(57)【要約】【課題】更なる歪みを誘発する転位部を形成することなく、光拡散能力が強化され、結果的に、半導体構造を利用した発光デバイスの輝度が大幅に増大するものであり、ウルツ鉱結晶構造を伴ってＩＩＩ族金属窒化物で形成し、半導体構造の材料、または、異種材料で形成された（０００１）配向基板上で気相成長させる新しい種類の半導体構造を提供する。【解決手段】半導体構造は、下部クラッド層と、上部クラッド層と、半導体構造内に伝播する光を拡散し、下部クラッド層と上部クラッド層との間に位置する拡散領域とを含み、拡散領域は、拡散領域とクラッド層との間に光拡散界面を形成するために、クラッド層および非平面と異なる屈折率を有し、拡散領域は、層界面での歪み誘発転位部の形成を防ぐように組成および厚みが選択されている複数の拡散層と、拡散効率を更に高めるために屈折率が異なる隣接する拡散層とを含む。【選択図】  図１
2008545261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウルツ鉱結晶構造を有し、（０００１）配向の半導体基板（２，３）上で気相成長させるＩＩＩ族金属窒化物で形成され、下部クラッド層（４）と、前記下部クラッド層より上方に成長させた上部平面（９）を有し、格子定数が前記下部クラッド層と同じである上部クラッド層（５）と、半導体構造（１）内に伝播する光を拡散する、下部クラッド層（４）と上部クラッド層（５）との間に位置する拡散領域（６，７）とを含み、前記拡散領域は、前記拡散領域とクラッド層との間に光拡散界面を形成するために、前記クラッド層および非平面と異なる屈折率を有する半導体構造（１）であって、前記拡散領域は、拡散領域内の歪みを誘発転位部の形成を防ぐように、組成および厚みが選択されている複数の拡散層（６，７）と、拡散効率を更に高めるために屈折率が異なる隣接する拡散層（６，７）とを含む半導体構造。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族金属窒化物は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮの形であり、式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である、請求項１に記載の半導体構造（１）。
【請求項３】
前記下部クラッド層および上部クラッド層は、同じ材料である請求項１又は２に記載の半導体構造（１）。
【請求項４】
前記拡散層（６，７）は、前記クラッド層（４，５）と格子整合する、請求項３に記載の半導体構造（１）。
【請求項５】
前記拡散層（６，７）は、前記下部クラッド層および上部クラッド層（４，５）に格子不整合であり、前記各拡散層の厚みは、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みより小さく、拡散層内での歪み蓄積を防ぐために、２つの隣接する拡散層のうちの一方は、クラッド層（４，５）との正の格子不整合であり、他方は、クラッド層との負の格子不整合である、請求項３に記載の半導体構造（１）。
【請求項６】
前記下部クラッド層および前記拡散層は、結晶の面指数が（０００１）以外であり、方向指数が｛１１００｝であるファセットを有する上面を有する、請求項１〜５のいずれかに１項に記載の半導体構造（１）。
【請求項７】
ウルツ鉱結晶構造を有し、（０００１）配向の半導体基板上で気相成長させるＩＩＩ族金属窒化物で形成され、下部クラッド層（４）を気相成長させるステップと、前記下部クラッド層および非平面と異なる屈折率を有し、半導体構造（１）内に伝播する光を拡散する拡散領域（６，７）を下部クラッド層より上方に気相で成長させるステップと、上部平面（９）と、拡散領域と異なる屈折率と、下部クラッド層と同じ格子定数を有する上部クラッド層を拡散領域より上方に気相成長させるステップとを含む半導体構造（１）を製造する方法であって、前記拡散領域の成長は、拡散効率を更に高めるために、層界面での歪みを誘発する転位部の形成を防ぐように組成および厚みが選択されている複数の拡散層（６，７）と、屈折率が異なる隣接する拡散層とを成長させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記ＩＩＩ族金属窒化物は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮの形であり、式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記下部クラッド層および上部クラッド層は、同じ材料であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記拡散層（６，７）は、前記クラッド層（４，５）と同じ格子定数を有して成長することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記拡散層は成長し、各々が、クラッド層（４，５）と異なる格子定数およびＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅより小さい臨界厚みを有し、前記拡散層内での歪み蓄積を防ぐために、２つの隣接する拡散層（６，７）のうちの一方は、クラッド層（４，５）より大きい格子定数を有し、他方は、クラッド層より小さい格子定数を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記下部クラッド層および前記拡散層は成長し、結晶の面指数が（０００１）以外であり、方向指数が｛１１００｝であるファセットを有する上面を有することを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記下部クラッド層の成長は、（０００１）配向面上で、０．１〜１．５μｍの高さおよび１０７〜１０８ｃｍ−２の表面密度を有する沈殿物（１４）を形成するステップを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記沈殿物（１４）は、４５０〜７００℃の温度で実施される一連の短い低温蒸着することと、その後の９００〜１１５０℃の温度で高温層をアニールすることを含む処理で形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、発光デバイスの一部として使用される光拡散能力が強化された半導体構造に関するものである。更に詳しくは、半導体構造は、ウルツ鉱結晶構造を伴ってＩＩＩ族金属窒化物で形成し、半導体構造の材料、または、異種材料で形成された（０００１）配向基板上にて気相成長させるものである。また、本発明は、このような構造体を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード用半導体構造の設計は、２つの主要パラメータ、即ち、発光領域の屈折率への電気出力の変換効率および構造体からこの領域で発光する光の出射効率によるダイオードの全体効率に影響を与える。構造体の材料の屈折率を下回る異種基板上にて気相成長させたＩＩＩ族金属窒化物で製造された発光構造体では、大部分の発光部分が、構造体と基板との界面および構造体と周囲との界面での反射のために構造体の内側に伝播する。スネルの法則によって定義されるように、表面法線方向に関係がある特定の臨界角内に伝播する光のうち一部が、構造体表面を介して構造体を出射するにすぎない。この臨界角は、構造素材、基板素材および周囲素材の屈折率に左右される。構造体の材料（約２．５〜３）と比較すると、基板（例えば、サファイヤの場合は約１．８）と周囲（例えば、一般的な封入樹脂の場合は約１．５）の屈折率の差が著しいために、この臨界角は相対的に小さい。導波管として、光が、最大２／３の量で構造体層内に伝播する。発光ダイオードチップでは、この光は、潜在的にチップ側を介して出射することができる。しかしながら、構造体層および電極内に存在する損失メカニズムが多いため、この光の大部分が、チップ側を出射する前に失われる。このため、構造体からの発光効率はかなり減少し、結果的に、全体的なデバイス効率が減少する。
【０００３】
種々のｅｘｓｉｔｕの技術的操作を含むいくつかの方法が、問題に対応する特許のかなりの部分を構成している。構造体から出射される光の能力を向上させる１つの方法は、発光面を半球に成形することである。この方法は、米国特許第３，９５４，５３４号には、ＳｃｉｆｒｅｓおよびＢｕｒｎｈａｍによって開示されており、基板上の半導体層成長および基板除去による基板上での半球凹部の形成が含まれる。別の解決策が、米国特許許第５，７７９，９２４号にはＫｒａｍｅｓおよびＫｉｓｈ  Ｊｒ．によって開示されている。規則正しい界面テクスチャリングを作製することによって構造体から周囲への総屈折率の伝達を増大させることが提案されている。このテクスチャリングは、構造体と周囲との界面でのフレネル反射を低減すると共に、光が伝播して表面から構造体を出射できる臨界角を増大させるものである。Ｋｉｓｈ  Ｊｒ．およびＳｔｏｃｋｍａｎは、米国特許第５，７９３，０６２号では、チップ内の接点などの吸収領域から離れるように光の方向を変えるように設計された構造体の内側に非吸収分布ブラッグ反射体を挿入することが提案されている。実際は、ＩＩＩ族金属窒化物の場合、横方向にパターン化された分布ブラッグ反射体を成長させるのは難しい。Ｇａｒｄｎｅｒ他は、米国特許第６，８４７，０５７号には、基板表面または構造体面、または内部構造界面のうちの１つのテクスチャリングによって光拡散を向上させる発光デバイスを開示している。また、本発明は、活性領域によって出射される光子を偏光させる任意の偏光選択層を使用することを提案する。偏光選択層はワイヤグリッド偏光子とすることができ、素子層の反対側に基板の側面上に形成することができる。ワイヤグリッド偏光子は、ワイヤーに平行である偏光光子を反射して、ワイヤーに垂直である偏光光子を伝える。ワイヤグリッド偏光子と反射テクスチャリング面の組み合わせは、特定の偏光が得られるまで、光子を再利用する必要がある。既に述べたように、このような方法の共通の短所は、効果的な光拡散を得ることができるが、いくつかのｅｘｓｉｔｕの操作が必要であり、その結果、製造工程の複雑化となっているということである。
【０００４】
他のいくつかのｉｎｓｉｔｕの方法も提案されている。Ｋｒａｍｅｓ他は、米国特許第６，６４９，４４０号には、光抽出効率が向上した発光デバイスを製造するｉｎｓｉｔｕの方法が開示されている。この方法は、デバイスから光抽出効率を増大させる肉厚多層エピタキシャル構造体を利用するものである。この多層構造体は光を吸収しないので、肉厚化によって、導波管内に捕捉された光は、構造体側面から発光デバイスから出射することができると共に、反射量が少なく、その結果、活性領域および電極内での光損失を防ぐことができる。この方法の短所は、多層構造によって、デバイスからの光抽出を大幅に向上させるために、発光領域よりもはるかに肉厚である必要があり、その結果、従来の構造体と比較して、成長時間および当該の構造体のコストが大幅に増大するということである。また、この肉厚多層構造体は、発光構造体内にかなりの歪みを誘発する可能性がある。Ｋｒａｍｅｓ他は、米国特許第６，６８３，３２７号には、アルミニウムを含む核生成層を含む発光デバイスを開示している。核生成層の厚みおよびアルミニウム組成は、核生成層に入射する素子層からの光の９０％が基板内に抽出されるように、基板と素子層との屈折率を適合させるように選択される。この方法の短所は、そのような核生成層より上方に、上記の成長層の構造的品質を悪化させることなく、効果的な光拡散を得るのに必要な厚みを有する発光構造体を気相成長させることが難しいということである。Ｔｈｉｂｅａｕｌｔ他は、米国特許第６，８２１，８０４号  には、構造体内に、あるいは、エピタキシャル成長前に基板上に形成される光抽出素子の配列の作成に基づいたいくつかの解決策を開示している。光抽出素子のアレイが、空間的に変動する屈折率を実現するために形成され、導波管内に捕捉された光が、アレイと相互作用し、伝搬方向を変えて発光デバイスから出射するできるようになっている。この解決策は、構造体から出射される光の能力をかなり向上させることである。しかしながら、異種材料の介在物は、構造体層の更なる欠陥を招く可能性がある。別の提案された解決策は、構造体内に、または、エピタキシャル成長前に基板上に形成される分散層の挿入である。しかしながら、効果的な光屈折に対して十分な屈折率差が得られるように、ＩＩＩ族金属窒化物で生成される層には、厚みおよび組成を必要とするため、構造体内にかなりの更なる歪みを招く可能性がある。Ｓｈｅｎ他は、米国特許第６，９０３，３７６号には、発光領域と、１つまたはそれ以上の層によって発光領域から分離された反射接点とを含む発光デバイスを開示している。発光領域と反射接点との分離は、０．５λｎ〜０．９λｎまたはλｎ〜１．４λｎなどであり、λｎは、発光領域と反射接点を分離するデバイスの区域内の発光領域から出射された光の波長である。本発明によれば、分離距離に応じた上部側光束の光抽出効率は、反射接点から反射される光の位相ずれおよび発光領域から直接出射され、接点から反射される光の干渉のために、特定の値で最大となる。しかしながら、実は、この現象は、肉薄な単一量子井戸の領域に対しては効率的であるが、多重量子井戸を有する複雑な発光領域の場合には、さほど顕著なものではない。説明したｉｎｓｉｔｕの方法すべての共通の短所は、結果的に、欠陥密度が増すために構造体内に更なる歪みが発生するということである。
【０００５】
最新の解決策の１つとして、Ｌｅｅ他は、米国特許出願第２００５／００８２５４６号には、均一な応力分布を得ることができる、曲面を有する少なくとも１つの突出部分を有する基板の形成を含む方法を開示している。このデバイスは、構造体内の一貫した欠陥密度を保持しながら、光抽出の向上を実現するものである。この方法の短所は、効果的な光拡散が得られるが、ｅｘｓｉｔｕの操作を含む複雑な製造工程が必要であるということである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来技術の先に言及した短所を解消することである。
【０００７】
具体的には、発明の目的は、更なる歪みを誘発する転位部を形成することなく、光拡散能力が強化され、結果的に、半導体構造を利用した発光デバイスの輝度が大幅に増大するものであり、ウルツ鉱結晶構造を伴ってＩＩＩ族金属窒化物で形成し、半導体構造の材料、または、異種材料で形成された（０００１）配向基板上で気相成長させる新しい種類の半導体構造を開示することである。
【０００８】
また、本発明の目的は、上記の種類の半導体構造を製造する新規であり、効果的かつ良好に制御できる完全にｉｎｓｉｔｕの方法を開示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従う半導体構造は、本願の請求項１に記載する内容を特徴とする。構造体は、ウルツ鉱結晶構造を有し、（０００１）配向の半導体基板上で気相成長させるＩＩＩ族金属窒化物で形成される。基板は、半導体構造素材、または、一部の異種材料で形成することができる。半導体構造は、下部クラッド層と、下部クラッド層より上方に成長させた、上部平面を有する上部クラッド層とを含み、上部クラッド層の格子定数は、下部クラッド層と同じである。クラッド層の格子定数が異なると、構造体内の歪みを誘発する転位部の形成を引き起こすと考えられる。構造体の重要な部分は、半導体構造内に伝播する光を拡散する、下部クラッド層と上部クラッド層との間に位置する拡散領域である。拡散領域は、拡散領域とクラッド層との間に光拡散界面を形成するために、クラッド層および非平面と異なる屈折率を有する。非平面は、方向が異なる拡散界面となる。このような種類の表面は、構造体より上方に成長させた発光デバイス層によって出射された光にその伝達方向を無作為に変えさせるものであり、その結果、このような表面がデバイスからの出射が可能である方向である確立が高くなる。その結果、発光デバイスの輝度が向上する。拡散領域の上部非平面は、上部クラッド層成長中に平面に変形する。そのような平面は、この平面上の発光デバイス層の更なるエピタキシャル成長に十分に適している。本明細書で使用されるとき、「層」という用語は、一般に、単結晶のエピタキシャル層を指す。「拡散」という用語は、反射、散乱および屈折を含む界面での光の伝搬方向を変えるすべての種類のメカニズムを指す。
【００１０】
本発明によれば、上記拡散領域は、拡散領域内の歪みを誘発転位部の形成を防ぐように組成および厚みが選択されている複数の拡散層を含む。拡散層の各々は、拡散効率を最大化にするために、非平面を有することが好ましい。転位部は、半導体構造上に後で成長させる発光デバイス層の特性が劣化する原因であると考えられるため、転位部の形成を防ぐことが極めてに重要となる。転位を防ぐことは、構造体内での効果的なひずみ緩和することによって実現することができる。更に、本発明によれば、拡散層界面の増加によって拡散効率を高めるため、隣接する拡散層の屈折率が異なる。拡散領域の全厚は、効果的な光拡散が得られるように選択される。拡散層およびクラッド層の屈折率の差が大きいほど、拡散領域の所要全厚は小さくなる。本発明の構造体は、光拡散能力を強化するものであり、その結果、層内での更なる転位部を招くことなく、構造体上で成長させた発光デバイスの輝度の大幅な増大が得られる。これは、光拡散が単一の拡散層の挿入によって実施される従来技術による基板と比較すると、開発の大きな一歩となっている。
【００１１】
本発明の基本概念は、種々の異なる素材に適用可能である。１つの実施形態では、第ＩＩＩ族金属の上記窒化物は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮの形であり、式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。
【００１２】
１つの好適な実施形態では、上記下部クラッド層および上部クラッド層は、同じ材料である。この場合、拡散層は、クラッド層と格子整合することが好ましい。したがって、拡散領域が挿入されても層内では弾性ミスフィット応力は生成されず、ミスフィット転位部は、層界面には形成されない。別の代案は、拡散層が下部クラッド層および上部クラッド層に対して格子不整合であり、各拡散層の厚みは、転位部が形成されない層の最大厚みであるＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みより小さいというものである。Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みの背後にある理論は、本明細書で記載する。更に、この実施形態では、拡散領域内での歪み蓄積を防ぐために、２つの隣接する拡散層のうちの一方は、クラッド層との正の格子不整合であり、他方は、クラッド層との負の格子不整合である。Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みを下回る上記厚み制限によって、更なる歪みを誘発する転位なしに十分な厚みを有する拡散領域を有することが可能となる。例えば、厚みが等しい第１および第２の拡散層の対からなり、同じ振幅の逆の格子不整合であるスタックは、全歪みがゼロである。
【００１３】
１つの特別な好適な実施形態では、下部クラッド層および拡散層は、結晶の面指数が（０００１）以外であり、方向指数が｛１１００｝であるファセットを有する上面を有する。したがって、拡散領域では、ファセットが下部クラッド層上面に再生成される。この種の構造体は、特定の傾斜ファセットを有しており、結果的に、効果的な光拡散が得られる。
【００１４】
半導体構造を製造する本発明の方法は、本願の請求項７で呈示する内容を特徴とする。構造体は、ウルツ鉱結晶構造を有し、半導体構造素材、または、異種材料で形成できる（０００１）配向の半導体基板上で気相成長させるＩＩＩ族金属窒化物で形成される。反応器に基板を設置した後に、本方法は、まず、下部クラッド層を気相成長させるステップを含む。この後、下部クラッド層および非平面と異なる屈折率を有する、半導体構造内に伝播する光を拡散する拡散領域を下部クラッド層より上方に気相成長させるステップがある。本方法は、最後に、上部平面と、拡散領域と異なる屈折率と、下部クラッド層と同じ格子定数を有する上部クラッド層を拡散領域より上方に気相成長させるステップを含む。種々の気相成長法は、例えば、金属有機蒸気相エピタキシまたは水素化物気相エピタキシに基づく気相エピタキシ反応器で実行することができる。
【００１５】
本発明によれば、拡散領域の成長は、層界面での歪みを誘発する転位部の形成を防ぐように組成および厚みが選択されている複数の拡散層と、拡散効率を更に高めるために屈折率が異なる隣接する拡散層とを成長させるステップを含む。したがって、本発明の方法は、単一の拡散層の挿入を利用する従来技術で開示されている方法とは対照的に、層内に更なる転位部を招くことがない、構造体内での効果的な光拡散を目標とする。
【００１６】
上記のＩＩＩ族金属窒化物は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮの形であることが好ましく、式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。
【００１７】
１つの好適な実施形態では、下部クラッド層および上部クラッド層は、同じ材料である。この場合、クラッド層と格子定数が同じ拡散層を成長させることが好ましい。その後、歪みは層界面内で生成されず、したがって、歪みを誘発する転位部はできない。また、クラッド層の異なる格子定数を有する拡散層を成長させることが可能であり、各拡散層がＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みより小さい、２つの隣接する拡散層のうちの一方は、クラッド層より大きい格子定数を有し、他方は、クラッド層より小さい格子定数を有する。この場合、歪みが格子不整合であるために層内に生成される。しかしながら、上記のＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界の厚さを下回る層厚さを選択し、歪み蓄積を防ぐためにクラッド層と反対の格子不整合である隣接する拡散層を選択することによって転位部を防ぐ。転位部が形成されない層の最大厚みであるＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みを本明細書で詳細に記載する。
【００１８】
１つの特別な好適な実施形態では、結晶の面指数が（０００１）以外であり、方向指数｛１１００｝であるファセットを有する上面を有する下部クラッド層および拡散層を成長させる。したがって、拡散領域では、下部クラッド層上面にファセットが再生成される。この種の構造体は、特定の傾斜ファセットを有しており、結果的に、効果的な光拡散が得られる。下部クラッド層のファセットの成長および拡散領域は、このようなファセットの優先的な成長を利用することによって達成することができる。当業者に知られているように、このような結晶率を有するファセットの成長を生成するために、例えば、時間、ガス流量、温度、および圧力などの処理パラメータを選択することが可能である。しかしながら、パラメータが共通とならないように、各反応器は、独自の個々のパラメータを有する。それぞれ、上部平面を有する上部クラッド層は、結晶の面指数が（０００１）である平面ファセットの優先成長によって生成することができる。
【００１９】
上面に上記ファセットを有する下部クラッド層の成長は、好ましくは、０．１〜１．５μｍの高さおよび１０７〜１０８ｃｍ−２の表面密度を有する沈殿物（１４）の（０００１）配向面上での形成のステップを含む。沈殿物の形成は、（０００１）配向表面でＩＩＩ族金属窒化物の層を成長させる初期ステップ時の通常の現象である。沈殿物は、通常、上記ファセットを有するピラミッド形状を有する。上記の特定の特性を有する沈殿物を生成することによって拡散層の更なる優先成長に十分適した大きさのファセットが実現されることが保証される。一般に、この沈殿物は、高温での再結晶化を伴う材料の低温蒸着中に形成される。しかしながら、このような手法では、一般的に、所要の高さに到達する前に凝集する傾向がある高い密度を有するいくつかの小さな沈殿物を形成する。本発明によれば、好ましくはであるがもっぱらではなく、沈殿物は、４５０〜７００℃の温度で実施される一連の短い低温蒸着と、その後の９００〜１１５０℃の温度で高温層をアニールする際に形成される。正確な温度は、使用される材料および反応器の種類に左右される。上記の短低蒸着の持続時間は、例えば、数十秒とすることができる。毎回の焼き鈍し中に、蒸着材の一部が、表面から除去される。温度勾配および焼き鈍し時間などの焼き鈍し中の処理パラメータは、大きな沈殿物を保持しながら小さな沈殿物をすべて除去するように選択される。その結果、最も大きな沈殿物だけの顕著な成長が実施される。沈殿物は、（０００１）配向の半導体基板上で直接成長させることができる。また、最初に（０００１）面を有する最下層の一部を成長させて、その表面上に沈殿物を成長させることが可能である。
【００２０】
本発明の方法全体は、不要かつ複雑なｅｘｓｉｔｕのステップを伴う従来技術による多くの方法とは対照的に、ｉｎｓｉｔｕのステップによって実行することができる。
【００２１】
上記の本発明の重要な特長は、十分に肉厚な拡散領域の挿入によって、層内の更なる転位部とならないということである。一般に、格子不整合である層を挿入すると、層間に実質的な結晶の格子不整合が発生し、その結果、弾性ミスフィット応力（張力または圧縮）が層内に生成される。このような応力は、界面でのミスフィット転位部の形成によって緩和することができる。大抵の場合、ミスフィット転位部は、ミスフィット転位によるものであるが、フィルムを介して自由面に至る線を有する貫通転位に関連するものである。貫通転位は、デバイス性能に有害なものである。最適な解決策は、層内で更なる転位部を招くことなく効果的な光拡散を得ることである。格子不整合である層の厚みがミスフィット転位部生成のＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みｈｃを下回れば、転位部の生成は発生しないということが当業者に公知である。臨界厚みは、応力発生膜内の貫通転位／ミスフィット転位構成のエネルギーを考慮することによって算出することができ、ｈｃ≒ｂ／εｍと定義することができ、式中、ｂは、バーガーベクトルの大きさであり、εｍは、ミスフィットパラメータである。ウルツ鉱結晶構造を有するＩＩＩ族金属窒化物の場合、考えられるバーガースベクトルとしては、±ｃおよび±ａｉ（ｉ＝１，２，３）格子並進ベクトルおよびその合計±ｃ±ａｉである。ｃ並進運動は、ａ並進運動より大きく、臨界厚みの式ｈｃ≒ｂ／εｍ＝ａ２／Δａが得られ、式中、ａは、面内格子定数であり、Δａは、層の面内格子定数の差である。
【００２２】
要約すると、従来技術と比較して、いくつかの利点を本発明で達成することができる。低拡散領域の厚みは妥当であり、有害な転位部を引き起こすことなく、効果的な拡散能力を有する構造体を実現することができる。製造処理方法は、その処理を極めて簡便にし、高い生産率を得ることができるｉｎｓｉｔｕの方法の諸ステップのみを含む。
【００２３】
本発明の更なる理解を与える本明細書の一部を構成する添付の図面は、先行技術の例および本発明の実施形態を例示し、本発明の原則を説明するのに役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
ここで、添付の図面に示すように、本発明に関連する各種実施形態および実施例を詳細に参照する。
【００２５】
図１の半導体構造は、半導体構造の材料で形成された基板２、または、異種材料形成された基板３と、結晶の面指数が（０００１）以外であり、方向指数が｛１１００｝であるファセット１１を有する表面８を有する下部クラッド層４と、平面９を有する上部クラッド層５と、２つの対の第１の拡散層６と第２の拡散層７とから成る拡散領域とを含む。点線は、下部クラッド層成長中に成長させる沈殿物１４を示す。上部クラッド層は、下部クラッド層と等しい格子定数を有する。拡散層は、クラッド層と異なる屈折率を有する。更に、第１の拡散層６の屈折率は、第２の拡散層７と異なる第１の拡散層６は、異なる屈折率を有してもよい。これは、第２の拡散層７にも当てはめることができる。拡散層６および７は、平面ではなく、下部クラッド層の表面にファセット１１を再生成する。拡散層６および７の組成および厚みは、層界面でのミスフィット転位部の形成なしに構造体１内側で効果的な歪みを緩和するように選択される。更に正確に言えば、拡散層の各々は、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みより小さい。更に、厚みが等しい第１および第２の拡散層は、クラッド層に振幅が同じである相対する格子不整を有する。各層の歪み方向を矢印で示す。相対する歪みは、互いに補正し合い、その結果、歪みの蓄積が防止される。拡散領域の全厚は、効果的な光拡散が得られるように選択される。拡散層およびクラッド層の屈折率の差が大きいほど、拡散領域の所要全厚は小さくなる。半導体構造１は、層内の更なる転位部を招くことなく、光拡散能力を強化する。更に、半導体構造面を形成する上部クラッド層面９の結晶品質は高く、この点を踏まえて、デバイス層の更なる成長に十分に適している。
【００２６】
図２に示す従来技術によるｉｎｓｉｔｕの解決策では、最下層および最上層と異なる屈折率および格子定数を有する中間の単結晶のエピタキシャル半導体層１２が成長（図２ａ）すること、または、アモルファス材１３の介在物が挿入（図２ｂ）することによって光拡散が実施される。図２ａでわかるように、単一の層の厚みは、歪みを誘発する転位部の形成を防ぐために肉薄であるため、不十分な拡散となる。図２ｂの構造体は、構造体内の光拡散を向上させるが、結果的に、層内で弾性ミスフィット応力が発生し、界面でミスフィット転位が形成される。他の従来技術による方法では、ｅｘｓｉｔｕの処理ステップが必要であるため、製造工程が複雑になる。
【００２７】
図３に示す本発明による実施形態のうちの１つによる製造法は、３つの主要なステップを有する。第１のステップでは、下部クラッド層を成長させる。第２のステップでは、結晶の面指数が（０００１）以外であり、方向指数が｛１１００｝であり、第１の拡散層６の屈折率が第２の拡散層７と異なることを特徴とする複数の少なくとも２つの対の第１および第２の拡散層を成長させる。第１の拡散層は、クラッド層との正の格子不整合であり、一方、第２の拡散層は、好ましくは同じ振幅の、負の格子不整合である。各拡散層の厚みは、ミスフィット転位生成を防ぐＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚みｈｃより小さいことが好ましい。第３のステップでは、下部クラッド層と同じ材料である平面を有する上部クラッド層を成長させる。本方法によって、層内に更なる転位部を招くことなく、効果的な光拡散を伴う半導体構造の成長が実施される。
【００２８】
科学技術の進歩に伴い、本発明の基本概念を様々な方法で実施できることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明および種々の実施形態は、上記の各種実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による半導体構造の横断模式図を示す。
【図２】先行技術の方法によって成長する基材の横断模式図を示す。
【図３】本発明の方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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