(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成される構造であり、前記基板と当該構造との間には緩和層が設けられ、前記構造は：
ｎ−タイプ領域とｐ−タイプ領域の間に設けられる発光領域を含む、ＩＩＩ族窒化物半導体構造を含み、ここで：
前記発光領域の少なくともひとつの層がＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮであり、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮは発光層で、０．０６≦ｘ≦０．０８及び０．１≦ｙ≦０．１４であり；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層が、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ発光層と同じ組成を持つ緩和層の格子定数に対応するバンドギャップエネルギ及びバルク格子定数を持ち；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層と同じバンドギャップエネルギーを持つＩｎＧａＮ層が、前記ＩｎＧａＮ層と同じ組成を持つ緩和層の格子定数に対応するバルク格子定数を持ち；及び
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層のバルク格子定数が前記ＩｎＧａＮ層の前記バルク格子定数よりも小さい、構造。
【請求項２】
基板上に形成される構造であり、前記基板と当該構造との間には緩和層が設けられ、前記構造は：
ｎ−タイプ領域とｐ−タイプ領域の間に設けられる発光領域を含む、ＩＩＩ族窒化物半導体構造を含み、ここで：
前記発光領域の少なくともひとつの層がＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮであり、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮは発光層で、０．０８≦ｘ≦０．１１及び０．１４≦ｙ≦０．１４であり；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層が、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ発光層と同じ組成を持つ前記緩和層の格子定数に対応するバンドギャップエネルギ及びバルク格子定数を持ち；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層と同じバンドギャップエネルギーを持つＩｎＧａＮ層が、前記ＩｎＧａＮ層と同じ組成を持つ前記緩和層の格子定数に対応するバルク格子定数を持ち；及び
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層のバルク格子定数が前記ＩｎＧａＮ層の前記バルク格子定数よりも小さい、構造。
【請求項３】
基板上に形成される構造であり、前記基板と当該構造との間には緩和層が設けられ、前記構造は：
ｎ−タイプ領域とｐ−タイプ領域の間に設けられる発光領域を含む、ＩＩＩ族窒化物半導体構造を含み、ここで：
前記発光領域の少なくともひとつの層がＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮであり、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮは発光層で、０．１１≦ｘ≦０．１３及び０．１８≦ｙ≦０．２２であり；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層が、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ発光層と同じ組成を持つ緩和層の格子定数に対応するバンドギャップエネルギ及びバルク格子定数を持ち；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層と同じバンドギャップエネルギーを持つＩｎＧａＮ層が、前記ＩｎＧａＮ層と同じ組成を持つ緩和層の格子定数に対応するバルク格子定数を持ち；及び
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層のバルク格子定数が前記ＩｎＧａＮ層の前記バルク格子定数よりも小さい、構造。
【請求項４】
請求項１に記載の構造であり、前記発光領域が、バリア層で分離される少なくとも２つの量子ウェル発光層を含み、前記バリア層が少なくともひとつのＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮである、構造。
【請求項５】
請求項１に記載の構造であり、前記発光領域と直接接触している前記ｎ−タイプ領域及び前記ｐ−タイプ領域のひとつの少なくとも一部分が勾配かされた組成を有する、構造。
【請求項６】
請求項１に記載の構造であり、さらに、第一の及び第二の電気的コンタクトを含み、前記ｎ−タイプ及び前記ｐ−タイプ領域と電気的に接続される、構造。
【請求項７】
請求項１に記載の構造であり、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層が、ＧａＮと格子的に一致する、構造。
【請求項８】
基板上に形成されるｎ−タイプ領域とｐ−タイプ領域の間に設けられる発光領域を含む、ＩＩＩ族窒化物半導体構造を含む構造であり、前記基板と当該構造との間には緩和層が設けられ、ここで：
前記発光領域の少なくともひとつの層がＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮであり、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮは発光層で、０．０６≦ｘ≦０．０８及び０．１≦ｙ≦０．１４であり；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層が、前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ発光層と同じ組成を持つ前記緩和層の格子定数に対応するバンドギャップエネルギ及びバルク格子定数を持ち；
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層と同じバンドギャップエネルギーを持つＩｎＧａＮ層が、前記ＩｎＧａＮ層と同じ組成を持つ前記緩和層の格子定数に対応するバルク格子定数を持ち；及び
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層のバルク格子定数が前記ＩｎＧａＮ層の前記バルク格子定数よりも小さく、
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層が圧縮状態である、構造。
【請求項９】
請求項２に記載の構造であり、
前記発光領域が、前記バリア層によって分離された少なくとも２つの量子井戸発光層を含み、
前記バリア層がＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮである、構造。
【請求項１０】
請求項２に記載の構造であり、
前記発光領域と直接接触する前記ｎタイプ領域と前記ｐタイプ領域のうちの一の少なくとも一部が勾配付けされた組成を有する、構造。
【請求項１１】
請求項２に記載の構造であり、
前記ｎタイプ領域と前記ｐタイプ領域に電気的に接続される第１電気コンタクトと第２電気コンタクトをさらに有する、構造。
【請求項１２】
請求項２に記載の構造であり、
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層がGaNに対して格子整合する、構造。
【請求項１３】
請求項３に記載の構造であり、
前記発光領域が、前記バリア層によって分離された少なくとも２つの量子井戸発光層を含み、
前記バリア層がＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮである、構造。
【請求項１４】
請求項３に記載の構造であり、
前記発光領域と直接接触する前記ｎタイプ領域と前記ｐタイプ領域のうちの一の少なくとも一部が勾配付けされた組成を有する、構造。
【請求項１５】
請求項３に記載の構造であり、
前記ｎタイプ領域と前記ｐタイプ領域に電気的に接続される第１電気コンタクトと第２電気コンタクトをさらに有する、構造。
【請求項１６】
請求項３に記載の構造であり、
前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層がGaNに対して格子整合する、構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光ダイオード装置に関し、より具体的にはＩＩＩ族窒化物発光ダイオード装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共鳴キャビティ発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直キャビティレーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）及びエッジ発光レーザーなどは、現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトル全体で操作可能な高輝度発光装置の製造上、近年興味を持たれている材料系にＩＩＩ−Ｖ族半導体が含まれる。特に、ＩＩＩ族窒化物材料として参照される、ガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の２元系、３元系及び４元系合金が挙げられる。通常、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、サファイア、シリコンカーバイド、ＩＩＩ族窒化物、複合体又は他の適切な基板上に、金属ー有機化合物蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）又は他のエピタキス技術を用いて、異なる組成及びドーパント濃度を有する半導体層のスタックをエピタキシで成長させることで製造される。前記スタックはしばしば、ひとつ又はそれ以上のｎ−タイプの層（例えば前記基板上のＳｉでドープされる）、ひとつ又はそれ以上の発光層（前記ｎータイプ層上に形成される活性領域の）、及びひとつ又はそれ以上のｐ−タイプの層（例えば前記活性領域上に形成されるＭｇでドープされる）を含む。電気コンタクトは前記ｎ−タイプ及びｐ−タイプ領域上に形成される。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物装置はしばしばサファイア又はＳｉＣ基板上で成長させる。従来装置では、ｎ−タイプＧａＮ領域を前記基板上に成長させ、次いでＩｎＧａＮ活性領域を成長させ、次いでＡｌＧａＮ又はＧａＮのｐ−タイプ領域を成長させる。異なる組成物のＩＩＩ族窒化物層間の格子定数の相違と同様に、非ＩＩＩ族窒化物とＩＩＩ族窒化物との間の格子定数の違いは前記装置内に歪を生じる。格子の非一致による歪エネルギはＩｎＧａＮ活性領域に欠陥及び分解を生じ、これが前記装置の性能を損なう結果となる。前記歪エネルギはＩｎＧａＮ発光層（歪の量を決定する）及び前記発光層の厚さの関数であり、前記組成及び厚さが従来のＩＩＩ族窒化物装置では限定されている。
【０００４】
Ｏｕｇａｚｚａｄｅｎらは、Ｂａｎｄｇａｐ  ｂｏｗｉｎｇ  ｉｎ  ＢＧａＮ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ９３，０８３１１８（２００８）において次のことを報告をしている。「金属−有機化合物蒸着エピタシを用いるＡｌＮ／サファイア基板上に成長させたＢｘＧａ１−ｘＮ薄膜」。例えばその要約を参照すること。「窒化物の３元系及び４元系がＧａＮ系光学電子装置のバンドギャップ技術について重要である。」ホウ素（「軽」元素）の導入は、原理的に、ＩｎＧａＮ系発光体での「重」インジウムの高比率により誘起される歪を打ち消し、従ってＡｌＮ及びＳｉＣ基板上に成長されるＢＧａＮについて格子の一致を提供する」。例えばその要約、Ｏｕｇａｚｚａｄｅｎらの第１頁の第一カラムでの第一パラグラフを参照。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、ＩＩＩ族窒化物装置であって、前記発光領域の少なくともひとつの層がホウ素を含む装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施態様は、ＩＩＩ族窒化物半導体構造を含み、ｎ−タイプ領域及びｐ−タイプ領域の間の堆積された発光領域を含む。前記発光領域の少なくともひとつの層はＢｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮである。前記Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層はバンドギャップエネルギを持ち、バルク格子定数を持つ。前記バルク格子定数は、Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮと同様の組成を持つ緩和層の格子定数に対応する。Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層と同じバンドギャップエネルギを持つＩｎＧａＮは、前記ＩｎＧａＮ層と同じ組成を持つ緩和層の格子定数に応じたバルク格子定数を持つ。Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ層のバルク格子定数は、前記ＩｎＧａＮのバルク格子定数よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の実施態様による、ＩＩＩ族窒化物発光装置の部分を示す。
【図２】図２は、本発明の実施態様による、ＩＩＩ族窒化物装置の部分の機能として理想的バンドギャップエネルギのプロットを示す。
【図３】図３は、本発明の実施態様による、ＩＩＩ族窒化物装置の部分の機能として理想的バンドギャップエネルギのプロットを示す。
【図４】図４は、本発明の実施態様による、ＩＩＩ族窒化物装置の部分の機能として理想的バンドギャップエネルギのプロットを示す。
【図５】図５は、アルミにウム、ホウ素、ガリウム、インジウム及び窒素の２元系、３元系及び４元系合金の格子定数の関数としてバンドギャップエネルギのプロットを示す。
【図６】図６は、台上にフリップチップ構造で設けられたＩＩＩ族窒化物装置の部分の断面図を示す。
【図７】図７は、パッケージ化発光装置の展開図である。
【図８】図８は、ＧａＮと格子一致するＢＩｎＧａＮ層についてＩｎＮ組成の関数としてのＢＮ組成のプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施態様によれば、ホウ素がひとつ又はそれ以上のＩＩＩ族窒化物装置に導入される。ホウ素をＩＩＩ族窒化物装置の層に導入すること、特に前記装置の活性化領域に導入することは、前記装置の歪を減少させ、従って前記装置の性能を改良することができる。
【０００９】
図１は本発明の実施態様を示す。第一の単結晶層１２が適切な成長基板１０上に成長される。前記第一の単結晶層１２は、その上に成長する全ての前記ＩＩＩ族窒化物層の格子定数を決定する。第一の単結晶層１２の組成及び成長条件が前記格子定数を決定することができる。活性発光領域１６を、前記第一の単結晶層１２上に成長させ、ｎ−タイプ領域１４及びｐ−タイプ領域１８の間にサンドイッチする。
【００１０】
Ｎ−タイプ領域１４及び第一の単結晶層１２は、複数の異なる組成及びドーパント濃度を持つ層を含むことができる。当該層としては、例えば、第一の単結晶層１２の前又は後に成長させる干渉層又は核化層などの調製層であり、ｎ−タイプ又は意図的にドープされない層であり、又例えば、前記基板のその後の放出又は基板除去後に前記半導体構造を薄膜化のために設計された放出層であり、又は前記発光領域が効率的に発光するための望ましい特定の光学的又は電気的性質のために設計されたｎ−タイプ又はｐ−タイプ層である。いくつかの実施態様においては、前記成長基板の最も近いｎ−タイプの領域１４の部分が前記装置で成長される前記第一の単結晶層であり、別の第一の単結晶層１２は省略される。
【００１１】
ｐ−タイプ領域１８を、発光領域１６上に成長させる。ｎ−タイプ領域と同様に前記ｐ−タイプの領域も、複数の異なる組成、厚さ及びドーパント濃度を持つ層を含んでよい。当該層は意図的にドーピングされていなくてよく、又はｎ−タイプドーピングされていてよい。
【００１２】
活性領域１６は、ｎ−タイプ領域１４上に成長する。以下説明されるように、適切な発光領域には、単層で厚い又は薄い複数層発光層、又は多層量子ウェル発光領域（バリア層で分離された多層の薄い発光層又は厚い量子ウェル発光層を含む）を含む。例えば多層量子ウェル発光領域は、複数の発光層を含み、それぞれの厚さが２５オングストローム以下の層が、それぞれ厚さ１００オングストローム以下の厚さのバリアで分離される。
【００１３】
いくつかの実施態様において、前記装置の前記発光層のそれぞれの厚さは５０オングストロームよりも大きい。いくつかの実施態様では、前記装置の発光領域は、単一の厚い発光層であり、厚さが５０と６００オングストロームの間、より好ましくは１００と４００オングストロームの間である。最適の厚さは、前記発光層中の欠陥の数に依存する。発光領域の欠陥密度は、いくつかの応用では１０９ｃｍ−２未満、いくつかの応用では１０８ｃｍ−２、いくつかの応用では１０７ｃｍ−２未満、及びいくつかの応用では１０６ｃｍ−２未満に限定される。
【００１４】
いくつかの実施態様では、前記装置の少なくともひとつの発光層が、例えばＳｉなどのドーパントで、ドーパント濃度が１ｘ１０１８ｃｍ−３及び１ｘ１０２０ｃｍ−３の間でドーピングされている。Ｓｉドーピングはさらに、前記発光層の歪を低減させることができる。いくつかの実施態様では、前記発光層は意図的にドープされていない。
【００１５】
図２〜４は、本発明の実施態様による、発光装置の部分についての位置の関数として理想バンドギャップを示す。前記バンドギャップは理想的なものであり、従って、組成のみの関数である。実際の装置での効果は、例えば偏光などのようにバンドギャップが歪められ、図２に示されたものとは異なる。
【００１６】
図２に示される装置において、活性領域１６は単一の発光層を含む。前記発光層は、ホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素の４元系合金であってよい。ホウ素及びインジウム組成は前記発光層の望ましいバンドギャップ（発光波長を決定する）について選択される。活性領域１６に隣接するｐ−タイプ領域１８は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮであり得る。ｎ−タイプ領域１４とｐ−タイプ領域１８の組成は、次のように選択される。ｎ−タイプ領域１４及び活性領域１６の間のバンドギャップと、及び活性領域１６とｐ−タイプ領域１８の間のバンドギャップとの変化が、前記活性領域の電子とホールを十分保持するように選択される。活性領域１６の発光層と、前記活性領域に直接隣接するｎ−及びｐ−タイプ領域１４及び１８の部分のバンドギャップエネルギの差は、少なくともｋＴの数倍、室温では０．００２７ｅＶであり得る。例えば、前記差はある実施態様では少なくとも０．１ｅＶであり、又はある実施態様では０．１５ｅＶであり得る。
【００１７】
図３で示される装置において、活性領域１６は単一の発光層を含み、図２を参照して説明される。前記発光層に隣接する前記ｎ−タイプ領域及び前記ｐ−タイプ領域の一方又は両方の組成が勾配付け（ｇｒａｄｅｄ）される。例えば勾配付けされた領域１４ａに隣接するｎ−タイプ領域１４の部分はＧａＮであり得る。勾配付けされた領域１４ａは、前記組成はＧａＮからＩｎＧａＮへさらに発光層１６のＢＩｎＧａＮ組成物へと勾配付けされ得る。同様に、勾配付け１８ａに隣接するｐ−タイプ領域１８はＧａＮであり得る。勾配付け領域１８ａは、組成は発光層１６のＢＩｎＧａＮからＩｎＧａＮ及びＧａＮへと勾配付けされ得る。活性領域１６のいずれかの側の組成プロフィルは図３で示すように対称的である必要はない。また図３で示されるように、全ての勾配付けされる領域は直線的に勾配付けされる必要もない。いくつかの実施態様では、活性領域１６の一方のみの側組成が勾配付けられる。いくつかの実施態様では、図３で示される勾配付けされた領域は図２で示されるように段階的に結合されている。例えば、組成が、ＧａＮから勾配付け領域１４ａではＩｎＧａＮへと勾配付けされ、さらに活性領域１６の組成ＢＩｎＧａＮへと段階的に変更されることができる。
【００１８】
図４で示される装置では、活性領域１６は多数の量子ウェル層を含む量子ウェル活性領域であり、お互いはひとつ又はそれ以上のバリア層で分離されている。図４では、３つの量子ウェル層１６ａ及び２つのバリア層１６ｂが示されるが、活性領域にはこれより多いか少ない量子ウェル層を含んでいてよい。量子ウェル１６ａはＢＩｎＧａＮであってよく、ホウ素及びインジウム組成は前記発光層の望ましいバンドギャップのために選択される。バリア層１６ｂはＢａＮであってよい。又はＩｎＧａＮであってよく、ここでインジウムは、量子ウェル１６ａの前記バンドギャップよりも大きいバンドギャップを持つ組成を持つ。又は、量子ウェル１６ａはＩｎＧａＮであり、バリア層１６ｂがＢＩｎＧａＮであってよい。ここでホウ素及びインジウム組成は量子ウェル１６ａのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを持つように選択される。
【００１９】
図４に示される、複数の量子ウェル活性領域は、上で図３と共に本明細書で説明されたように、ｎ−及び／又はｐ−タイプ領域の組成を勾配付けされた組成と組み合わせることができる。
【００２０】
装置内のＩＩＩ族窒化物層は格子定数で特徴付けされる。ここで使用される「面内」格子定数（ｉｎ−ｐｌａｎ  ｌａｔｔｉｃｅ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）とは、装置内の層の実際の格子定数を意味する。「バルク」格子定数（ｂｕｌｋ  ｌａｔｔｉｃｅ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）とは、理想的格子定数を意味し、緩和状態にある与えられた組成自体の格子定数を意味する。面内格子定数及びバルク格子定数が同じである場合、前記層が緩和されており歪のない状態である。歪の量は次のように定義される：
歪＝｜ε｜＝｜（ａｉｎ−ｐｌａｎーａｂｕｌｋ）｜／ａｂｕｌｋ
この式は前記格子定数を参照し、従ってウルツ鉱型層構造ｃ−平面での歪を定義するけれども、ウルツ鉱型層構造の他の方向での歪は、ａ−格子定数以外の格子定数を用いて、又は２以上の格子定数を用いて測定され得る。複数の層は、ひとつの格子定数について一致するが他の格子定数については歪むことがあり得る。
【００２１】
いくつかの実施態様において、ＢＩｎＧａＮなる組成の発光層が、図１で示される最初の単結晶層１２の面内格子定数に一致するか、又は近似するバルク格子定数を持つように選択される。最初の単結晶層１２はしばしばＧａＮであり、面内格子定数は約３．１８９Å（オングストローム）である。
【００２２】
合金ＡｘＢ１−ｘＣのバンドギャップＥｇは次のように表される：
ＥｇＡＢＣ＝ｘＥｇＡＣ＋（１−ｘ）ＥｇＢＣ＋ｘ（１−ｘ）Ｂ
ここでＢはバンドギャップボウイングパラメータであり、バンドギャップ対組成直線の全ての非ゼロ曲線を説明する。ボウイングパラメータがゼロの場合、バンドギャップと組成との関係はヴェガード則（Ｖｅｇａｒｄ’ｓ  ｌａｗ）の関係として参照される。アルミニウム、インジウム、ガリウム及び窒素の３元系合金（即ち、ホウ素を含まない合金）で低インジウム組成（例えば３０％未満のＩｎＮ）合金は、通常ヴェガード則に従うバルク格子定数を持つ。
【００２３】
図５には、ＩＩＩ族窒化物合金のバンドギャップエネルギの関数として格子定数のプロットを示す。ＧａＮ及びアルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素の３元系は線２４及び２６に示される。斜線領域２０はアルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素の３元系合金を表す。図５で示されるようにＧａＮと一致させる格子であるＡｌＧａＩｎＮ合金を成長させることは可能である一方、これらは全てＧａＮよりも大きいバンドギャップを示し、これらをＵＶ応用については潜在的に有用であるが、可視光波長で発光するＬＥＤに対してはそれほど有用ではない。ＧａＮよりも狭いバンドギャップについて、与えられた格子定数で、アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素材料系で、ＩｎＧａＮ元系が最も狭いバンドギャップを達成され得ることが示される。
【００２４】
破線２２ａ〜２２ｄは、異なるバンドギャップボウイングパラメータＢについて、ホウ素、ガリウム、インジウム及び１０％ＢＮの窒素の４元系合金を示す。ここで、ウルツ鉱型ホウ素窒化物（ＢＮ）のバンドギャップエネルギを５．５ｅＶと仮定されている。線２２ａはＢ＝９ｅＶを表し、線２２ｂはＢ＝３ｅＶを、線２２はＢ＝１ｅＶを、線２２ｄはＢ＝０を表す。アルミニウム、ガリウム、インジウム及び窒素合金（通常、バンドギャップと組成の間のヴェガード則を示す）とは異なり、ホウ素、ガリウム、インジウム及び窒素合金におけるバンドギャップボウイングパラメータＢは非ゼロに見え、９ｅＶ程度であり得る。図５で線２２ａ〜２２ｄにより示されるように、しかし、比較的少量のホウ素組成では、ＩｎＧａＮ層へのホウ素添加はバンドギャップを減少させ、及び４元系ＢＩｎＧａＮ層の成長を可能とする。また４元系ＢＩｎＧａＮ層はＧａＮに格子的に一致し、ＧａＮよりも小さなバンドギャップを持つ。
【００２５】
図５で示されるように、ＢＮをＩｎＧａＮ合金に添加することは格子定数を減少させる。いくつかの実施態様において、ホウ素が前記装置の活性領域に添加され、前記活性領域の発光層での与えられたバンドギャップエネルギについての前記活性領域での格子定数を減少させる。いくつかの実施態様では、ホウ素含有層はＧａＮと格子的に一致され得る。かかる組成物が図５の破線２７で示される。線２７の右側のホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素４元系は、ＧａＮ上で成長する際圧縮される。線２７の左側のホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素４元系は、ＧａＮ上で成長する際引っ張られる。いくつかの実施態様で、前記装置の全ての層でのホウ素の含有量は、前記層がＧａＮ上で成長する際に圧縮されることから限定される。かかる実施態様でのホウ素、インジウム、ガリウム及び窒素の可能な４元系が線２６及び２７の間の三角形で示される。
【００２６】
例えば、青色発光するか又は４３０及び４８０ｎｍの間の波長を持つ光を発光する従来のＩＩＩ族窒化物装置は、例えば１０％と１４％の間の組成のＩｎＮを持つＩｎＧａＮ発光層を持つことができる。一例として、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ発光層はバルク格子定数３．２３Åを持つ。かかる装置の発光層は通常約３．１９８Åの格子定数のＧａＮ層上に成長させ、従って面内格子定数は３．１８９Åを持つ。かかる装置の発光層の歪の量は、前記発光層の面内及びバルク格子定数の間の差を前記バルク格子定数で割った数であり、言い換えると｜（３．１８９Åー３．２３Å）｜／３．２３Åｘ１００％であり、約１．２３％である。本発明のいくつかの実施態様では、青色発光装置の少なくともひとつの発光層は、ＢＩｎＧａＮである。前記発光層のＢＮ量は、前記発光層のバンドギャップエネルギ又は発光色が上で説明した従来の青色発光装置と同じであるが前記発光層のより小さい格子定数を持ち、従ってより歪の小さくなるように選択される。例えば、前記発光層のＢＮ含有量は、いくつかの実施態様で１％未満、いくつかの実施態様では０．５％未満の歪となるように選択される。上で説明した青色発光ＩｎＧａＮ発光層へ添加されるＢＮ組成（その結果、発光層は、Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ組成となる）は、例えば、いくつかの実施態様では０＜ｘ≦０．１、又はいくつかの実施態様では０．０６≦ｘ≦０．０８であり得る。
【００２７】
シアン光を発光するか、又は４８０ｎｍと５２０ｎｍの間の波長で発光する従来のＩＩＩ族窒化物は、例えば１４％及び１８％の間のＩｎＮ組成を持つＩｎＧａＮ発光層を持つことができる。ＧａＮ上で成長させたＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ発光層の歪の量は約１．７％である。本発明のいくつかの実施態様では、シアン発光装置の少なくともひとつの発光層はＢＩｎＧａＮである。前記発光層のＢＮ含有量は、前記発光層のバンドギャップ又は発光色が同じになるように選択され得る。それにより歪がいくつかの実施態様で１．５％未満、いくつかの実施態様では１％未満となる。上で説明したシアン発光ＩｎＧａＮ発光層へ添加されるＢＭ組成ｘ（これにより、組成Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮを持つ発光層となる）は、例えばいくつかの実施態様では０＜ｘ＜０．１２であり、いくつかの実施態様では０．０８＜ｘ＜０．１１である。
【００２８】
緑光を発光するか、又は５２０ｎｍと５６０ｎｍの間の波長で発光する従来のＩＩＩ族窒化物は、例えば１８％及び２２％の間のＩｎＮ組成を持つＩｎＧａＮ発光層を持つことができる。ＧａＮ上で成長させたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ発光層の歪の量は約２．１％である。本発明のいくつかの実施態様では、シアン発光装置の少なくともひとつの発光層はＢＩｎＧａＮである。前記発光層のＢＮ含有量は、前記発光層のバンドギャップ又は発光色が同じになるように選択され得る。それにより歪がいくつかの実施態様で２％未満、いくつかの実施態様では１％未満となる。上で説明したシアン発光ＩｎＧａＮ発光層へ添加されるＢＭ組成ｘ（これにより、組成Ｂｘ（ＩｎｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮを持つ発光層となる）は、例えばいくつかの実施態様では０＜ｘ＜０．１４であり、いくつかの実施態様では０．１１＜ｘ＜０．１３である。
【００２９】
実施態様においては、ＢＮが多数の量子ウェル装置の前記バリア層の少なくともひとつに導入され、ＢＮの量は次のように選択される。前記バリア層のバンドギャップが前記発光層のキャリアを保持ために十分大きく、前記バリア層又は発光層の歪が、前記バリア層のホウ素を含有しない装置と比べて減少させるように選択される。図８は、ＧａＮと格子定数的に一致するＢＩｎＧａＮ層についてＩｎＮ組成の関数としてＢＮ組成のプロットを示す。ｘ軸は、前記（ＢＮ）ｙ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）１−ｙ合金が基づくＩｎｘＧａ１−ｘＮ組成を表す。ｙ軸は前記（ＢＮ）ｙ（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ）１−ｙ合金のＢＮ組成を表す。
【００３０】
本発明の実施態様による装置の全てのホウ素含有層でのＢＮの組成は十分に小さく、ホウ素含有層がウルツ鉱型層構造となる。ＢＮ組成が十分高い場合、ＩＩＩ族窒化物層はせん亜鉛鉱型層構造となる。
【００３１】
ＢＩｎＧａＮは、例えば、低圧ＭＯＶＰＥ反応装置を用いてキャリアガスとして１００％窒素中でｃ−軸方向サファイア基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物上に成長させることができる。前駆体としては、トリエチルボロン、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム及びアンモニアが使用され得る。他のホウ素前駆体は、例えばトリメチルボロン、ボラン、ジボラン及び金属ボランなどが使用され得る。ホウ素含有窒化物の最適化成長手順は、例えばＡ．Ｏｕｇａｚｚａｄｅｎ等のＪ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ２９８，４２８（２００７）に記載され、かかる内容は参照され本明細書の一部となる。
【００３２】
ＩＩＩ族窒化物装置のひとつ又はそれ以上の層へＢＮを導入することが有利である。
ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物層は大きな分極性を示し、温度及び組成の関数である自発的コンポーネント及び層の歪の関数である圧電性コンポーネントを含む。異なる層間の境界で分極性が不連続化することは、分極誘導シート荷電及び電場を与える結果となる。ＢＮを添加することで、ＧａＮ／ＢＩｎＧａＮ境界での分極を不連続性とすることは、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ境界と比べて、例えば、前記境界での歪を低減する。いくつかの実施態様による、ＧａＮ／ＢＩｎＧａＮ発光層／ｐ−ＧａＮ二重へテロ構造では、適切なＢＮ組成を選択することで、歪、バンドギャップエネルギ及び分極が少なくとも部分的に解消され得る。例えば、ひとつを固定してあとの２つは任意に設定し得る。従来のＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮへテロ構造においては、歪、バンドギャップエネルギ及び分極のひとつのみが独立して変更できる。ＢＮを添加することで装置の歪を低減することは、より高いＩｎＮ組成でより厚い活性領域の成長を可能とする。
【００３３】
上で記載され説明された半導体構造は、発光装置の全ての適切な構造に含まれることができる。例えば前記装置の対向する側にコンタクトが形成される装置、又は前記装置の同じ側にコンタクトが形成される装置が挙げられる。両方のコンタクトが同じ側に設けられる場合、前記装置は、透明コンタクトと形成され、光が、前記コンタクトが形成された同じ側を通じて取り出されるように設けられるか、又は反射コンタクトと形成され光が前記コンタクトが形成された対抗する側から取り出されるフリップチップとして設けられるように形成され得る。光が前記コンタクトが形成される表面を通じて取り出される装置においては、電流がｎ−タイプＩＩＩ族窒化物材料と同様にはｐ−タイプＩＩＩ族窒化物材料中に容易に広がらないことから、前記コンタクトは、薄い、透明電流拡散層上に形成される小さく、厚く、吸収性金属結合パッドを含んでいてよい。前記電流拡散層は、例えば、Ｎｉ及び／又はＡｕの薄層、インジウムスズ酸化物、銅ドープＩｎＯ、ＺｎＯ、ガリウムドープＺｎＯ又は全ての適切なドープされた透明酸化物が挙げられる。
【００３４】
図６は、適切な構造の一例であるフリッピフロップ装置の部分を示す。ここで成長基板は省略されている。ｐ−タイプ領域１８及び発光領域１６は、ｎ−タイプ領域１４を暴露するメサ形成のために除かれている。ｎ−タイプ領域１４を暴露するひとつビアが図６で示されるが、理解されるべきは、複数のビアが単一の装置に設けられてよいということである。ｎ−及びｐ−コンタクト４４及び４２は前記ｎ−タイプ領域及び前記ｐ−タイプ領域に、例えば蒸発方法又はメッキ方法により形成される。コンタクト４２及び４４はお互いに空気又は絶縁層により電気的に分離され得る。
【００３５】
コンタクト金属４２及び４４が形成された後、装置のウェハは個々の装置に切断され得る。それらの個々の装置は成長方向に対してひっくり返されて台４０上に配置される。ここでケース台４０は前記装置よりも横方向により大きく伸びた形状を持つものであってよい。又は装置のウェハは台のウェハに結合され、その後個々の装置に切断され得る。台４０は、例えば、Ｓｉなどの半導体、金属、ＡｌＮなどのセラミックスであってよく、少なくともひとつの金属パッド（図示されていない）を有し、これはｐ−コンタクト４０と接続され、さらに少なくともひとつの金属パッド（図示されていない）を有し、これはｎ−コンタクト４２と接続される。はんだ又は金スタッドバンプなどの内部接続（図示されていない）が前記半導体装置を台４０と接続する。金属間絶縁物を、台４０の上又は内に形成して前記ｐ−タイプ及びｎ−タイプ電流パスを電気的に分離することができる。
【００３６】
台に配置した後、前記成長基板は前記基板材料に適した方法、例えばエッチング又はレーザー溶融方法などで除去される。硬い下部充填物が、台への配置の前又は後で前記装置と台４０の間に供給されて、前記半導体層を保持しかつ基板除去の際に破壊が生じることを防止することができる。前記半導体構造の部分は前記基板を除去した後、薄削することで除去され得る。例えば、図６に示されるように最初の単結晶層１２は最終的に装置に残るか、又は薄削することで除去される。前記半導体構造の暴露表面は粗面化されてよい。例えば光電気化学エッチングなどのエッチング方法によるか、又は研削などの機械的方法による。光が取り出される表面を粗面かすることで、装置からの光取出しを改良できる。または、光子結晶構造が、前記成長基板を除去することで暴露される前記半導体構造の上部表面に形成されてよい。蛍光層、又はダイクロイック又はポラライザなどの本技術分野で知られた第二の光学系などの構造３０が、発光表面に設けられることができる。
【００３７】
図７は、発光装置の展開図であり、より詳しくは米国特許６，２７４，９２４に記載されている。ヒートシンクスラグ１００がインサートモールドフレームに設けられる。前記インサートモールドフレームは例えば、電気的パスを供給する金属フレーム１０６回りに形成された充填化プラスチック材料１０５である。スラグ１００は場合により反射カップ１０２を含む。発光装置ダイ１０４（上で説明した全ての装置であり得る）は、直接に、又は熱伝導性サブ台１０３を介して間接的にスラグ１００に配置される。
【００３８】
以上本発明は詳細に説明された。当業者は本開示内容に基づき、ここに記載された本発明の本質からはずれることなく本発明について変更・変法を行うことができるであろう。従って、本発明の範囲はここで示され、説明された具体的な実施態様に限定されることを意図するものではない。
【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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