(57)【要約】ＩＩＩ−Ｖ族ｎ型窒化物構造物を製作する方法は、成長Ｓｉ基板を製作することと、次いで、第一の所定の値に設定された流量においてシランガス（ＳｉＨ４）を前駆物質として用いて、ＩＩＩ−Ｖ族ｎ型層をＳｉ基板の上に堆積させる（２１０）こととを包含する。その後、ＳｉＨ４流量は、ｎ型層の製作の間に第二の所定の流量まで低減される（２２０）。この方法はまた、ｎ型層の上に多重量子井戸活性領域を形成することも含む。加えて、流量は、所定の期間にわたって低減され、第二の所定の値は、ｎ型層と該活性領域との界面から十分に短い所定の距離において達せられる（２３０）。
2011501399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族ｎ型窒化物構造物を製作する方法であって、該方法は、
成長Ｓｉ基板を製作することと、
第一の担体密度に対応する第一の所定の値に設定された流量においてシランガス（ＳｉＨ４）を前駆物質として用いて、ＩＩＩ−Ｖ族ｎ型層を該Ｓｉ基板の上に堆積させることと、
該ＳｉＨ４の流量を、該ｎ型層の該製作中に、第二の担体密度に対応する第二の所定の値まで低減することであって、該第二の担体密度は、該第一の担体密度よりも小さい、ことと、
多重量子井戸活性領域を該ｎ型層の上に形成することと
を包含し、
該流量は、所定の期間にわたって低減され、
該第二の所定の値は、該ｎ型層と該活性領域との界面から十分に短い所定の距離において達せられる、方法。
【請求項２】
前記第二の担体密度は、前記第一の担体密度のほぼ１０分の１である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第一の担体密度は、ほぼ１×１０１８ｃｍ−３からほぼ１×１０１９ｃｍ−３である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第二の担体密度は、ほぼ２×１０１７ｃｍ−３からほぼ８×１０１７ｃｍ−３である、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記所定の期間は、ほぼ１，０００秒である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記流量は、実質的に一定の低減速度に基づいて線形的に、または可変の低減速度に基づいて非線形的に低減される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記所定の距離は、１，０００オングストローム以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記所定の距離は、１００オングストローム以上である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
発光デバイスであって、該デバイスは、
ＩＩＩ−Ｖ族ｎ型窒化物層と、
活性領域と、
ＩＩＩ−Ｖ族ｐ型窒化物層と
を含み、
該ｎ型層は、該活性領域と該ｐ型層とを製作する前に、ＳｉＨ４を前駆物質として用いることによってエピタキシャル成長し、
該ｎ型層の該エピタキシャル成長の間のＳｉＨ４流量は、第一の担体密度に対応する第一の所定の値から、第二の担体密度に対応する第二の所定の値まで、徐々に低減され、
該発光デバイスは、４０ボルト以上の逆ブレークダウン電圧を示す、デバイス。
【請求項１０】
前記第二の担体密度は、前記第一の担体密度のほぼ１０分の１である、請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記第一の所定の値は、ほぼ２ｍｌ／分である、請求項１０に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記第二の所定の値は、ほぼ０．２ｍｌ／分である、請求項１０に記載の発光デバイス。
【請求項１３】
前記流量は、所定の期間にわたって低減される、請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
前記所定の期間は、ほぼ１，０００秒である、請求項１３に記載の発光デバイス。
【請求項１５】
前記第二の所定の値は、前記ｎ型層と前記活性領域との界面から十分に短い所定の距離において達せられる、請求項９に記載の発光デバイス。
【請求項１６】
前記所定の距離は、１，０００オングストローム以下である、請求項１５に記載の発光デバイス。
【請求項１７】
前記所定の距離は、１００オングストローム以上である、請求項１５に記載の発光デバイス。
【請求項１８】
前記流量は、実質的に一定の低減速度に基づいて線形的に、または可変の低減速度に基づいて非線形的に低減される、請求項９に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（背景）
（発明の分野）
本発明は、半導体発光デバイスの設計に関する。より具体的には、本発明は、質の高い結晶特性および電気特性を有するｎ型窒化物半導体材料をエピタキシャルに製作する技術と、高い発光効率および信頼性を示すそのようなｎ型窒化物半導体材料を用いた半導体発光デバイスを製作する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術）
従来の照明技術と比べて、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、より少ない電力消費と、より高い効率と、より長い寿命と、より良好な性能とを含む多くの利点を有する。加えて、ＬＥＤは、衝撃、振動および温度変化によって受ける影響が少ない。結果として、ＬＥＤ技術は、ビデオディスプレイ、モバイル電子製品、点光源など、幅広いさまざまな用途において利用されてきた。ＬＥＤデバイスの製作の研究は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物（例えば、ＧａＮ、ＩｎＮおよびＡｌＮ）ならびに合金（例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよびＡｌＧＡＩｎＮ）が効率的なルミネセンスを生成し得ることを示している。
【０００３】
発光デバイスの製作における一つの決定的な要素は、発光デバイスの中の活性領域の設計および質である。ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料とが互いに接するとき、結合部は、いずれかのタイプの材料のみの特性とは異なる特性を示す。より具体的には、順方向バイアスがＰ−Ｎ界面領域にかけられるとき、担体（すなわち、ｐ型層からの正孔およびｎ型層からの電子）は、活性領域において再結合し、結果として、エネルギーが光子の形態で放出される。典型的には、活性領域は、ｐ型層とｎ型層との間の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造物によって形成され、活性領域は、より高い担体密度を、それゆえに担体の再結合率の増加を促進する。担体がより速く結合すればするほど、発光デバイスは、より効率的になる。
【０００４】
概して、小さいターンオン電圧を示すＬＥＤを有することが望ましい。逆に、ＬＥＤに逆方向バイアスがかけられるとき、ＬＥＤの信頼性を高めるために可能な限り高い逆ブレークダウン電圧を有することが好適である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
本発明の一実施形態は、ＩＩＩ−Ｖ族ｎ型窒化物構造物を製作する方法を提供する。この方法は、成長Ｓｉ基板を製作することと、次いで、第一の担体密度に対応する第一の所定の値に設定された流量においてシランガス（ＳｉＨ４）を前駆物質として用いて、ＩＩＩ−Ｖ族ｎ型層をＳｉ基板の上に堆積させることとを包含する。その後、ＳｉＨ４流量は、ｎ型層の製作の間に、第二の担体密度に対応する第二の所定の流量まで低減される（第二の担体密度は、第一の担体密度よりも小さい）。この方法はまた、ｎ型層の上に多重量子井戸活性領域を形成することも含む。加えて、流量は、所定の期間にわたって低減され、第二の所定の値は、ｎ型層と該活性領域との界面から十分に短い所定の距離において達せられる。
【０００６】
この実施形態の変化形において、第二の担体密度は、第一の担体密度のほぼ１０分の１である。
【０００７】
さらなる変化形において、第一の所定の値は、ほぼ１×１０１８ｃｍ−３からほぼ１×１０１９ｃｍ−３である。
【０００８】
さらなる変化形において、第二の担体密度は、ほぼ２×１０１７ｃｍ−３からほぼ８×１０１７ｃｍ−３である。
【０００９】
この実施形態の変化形において、所定の期間は、ほぼ１，０００秒である。
【００１０】
この実施形態の変化形において、流量は、実質的に一定の低減速度に基づいて線形的に、または可変の低減速度に基づいて非線形的に低減される。
【００１１】
この実施形態の変化形において、所定の距離は、１，０００オングストローム以下である。
【００１２】
この実施形態の変化形において、所定の距離は、１００オングストローム以上である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本明細書に添付され、かつ、本明細書の一部分を形成する図面は、本発明の特定の局面を描写するために含まれている。本発明は、これらの図面のうちの一つ以上を、本明細書で提示される説明と組み合わせて参照することによって、より良く理解され得る。図面に例示される特徴は、必ずしも縮尺どおりに描かれていないことが、留意されるべきである。
【図１】図１は、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法を用いて製造された、窒化物半導体材料をベースにしたＬＥＤを例示する。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に従った、ＳｉＨ４流量を低減することによってｎ型層を製作するプロセスを例示するフローチャートを提示する。
【図３】図３は、本発明において開示される方法に従って製造されたｎ型層を有するＬＥＤの例示的な実施形態を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（詳細な説明）
以下の説明は、当業者が本発明を作り、用いることを可能にするために提示され、特定の用途およびその要件と関連して提供される。開示される実施形態へのさまざまな修正が当業者に明白であり、本明細書で規定される一般的原理は、本発明の範囲から逸脱することなしに他の実施形態および用途に適用され得る。結果として、本発明は、示される実施形態に限定されず、特許請求の範囲と矛盾しない最も広い範囲を与えられるべきである。
【００１５】
（概観）
ＧａＮベースのＬＥＤの中でｎ型層を堆積させるプロセス中に、アンモニアガス（ＮＨ３）またはシラン（ＳｉＨ４）が、しばしばドナー材料に対する前駆物質として用いられる。ＮＨ３とＳｉＨ４との両方が高逆ブレークダウン電圧と良好な発光効率とを有するＬＥＤ構造物の作成を促進し、ＳｉＨ４を用いて製作されるｎ型層は、より良好な結晶構造を有し、したがって、より信頼性がある。他方、ＮＨ３が窒素供給源前駆物質として用いられるとき、逆ブレークダウン電圧は、ｎ型層のエピタキシャル成長中のＮＨ３流量を徐々に低減することによって増加され得、この間にＬＥＤの小さいターンオン電圧は、依然として維持され得る。
【００１６】
本発明の実施形態は、シラン（ＳｉＨ４）を前駆物質として用い、ＳｉＨ４流量を最終流量が初期流量より有意に小さい程度にまで徐々に低減することによって、質の高いｎ型窒化物半導体材料を製作する方法を提供する。
【００１７】
図１は、ＭＯＣＶＤの方法を用いて製造された窒化物半導体材料をベースにしたＬＥＤを例示する。一つの例示的な製作プロセスにおいて、ＬＥＤのＩＩＩ−Ｖ族窒化物層状構造物が、最初に成長Ｓｉ基板１１０上に製作される。低温堆積は、ケイ素とサファイアと炭化ケイ素とを含むさまざまな基板の使用を可能にする。
【００１８】
オプションで、緩衝層１２０が、ｎ型層１３０を製作する前に基板１１０上で成長し得る。この層は、格子定数および／または熱膨張係数の適合のために成長する。ｎ型層１３０が緩衝層１２０上で成長した後に、活性領域１４０とＩＩＩ−Ｖ族ｐ型窒化物層１５０とが、別個にｎ型層１３０の上で形成される。
【００１９】
一実施形態において、活性領域１４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造物を含み、ＭＱＷ構造物は、より高い担体密度を達成することを促進する。より高い担体密度は、担体の再結合率の増加をもたらし、このことは次いで、発光効率を改善する。
【００２０】
ｎ型層１３０のエピタキシャル成長は、ガリウム（Ｇａ）供給源前駆物質（例えば、トリメチルガリウムガス）と、ケイ素（Ｓｉ）供給源前駆物質（ＳｉＨ４ガス）との両方を用い得、これらは、典型的には堆積プロセスの間に、堆積チャンバーの中に所定の一定の流量で導入される。ｐ型層上およびｎ型層上にそれぞれ配置された、一対の正および負の電極は、図１に示されていない。これらの電極は、任意の従来の電極製作技術を用いて製造され得る。
【００２１】
図２は、本発明の一実施形態に従った、ＳｉＨ４流量を低減することによってｎ型層を製作するプロセスを例示するフローチャートを提示する。製作プロセスは、ｎ型層をＩＩＩ−Ｖ族窒化物ベースのＬＥＤの緩衝層の上に、初期ＳｉＨ４流量で堆積させることから始まる（動作２１０）。一実施形態において、初期流量は、ｎ型層のエピタキシャル成長に対する通常の流量である。そのような通常の流量は、ほぼ５×１０１８ｃｍ−３のｎ型担体密度に対応し得る。流量の実際の値は、例えば、成長チャンバーの大きさに依存して、システムごとに変わり得ることに留意されたい。
【００２２】
いったんｎ型堆積が進行し始めると、ＳｉＨ４流量は、所定の最終流量に達するまで一定量ごとに低減される（動作２２０）。一実施形態において、初期ＳｉＨ４流量は、エピタキシャル成長が始まった後すぐに減少し始める。さらなる実施形態において、初期ＳｉＨ４流量は、この初期流量でのエピタキシャル成長が所定の期間の間にわたって維持されるまで、減少し始めない。いずれの場合においても、最終流量は、初期流量よりも有意に少ない。一実施形態において、最終流量は、初期流量の７．５％から１５％の間にある。例えば、初期流量が５×１０１８ｃｍ−３のｎ型担体密度に対応する場合には、最終流量は、ほぼ３．７５×１０１７ｃｍ−３からほぼ７．５×１０１７ｃｍ−３の間のｎ型担体密度に対応し得る。
【００２３】
ＳｉＨ４を流量初期流量から最終流量まで徐々に低減する複数のアプローチがある。例えば、一定の低減速度を有する線形低減が用いられ得る。代替案として、低減は、非線形関数（例えば、可変の低減速度を有する放物曲線）に基づき得る。これらのさまざまなアプローチの共通の特徴は、流量が一定して低減されることであり、この特徴は、ＬＥＤに対する小さいターンオン電圧を確実にする。ＳｉＨ４流量の規則的な低減と、初期流量と最終流量との有意な差とに起因して、理想的には、流量低減の持続時間は、十分に長い。一実施形態において、この流量低減プロセスの持続時間は、ほぼ１，０００秒である。
【００２４】
流量低減が、ｎ型層と活性領域との間の界面から十分に短い所与の距離で終了するとき、最終流量に達する（動作２３０）。最終流量は、ｎ型層作製の完了まで、有意により短い期間の間、維持される。一実施形態において、界面と、最終流量に達するｎ型層の中の位置との距離は、１００オングストロームから１，０００オングストロームの範囲にわたる。
【００２５】
図３は、本発明において開示される方法に従って製造されたｎ型層を有するＬＥＤの例示的な実施形態を例示する。有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ＬＥＤのＩＩＩ−Ｖ族窒化物層状構造物が、最初に成長Ｓｉ基板３１０上で製作される。緩衝層３２０は、基板３１０上で成長する。他の基板材料（例えば、ＳｉＣおよびサファイア）もまた、用いられ得ることに留意されたい。その後、ＳｉＨ４が前駆物質として用いられている間に、ほぼ１マイクロメートルの厚さを有するｎ型層３３０が、緩衝層３２０上で成長する。ｎ型層３３０の堆積の始めにおいて、初期ＳｉＨ４流量は、ほぼ５×１０１８ｃｍ−３の担体密度に対応する。堆積の間、流量は線形的に低減され、結果として、流量が最終値に達した後の担体密度は、ほぼ５×１０１７ｃｍ−３である。概して、初期シラン流量は、１×１０１８ｃｍ−３から１×１０１９ｃｍ−３の間の担体密度に対応し得る。最終シラン流量は、２×１０１７ｃｍ−３から８×１０１７ｃｍ−３の間の担体密度に対応し得る。流量低減の持続時間（初期流量から最終流量まで）は、ほぼ１，０００秒であり得る。
【００２６】
最終流量に達するとき、ＳｉＨ４流量低減のプロセスは、終了する。一実施形態において、最終流量に達するｎ型層３３０の中のエリアは、ｎ型層３３０と活性領域３４０との界面から約１００オングストローム離れ、このエリアは、ＭＱＷ構造物を含む。加えて、ｐ型層３５０がｎ型層３３０上に形成される。図３には示されていないが、ｎ型電極およびｐ型電極が、ｎ型層３３０およびｐ型層３５０と電気的に結合され得る。
【００２７】
上記で説明された方法に従って製作されたＬＥＤは、ほぼ３Ｖのターンオン電圧と、ほぼ４０Ｖのブレークダウン電圧とを示し得る。加えて、このＬＥＤは、高い発光効率と優れた信頼性とを示す。
【００２８】
本発明は、さまざまな実施形態を用いて例示され、詳細に、かつ、本発明のさまざまな特徴または構成要素の実装を促進する目的で例を用いて、説明される。しかしながら、本発明の用途を、示される詳細に限定することは、発明者らの意図ではない。本発明の特徴または構成要素の修正は、本発明の精神から逸脱することなしに行われ得、結果として、依然として特許請求の範囲の範囲内にとどまっている。
【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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