(57)【要約】ドループの低減を呈する、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって窒化ガリウム（ＧａＮ）半極性基板上に成長させられた（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ薄膜の発光ダイオード構造。素子構造は、２つ以上の周期の量子井戸（ＱＷ）活性領域、ＱＷ活性領域の下方に位置するｎ−型超格子層（ｎ−ＳＬ）、およびＱＷ活性領域の上方のｐ−型超格子層（ｐ−ＳＬ）を含む。本発明はまた、そのような素子を製造する方法を包含する。一実施形態において、ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において１％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満である。
2014518448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子素子構造であって、少なくとも、半極性ＩＩＩ族窒化物基板上またはその上方に成長させられたＩＩＩ族窒化物発光素子構造を備え、
前記発光素子構造は、ｎ−型ＩＩＩ族窒化物超格子（ｎ−ＳＬ）を含み、
前記発光素子構造は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１５％以下の外部量子効率（ＥＱＥ）ドループを有する、
素子構造。
【請求項２】
前記ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において１％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満である、請求項１に記載の素子構造。
【請求項３】
前記発光素子構造は、青色放出波長においてピーク放出を有する、請求項１に記載の素子構造。
【請求項４】
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、請求項１に記載の素子構造。
【請求項５】
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性（２０−２−１）窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、請求項１に記載の素子構造。
【請求項６】
前記ｎ−ＳＬは、１つ以上のインジウム（Ｉｎ）含有層およびガリウム（Ｇａ）含有層を備えている、請求項１に記載の素子構造。
【請求項７】
前記ｎ−ＳＬは、異なるＩＩＩ族窒化物組成を有する層を備え、前記層の各々は、シリコンでドープされている、請求項１に記載の素子構造。
【請求項８】
前記ｎ−ＳＬは、前記発光素子の活性領域の下方に位置している、請求項１に記載の素子構造。
【請求項９】
前記活性領域は、２つ以上の量子井戸（ＱＷ）を含む、請求項８に記載の素子構造。
【請求項１０】
前記活性領域は、ＩＩＩ族窒化物障壁を伴う１つ以上のインジウム含有ＩＩＩ族窒化物量子井戸（ＱＷ）を備え、前記量子井戸は、ＱＷ数、ＱＷ組成、およびＱＷ厚を有し、前記障壁は、障壁組成、障壁厚、および障壁ドーピングを有し、
前記ｎ−ＳＬは、周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および各々が層厚を有する層を備え、
前記ＱＷ数、前記ＱＷ組成、前記ＱＷ厚、前記障壁組成、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記ＳＬドーピング、前記ＳＬ組成、および前記層厚は、
前記ＬＥＤが、青色放出波長またはそれより長い波長においてピーク放出を有し、
前記素子が少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において駆動される場合、前記ドループが、１５％以下であるようなものである、請求項８に記載の素子構造。
【請求項１１】
前記ＧａＮ基板上またはその上方の第１のＩＩＩ族窒化物層または緩衝層をさらに備え、
前記ｎ−ＳＬは、前記第１の層または緩衝層上またはその上方にあり、
前記ｎ−ＳＬは、異なるＩＩＩ族窒化物組成を有する交互する第１および第２のＩＩＩ族窒化物層を備え、
前記第１および第２のＩＩＩ族窒化物層は、前記第１の層または緩衝層に格子整合されている歪み補償層を備え、
前記第１および第２のＩＩＩ族窒化物層は、緩和に対するそれらの臨界厚を下回る厚さを有し、
前記ｎ−ＳＬの周期数は、前記活性領域が、前記第１の層または緩衝層から、少なくとも５００ナノメートルだけ分離されるようなものであり、
前記活性領域は、ＧａＮ障壁を伴う少なくとも３つのＩｎＧａＮ量子井戸を備え、前記ＩｎＧａＮ量子井戸は、少なくとも３ナノメートルの厚さを有する、
請求項８に記載の素子構造。
【請求項１２】
前記活性領域上またはその上方に、ｐ−型ＩＩＩ族窒化物超格子（ｐ−ＳＬ）をさらに備えている、請求項８に記載の素子構造。
【請求項１３】
前記活性領域は、緑色波長またはそれより長い波長を有する光に対応するピーク波長を有する光を放出する、請求項８に記載の素子構造。
【請求項１４】
前記基板の半極性平面上またはその上方のｎ−型ＧａＮ層であって、前記基板は、粗面背面を有する半極性ＧａＮ基板であり、前記粗面背面は、前記発光素子から光を抽出し、前記ｎ−ＳＬは、前記ｎ−型ＧａＮ層上またはその上方において、交互するＩｎＧａＮおよびＧａＮ層を備えている、ｎ−型ＧａＮ層と、
前記ｎ−ＳＬ上またはその上方において、ＧａＮ障壁を伴うＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）を備えている活性領域と、
前記活性領域上またはその上方において、交互するＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層を備えているｐ−型超格子（ｐ−ＳＬ）と、
前記ｐ−ＳＬ上またはその上方のｐ−型ＧａＮ層と、
前記ｐ−型ＧａＮ層上またはその上方のｐ−型透明伝導性層と、
前記ｐ−型透明伝導性層上またはその上方のｐ−型パッドと、
前記ｎ−型ＧａＮ層へのｎ−型接点と、
前記半極性ＧａＮ基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウントと、
前記ＺｎＯサブマウントの一端に付着されたヘッダと、
前記ＬＥＤを封入する封入材料であって、ＬＥＤである前記素子構造の活性面積は、０．１ｍｍ２以下である、封入材料と
をさらに備えている、請求項８に記載の素子構造。
【請求項１５】
光電子素子を製造する方法であって、
半極性ＩＩＩ族窒化物基板上またはその上方に、ＩＩＩ族窒化物発光素子構造を成長させることを含み
前記発光素子構造は、ｎ−型超格子（ｎ−ＳＬ）を含み、
前記発光素子構造は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１５％以下の外部量子効率（ＥＱＥ）ドループを有する、方法。
【請求項１６】
前記発光素子は、少なくとも５０ミリワットである光出力を有し、
前記ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において１％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において１０％未満であり、
前記発光素子構造は、青色放出波長においてピーク放出を有する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性（２０−２−１）窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記ｎ−ＳＬは、ＩＩＩ族窒化物層を備え、前記方法は、Ｓｉ２Ｈ６流によって前記ｎ−ＳＬＩＩＩ族窒化物層を成長させることをさらに含み、前記ＩＩＩ族窒化物層の各々は、シリコンでドープされている、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記ｎ−ＳＬは、前記発光素子の活性領域の下方に位置し、
前記活性領域は、障壁を伴う２つ以上のインジウム含有量子井戸（ＱＷ）を備え、前記量子井戸は、ＱＷ数、ＱＷ組成、およびＱＷ厚を有し、前記障壁は、障壁組成、障壁厚、および障壁ドーピングを有し、
前記ｎ−ＳＬは、周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および各々が層厚を有する層を備え、
前記ＱＷ数、前記ＱＷ組成、前記ＱＷ厚、前記障壁組成、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記ＳＬドーピング、前記ＳＬ組成、前記層厚は、
前記ＬＥＤが、青色放出波長またはそれより長い波長においてピーク放出を有し、
前記素子が少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において駆動される場合、前記ドループが、１５％以下であるようなものである、
請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、同時係属の同一人に譲渡された米国仮特許出願第６１／４９５，８２９号（２０１１年６月１０日出願，Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｓｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａ，Ｄａｎｉｅｌ  Ｆｅｅｚｅｌｌ，Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ，およびＣｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ，名称“ＬＯＷ  ＤＲＯＯＰ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＯＮ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ｛２０−２−１｝  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ，”代理人事件番号３０７９４．４１５−ＵＳ−Ｐ１（２０１１−８３２−１））の米国特許法§１１９（ｅ）に基づく利益を主張する。該出願は、参照により本明細書に引用される。
【０００２】
本願は、同時係属の同一人に譲渡された以下の出願に関連する。米国特許出願第−−／−−−，−−−号（同日出願，Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｄａｎｉｅｌ  Ｆ．Ｆｅｅｚｅｌｌ，Ｃｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ，Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ，およびＳｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａ，名称“ＨＩＧＨ  ＥＭＩＳＳＩＯＮ  ＰＯＷＥＲ  ＡＮＤ  ＬＯＷ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＤＲＯＯＰ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ｛２０−２−１｝  ＢＬＵＥ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ，”代理人事件番号３０７９４．４１６−ＵＳ−Ｕ１（ＵＣ  ２０１１−８３３−２））に関連し、該出願は、米国仮特許出願第６１／４９５，８４０号（２０１１年６月１０日出願，Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｄａｎｉｅｌ  Ｆ．Ｆｅｅｚｅｌｌ，Ｃｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ，Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ，およびＳｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａ，名称“ＨＩＧＨ  ＥＭＩＳＳＩＯＮ  ＰＯＷＥＲ  ＡＮＤ  ＬＯＷ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＤＲＯＯＰ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ｛２０−２−１｝  ＢＬＵＥ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ，”代理人事件番号３０７９４．４１６−ＵＳ−Ｐ１  （ＵＣ  ２０１１−８３３−１））の米国特許法§１１９（ｅ）に基づく利益を主張する；
米国特許出願第１２／２８４，４４号（２０１１年１０月２８日出願，Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｔ．Ｈａｒｄｙ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，名称“ＳＴＲＡＩＮ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥＤ  ＳＨＯＲＴ−ＰＥＲＩＯＤ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥＳ  ＯＮ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＧＡＮ  ＦＯＲ  ＤＥＦＥＣＴ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＴＲＥＳＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ，”代理人事件番号３０７９４．３９６−ＵＳ−Ｕ１（２０１１−２０３））、該出願は、同時係属の同一人に譲渡された米国仮特許出願第６１／４０８，２８０号（２０１０年１０月２９日出願，Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｔ．Ｈａｒｄｙ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，名称“ＳＴＲＡＩＮ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥＤ  ＳＨＯＲＴ−ＰＥＲＩＯＤ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥＳ  ＯＮ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＧＡＮ  ＦＯＲ  ＤＥＦＥＣＴ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＴＲＥＳＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ，”，代理人事件番号３０７９４．３９６−ＵＳ−Ｐ１  （２０１１−２０３））の米国特許法§１１９（ｅ）に基づく利益を主張する；
米国特許出願第１２／９０８，７９３号（名称“ＬＥＤ  ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＷＩＴＨ  ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＨＥＡＴ  ＤＩＳＳＩＰＡＴＩＯＮ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＳＴＡＮＤ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ，”，２０１０年１０月２０日出願，Ｃｈｉｈ  Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ，Ｊｕｎ  Ｓｅｏｋ  Ｈａ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，およびＪｕｎｉｃｈｉ  Ｓｏｎｏｄａ，代理人事件番号３０７９４．３３５−ＵＳ−Ｐ１），該出願は、米国仮特許出願第６１／２５８，０５６号（名称“ＬＥＤ  ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＷＩＴＨ  ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＨＥＡＴ  ＤＩＳＳＩＰＡＴＩＯＮ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＳＴＡＮＤ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ，”，２００９年１１月４日出願，Ｃｈｉｈ  Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ，Ｊｕｎ  Ｓｅｏｋ  Ｈａ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，およびＪｕｎｉｃｈｉ  Ｓｏｎｏｄａ，代理人事件番号３０７９４．３３５−ＵＳ−Ｐ１）の米国特許法§１１９（ｅ）に基づく利益を主張する；
これら全ての出願は、参照により本明細書に引用される。
【０００３】
（発明の分野）
本発明は、概して、電子および光電子素子の分野に関し、より具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）半極性（例えば、｛２０−１−１｝）基板上の低ドループ発光ダイオード（ＬＥＤ）構造に関する。
【背景技術】
【０００４】
（注：本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［Ｘ］によっていくつかの異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる）。
【０００５】
現在、ＬＥＤは、外部量子効率（ＥＱＥ）の最近の改良により、照明および自動車用照明等、高輝度および高電力用途において利用される。一般的照明の市販化のため、ＬＥＤは、依然として、「効率ドループ」として知られる大きな障害を克服しなければならない。
【０００６】
効率ドループは、高駆動電流におけるＥＱＥの減衰を指す。ドループの結果、より多くのＬＥＤチップまたはより大きな面積のＬＥＤチップのいずれかが、高電力素子のために必要とされ、これは、ウエハ面積の増加をもたらし、より高いコストにつながる。
【０００７】
例えば、車用ランプアセンブリおよび照明製造業者は、その高コストのため、ＬＥＤ素子の使用に完全移行することができない。ドループ問題が解決される場合、これらの製造業者は、ＬＥＤ素子に完全に移行することができ、ＬＥＤ市場は、大きく拡大するであろう。
【０００８】
本発明は、低ドループ比を呈する、ＧａＮ半極性｛２０−２−１｝基板上の低ドループＬＥＤ構造を備え、したがって、ＬＥＤ照明の広範囲に拡大した採用の促進を支援するであろう。
【０００９】
本発明以前の最先端技術は、極性｛０００１｝、非極性｛１１−２０｝および｛１０−１０｝、ならびに半極性｛１０−１−１｝、｛１１−２２｝、および｛２０−２１｝ＧａＮ結晶平面上に成長させられた（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光学素子を含む。これらの平面上で成長させられた先行技術素子のドループ比は、図１に示されるように、約２０％（放出波長４３０ナノメートル（ｎｍ）および駆動電流密度３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）時）である。
【００１０】
図１は、｛２０−２−１｝ＧａＮ半極性基板上の先行技術ＬＥＤに対する、ＥＱＥ（パーセント、％）およびミリワット（ｍＷ）単位の光出力（ＬＯＰ）対電流密度（Ａ／ｃｍ２）のグラフである。図１は、直流（ＤＣ）動作に対するＥＱＥ（ＥＱＥ（％）＿ＤＣ）、パルス動作に対するＥＱＥ（ＥＱＥ（％）＿パルス）、ＤＣ動作に対する光出力（ＬＯＰ（ｍＷ）＿ＤＣ）、およびパルス動作に対するＬＯＰ（ＬＯＰ（ｍＷ）＿パルス）の結果を示す。
【００１１】
したがって、当技術分野において、ＬＥＤのドループを低減させるための改良された方法の必要性が存在する。本発明は、この必要性を満たす。具体的には、本発明は、ＧａＮ半極性｛２０−１−１｝基板上の低ドループＬＥＤ構造について説明する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の先行技術における制限を克服し、かつ本明細書の熟読および理解に応じて明白となるであろう他の制限を克服するために、本発明は、ドループの低減を呈する、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってＧａＮ半極性（例えば、｛２０−２−１｝）基板上に成長させられた（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ薄膜の発光ダイオード構造を開示する。素子構造は、２つ以上の周期の量子井戸（ＱＷ）活性領域、ＱＷ活性領域の下方に位置するｎ−型超格子（ｎ−ＳＬ）またはｎ−ＳＬ層、およびＱＷ活性領域上方のｐ−型超格子（ｐ−ＳＬ）またはｐ−ＳＬ層を含む。本発明はまた、そのような素子を製造する方法を包含する。
【００１３】
例えば、本発明は、少なくとも半極性ＩＩＩ族窒化物基板上またはその上方に成長させられたＩＩＩ族窒化物発光素子構造を備えている光電子素子構造を開示し、発光素子構造は、ｎ−型ＩＩＩ族窒化物ＳＬを含み、発光素子構造は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１５％以下の外部量子効率（ＥＱＥ）ドループを有する。
【００１４】
発光素子は、少なくとも５０ミリワットである光出力を有することができ、ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１％未満、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満であることができる。
【００１５】
発光素子構造は、青色放出波長においてピーク放出を有することができる。活性領域は、緑色波長またはそれより長い波長を有する光に対応するピーク波長を有する光を放出することができる。
【００１６】
半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性（例えば、２０−２−１）窒化ガリウム（ＧａＮ）基板であることができる。
【００１７】
ｎ−ＳＬは、１つ以上のインジウム（Ｉｎ）含有層およびガリウム（Ｇａ）含有層を備えていることができる。ｎ−ＳＬは、異なるＩＩＩ族窒化物組成を有する層を備えていることができ、層の各々は、シリコンでドープされることができる。ｎ−ＳＬは、基板の半極性平面上のｎ−型ＧａＮ層上またはその上方において、交互するＩｎＧａＮおよびＧａＮ層を備えていることができる。
【００１８】
ｎ−ＳＬは、発光素子の活性領域の下方に位置することでき、活性領域は、２つ以上の量子井戸（ＱＷ）を含む。
【００１９】
活性領域は、ＩＩＩ族窒化物障壁を伴う１つ以上のインジウム含有ＩＩＩ族窒化物量子井戸（ＱＷ）を備えていることができ、量子井戸は、ＱＷ数、ＱＷ組成、およびＱＷ厚を有し、障壁は、障壁組成、障壁厚、および障壁ドーピングを有し、ｎ−ＳＬは、周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および各々が層厚を有する層を備えている。ＱＷ数、ＱＷ組成、ＱＷ厚、障壁組成、障壁厚、障壁ドーピング、周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および層厚は、ＬＥＤが、青色放出波長またはそれより長い波長においてピーク放出を有し、素子が、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において駆動される場合、ドループが、１５％以下であるようなものであることができる。
【００２０】
素子構造はさらに、ＧａＮ基板上またはその上方の第１のＩＩＩ族窒化物層または緩衝層と、第１の層または緩衝層上またはその上方のｎ−ＳＬとを備えていることができる。ｎ−ＳＬは、異なるＩＩＩ族窒化物組成物を有する交互する第１および第２のＩＩＩ族窒化物層を備えていることができ、第１および第２のＩＩＩ族窒化物層は、第１の層または緩衝層に格子整合される歪み補償層を備えていることができ、第１および第２のＩＩＩ族窒化物層は、緩和に対するそれらの臨界厚を下回る厚さを有することができ、ｎ−ＳＬの周期数は、活性領域が、第１の層または緩衝層から、少なくとも５００ナノメートルだけ分離されるようなものであることができる。活性領域は、ＧａＮ障壁を伴う少なくとも３つのＩｎＧａＮ量子井戸を備えていることができ、ＩｎＧａＮ量子井戸は、少なくとも３ナノメートルの厚さを有する。
【００２１】
素子はさらに、活性領域上またはその上方に、ｐ−型ＩＩＩ族窒化物ＳＬを備えていることができる。活性領域上またはその上方のｐ−型ＳＬは、交互するＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層を備えていることができる。
【００２２】
基板は、粗面背面を有する半極性ＧａＮ基板であることができ、粗面背面は、発光素子から光を抽出する。素子はさらに、ｐ−ＳＬ上またはその上方のｐ−型ＧａＮ層と、ｐ−型ＧａＮ層上またはその上方のｐ−型透明伝導性層と、ｐ−型透明伝導性層上またはその上方のｐ−型パッドと、ｎ−型ＧａＮ層へのｎ−型接点と、半極性ＧａＮ基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウントと、ＺｎＯサブマウントの一端に付着されたヘッダと、ＬＥＤを封入する封入材料とを備えていることができる。ＬＥＤ素子構造の活性面積は、０．１ｍｍ２以下であることができる。
【００２３】
本発明はさらに、発光素子を製造する方法を開示する。本方法は、ｎ−ＳＬＩＩＩ族窒化物層をＳｉ２Ｈ６流で成長させることを含むことができ、ＩＩＩ族窒化物層の各々は、シリコンでドープされる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
次に、全体を通して類似参照数字が対応する部品を表す、図面を参照する。
【図１】図１は、｛２０−２−１｝ＧａＮ半極性基板上の先行技術ＬＥＤに対する、ＥＱＥ（％）および光出力（ＬＯＰ）（ｍＷ）対電流密度（Ａ／ｃｍ２）のグラフである。
【図２Ａ】図２（ａ）は、本発明の一実施形態による、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって半極性（２０−２−１）ＧａＮ基板上に成長させられた低ドループ｛２０−２−１｝ＬＥＤのエピ構造の断面図を図示する。
【図２Ｂ】図２（ｂ）は、本発明の一実施形態による、素子構造の断面図である。
【図２Ｃ】図２（ｃ）は、本発明のある実施形態による、半極性ＧａＮ基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウントを図示する。
【図３】図３は、本発明のある実施形態による、発光素子構造を製造する方法を図示する、流れ図である。
【図４Ａ】図４（ａ）は、図２（ａ）および２（ｂ）の構造を使用する（２０−２−１）ＧａＮ半極性基板を使用して製造されるＬＥＤを備えている素子に対する、ＥＱＥ（％）およびＬＯＰ（ｍＷ）対電流密度（Ａ／ｃｍ２）のグラフである。
【図４Ｂ】図４（ｂ）は、図２（ａ）に示されるものと類似する構造であるが、ピーク波長４５０ｎｍで放出する３周期の９ｎｍ厚ＱＷを備えている活性領域を伴う、構造に対する駆動電流（Ａ／ｃｍ２）の関数として、ＥＱＥ（％）をプロットする。
【図５】図５は、ｃ−平面ＩＩＩ族窒化物内の等方性歪みおよび半極性平面ＩＩＩ族窒化物内の非等方性歪みに対するオージェ再結合プロセスを図示する、略図である。
【図６】図６は、半極性（２０−２−１）ＧａＮ基板上のＳＬを伴わない素子とＳＬを伴う素子との間の比較出力を示す、グラフである。
【図７】図７は、図２（ａ）に基づく３つの半極性（２０−２−１）ＬＥＤ素子構造Ａ、Ｂ、Ｃに対する、駆動電流２０ｍＡ（１％パルス）における、ｍＷ単位で出力をプロットする、グラフであって、素子Ａは、ＧａＮ障壁を伴う３周期ＱＷ（３ＱＷ）活性領域を有し、素子Ｂは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域、Ｓｉドーピングを伴う１０組のｎ−ＳＬ、および５組のｐ−ＳＬを有し、素子Ｃは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域およびドーピングを伴わない１０組のＳＬを有する。
【図８】図８は、図２（ａ）に基づく３つの半極性（２０−２−１）ＬＥＤ素子構造Ａ、Ｂ、Ｃに対する、駆動電流の関数としてドループ比をプロットする、グラフであり、素子Ａは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域を有し、素子Ｂは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域、Ｓｉドーピングを伴う１０組のｎ−ＳＬ、および５組のｐ−ＳＬを有し、素子Ｃは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域およびドーピングを伴わない１０組のＳＬを有する。
【図９】図９は、図２（ａ）に基づく３つの半極性（２０−２−１）ＬＥＤ素子構造Ａ、Ｂ、Ｃに対する、駆動電流の関数としてＥＱＥをプロットする、グラフであり、素子Ａは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域を有し、素子Ｂは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域、Ｓｉドーピングを伴う１０組のｎ−ＳＬ、および５組のｐ−ＳＬを有し、素子Ｃは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域およびドーピングを伴わない１０組のＳＬを有する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の発明を実施するための形態において、本明細書の一部を形成し、かつ本発明が実践され得る特定の実施形態を例証目的で示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００２６】
（概要）
本発明は、低効率ドループを達成するために、ＧａＮ半極性（例えば、｛２０−２−１｝）基板上に、ＭＯＣＶＤによって成長させられたＧａＮ薄膜を備えている、ＬＥＤ構造について説明する。本発明は、ドループ効果がない、窒化物系素子への道を提供する。構造は、ＱＷの下方に位置するｎ−ＳＬ、２つ以上の周期、より好ましくは、少なくとも３つの周期のＱＷ活性領域、およびＱＷの上方のｐ−ＳＬを組み込む。この構造は、ＧａＮ半極性（例えば、｛２０−２−１｝）基板上に成長させられた（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ素子中に組み込まれた場合、ドループの低減を示す。
【００２７】
非極性および半極性平面上では、不平衡面内２軸歪みが、最高価電子帯の曲率を増加させる。その結果、価電子帯曲率と伝導帯曲率との間の対称性が、増加される。バンドギャップの大きい材料に対して、対称伝導帯および価電子帯は、オージェ再結合を抑制し得、これは、効率ドループに関与する機構として広く受け入れられている。したがって、ＧａＮの非極性または半極性配向上に成長させられたＬＥＤは、一般に、効率ドループの低減を示し得る。本発明では、好ましい実施形態は、半極性（２０−２−１）平面を利用する。
【００２８】
半極性（２０−２−１）上に成長させられた発光素子は、青方偏移の低減およびｃ−平面発光素子と比較してより低い半値全幅（ＦＷＨＭ）を示している。この差異は、高インジウム組成物（すなわち、長波長エミッタ）に対して、特に強い。この観察は、半極性（２０−２−１）上に成長させられる量子井戸が、ｃ−平面上に成長させられたものより優れた合金均一性を有し得ることを含意する。近年、合金散乱は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＬＥＤにおけるオージェ再結合の原因の１つに関係があるとされている。優れた合金均一性によって、合金散乱が低減され、したがって、半極性（２０−２−１）上に成長させられるＬＥＤは、一般に、効率ドループの低減を実証するはずである。
【００２９】
（技術説明）
図２（ａ）は、本発明の一実施形態による、ＭＯＣＶＤによってＧａＮ半極性（２０−２−１）基板２０２上に成長させられた低ドループ（２０−２−１）ＬＥＤのエピ構造２００を図示する。本素子構造は、１マイクロメートル（μｍ）厚シリコン（Ｓｉ）ドープｎ−型ＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）層２０４（Ｓｉドーパント濃度５´１０１８ｃｍ−３）と、１０周期のＧａＮ／ＩｎＧａＮ層（３ｎｍ／３ｎｍ、すなわち、ＧａＮ層が、３ｎｍ厚であって、ＩｎＧａＮ層が、３ｎｍ厚である）から成るｎ−ＳＬ  ２０６と、１３ｎｍ厚ＧａＮ障壁および３ｎｍ厚ＩｎＧａＮ（例えば、Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ）量子井戸を伴う３周期多重ＱＷ（ＭＱＷ）積層から成る活性層２０８とから構成され、第１のＧａＮ障壁は、濃度２´１０１７ｃｍ−３までシリコンでドープされる。この後、５周期のＡｌＧａＮ／ＧａＮ層（２ｎｍ／２ｎｍ、すなわち、ＡｌＧａＮ層が、２ｎｍ厚であって、ＧａＮ層が、２ｎｍ厚である）から成るｐ−ＳＬ  ２１０と、２４０ｎｍ厚Ｍｇ−ドープｐ−型ＧａＮ：Ｍｇ（ｐ−ＧａＮ）層２１２（Ｍｇドーパント濃度５´１０１８ｃｍ−３を伴う）が続いている。
【００３０】
図２（ｂ）は、素子（例えば、ＬＥＤ）に加工される素子構造２００を図示しており、メサ２１４と、ｐ−型ＧａＮ層２１２上またはその上方のｐ−型透明伝導性層（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）透明ｐ−接点２１６）とを図示する。Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ系ｎ−接点２１８およびＴｉ／Ａｕｐ−パッド２２０は、それぞれ、ｎ−ＧａＮ層２０４およびＩＴＯ透明ｐ−接点２１６上またはその上方に堆積され、それらに接触する。ＧａＮ基板２０２の表面粗面化２２２もまた、示され、粗面背面２２２は、ＬＥＤから、活性領域２０８によって放出される（例えば、散乱、屈折）光を抽出するための寸法を有する特徴を有する。
【００３１】
図２（ｃ）は、半極性ＧａＮ基板２０２の粗面背面２２２に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウント２２４およびＺｎＯサブマウント２２４の一端２２８  ２２６に付着されたヘッダ２２６を図示する。ＬＥＤはさらに、ＬＥＤを封入する封入材料を備えていることができる。ＬＥＤの活性面積は、例えば、０．１ｍｍ２以下である。
【００３２】
（加工ステップ）
図３は、発光素子または発光素子構造を製造または成長させる方法を図示する。方法は、図２（ａ）および図２（ｂ）もまた参照して、以下のステップを含むことができる。
【００３３】
ブロック３００は、半極性ＩＩＩ族窒化物上またはその上方に、例えば、半極性ＩＩＩ族窒化物（例えば、バルク）基板２０２上または上方に、あるいは基板２０２の半極性平面２２８上または上方に、１つ以上の第１のＩＩＩ族窒化物層（例えば、緩衝層）および／またはｎ−型ＩＩＩ族窒化物層（例えば、ｎ−型ＧａＮまたはｎ−ＧａＮ）２０４、２０６を成長させることを表す。半極性ＩＩＩ族窒化物は、半極性ＧａＮであることができる。半極性ＩＩＩ族窒化物は、半極性（２０−２−１）または｛２０−２−１｝ＧａＮ基板２０２であることができる。第１の、すなわち、緩衝層は、ｎ−型層２０４のうちの１つを備えていることができる。
【００３４】
ｎ−型層は、ｎ−ＳＬ  ２０６を備えていることができる。
【００３５】
ｎ−ＳＬ  ２０６は、１つ以上のｎ−型層２０４上またはその上方に、あるいは第１の層または緩衝層上またはその上方にあることができる。
【００３６】
ｎ−ＳＬは、ＳＬ層２０６ａ、２０６ｂ、例えば、１つ以上のインジウム（Ｉｎ）含有層およびガリウム（Ｇａ）含有層、または、異なるＩＩＩ族窒化物組成物（例えば、ＩｎＧａＮおよびＧａＮ層）を有する交互する第１および第２のＩＩＩ族窒化物層２０６ａ、２０６ｂを備えていることができる。
【００３７】
ｎ−ＳＬ  ２０６は、ある周期数（例えば、少なくとも５、または少なくとも１０）、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および各々がある層厚を有する層２０６ａ、２０６ｂを備えていることができる。第１および第２のＩＩＩ族窒化物層２０６ａ、２０６ｂは、第１の層、すなわち、緩衝層２０４に格子整合される歪み補償層を備えていることができ、緩和のために、その臨界厚（例えば、５ｎｍ未満）を下回る厚さを有することができる。歪み補償層は、素子２００および／または活性領域２０８における欠陥低減、歪み緩和、および／または応力工学のためのものであることができる。ｎ−ＳＬ  ２０６の周期数は、ブロック３０２において成長させられる活性領域２０８が、第１の層２０４から、少なくとも５００ナノメートルだけ分離されるようなものであることができる。
【００３８】
歪補償ＳＬ層に関するさらなる情報は、２０１１年１０月２８日出願の米国特許出願第１２／２８４，４４９号、Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｔ．Ｈａｒｄｙ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる「ＳＴＲＡＩＮ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥＤ  ＳＨＯＲＴ-ＰＥＲＩＯＤ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥＳ  ＯＮ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＧＡＮ  ＦＯＲ  ＤＥＦＥＣＴ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＴＲＥＳＳ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」（代理人整理番号第３０７９４．３９６−ＵＳ−Ｕ１（２０１１−２０３）号）に見出すことができ、本願は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００３９】
ブロック３０２は、ｎ−ＳＬ（例えば、ｎ−ＳＬは、活性層２０８の下方に位置する）上またはその上方に、活性領域または１つ以上の活性層２０８を成長させることを表す。活性層２０８は、青色または緑色波長範囲内の波長、またはそれより長い（例えば、赤色または黄色光）波長におけるピーク強度、あるいは５００ｎｍ以上の波長におけるピーク強度を有する光（または、電磁放射）を放出することができる。しかしながら、本発明は、特定の波長で放出する素子２００に限定されず、素子２００は、他の波長で放出することもできる。例えば、本発明は、紫外線発光素子２００に適用可能である。
【００４０】
発光活性層２０８は、ＩｎＧａＮ層等のＩＩＩ族窒化物またはインジウム（Ｉｎ）含有ＩＩＩ族窒化物層を含むことができる。例えば、インジウム含有層は、１つ以上、２つ以上、または３つ以上のＱＷ（ＱＷ数、ＱＷ組成、およびＱＷ厚を有する）と、ある障壁組成、障壁厚、および障壁ドーピングを有するＱＷ障壁とを備えていることができる。例えば、インジウム含有層は、例えば、ＧａＮ障壁を伴う、少なくとも３つのＩｎＧａＮ  ＱＷを備えていることができる。ＩｎＧａＮ  ＱＷは、少なくとも７％、少なくとも１０％、少なくとも１８％、または少なくとも３０％のインジウム組成と、３ナノメートル以上、例えば、５ｎｍ、少なくとも５ｎｍ、または少なくとも９ｎｍの厚さまたは井戸幅を有することができる。しかしながら、量子井戸厚はまた、３ｎｍ未満であることができるが、典型的には、２ｎｍ厚を上回る。
【００４１】
ブロック３０４は、活性領域上またはその上方に、１つ以上のＩＩＩ族窒化物ｐ−型層（例えば、ｐ−ＳＬ層を備えているｐ−ＳＬ）を成長させることを表す。ｐ−ＳＬは、例えば、交互するＡｌＧａＮおよびＧａＮ層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層を備えていることができる。ｐ−ＳＬは、ＡｌＧａＮ電子遮断層を備えていることができる。
【００４２】
層２０４、２０６、２０８、２１０、および２１２は、ｐ−ｎ接合を形成することができる。概して、本発明の好ましい実施形態は、ＧａＮ半極性｛２０−２−１｝基板上に成長させられるＬＥＤを備え、構造は、活性層の下方のｎ−型ＳＬ、ＭＱＷ活性領域、およびＭＱＷ上方のｐ−型ＳＬ層を組み込む。ＭＱＷ活性領域は、典型的には、２つ以上のＱＷ、より好ましくは、少なくとも３つのＱＷを備えているべきである。
【００４３】
半極性平面、ＱＷ数、ＱＷ組成（例えば、Ｉｎ組成）、ＱＷ厚、障壁組成、障壁厚、障壁ドーピング、ＳＬの周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および層厚は、発光素子が、所望のドループ（例えば、ドループは、素子が、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度で駆動される場合、１５％以下となり得る）を伴う、または合金散乱が、低減される、所望の放出波長（例えば、青色放出波長以上）において、ピーク放出を有するようなものであることができる。
【００４４】
典型的成長温度は、Ｖ／ＩＩＩ（ＮＨ３モル分率とトリメチル−ガリウムモル分率の比）比３０００で、ｎ−型ＧａＮ層に対して、〜１１８５°Ｃであった。活性領域は、Ｖ／ＩＩＩ比１２０００で、温度〜８５０°Ｃで成長させられた。全てのＭＯＣＶＤ成長は、大気圧（ＡＰ）で行われた。しかしながら、これらの条件は、単に、実施例として提供されるものであって、他の成長条件もまた可能である。
【００４５】
ブロック３０６は、素子構造を図２（ｂ）に図示されるような素子に加工することを表す。
【００４６】
低ドループ半極性｛２０−２−１｝ＬＥＤはさらに、以下のように（図２（ｂ）に示されるように）加工されることができる。
【００４７】
１．２４０×４２０μｍ２メサ２１４サイズ（幅×長さ）を伴うＬＥＤが、従来のフォトリソグラフィによって形成された後、塩素系誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング技法によって、メサを形成することができる。
【００４８】
２．インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）透明ｐ−接点２１６が、電子ビーム蒸着によって、堆積されることができる。
【００４９】
３．Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ系ｎ−接点２１８およびｐ−パッド２２０が、次いで、それぞれ、ｎ−ＧａＮ層２０４およびＩＴＯ透明ｐ−接点２１６上に堆積されることができる。
【００５０】
４．製造された素子は、シリコーンドームで封入された銀ヘッダ上にパッケージされることができる。製造された素子は、粗面背面を有し、図２（ｃ）に示されるように、ＺｎＯサブマウント上に搭載される。
【００５１】
ブロック３０８は、最終結果、すなわち、半極性ＩＩＩ族窒化物（例えば、基板）上またはその上方に成長させられた発光素子または素子構造等の素子を表し、発光素子構造は、ｎ−型ＳＬ層を備えているｎ−ＳＬを含むか、またはそれを有する。発光素子構造は、発光素子構造が、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度で駆動される場合、１５％以下の外部量子効率（ＥＱＥ）ドループを有することができる。例えば、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１％未満、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満のドループが、達成されることができる。発光素子は、少なくとも５０または１００ミリワットである、光出力を有することができる。発光素子に対するドループは、極性ＩＩＩ族窒化物上に成長させられた発光素子と比較して、改善された性能を示すことができる。
【００５２】
本発明はさらに、非等方性歪みが、効率ドループを最小限にするために、意図的に追加される発光素子を開示し、例えば、素子は、半極性（例えば、｛２０−２−１｝）または非極性窒化物系発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００５３】
（特性評価）
全測定は、室温において、パルス動作下で行われ、光学放出電力は、較正された積分球において測定された。
【００５４】
ドループ比は、以下の式１に従って計算される（例えば、３５Ａ／ｃｍ２時）：
（式１）
ドループ比＝（（ＭａｘＥＱＥ−ＥＱＥ＠３５Ａ／ｃｍ２）／ＭａｘＥＱＥ）＊１００（％）
式中、Ｍａｘ  ＥＱＥは、最大ＥＱＥであり、ＥＱＥ＠３５Ａ／ｃｍ２は、３５Ａ／ｃｍ２時のＥＱＥである。
【００５５】
式１からの結果は、図４（ａ）に示される。図４（ａ）は、ＧａＮ半極性（２０−２−１）基板を使用して製造されたＬＥＤを備え、図２（ｂ）および２（ｃ）の構造を有する素子に対する、ＥＱＥ（％）およびＬＯＰ（ｍＷ）対電流密度（Ａ／ｃｍ２）のグラフである。図４（ａ）は、ＥＱＥ（％）＿ＤＣ、ＥＱＥ（％）＿パルス、ＬＯＰ（ｍＷ）＿ＤＣ、およびＬＯＰ（ｍＷ）＿パルスの結果を示す。
【００５６】
この素子におけるドループ比は、０．７％（電流密度３５Ａ／ｃｍ２時）、４．２５％（電流密度５０Ａ／ｃｍ２時）、８．４６％（電流密度１００Ａ／ｃｍ２時）、および１４．３％（電流密度２００Ａ／ｃｍ２時）である。
【００５７】
この素子のドループ性能は、類似エピタキシャル構造を伴うｃ−平面素子（サファイア上に成長させられる）のものより優れている。
【００５８】
図４（ｂ）は、図２（ａ）に示されるものと類似するが、ピーク波長４５０ｎｍで放出する３周期の９ｎｍ厚ＱＷを備えている活性領域２０８を伴う、構造に対する、駆動電流（Ａ／ｃｍ２）の関数としてＥＱＥ（％）をプロットする。より低いドループは、より広いＱＷ（例えば、９ｎｍ厚）によって達成される。図４（ｂ）の素子は、図２（ｃ）または［２］またはＣｈｉｈ  Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ、Ｊｕｎ  Ｓｅｏｋ  Ｈａ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪｕｎｉｃｈｉ  Ｓｏｎｏｄａによる、２０１０年１０月２０日出願の米国特許出願第１２／９０８，７９３号「ＬＥＤ  ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＷＩＴＨ  ＨＩＧＨ  ＬＩＧＨＴ  ＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＨＥＡＴ  ＤＩＳＳＩＰＡＴＩＯＮ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＳＴＡＮＤ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ」に説明されるように、透明ＬＥＤパッケージングを使用してパッケージされる。図４（ｂ）における測定は、パルス電流（１０％デューティサイクル）に対するものである。図４（ｂ）に示されるドループ％は、２．０％（１００Ａ／ｃｍ２電流密度時）、７．７％（２００Ａ／ｃｍ２電流密度時）、１１．５％（３００Ａ／ｃｍ２電流密度時）、および１７．７％（４００Ａ／ｃｍ２電流密度時）である。
【００５９】
非極性および半極性平面上では、不平衡面内２軸歪みは、最高価電子帯の曲率を増加させる。その結果、価電子帯曲率と伝導帯曲率との間の対称性が、増加される。バンドギャップの大きい材料に対して、対称伝導帯および価電子帯は、オージェ再結合を抑制し得、これは、効率ドループに関与する機構として広く受け入れられている。図５は、ｃ−平面ＩＩＩ族窒化物５００における等方性歪みおよび半極性平面ＩＩＩ族窒化物５０２における非等方性歪みに対するオージェ再結合プロセスを図示する、略図であって、DｋおよびDＥは、それぞれ、運動量の差分およびエネルギーの差分であり、それぞれ、伝導帯および価電子帯における電子および正孔遷移に対する運動量およびエネルギー保存に従うために、同一の大きさを有するが、反対符号（Δｋ１＋Δｋ２＝０；ΔＥ１＋ΔＥ２＝０）を伴うはずである。したがって、ＧａＮの非極性または半極性配向上に成長させられるＬＥＤは、一般に、効率ドループの低減を示し得る。本発明では、好ましい実施形態は、半極性（２０−２−１）平面を利用する。
【００６０】
半極性（２０−２−１）上に成長させられた発光素子は、青方偏移の低減およびｃ−平面発光素子と比較してより低いＦＷＨＭを示している。この差異は、高インジウム組成物（すなわち、長波長エミッタ）に対して、特に、強い。この観察は、半極性（２０−２−１）上に成長させられた量子井戸が、ｃ−平面上に成長させられたものより優れた合金均一性を有し得ることを含意する。近年、合金散乱は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＬＥＤにおけるオージェ再結合の原因の１つに関係があるとされている。優れた合金均一性によって、合金散乱が低減され、したがって、半極性（２０−２−１）上に成長させられるＬＥＤは、一般に、効率ドループの低減を実証するはずである。
【００６１】
（可能な修正および変形例）
素子２００は、半極性または非極性素子であることができる。基板２０２は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板であることができる。素子層２０４−２１２は、半極性または非極性層であるか、あるいは半極性または非極性配向を有することができる（例えば、層２０４−２１２は、互の上またはその上方に、および／または基板２０２の上部／主要／成長表面２２８上またはその上方に、成長させられることができ、上部／主要／成長表面２３０および素子層（例えば、活性層）２０８の上部表面は、半極性（例えば、２０−２−１または｛２０−２−１｝）または非極性平面である）。
【００６２】
ＱＷの数、ＱＷの厚さ、ＱＷおよび障壁組成、ならびに活性領域ドーピングレベルの修正等、活性領域設計における変形例は、可能な代替である。ｎ−側およびｐ−側のＳＬ層もまた、修正され得る。例えば、これらの層のいずれかは、省略されるか、異なる周期数を含むか、代替組成またはドーピングを有するか、または好ましい実施形態に示されるものと異なる厚さで成長させられ得る。他の半極性平面または基板も、使用されることができる。
【００６３】
他の変形例として、種々の可能なエピタキシャル成長技法（分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、ＭＯＣＶＤ、気相エピタキシ、ハイドライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）等）、異なるドライエッチング技法（例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工、化学機械平坦化（ＣＭＰ）、および化学反応併用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ））が挙げられる。高光抽出構造、フリップチップＬＥＤ、垂直構造ＬＥＤ、薄型ＧａＮＬＥＤ、チップ形状ＬＥＤの形成、および高度パッケージング法、例えば、サスペンデッドパッケージ、透明スタンドパッケージ等もまた、使用されることができる。
【００６４】
（先行技術に対する利点および改良点）
ｎ−ＳＬは、多くのＬＥＤ構造（例えば、ｃ−平面、半極性サファイア基板系ＬＥＤ、ＳｉＣ基板系ＬＥＤ、他の種類の化合物半導体基板）において利用されているが、半極性ＧａＮ−基板系ＬＥＤの大部分は、ｎ−ＳＬの追加による素子特性（例えば、出力）における改良の証拠がないことにより、ｎ−ＳＬを採用していない。本発明において実装されるｎ−ＳＬは、Ｓｉ２Ｈ６流で成長させられ、ｎ−ＳＬ内の各層は、シリコンでドープされる。｛２０−２−１｝上に成長させられるＬＥＤが、これらのｎ−ＳＬを備えている場合、ＬＥＤは、典型的には、低ドループ比を有するであろう。これらの種類のｎ−ＳＬが、ＱＷの下方に位置する場合、より多くの数のＱＷ（３つより多い周期ＱＷ）を利用することができる。
【００６５】
例えば、半極性｛２０−２−１｝ＧａＮ基板上にＳＬを伴わない素子とＳＬを伴う素子との間の比較出力を示す、図６を検討する。具体的には、図６は、任意単位（ａ．ｕ．）における出力対ＱＷの数のグラフであって、ＳＬを伴わない（ｗ／ｏ）３周期ＱＷ（３ＱＷ）、１０周期ＳＬまたは１０周期または組のＳＬ層（１０ＳＬ）を伴う３ＱＷ、および１０ＳＬを伴う６周期ＱＷ（６ＱＷ）の結果を示す。
【００６６】
図７は、図２（ａ）に基づく構造を有する３つの半極性（２０−２−１）ＬＥＤ素子構造Ａ、Ｂ、Ｃに対する、２０ｍＡの駆動電流（１％パルス化）時のｍＷ単位における出力をプロットする、グラフであり、素子Ａは、ＧａＮ障壁を伴う３周期ＱＷ（３ＱＷ）活性領域を有し、素子Ｂは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域、Ｓｉドーピングを伴う１０組のｎ−ＳＬ、および５組または周期のｐ−ＳＬまたはｐ−ＳＬ層（５ＳＬ）を有し、素子Ｃは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域、およびドーピングを伴わない１０組のＳＬを有する。
【００６７】
図８は、図２（ａ）に基づく構造を有する３つの半極性（２０−２−１）ＬＥＤ素子構造Ａ、Ｂ、Ｃに対する、駆動電流の関数としてドループ比をプロットする、グラフであり、素子Ａは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域を有し、素子Ｂは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域、Ｓｉドーピングを伴う１０組のｎ−ＳＬ、および５組のｐ−ＳＬを有し、素子Ｃは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域およびドーピングを伴わない１０組のＳＬを有する。
【００６８】
図９は、図２（ａ）に基づく構造を有する３つの半極性（２０−２−１）ＬＥＤ素子構造Ａ、Ｂ、Ｃに対する、駆動電流（Ａ／ｃｍ２）の関数としてＥＱＥ（％）をプロットする、グラフであり、素子Ａは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域を有し、素子Ｂは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域、Ｓｉドーピングを伴う１０組のｎ−ＳＬ、および５組のｐ−ＳＬを有し、素子Ｃは、ＧａＮ障壁を伴う３ＱＷ活性領域およびドーピングを伴わない１０組のＳＬを有する。
【００６９】
（専門用語）
用語「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ」、「ＧａＮ」、「ＩｎＧａＮ」、「ＡｌＧａＩｎＮ」、「ＩＩＩ族窒化物」、「ＩＩＩ窒化物」、または「窒化物」、およびその均等物は、化学式ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮを有する、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ半導体の合金組成物を指すことが意図され、ここでは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。これらの用語は、単一種、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのそれぞれの窒化物、ならびにそのようなＩＩＩ族金属種の二元および三元組成物を含むものと広義に解釈されることが意図される。故に、ＧａＮおよびＩｎＧａＮ材料を参照する以下の本発明の議論は、種々の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料種の形成にも適用可能であることを理解されるであろう。さらに、本発明の範囲の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料はさらに、少量のドーパントおよび／または他の不純物または含有材料を含み得る。
【００７０】
多くの（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ素子は、極性配向、すなわち、結晶のｃ−平面に沿って成長させられるが、これは、強圧電および自発分極の存在に起因して、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）をもたらす。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ素子内の分極効果を低下させるアプローチの１つは、結晶の非極性または半極性平面上に素子を成長させることである。
【００７１】
用語「非極性平面」は、ａ−平面として集合的に周知の｛１１−２０｝平面と、ｍ−平面として集合的に周知の｛１０−１０｝平面とを含む。そのような平面は、平面あたり等数のＩＩＩ族（例えば、ガリウム）および窒素原子を含有し、電荷中性である。後続の非極性層は、互に均等であり、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って分極されないであろう。
【００７２】
用語「半極性平面」は、ｃ−平面、ａ−平面、またはｍ−平面として分類されることができない、任意の平面を指すために使用することができる。結晶学的観点では、半極性平面は、少なくとも２つの非ゼロｈ、ｉ、またはｋミラー指数および非ゼロ１ミラー指数を有する、任意の平面となるであろう。後続の半極性層は、互に均等であり、したがって、結晶は、成長方向に沿って、分極を減少させるであろう。
【００７３】
平衡臨界厚は、層／基板界面におけるあるミスフィット転位を形成するためにエネルギー的に好ましい場合に対応する。
【００７４】
実験的、または動力学的臨界厚は、常時、平衡臨界厚を幾分または有意に上回る。しかしながら、臨界厚が、平衡または動力学的臨界厚であるかどうかにかかわらず、臨界厚は、層が、完全コヒーレントから部分的に緩和された状態に変形する厚さに対応する。
【００７５】
臨界厚の別の実施例は、Ｍａｔｔｈｅｗｓ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚ｈｃ［３］である。
【００７６】
（参考文献）
以下の参考文献は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
１．“Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｂｌｕｅ−Ｖｉｏｌｅｔ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  （２０−２−１）  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｄｒｏｏｐ  ａｔ  ２００  Ａ／ｃｍ２”，Ｙｕｊｉ  Ｚｈａｏ，Ｓｈｉｎｉｃｈｉ  Ｔａｎａｋａ，Ｃｈｉｈ−Ｃｈｉｅｎ  Ｐａｎ，Ｋｅｎｊｉ  Ｆｕｊｉｔｏ，Ｄａｎｉｅｌ  Ｆｅｅｚｅｌｌ，Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ４  （２０１１）  ０８２１０４．
２．“Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｓｔａｎｄ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ，”Ｃ．Ｃ．Ｐａｎ，Ｉ．Ｋｏｓｌｏｗ，Ｊ．Ｓｏｎｏｄａ，Ｈ．Ｏｈｔａ，Ｊ．Ｓ．Ｈａ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，およびＳ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４９（２０１０）０８０２１０．
３．Ｊ．Ｍａｔｔｈｅｗｓ  およびＡ．Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  ３２  ２６５（１９７６）．
（結論）
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。本記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成26年2月7日(2014.2.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本発明はさらに、発光素子を製造する方法を開示する。本方法は、ｎ−ＳＬＩＩＩ族窒化物層をＳｉ２Ｈ６流で成長させることを含むことができ、ＩＩＩ族窒化物層の各々は、シリコンでドープされる。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
光電子素子構造であって、少なくとも、半極性ＩＩＩ族窒化物基板上またはその上方に成長させられたＩＩＩ族窒化物発光素子構造を備え、
前記発光素子構造は、ｎ−型ＩＩＩ族窒化物超格子（ｎ−ＳＬ）を含み、
前記発光素子構造は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１５％以下の外部量子効率（ＥＱＥ）ドループを有する、
素子構造。
（項目２）
前記ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において１％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において、１０％未満である、項目１に記載の素子構造。
（項目３）
前記発光素子構造は、青色放出波長においてピーク放出を有する、項目１に記載の素子構造。
（項目４）
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、項目１に記載の素子構造。
（項目５）
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性（２０−２−１）窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、項目１に記載の素子構造。
（項目６）
前記ｎ−ＳＬは、１つ以上のインジウム（Ｉｎ）含有層およびガリウム（Ｇａ）含有層を備えている、項目１に記載の素子構造。
（項目７）
前記ｎ−ＳＬは、異なるＩＩＩ族窒化物組成を有する層を備え、前記層の各々は、シリコンでドープされている、項目１に記載の素子構造。
（項目８）
前記ｎ−ＳＬは、前記発光素子の活性領域の下方に位置している、項目１に記載の素子構造。
（項目９）
前記活性領域は、２つ以上の量子井戸（ＱＷ）を含む、項目８に記載の素子構造。
（項目１０）
前記活性領域は、ＩＩＩ族窒化物障壁を伴う１つ以上のインジウム含有ＩＩＩ族窒化物量子井戸（ＱＷ）を備え、前記量子井戸は、ＱＷ数、ＱＷ組成、およびＱＷ厚を有し、前記障壁は、障壁組成、障壁厚、および障壁ドーピングを有し、
前記ｎ−ＳＬは、周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および各々が層厚を有する層を備え、
前記ＱＷ数、前記ＱＷ組成、前記ＱＷ厚、前記障壁組成、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記ＳＬドーピング、前記ＳＬ組成、および前記層厚は、
前記ＬＥＤが、青色放出波長またはそれより長い波長においてピーク放出を有し、
前記素子が少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において駆動される場合、前記ドループが、１５％以下であるようなものである、項目８に記載の素子構造。
（項目１１）
前記ＧａＮ基板上またはその上方の第１のＩＩＩ族窒化物層または緩衝層をさらに備え、
前記ｎ−ＳＬは、前記第１の層または緩衝層上またはその上方にあり、
前記ｎ−ＳＬは、異なるＩＩＩ族窒化物組成を有する交互する第１および第２のＩＩＩ族窒化物層を備え、
前記第１および第２のＩＩＩ族窒化物層は、前記第１の層または緩衝層に格子整合されている歪み補償層を備え、
前記第１および第２のＩＩＩ族窒化物層は、緩和に対するそれらの臨界厚を下回る厚さを有し、
前記ｎ−ＳＬの周期数は、前記活性領域が、前記第１の層または緩衝層から、少なくとも５００ナノメートルだけ分離されるようなものであり、
前記活性領域は、ＧａＮ障壁を伴う少なくとも３つのＩｎＧａＮ量子井戸を備え、前記ＩｎＧａＮ量子井戸は、少なくとも３ナノメートルの厚さを有する、
項目８に記載の素子構造。
（項目１２）
前記活性領域上またはその上方に、ｐ−型ＩＩＩ族窒化物超格子（ｐ−ＳＬ）をさらに備えている、項目８に記載の素子構造。
（項目１３）
前記活性領域は、緑色波長またはそれより長い波長を有する光に対応するピーク波長を有する光を放出する、項目８に記載の素子構造。
（項目１４）
前記基板の半極性平面上またはその上方のｎ−型ＧａＮ層であって、前記基板は、粗面背面を有する半極性ＧａＮ基板であり、前記粗面背面は、前記発光素子から光を抽出し、前記ｎ−ＳＬは、前記ｎ−型ＧａＮ層上またはその上方において、交互するＩｎＧａＮおよびＧａＮ層を備えている、ｎ−型ＧａＮ層と、
前記ｎ−ＳＬ上またはその上方において、ＧａＮ障壁を伴うＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）を備えている活性領域と、
前記活性領域上またはその上方において、交互するＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層を備えているｐ−型超格子（ｐ−ＳＬ）と、
前記ｐ−ＳＬ上またはその上方のｐ−型ＧａＮ層と、
前記ｐ−型ＧａＮ層上またはその上方のｐ−型透明伝導性層と、
前記ｐ−型透明伝導性層上またはその上方のｐ−型パッドと、
前記ｎ−型ＧａＮ層へのｎ−型接点と、
前記半極性ＧａＮ基板の粗面背面に付着された酸化亜鉛（ＺｎＯ）サブマウントと、
前記ＺｎＯサブマウントの一端に付着されたヘッダと、
前記ＬＥＤを封入する封入材料であって、ＬＥＤである前記素子構造の活性面積は、０．１ｍｍ２以下である、封入材料と
をさらに備えている、項目８に記載の素子構造。
（項目１５）
光電子素子を製造する方法であって、
半極性ＩＩＩ族窒化物基板上またはその上方に、ＩＩＩ族窒化物発光素子構造を成長させることを含み
前記発光素子構造は、ｎ−型超格子（ｎ−ＳＬ）を含み、
前記発光素子構造は、少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において、１５％以下の外部量子効率（ＥＱＥ）ドループを有する、方法。
（項目１６）
前記発光素子は、少なくとも５０ミリワットである光出力を有し、
前記ドループは、少なくとも３５Ａ／ｃｍ２の電流密度において１％未満であり、少なくとも１００Ａ／ｃｍ２の電流密度において１０％未満であり、
前記発光素子構造は、青色放出波長においてピーク放出を有する、
項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、項目１５に記載の方法。
（項目１８）
前記半極性ＩＩＩ族窒化物基板は、半極性（２０−２−１）窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である、項目１５に記載の方法。
（項目１９）
前記ｎ−ＳＬは、ＩＩＩ族窒化物層を備え、前記方法は、Ｓｉ２Ｈ６流によって前記ｎ−ＳＬＩＩＩ族窒化物層を成長させることをさらに含み、前記ＩＩＩ族窒化物層の各々は、シリコンでドープされている、項目１５に記載の方法。
（項目２０）
前記ｎ−ＳＬは、前記発光素子の活性領域の下方に位置し、
前記活性領域は、障壁を伴う２つ以上のインジウム含有量子井戸（ＱＷ）を備え、前記量子井戸は、ＱＷ数、ＱＷ組成、およびＱＷ厚を有し、前記障壁は、障壁組成、障壁厚、および障壁ドーピングを有し、
前記ｎ−ＳＬは、周期数、ＳＬドーピング、ＳＬ組成、および各々が層厚を有する層を備え、
前記ＱＷ数、前記ＱＷ組成、前記ＱＷ厚、前記障壁組成、前記障壁厚、前記障壁ドーピング、前記周期数、前記ＳＬドーピング、前記ＳＬ組成、前記層厚は、
前記ＬＥＤが、青色放出波長またはそれより長い波長においてピーク放出を有し、
前記素子が少なくとも３５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）の電流密度において駆動される場合、前記ドループが、１５％以下であるようなものである、
項目１５に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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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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【国際調査報告】
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