(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２より大きい屈折率を有する基板と、
アルミニウムを含み、前記基板の上にある１つの核形成層と、
少なくとも１つの発光層を含み、前記核形成層の直ぐ上にある複数のIII族窒化物デバイス層と、
を備え、
前記核形成層が、２％から８％以下のアルミニウム組成及び６００オングストロームから２０００オングストロームまでの厚さを有することにより、前記デバイス層から該核形成層に入射する光の少なくとも９０％が前記基板内に取り出されるようになっている、
ことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記基板と、前記複数のIII族窒化物デバイス層との間の有効な格子不整合が、５％より小さいことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記複数のデバイス層の一つが、５ｎｍより小さいＲＭＳ粗さを有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記基板がＳｉＣであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記基板が、ウルツ鉱型結晶構造を有し、前記核形成層が、前記ウルツ鉱型結晶構造の{０００１｝方向に対し０°から５°までの間の配向を有する該基板のファセットの上にあることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記基板が、ウルツ鉱型結晶構造を有し、前記核形成層が、前記ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向に対し、約３０°から約５０°までの範囲、約８０°から約１００°までの範囲、及び約１３０°から約１５０°までの範囲からなる群から選択された角度だけ傾けられた配向を有する該基板のファセットの上にあることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記核形成層が、約２％から約８％までのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記核形成層が、約４％から約６％までのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記核形成層に、約３ｅ１８ｃｍ-3から約５ｅ１９ｃｍ-3までの濃度にＳｉがドープされたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
発光デバイスを形成する方法であって、
２より大きい屈折率を有する基板を設け、
前記基板の上にアルミニウムを含む１つの核形成層を形成し、
前記核形成層の直ぐ上に、活性領域を含む複数のIII族窒化物デバイス層を形成する、
ことを含み、
前記核形成層が、２％から８％以下のアルミニウム組成及び６００オングストロームから２０００オングストロームまでの厚さを有することにより、前記デバイス層から該核形成層に入射する光の９０％が前記基板内に取り出されるようになっている、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記核形成層を形成することが、有機金属化学気相成長法によって、約９００℃から約１２００℃までの温度でＡｌＧａＮ層を形成することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記核形成層を形成することが、有機金属化学気相成長法によって約１０８０℃から約１１６５℃までの温度でＡｌＧａＮ層を形成することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記核形成層と前記複数のデバイス層の一つが、同じ温度で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板がウルツ鉱型結晶構造を有し、
基板を設けることが、前記ウルツ鉱型結晶構造の{０００１｝方向に対し０°から５°までの間に傾けられた配向を有する前記基板の表面を準備することを含み、
核形成層を形成することが、前記基板の前記表面上に前記核形成層を形成することを含む、
ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板がウルツ鉱型結晶構造を有し、
基板を設けることが、前記ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向に対し、約３０°から約５０°までの範囲、約８０°から約１００°までの範囲、及び約１３０°から約１５０°までの範囲からなる群から選択された角度だけ傾けられた配向を有する該基板の表面を準備することを含み、
核形成層を形成することが、前記基板の前記表面上に前記核形成層を形成することを含む、
ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）は、現在のところ利用できる最も効率的な光源の一つである。可視スペクトルの全域にわたって作動可能な高輝度の製品において現在関心を呼んでいる材料系は、III−Ｖ族半導体、特に、III族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の２元、３元、及び４元合金を含む。一般に、ＬＥＤが役に立つ効率で機能するためには、該ＬＥＤにおいて、III族窒化物デバイス層がエピタキシアルでなければならない。III族窒化物デバイスは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、その他のエピタキシアル技術により成長される。上に結晶が成長されることになる基板が、エピタキシアル成長のメカニズム及び結晶の品質に大いに影響を与える。ＬＥＤにおいて使用するのに十分な品質を有するIII族窒化物結晶の層を成長させるためには、基板の結晶格子のパラメータが、エピタキシアル層の結晶格子のパラメータと同一であるか、又はこれに緊密に一致していなければならない。一般的には、III族窒化物ＬＥＤは、サファイア、ＳｉＣ、或いはＧａＮ基板上に成長される。サファイア及びＳｉＣの双方とも、サファイアにおいては１５％、及びＳｉＣにおいては３．５％だけ、ＧａＮとの間に不整合がある。III族窒化物のＬＥＤ構造は、サファイアの高温安定性及び相対的な製造のしやすから、サファイア基板上に成長されることが多い。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
半導体層と基板との間の界面において屈折率のばらつきが大きいため、サファイア基板を用いることが、取り出し効率の悪さにつながる可能性がある。屈折率の差によって、２つの材料の間の界面に光が入射する際に、どれだけの量の光が該界面で反射されるか、及び、どれだけの量の光が該界面を通り抜けるかが決まる。屈折率の差が大きくなるほど、多くの光が反射する。サファイアの屈折率（１．８）は、サファイア上に成長されるIII族窒化物デバイス層の屈折率（２．４）に比べると低い。従って、III族窒化物デバイス層において発生した光の大部分は、半導体層と基板との間の界面に達すると、反射される。反射された光は、取り出される前に、散乱してデバイスを多数回通過しなくてはならない。この多数回通過することで、接触、自由キャリア吸収、及びあらゆるIII族窒化物デバイス層内のバンド間吸収による光学的損失ために、著しい光の減衰がもたらされることになる。
【０００３】
ＳｉＣの屈折率（２．７）は、III族窒化物デバイス層の屈折率に、よりよく一致している。しかしながら、上述のように、サファイアとＳｉＣは、ＧａＮとの格子不整合を有する。この格子不整合の結果、基板とIII族窒化物デバイス層との間の格子整合及び熱膨張率整合のために最適化された緩衝層、すなわち核形成層が、典型的には、III族窒化物デバイス層の前に基板上に成長される。図1は、米国特許第５，３９３，９９３号において説明されている、ＳｉＣ基板上に用いられた緩衝層の例を示す。層２６、２２及び２３を含む３層の緩衝構造が、ＳｉＣ基板２５とエピタキシアルＧａＮ層２４との間に形成される。ＳｉＣ基板のすぐ近くにある層は、ＡｌＮである。約２．０の屈折率を有するこのＡｌＮ緩衝層は、ＳｉＣを用いることから得られる光取り出しに関する利点の大部分を減少させることになる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、発光デバイスが、アルミニウムを含有する核形成層を含む。
この核形成層の厚さとアルミニウム組成は、デバイス層から核形成層に入射する光の９０％又はそれ以上が基板内に取り出されるように選択される。幾つかの実施形態において、核形成層は、基板のｃ−面からミスカットされたウルツ鉱型基板の表面の上に形成される。幾つかの実施形態において、基板を、例えばｃ−面に対し０°から５°までの範囲だけ、わずかにミスカットするか、又は、例えばｃ−面から３０°から５０°までの範囲、８０°から１００°までの範囲、或いは１３０°から１５０°までの範囲だけ大きくミスカットする。幾つかの実施形態において、核形成層は、例えば９００℃から１２００℃までの高温で形成される。幾つかの実施形態において、核形成層に、約３ｅ１８ｃｍ-3から約５ｅ１９ｃｍ-3までの濃度にＳｉがドープされる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの実施形態によると、III族窒化物デバイス層の前に基板上に成長された核形成層が、基板への光取り出しと該核形成層の上に成長される層の表面形態の双方のために最適化される。図２は、本発明の実施形態による核形成層を組み入れるデバイスを示す。核形成層２１は、基板２０上に形成される。基板２０は、２より大きい屈折率を有する。適切な屈折率を有する基板の例は、約２．３の屈折率を有するＳｉＣ及びＺｎＯである。基板２０はまた、基板とウルツ鉱型ＧａＮ結晶層との間の格子不整合が５％より少なくなくなるように選択される。ＧａＮと適切に近い格子整合を有する基板の例が、ＳｉＣ及びＭｇＳｃＡｌ2Ｏ4である。全ての六方晶のポリタイプのＳｉＣが、本発明に用いるのに適している。さらに、立方晶のポリタイプのＳｉＣと立方晶のＧＡＮベースの層との間の格子整合もまた、適切に近似するものである。
【０００６】
一つ又はそれ以上のｎ型層２２が、核形成層２１の上に形成される。Ｎ型層２２は、例えば、無ドープのＧａＮ層、ｎ型コンタクト層、及びｎ型クラッドを含むことができる。一般に、Ｎ型層２２には、Ｓｉがドープされる。活性領域２３は、ｎ型層２２の上に形成される。一般に、活性領域２３は、障壁層で分離された一つ又はそれ以上の量子井戸を含む。一つ又はそれ以上のｐ型層２４が、活性領域２３の上に形成される。一般に、Ｐ型層には、Ｍｇがドープされる。
【０００７】
基板２０が絶縁であるか、又は低導電性の場合には、ｐコンタクト２６とｎコンタクト２５の双方がデバイスの同じ側に形成される。一般的には、ｐ型層２４と活性領域２３の一部分がエッチングにより除去されて、ｎコンタクト２５が上に付着されているｎ型層の一部分が露出するようになる。基板２０が導電性の場合には、ｎコンタクトを基板２０の下側に付着させることができる。しかしながら、導電性の基板上に製造されるデバイスはまた、ＬＥＤチップからの光取り出しを向上させ、該チップの電流容量を高め、或いはＬＥＤ色素の放熱を高めるように、エピタキシアル材料が上に成長される該デバイスの同じ側に両方のコンタクトを有するように設計することも可能である。
【０００８】
核形成層２１は、典型的にはＡｌＧａＮである。核形成層２１が、基板とデバイス層の屈折率に近い屈折率を有することによりデバイスの光取り出しを高め、かつ該核形成層２１の上に成長される層における好ましい表面特性をもたらすように、該核形成層２１の厚さ、Ａｌ組成、ドープ剤濃度、及び製造温度がそれぞれ選択される。デバイス層の表面の品質は、全体の光出力と量子効率に影響を与えることがある。従って、核形成層２１の上に成長される層に好ましい表面特性を与えることで、ＬＥＤ性能を向上させることができる。幾つかの実施形態において、核形成層２１に入射する光の少なくとも９０％が基板２０内に取り出され、かつ該核形成層の上に成長される層のＲＭＳ粗さが、１０ミクロン×１０ミクロンの走査面積において５ｎｍを超えないように、該核形成層２１の特性が選択される。
【０００９】
核形成層２１の上に成長される層に悪い表面形態をもたらすことによりＬＥＤ性能に好ましくない影響を与える可能性がある３次元の島状成長を回避するために、該核形成層２１は、最小限の量のＡｌを持つものでなければならない。しかしながら、Ａｌ組成が増加するにつれて、層の屈折率は減少する。図３は、III族窒化物デバイス層から発し、核形成層とIII族窒化物デバイス層との間の界面に入射する光の少なくとも９０％を取り出すように最適化されたＡｌＧａＮ核形成層のＡｌ組成と厚さを示す。図３における曲線は、９０％より大きい取り出しを有する層（該曲線より下の領域）と９０％より小さい取り出しを有する層（該曲線より上の領域）との間の境界を示す。核形成層におけるＡｌ組成は、通常は約２％から約６％までの間である。幾つかの実施形態において、Ａｌ組成は、約４％から約６％までの間である。核形成層２１が基板２０上に形成され始めるとき、Ａｌ原子が該基板の表面に「付着して」、該基板近くにより高いＡｌ組成を生じさせるが、通常は、核形成層２１は、名目上一定の組成を有する。例えば、１２００オングストロームの層のうち、最初の５０オングストロームは、残りの１１５０オングストロームよりも高いＡｌ組成を有することがある。
表１は、種々のＡｌxＧａ1-xＮ層の屈折率を示す。幾つかの実施形態において、核形成層２１は、約２．３より大きい屈折率を有する。
【００１０】
【表１】
表１
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【００１１】
図３に示すように、核形成層２１の適切な厚さは、Ａｌ組成に関係している。核形成層に入射する光の少なくとも９０％を取り出すために、高いＡｌ組成を有する核形成層は、例えば、２００オングストロームの厚さより小さくするなど、非常に薄くなければならない。Ａｌ組成が減少されると、許容可能な厚さが増すことになる。幾つかの実施形態において、核形成層２１の厚さは、約６００オングストロームから約２０００オングストロームまでとすることができ、通常は、約１０００オングストロームから約１２００オングストロームまでの間である。核形成層の厚さはまた、該核形成層の上に成長される層のＬＥＤ性能及び表面特性にも関係している。核形成層２１の厚さが減少するにつれて、該核形成層２１の上に成長される層に好ましい表面特性及び好ましいＬＥＤ性能を与える該核形成層２１の能力もまた減少する。従って、核形成層の上に成長される層のＬＥＤ性能及び表面特性は、該核形成層の厚さに下限を設け、Ａｌ組成に下限を設ける一方で、該核形成層の光学的特性は、Ａｌ組成に上限を設ける。
【００１２】
核形成層２１に、Ｓｉのようなｎ型のドープ剤、又はＭｇのようなｐ型のドープ剤をドープすることができる。核形成層２１のドープ剤濃度は、該核形成層２１の屈折率に大きな影響を与えないが、ドープ剤濃度が大きすぎると、該核形成層２１の結晶構造を歪ませることがあり、そのことは、該核形成層２１の上に成長される層の品質に悪影響を与える可能性がある。一般的に、核形成層２１には、３ｅ１８ｃｍ-3から５ｅ１９ｃｍ-3までの名目上一定の濃度にＳｉがドープされる。核形成層２１はまた、勾配付けされた濃度も有する。
【００１３】
核形成層２１が成長される温度が、該核形成層の上に成長されるデバイス層の表面形態に影響を与えることがある。核形成層２１は、例えば９００℃から１２００℃までのような高温で成長される。幾つかの実施形態において、核形成層２１は、１０８０℃から１１６５℃までの間で成長される。簡単に製造するために、核形成層２１の上に形成されるＧａＮ層と同じ温度で、該核形成層２１を成長させることができる。ＧａＮは、例えば、１０８０℃で成長させることができる。
表２は、ＳｉＣ基板上に形成される核形成層の３つの例を示す。
【００１４】
【表２】
表２
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【００１５】
各々の例に対して核形成層２１が形成された後、図２に示されるようなデバイス層が各々の核形成層の上に製造される。例１及び例２の双方は、表面形態が良いデバイス層を生成した。例３は、表面形態及びデバイス性能が悪いデバイス層を生成した。例１及び例２は、図３ではひし形で表される。例３は、図３ではＸで表される。
【００１６】
本発明の幾つかの実施形態において、核形成層は、通常は発光デバイスが成長される主結晶面からミスカットされた基板上に成長される。図４は、ウルツ鉱型結晶構造１０を示す。III族窒化物発光デバイスは、サファイア及びＳｉＣのようなウルツ鉱型結晶基板のｃ−面上に成長されることが多い。ｍ−面又はａ−面の方向にｃ−面からわずかにミスカットされた基板上にIII族窒化物を成長させることで、より効率的に光を発する発光デバイスが生成されることが研究されてきた。わずかにミスカットされた基板上におけるIII族窒化物デバイスの成長については、Ｋｈａｒｅ他の発明により、２００１年３月１日に出願された「III族窒化物発光デバイスの輝度の増加」という名称の米国特許出願番号第０９／７９７，７７０号において詳細に説明されており、引用によりここに組み入れる。本発明の幾つかの実施形態において、核形成層２１は、０°から約５°まで、通常は０°から約１°までｃ−面からミスカットされた基板上に成長される。
【００１７】
標準的なＧａＮベースの結晶層は、一般には、結晶中の原子の異なる電気的陰性度、及びウルツ鉱の非対称性質によってもたらされる大きな分極電界を有する。発光デバイスのデバイス層における分極電界は、該デバイスの層のエネルギー帯を望ましくない状態に傾けることがあり、そのことは、該デバイスの効率を減少させる可能性がある。一般に、デバイスの量子井戸層の分極電界が増加するにつれて、その効率は減少する。層内の分極電界には、少なくとも２つの構成要素、すなわち圧電界と自然発生的電界がある。
【００１８】
図４の円弧１１に沿ったファセット配向を有する結晶に生成される圧電界が、｛０００１｝方向とファセット配向との間の角度Θの関数として図５に示される。図５に示されるデータは、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎの歪量子井戸層に関するものである。圧電界は、｛０００１｝方向又は｛０００−１｝方向において極大点に達し、圧電界が０になる３つの配向を有する。同じ結果が、他の円弧、例えば円弧１２について得られる。つまり、圧電界は、｛０００１｝方向とそれに関係する面のファセット配向との間の角度差によって一義的に決定されるもので、すなわち、圧電界はΦとは独立している。
従って、圧電界がない幾つかの組の面があることが図５から明らかである。すなわち、例えばａ−面、｛２−１−１０｝、ｍ−面｛０−１１０｝のような、ｃ軸線に対して９０°にある面、例えば面｛２−１−１４｝、及び｛０１−１２｝のようなｃ軸線に対して約４０°及び１４０°にある面である。
【００１９】
圧電界の強さは、ＩｎＧａＮ歪量子井戸層における歪に依存すると共にＩｎＧａＮ歪量子井戸層の組成に依存する。しかしながら、圧電界が０になる｛０００１｝方向から計測された９０°のファセット配向は、Ｉｎに対するＧａ比に、必ずしも強くは依存していない。さらに、通常のＩｎＧａＮ量子井戸ＬＥＤにとって、上述の４０°及び１４０°の配向に対応する面の配向は、通常、図５に示される組成に対して求められた４０°及び１４０°の値から約５°を一切越えない範囲まで変化する。
分極電界のように、ウルツ鉱型結晶構造のIII族窒化物量子井戸層における自然発生的電界の強さもまた、該量子井戸層のファセット配向に依存しており、よって、自然発生的電界は、ファセット配向を制御することによって最小化することができる。自然発生的電界は、例えば、ほぼａ−面又はほぼｍ−面のファセット配向を有するIII族窒化物量子井戸層に対しては、０に近づく。こうしたファセット配向は、ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向に対して、例えば約８０°から約９０°までの角度だけ傾けられたものである。
【００２０】
自然発生的電界の強さはまた、量子井戸層の組成及びそれに隣接する層の組成に依存する。（例えば図５で考慮された）ＧａＮ層間のＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ量子井戸層の場合には、圧電界は通常、自然発生的電界よりはるかに大きい。そのため、この場合には、圧電界と自然発生的電界との結合は、圧電界によって支配されることになり、圧電界を最小化するファセット配向を選択することが好都合である。例えばアルミニウムを含む材料のような他のIII族窒化物組成から形成された量子井戸層又はそれに隣接する層にとって、自然発生的電界は圧電界と同程度にすることが可能であり、或いは圧電界を支配することさえできる。自然発生的電界が圧電界を支配する場合には、自然発生的電界を最小化するファセット配向を選択することが好都合である。圧電界と自然発生的電界とが同程度である場合には、両方が結合された電界を極小化するファセット配向を選択することは好都合であるが、自然発生的電界か圧電界のいずれかを別々に最小化することは必要ではない。
【００２１】
従って、本発明の幾つかの実施形態において、核形成層は、分極電界を減少させるように選択された基板上に成長される。一般に、これらの基板はｃ−面から約４０°、９０°、或いは１４０°だけミスカットされる。大きくミスカットされた基板を用いる実施形態において、核形成層２１は、該層２１の結晶構造が、上に該層２１が成長される基板２０の表面の結晶構造を実質的に複製するのに十分高い温度で成長されなければならない。デバイスの分極電界を減少させるためにｃ−面から約４０°、９０°、及び１４０°だけミスカットされた基板上に成長される発光デバイスの製造については、Ｋｒａｍｅｓ他の発明により、本出願と同日に出願された、「分極電界が減少された窒化物半導体デバイス」という名称の米国特許出願番号第［代理人整理番号第Ｍ−１１０４０−３Ｐ  ＵＳ］において詳細に説明されており、引用によりここに組み入れる。
【００２２】
本発明の様々な修正は、当業者にとって前述した記載及び添付図面から明らかである。従って、本発明は、唯一、特許請求項の範囲によって限定されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳｉＣ基板上に形成されるIII族窒化物デバイスで用いるための従来技術の緩衝構造を示す。
【図２】本発明による核形成層を組み入れるＬＥＤを示す。
【図３】所定の核形成層の厚さ及び組成を有するデバイスの相対的な光取り出し効率を示す。
【図４】ウルツ鉱型ＧａＮベース半導体の結晶構造を示す。
【図５】ウルツ鉱型ＧａＮベース半導体に対する成長配向の関数として量子井戸で生成される圧電界のグラフである。
【符号の説明】
２０  基板
２１  核形成層
２２  ｎ型層
２３  活性領域
２４  ｐ型層
２５  ｎコンタクト
２６  ｐコンタクト
【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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