前記ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
前記狭バンドギャップ層のバンドギャップエネルギーは、前記ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
前記狭バンドギャップ層および前記ワイドバンドギャップ層の幅と材料は、
任意の狭バンドギャップ層の電子の最小エネルギーレベルが、前記発光層（１３）の最小エネルギーレベルよりも高く、前記捕獲層（１６）の最小エネルギーレベルよりも低く、この任意の狭バンドギャップ層と前記閉じ込め層（１５）との間にある前記狭バンドギャップ層の最小エネルギーレベルよりも低いこと、
そして、前記閉じ込め層に隣接する前記狭バンドギャップ層の電子の最小局在化エネルギーレベルと、前記捕獲層（１６）内の電子の最小局在化エネルギーレベルと、の間のエネルギー差が光学フォノンのエネルギーに等しいこと、
となるように選択されていることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項７】
請求項６に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記歪半導体へテロ構造は、焦電半導体材料で形成され、
前記発光層（１３）の幅と材料は、自発的な焦電分極によって引き起こされたビルトイン電界が、ビルトイン圧電電界と、実質的に等しい大きさと実質的に反対の方向とを有するように選択される、
ことを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項８】
請求項７に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記第１エミッタ層（１１）は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎからなり、ここで、０≦ｘ１≦１である条件、
前記第２エミッタ層（１２）は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎからなり、ここで、０≦ｘ２≦１である条件、
前記発光層（１３）は、Ａｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎからなり、ここで、０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｘ３＋ｙ３≦１である条件、
前記閉じ込め層（１５）は、Ａｌｘ４Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ｎからなり、ここで、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｘ４＋ｙ４≦１である条件、
前記捕獲層（１６）は、Ａｌｘ５Ｉｎｙ５Ｇａ１−ｘ５−ｙ５Ｎからなり、ここで、０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｘ５＋ｙ５≦１である条件、
一対のワイドバンドギャップ層および狭バンドギャップ層は、ＡｌｍｉＩｎｎｉＧａ１−ｍｉ−ｎｉＮワイドバンドギャップ層およびＡｌｋｉＩｎｌｉＧａ１−ｋｉ−ｌｉＮ狭バンドギャップ層を交互に配したものからなり、ここで、ｉは対の数であり、０≦ｍｉ≦１、０≦ｎｉ≦１、０≦ｍｉ＋ｎｉ≦１、０≦ｋｉ≦１、０≦ｌｉ≦１、０≦ｋｉ＋ｌｉ≦１である条件、
の少なくとも１つを満たしていることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項９】
請求項４または８に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
ｎ導電型の低抵抗領域（１７）を、前記第２エミッタ層（１２）に隣接して追加で加え、
前記追加した領域は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮおよびＡｌｙＧａ１−ｙＮの層を交互に配した複数の対からなる側電流拡散超格子を備え、ここで、０≦ｘ≦１、かつ、０≦ｙ≦１である、
ことを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項１０】
請求項６に記載の歪半導体へテロ構造（１０）であって、
前記第１エミッタ層（１１）は、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ａｓａ１Ｎｂ１Ｐ１−ａ１−ｂ１からなり、ここで、０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｘ１＋ｙ１≦１、かつ、０≦ａ１≦１、０＜ｂ１≦０．１、０≦ａ１＋ｂ１≦１である条件、
前記第２エミッタ層（１２）は、Ａｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ａｓａ２Ｎｂ２Ｐ１−ａ２−ｂ２、からなり、ここで、０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｘ２＋ｙ２≦１、かつ、０≦ａ２≦１、０＜ｂ２≦０．１、０≦ａ２＋ｂ２≦１である条件、
前記発光層（１３）は、Ａｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ａｓａ３Ｎｂ３Ｐ１−ａ３−ｂ３からなり、ここで、０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｘ３＋ｙ３≦１、かつ、０≦ａ３≦１、０＜ｂ３≦０．１、０≦ａ３＋ｂ３≦１である条件、
前記閉じ込め層（１５）は、Ａｌｘ４Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｘ４−ｙ４Ａｓａ４Ｎｂ４Ｐ１−ａ４−ｂ４からなり、ここで、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｘ４＋ｙ４≦１、かつ、０≦ａ４≦１、０＜ｂ４≦０．１、０≦ａ４＋ｂ４≦１である条件、
前記捕獲層（１６）は、Ａｌｘ５Ｉｎｙ５Ｇａ１−ｘ５−ｙ５Ａｓａ５Ｎｂ５Ｐ１−ａ５−ｂ５、からなり、ここで、０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｘ５＋ｙ５≦１、かつ、０≦ａ５≦１、０＜ｂ５≦０．１、０≦ａ５＋ｂ５≦１である条件、
前記一対のワイドバンドギャップ層および狭バンドギャップ層は、ＡｌｍｉＩｎｎｉＧａ１−ｍｉ−ｎｉＡｓｐｉＮｑｉＰ１−ｐｉ−ｑｉワイドバンドギャップ層およびＡｌｋｉＩｎｌｉＧａ１−ｋｉ−ｌｉＡｓｒｉＮｓｉＰ１−ｒｉ−ｓｉ狭バンドギャップ層を交互に配したものからなり、ここで、ｉは対の数であり、０≦ｍｉ≦１、０≦ｎｉ≦１、０≦ｍｉ＋ｎｉ≦１、かつ、０≦ｐｉ≦１、０＜ｑｉ≦０．１、０≦ｐｉ＋ｑｉ≦１、かつ、０≦ｋｉ≦１、０≦ｌｉ≦１、０≦ｋｉ＋ｌｉ≦１、かつ、０≦ｒｉ≦１、０＜ｓｉ≦０．１、０≦ｒｉ＋ｓｉ≦１である条件、
の少なくとも１つが満たされることを特徴とする歪半導体へテロ構造。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の歪半導体ヘテロ構造からなる発光ダイオード。
【請求項１２】
請求項５または１０に記載の歪半導体ヘテロ構造からなる発光ダイオードであって、
前記歪半導体ヘテロ構造は、材料がＧａＰ、ＧａＡｓ、またはＩｎＰから構成されるグループから選択される基板上に成長させ、
そして、前記第１エミッタ層（１１）および前記第２エミッタ層（１２）の材料は、格子整合を前記基板に提供するように選択される、
ことを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子用の半導体へテロ構造に関し、特に、格子不整合半導体材料で形成された構造に関する。このへテロ構造は、２つのエミッタからなる注入領域と、発光層と、電子捕獲領域とを備える。とりわけ、このへテロ構造は、焦電材料、特に第３族金属の窒化物およびそれらの合金からなってもよい。また、このへテロ構造は、第３族金属のヒ化物およびリン化物を含む窒素からなってもよい。
【背景技術】
【０００２】
本願明細書において、ＬＥＤと呼ぶ発光ダイオードの外部量子効率は、次のように規定される。
【数１】
2008513987.tif 000003
ここで、γは注入効率であり、ηｃａｐは発光領域へのキャリア捕獲効率、ηｉｎｔは発光領域内のキャリアの放射再結合による放射効率、ηｏｕｔは光抽出効率である。最大ＬＥＤ効率は、これらのパラメータ全てを最大とすることにより得られる。最初の３つの要因には重なる部分があり、ＬＥＤ構造の設計においてはこれらに同時に対応するのが最適である。
【０００３】
最初に対応すべき要因は、発光領域へのキャリア捕獲効率である。素子層間に格子不整合がある場合、電子と正孔が再結合する層の厚さは、材料の質を保ち転位の核生成による歪み緩和を回避することができる程度に薄くしなければならない。しかしながら、層厚を薄くすると発光層へのキャリア捕獲は著しく減少する。この捕獲は次の関係により特徴付けられる。
【数２】
2008513987.tif 000004
ここで、ｑ＋およびｇ−は発光層に入射しこれを透過するキャリアフラックス、ｎはエミッタ内のキャリア濃度、ｄは発光狭バンドギャップ層の幅、τは電子−光学フォノン相互作用により通常は決定される捕獲時間である。この関係は、発光層の幅が狭くなるとキャリアフラックスの捕獲された部分は減少し、捕獲時間に反比例することを示している。発光層の固定幅については、電子有効質量の値が低いため、キャリアの捕獲は電子では正孔よりも有効性が低くなり、その結果、エネルギー緩和時間τが長くなる。狭バンドギャップ領域へのキャリア捕獲を減少させる別の内在的なメカニズムとしては、この領域からの電子波または正孔波の部分反射がある。このため、キャリアが狭バンドギャップ領域内部に存在する可能性が減少し、狭バンドギャップ層内の局在化状態との連結効率の低下および捕獲時間τの増加につながる。結果として、素子の捕獲効率は低下し、注入電流に対する効率ηｅｘｔの最大値は素子の通常の動作電流をはるかに下回ることになる。この問題を解決するために多くの構造が提案されてきた。この解決手段の１つとして、発光領域の正孔注入側にワイドバンドギャップ層をさらに用いることにより、電子がこの領域から流出するのを防ぐものがある。この解決手段は、米国特許第６，６７７，６１９号のＮａｇａｈａｍａ他およびそこに記載の参考文献による窒化物系発光素子の場合に応用されてきた。しかしながら、かかる障壁の存在は電子および正孔反射を増加させることになり、この解決手段は最適なものとはいえない。発光領域からのキャリア排出を防ぐために、Ｎａｋａｍｕｒａ他は米国特許出願第２００４／０１０１０１２号において発光領域の両側から２つの障壁を挿入することを提案した。Ｎａｋａｍｕｒａらは、この解決手段が一般的に障壁からのキャリアの高反射につながることから、キャリアが障壁をトンネルする可能性を高めるために障壁を出来るだけ薄くすることを提案した。しかしながら、この解決手段の欠点の１つに、この場合におけるキャリアのトンネル現象が共鳴型ではないため、障壁厚さをどのようなものとしても、キャリアの障壁からの反射が発光領域へのキャリア捕獲効率を著しく減少させるということがある。Ｗａｎｇ他は英国特許第２，３５２，３２６号においてＣＡＲＴ構造を開示しており、電子は構造のｎ型部分にある予備貯蔵部に集められ、ここから発光領域へ共鳴トンネルする。この貯蔵部はキャリアを効果的に集めることのできる厚みが必要である。実際には、高品質な厚い層を格子不整合半導体材料に基づいて実現することは難しい。
【０００４】
次に対応すべき要因は、注入効率である。光はｐ−ｎ接合面近くに配された薄い発光層内で生成されるため、この接合面が最大注入効率を備えることが望ましい。通常の解決手段では、材料品質の劣化が起こらない範囲でエミッタをできるだけドーピングする。しかしながら、１つのエミッタ内の活性ドーピングの中心における濃度が基本材料特性により制限される材料については、他のエミッタにおける過剰なドーピングが発光層における電子および正孔注入電流のバランスを崩し、注入効率を下げることになる。
【０００５】
３番目に対応すべき要因は、放射効率である。素子が焦電材料からなる場合、構造内の歪みによって引き起こされる自発分極および圧電分極はビルトイン電界を生じさせ、発光領域内の電子と正孔を空間的に分離する。その結果、放射再結合のために間接的な光学遷移が必要となる。このような間接的な再結合は、素子の放射量子効率の低下につながる。この現象は以下のような多くの文献で取り上げられている。Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ他「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ」、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、第５６巻、第１６号、１９９７年、Ｒ１００２４〜Ｒ１００２７ページ。Ｔａｋｅｕｃｈｉ他、「Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｄｕｅ  ｔｏ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ  ｉｎ  ＧａＩｎＮ  Ｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、第３６巻、第２部、第４号、１９９７年、Ｌ３８２〜Ｌ３８５ページ。Ａｍｂａｃｈｅｒ他、「Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ／ＧａＮ  ｈｅｔｅｒｏ−  ａｎｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：  Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｍａｔｔｅｒ、第１４巻、２００２年、３３９９〜３４３４ページ。ビルトイン分極の効果は、ある程度までは、非常に薄い発光層を用いることにより最小とすることができる。しかしながら、すでに述べたように、このように厚みが薄いと、キャリア捕獲の非効率性につながる。また、発光層の幅が厚みのばらつきと同様になることもある。このようなばらつきは発光層における「正孔」の形成につながり得るが、正孔は非放射再結合の中心として機能するものであるため、さらに素子の効率を低下させることになる。結論として、ビルトイン電界により引き起こされる分極は、放射効率および捕獲率のいずれをも制限する。Ｉｂｂｅｔｓｏｎ他は、米国特許第６，５１５，３１３号において、分極によって生じる電荷の作用を弱める技術をいくつか開示しており、これらは、分極によって生じる電荷を補償し得る不純物電荷を与える選択的ドーピング、段階的な組成のクラッド層、段階的または混合組成の活性領域、および逆分極である。別の解決手段として、発光領域の材料として格子整合した半導体化合物を用いるものがある。しかしながら、焦電材料では自発分極もまた存在し、このような自発分極は緩和されたまたは格子整合した層においてもゼロではない。例えば、第３族金属の窒化物における自発分極の値は、圧電効果により生じる値に類似している。そのほかの圧電分極を減少させる技術として、Ｔａｋｅｕｃｈｉ他が米国特許第６，５６９，７０４号で、またＧｏｅｔｚ他が米国特許第６，６３０，６９２号で開示する技術がある。
【０００６】
以上からわかるように、非常に効率的な発光構造の開発は、好ましくは上記全ての課題を解決する一貫した手段の場合には、一層効果的となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上述のような欠点を排除することにある。
【０００８】
本発明の具体的な目的の１つは、発光性能が全面的に向上した新しいタイプの歪半導体へテロ構造を開示することである。このへテロ構造は、例えば、第３族金属の窒化物およびその合金である焦電半導体材料、または第３族金属のヒ化物およびリン化物を含む窒素からなる。
【０００９】
本発明の目的は、また、この歪半導体へテロ構造を用いた新しいタイプの発光ダイオードを開示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る歪半導体へテロ構造は、請求項１に示すものにより特徴付けられる。
【００１１】
本発明の半導体へテロ構造は、ｐ導電型の第１エミッタ層とｎ導電型の第２エミッタ層とを備える注入領域と、これらのエミッタ層の間に配される発光層と、第２エミッタ層と発光層との間に挿入される電子捕獲領域とを含む。電子捕獲領域は第２エミッタ層に隣接する捕獲層とこの捕獲層に隣接する閉じ込め層とを備える。本明細書において用いられる「歪へテロ構造」とは、おおむね、独立した複数の層からなるへテロ構造であって、少なくとも１つの層の面内格子パラメータがその均衡値と異なるものを指し、「層」とは、おおむね、単結晶エピタキシャル層を指す。電子捕獲領域の目的は、電子エネルギーの緩和を行い、発光層からの電子の流出を小さくすることである。発光層のバンドギャップエネルギーは、エミッタ層および閉じ込め層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。捕獲層のバンドギャップエネルギーは閉じ込め層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。加えて、捕獲層内の電子の最低エネルギーレベルのエネルギー位置は、発光層内の最低エネルギーレベルのエネルギー位置よりも高い。
【００１２】
本発明によれば、捕獲層および閉じ込め層の幅と材料は、捕獲層内の電子の局在化エネルギーレベルの１つと、第２エミッタ層の伝導帯下端との間のエネルギー差が光学フォノンのエネルギーに等しくなるよう選択される。「光学フォノンエネルギー」とは、おおむね、ゼロ波のベクトル値近傍の格子振動の光学型のエネルギーを指す。縦光学（ＬＯ）フォノンとの相互作用による狭バンドギャップ捕獲層への電子の捕獲は、任意に配置されたレベルへの捕獲に比べると向上するが、これは、前述したような状況においては電子の下方遷移の間にフォノンへ遷移する運動量がほぼゼロとなるからである。緩和は、主として、適温での光学フォノンの自然発光により生じる。狭バンドギャップ捕獲層からのエミッタ層への反転キャリアの熱放射は、フォノンの吸収により生じるもので、したがって因数Ｎｑ／（１＋Ｎｑ）によって抑制され、ここでＮｑはプランク分布により得られるフォノンの数である。
例えば、第３族金属の窒化物の場合、光学フォノンエネルギーはおよそ１００ｍｅＶであり、したがって、発光率は、捕獲率に比べて室温で約４０倍も抑制される。キャリアエネルギーのさらなる緩和は、捕獲層内のより低いエネルギーレベルを介してその後隣接する狭バンドギャップ発光層で起こるか、または直接に、発光層で起こる。したがって、本発明に係る捕獲層の電子捕獲効率は、先行技術の構造に比べて大きく向上している。
【００１３】
本発明の好適な実施形態の１つによれば、第２エミッタ層の電子濃度は、（１）第１エミッタ層の正孔濃度と、（２）第２エミッタ層の正孔の拡散係数と第１エミッタ層の電子の拡散係数との比と、（３）第１エミッタ層の電子の拡散距離と第２エミッタ層の正孔の拡散距離との比との積に等しくなるよう調整される。この条件が満たされると、注入領域における正孔および電子の濃度が一致して発光層への注入電流のバランスがとれ、最大注入効率につながる。この電子濃度調整の背景にある理論を次に説明する。
【００１４】
光はｐ−ｎ接合面近傍に配される薄い発光層内で生成されるので、この接合面で注入効率が最大となるのが望ましい。空間電荷領域内での再結合を想定し通常のＬＥＤ動作電流に対応するＳｈｏｃｋｌｅｙ−Ｎｏｙｃｅ−Ｓａｈモデルの枠組みにおいては、再結合率は、エミッタの多数キャリアの濃度の積ではなく、電子および正孔注入電流密度の積に比例する。その理由が、注入されたキャリアの濃度は、フォワード・バイアス下でのｐｎ接合においては、多数キャリア濃度ではなく、少数キャリアの濃度と印加された電圧に依存するからであることは、当業者にとって明らかである。したがって、総電流密度がこれら２つの電流密度の合計に等しく、また構造全体にわたって一定であるために、ｐ−ｎ接合面での電子と正孔電流密度とが等しいならば、注入効率は最大となる。任意のｐ型エミッタ正孔濃度ｐｐについて、電子と正孔電流密度とが等しいことにより、ｎ型エミッタ電子濃度ｎｎの条件は以下のように設定される。
【数３】
2008513987.tif 000005
ここで、ＤｐおよびＤｎは拡散係数であり、ＬｐおよびＬｎはそれぞれｎ型およびｐ型エミッタの少数キャリアの拡散距離である。本明細書において用いられる「拡散係数」および「拡散距離」の定義は、例えば、Ｎ．Ｗ．ＡｓｈｃｒｏｆｔおよびＮ．Ｄ．Ｍｅｒｍｉｎの「Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」（Ｓａｕｎｄｅｒｓ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、１９７６年、６０２〜６０４ページ）に見ることができる。層内の電子および正孔濃度を必要とされる濃度にする過程は、当業者には周知である。想定される半導体材料のグループ（例えば、第３族金属の窒化物）については、通常、ｎ型エミッタにおける電子濃度はｐ型エミッタにおける正孔濃度より数倍高い。この場合、空間電荷領域内の電子注入電流は正孔注入電流よりも高く、最大見込効率と比べた注入効率の低下につながる。この場合、発光性能を向上させるための最も明らかな解決手段は、ｐ型エミッタにおける正孔濃度を高くすることである。しかしながら、ｐ型ドーピングは材料の基本特性により制限され得る。本発明のこの実施形態のへテロ構造において、電子および正孔注入電流間のバランスは、ｐ−ｎ接合における適切なｎ型エミッタ設計によりもたらされる。この場合、中程度にドープされたｎ型エミッタがｎ型コンタクト層と電子捕獲領域との間に配される。
【００１５】
本発明の一実施形態において、歪半導体へテロ構造は焦電半導体材料からなり、発光層は、自発的な焦電分極によって引き起こされた電界の大きさと方向が、歪みにより引き起こされた圧電電界と、実質的に大きさが等しくまた実質的に逆方向であるような、組成と厚みを有する。本明細書において用いられる「焦電分極」および「圧電分極」の定義は、例えば、Ｎ．Ｗ．ＡｓｈｃｒｏｆｔおよびＮ．Ｄ．Ｍｅｒｍｉｎの「Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」（Ｓａｕｎｄｅｒｓ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、１９７６年、５５５ページ）に見ることができる。この趣旨は、圧電分極電荷の重畳によって引き起こされた電界Ｅｐｉｅｚｏが自発分極電荷の重畳によって引き起こされた電界Ｅｓｐを補償するように、エミッタ層と発光層との間に固定格子不整合を配することにある。
【数４】
2008513987.tif 000006
この場合、キャリアは発光層内で空間的に分離されておらず、放射効率の向上につながる。例えば、ＡｌＩｎＧａＮ層において、圧電および自発分極は、組成によっては反対の方向に向くかもしれない。したがって、発光層とその近傍の層の材料は、自発（焦電）分極によって引き起こされたビルトイン電界の大きさをビルトイン圧電電界の大きさに等しくし、自発（焦電）分極によって引き起こされたビルトイン電界の方向をビルトイン圧電電界の方向と反対にするように選択される。焦電層材料は、例えば、第３族金属の窒化物およびそれらの合金であってよい。エミッタ層のうち少なくとも１つはＡｌｘＧａ１−ｘＮを含んでよく、ここで、０≦ｘ≦１である。発光層、閉じ込め層、捕獲層のうち少なくとも１つはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ―ｙＮを含んでよく、ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。
【００１６】
本発明の構造の非焦電材料は、好適には、第３族金属のヒ化物およびリン化物を含む窒素である。例えば、エミッタ層、発光層、閉じ込め層、捕獲層のうち少なくとも１つはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ―ｙＡｓａＮｂＰ１−ａ−ｂを含んでよく、ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、かつ０≦ａ≦１、０＜ｂ≦０．１、０≦ａ＋ｂ≦１である。
【００１７】
本発明の好適な実施形態の１つとして、必要ならば、この構造内に追加で層を挿入することによりキャリア緩和をさらに向上させることができる。本実施形態によれば、少なくとも１対のワイドバンドギャップ層および狭バンドギャップ層を、狭バンドギャップ層が閉じ込め層に隣接するように、閉じ込め層と発光層との間に挿入する。ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーは狭バンドギャップ層および発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。狭バンドギャップ層およびワイドバンドギャップ層の組成および幅は、任意の狭バンドギャップ層の電子の最小エネルギーレベルが、発光層の最小エネルギーレベルよりも高く、捕獲層の最小エネルギーレベルよりも低く、この任意の狭バンドギャップ層と閉じ込め層との間にある狭バンドギャップ層の最小エネルギーレベルよりも低くなるように選択される。加えて、この組成と幅は、捕獲層（１６）内の電子の最小局在化エネルギーレベルと、閉じ込め層に隣接する狭バンドギャップ層の最小局在化エネルギーレベルとの間のエネルギー差が光学フォノンのエネルギーに等しくなるよう選択される。隣接する狭バンドギャップ層の間それぞれについて、このようなフォノンエネルギーへの調整を行うこともできる。この種の構造における下方エネルギー緩和は、フォノンを利用した一連の緩和プロセスにより生じ、したがって、さらに向上することになる。
【００１８】
また、このような追加のワイドバンドギャップ層および狭バンドギャップ層を含む構造は焦電材料からなってもよい。この場合、エミッタ層のうち少なくとも１つはＡｌｘＧａ１−ｘＮを含んでよく、ここで、０≦ｘ≦１である。発光層、閉じ込め層、捕獲層のうち少なくとも１つはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ―ｙＮを含んでよく、ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。追加の層は、例えばＡｌｍｉＩｎｎｉＧａ１−ｍｉ−ｎｉＮワイドバンドギャップ層およびＡｌｋｉＩｎｌｉＧａ１−ｋｉ−ｌｉＮ狭バンドギャップ層を交互に配したものであってもよく、ここで、ｉは対の数であり、０≦ｍｉ≦１、０≦ｎｉ≦１、０≦ｍｉ＋ｎｉ≦１、０≦ｋｉ≦１、０≦ｌｉ≦１、０≦ｋｉ＋ｌｉ≦１。
【００１９】
上述の本発明に係る焦電層材料を有する構造において、上記第２エミッタ層に隣接してｎ導電型の低抵抗領域を追加で加えることができ、この低抵抗領域は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮおよびＡｌｙＧａ１−ｙＮの層を交互に配した複数の対からなる側電流拡散超格子を備え、ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。
【００２０】
捕獲領域にワイドバンドギャップ層および狭バンドギャップ層を追加で有する非焦電構造において、エミッタ層、発光層、閉じ込め層、捕獲層のうち少なくとも１つはＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ―ｙＡｓａＮｂＰ１−ａ−ｂを含んでよく、ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、かつ０≦ａ≦１、０＜ｂ≦０．１、０≦ａ＋ｂ≦１である。追加の層は、例えばＡｌｍｉＩｎｎｉＧａ１−ｍｉ−ｎｉＡｓｐｉＮｑｉＰ１−ｐｉ−ｑｉワイドバンドギャップ層およびＡｌｋｉＩｎｌｉＧａ１−ｋｉ−ｌｉＡｓｒｉＮｓｉＰ１−ｒｉ−ｓｉ狭バンドギャップ層を交互に配したものであってもよく、ここで、ｉは対の数であり、０≦ｍｉ≦１、０≦ｎｉ≦１、０≦ｍｉ＋ｎｉ≦１、かつ０≦ｐｉ≦１、０＜ｑｉ≦０．１、０≦ｐｉ＋ｑｉ≦１、かつ０≦ｋｉ≦１、０≦ｌｉ≦１、０≦ｋｉ＋ｌｉ≦１、かつ０≦ｒｉ≦１、０＜ｓｉ≦０．１、０≦ｒｉ＋ｓｉ≦１である。
【００２１】
本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）は、請求項１１に示すものにより特徴付けられる。この発光ダイオードは、上述のような歪半導体へテロ構造を備える。したがって、先行技術の素子にくらべて発光効率が大幅に向上している。素子全体が高電流密度動作中の発光性能を向上させるよう設計されている。本発明の好適な実施形態として記載される全ての様態、すなわち、フォノンエネルギーの調整、捕獲領域層の追加、電子濃度の調整、および圧電電界補償は重複してもよく、最適な素子性能を実現するために、これら全てに同時に対応することは有利である。例えば、発光層、電子捕獲領域の狭バンドギャップ層、およびエミッタ層の組成は、（ａ）発光層のフラットなゾーンプロファイル、（ｂ）光学フォノンエネルギーに等しい転移エネルギー、（ｃ）必要な発光波長、を提供するように選択されてもよい。ドーピングレベルは、上述のようなバランスの取れた電流注入の条件により得られる。
【００２２】
本発明に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）は、また、請求項１２に示すものにより特徴付けられる。発光ダイオードは、本明細書においてすでに説明した請求項５または１０に記載の半導体へテロ構造を備える。本発明によれば、このへテロ構造は、材料がＧａＰ、ＧａＡｓ、またはＩｎＰである基板上に成長させる。加えて、エミッタ層はこの基板に格子整合する。言い換えると、エミッタ層の格子定数は実質的に基板の格子定数と同一である。
【００２３】
まとめると、本発明により、先行技術に比べて有利な点がいくつか実現される。特に、上記フォノンエネルギー調整を有する電子捕獲領域により効率的な電子エネルギー緩和が行われ、電子の発光層からの流出が抑制される。さらなる利点として、注入領域における正孔および電子の濃度を一致させて発光層内の注入電流のバランスをとることができる。さらに別の利点として、へテロ構造が焦電半導体材料からなる場合には、発光層はその電界がほぼゼロとなる組成を有することができる。その結果、本発明に係るへテロ構造を用いる発光ダイオードの外部量子効率全体が大幅に向上する。素子全体が高電流密度動作中の発光性能を向上させるよう設計されている。
【００２４】
先に述べた説明、また本発明のその他の利点およびこれが実現される方法は、以下の詳細な説明および添付の図面において、さらに具体的に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１に、半導体へテロ構造の断面概略図を示す。
参照符号１０で示すこのへテロ構造は、第１エミッタ層１１および第２エミッタ層１２からなる注入領域と、発光層１３と、捕獲層および閉じ込め層からなる電子捕獲領域１４とを備える。
【００２６】
図２は、図１に示すへテロ構造の概略的なエネルギーバンド図である。捕獲領域は、第２エミッタ層に隣接する狭バンドギャップ層である。捕獲層と発光層との間のワイドバンドギャップを有する層は、閉じ込め層である。捕獲層および閉じ込め層の幅と組成は、捕獲層の局在化電子エネルギーレベルの１つと電子エミッタ内の伝導帯下端とのエネルギー差が光学フォノンエネルギーに等しくなるよう調整されている。狭バンドギャップ捕獲層への電子の捕獲は、参照符号１で示す縦光学（ＬＯ）フォノンとの相互作用により引き起こされる。その結果、任意の位置レベルへの捕獲に比べて捕獲効率が向上する。
参照符号２で示すキャリアエネルギーのさらなる緩和は、まず同じ狭バンドギャップ捕獲層内のエネルギーレベルが低いところから始まり、その後隣接する狭バンドギャップ発光層に広がる。
【００２７】
図３は、一対のワイドバンドギャップ層と狭バンドギャップ層が閉じ込め層と発光層との間に加えられたへテロ構造の概略的なバンド図である。挿入された層の組成と幅は、狭バンドギャップ層内の電子の最小エネルギーレベルが発光層の最小エネルギーレベルより高くなり、捕獲層の最小エネルギーレベルより低くなるよう調整されている。加えて、挿入された層は、近傍の捕獲層および狭バンドギャップ層の最小エネルギーレベルのエネルギー差が光学フォノンエネルギーに等しくなるよう調整されている。狭バンドギャップ捕獲層への電子の捕獲は、図２の場合同様に、参照符号１で示す縦光学（ＬＯ）フォノンとの相互作用により引き起こされる。この構造における下方エネルギー緩和は、参照符号２および３で示す一連のプロセスによって引き起こされ、後者はフォノンを利用したプロセスである。追加的に行われるフォノンを利用したステップ３により、層を追加しない場合に比べるとエネルギー緩和がさらに向上する。
【００２８】
図４および図５の比較により、本発明に係る電子濃度調整の効果が明らかとなる。図５の構造において、電子濃度は以下の条件を満たす。
【数５】
2008513987.tif 000007
ここで、ＤｐおよびＤｎは拡散係数であり、ＬｐおよびＬｎはそれぞれｎ型およびｐ型エミッタの少数キャリアの拡散距離である。この場合、電子および正孔電流密度はｐ−ｎ接合面において等しくなり、したがって、ｎ型エミッタにおける電子濃度がｐ型エミッタにおける正孔濃度を超える図４の場合とは逆に、注入効率は最大となる。
【００２９】
図６は、本発明に係る第３族金属の窒化物からなる発光ダイオード用の半導体へテロ構造の一例を示す。参照符号１０で示すこのへテロ構造は、ｐ導電型で正孔濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚みが０．５μｍのＧａＮからなる第１エミッタ層１１とｎ導電型で電子濃度が１×１０１８ｃｍ―３で厚みが０．５μｍのＧａＮからなる第２エミッタ層１２とからなる注入領域と、厚みが０．００３μｍで不純物が添加されていないＡｌ０．０４Ｉｎ０．２２Ｇａ０．７４Ｎからなる発光層１３と、厚みが０．００１５μｍで不純物が添加されていないＡｌ０．２Ｉｎ０．０５Ｇａ０．７５Ｎからなる閉じ込め層１５と厚みが０．００６μｍで不純物が添加されていないＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる捕獲層１６とからなる電子捕獲領域と、ｎ導電型で電子濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚みが２μｍのＧａＮからなる低抵抗領域１７とを備える。
【００３０】
本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲において多くの変形例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による半導体へテロ構造の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１の半導体へテロ構造の発光層および閉じ込め層のエネルギーバンドを例示する図である。
【図３】本発明による、閉じ込め層と発光層との間に挿入された一対のワイドバンドギャップ層および狭バンドギャップ層をもって、半導体へテロ構造のエネルギーバンドを例示する図である。
【図４】（ａ）は、ｎ型エミッタにおける電子濃度がｐ型エミッタにおける正孔濃度を超える場合に発光ダイオードで用いられる半導体へテロ構造に基づくｐｎ結合を例示する図である。（ｂ）は、同一構造について電子および正孔の濃度の分布を例示している図である。（ｃ）は、同一構造について電子および正孔の電流濃度の分布を例示している図である。
【図５】（ａ）は、本発明による発光ダイオードにおいて注入バランスの取れた半導体へテロ構造に基づくｐｎ結合を例示する図である。（ｂ）は、同一構造について電子および正孔の濃度の分布を例示している図である。（ｃ）は、同一構造について電子および正孔の電流濃度の分布を例示している図である。
【図６】本発明による第３属金属の窒化物からなる発光ダイオードにおける半導体へテロ構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  歪半導体へテロ構造
１１  第１エミッタ層
１２  第２エミッタ層
１３  発光層
１４  電子捕獲領域
１５  閉じ込め層
１６  捕獲層
【図１】
2008513987.tif 000008
【図２】
2008513987.tif 000009
【図３】
2008513987.tif 000010
【図４】
2008513987.tif 000011
【図５】
2008513987.tif 000012
【図６】
2008513987.tif 000013
【国際調査報告】
2008513987.tif 000014
2008513987.tif 000015
2008513987.tif 000016