(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
n型領域とp型領域の間に配置されたIII−窒化物発光層と、
アクセプタがドープされたIII−窒化物層と、
を有する装置であって、
前記n型領域は、前記アクセプタがドープされたIII−窒化物層と、前記発光層との間に配置され、
前記III−窒化物層内の前記アクセプタの濃度は、前記n型領域に向かってステップ状にまたは連続的に上昇し、
前記アクセプタの濃度は、前記発光層から遠い前記アクセプタがドープされた前記III−窒化物層の位置よりも、前記発光層に近い前記アクセプタがドープされた前記III−窒化物層の位置で、より高くなる、装置。
【請求項２】
さらに、ナノパイプ欠陥を有する層を有し、
前記アクセプタがドープされたIII−窒化物層は、前記ナノパイプ欠陥を有する層と、前記発光層の間に配置され、
前記ナノパイプ欠陥は、前記アクセプタがドープされたIII−窒化物層で終結する、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記アクセプタがドープされたIII−窒化物層は、前記n型領域と電気的に接続される、請求項1に記載の装置。
【請求項４】
前記アクセプタがドープされたIII−窒化物層は、第1のマグネシウムドープ層であり、
当該装置は、さらに、第2のマグネシウムドープ層を有し、該第2のマグネシウムドープ層は、前記第1のマグネシウムドープ層と前記発光層との間に配置される、請求項1に記載の装置。
【請求項５】
前記第1のマグネシウムドープ層は、前記第2のマグネシウムドープ層よりも少ないマグネシウム濃度でドープされる、請求項4に記載の装置。
【請求項６】
さらに、前記アクセプタがドープされたIII−窒化物層と前記III−窒化物発光層の間に配置された、アルミニウムを含む層を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項７】
n型領域とp型領域の間に配置されたIII−窒化物発光層と、
ナノパイプ欠陥を有するIII−窒化物層と、
前記III−窒化物発光層と前記ナノパイプ欠陥を有するIII−窒化物層との間に配置されたナノパイプ終端層と、
を有する装置であって、
前記ナノパイプ欠陥は、前記ナノパイプ終端層で終結し、
前記ナノパイプ終端層は、超格子を有し、
前記超格子は、複数の第1の層および第2の層を交互に有する、装置。
【請求項８】
前記ナノパイプ終端層は、アルミニウムを有する、請求項7に記載の装置。
【請求項９】
前記ナノパイプ終端層は、マグネシウムを有する、請求項8に記載の装置。
【請求項１０】
前記第1の層は、GaNであり、前記第2の層は、AlxGa1-xNであり、ここで0＜x≦1である、請求項7に記載の装置。
【請求項１１】
前記第1の層は、AlbGa1-bNであり、前記第2の層は、AlcGa1-cNであり、ここでb≠cである、請求項7に記載の装置。
【請求項１２】
前記III−窒化物発光層は、前記ナノパイプ終端層から少なくとも1ミクロン離間される、請求項7に記載の装置。
【請求項１３】
前記ナノパイプ終端層は、前記n型層に電気的に接続される、請求項7に記載の装置。
【請求項１４】
前記ナノパイプ終端層は、静電放電保護回路の一部を有する、請求項7に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、III−窒化物構造でナノパイプ欠陥を低減し、または除去することに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（LED）、共振空洞発光ダイオード（RCLED）、垂直空洞レーザダイオード（VCSEL）、およびエッジ放射レーザを含む半導体発光装置は、現在利用できる最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって作動可能な、現在の高輝度発光装置の製造に興味深い材料系は、III−V族半導体、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、および窒素の二元系、三元系、四元系の合金を含み、これらは、III−窒化物材料とも称される。通常、III−窒化物発光装置は、サファイア、炭化ケイ素、III−窒化物、または他の適当な基板上での、金属有機化学気相成膜法（MOCVD）、分子ビームエピタキシー法（MBE）、または他のエピタキシャル技術による、組成およびドーパント濃度が異なる半導体層のスタックのエピタキシャル成長法により製作される。スタックは、しばしば、1または2以上のn型の層を有し、これは、例えば、Siでドープされ、基板の上に形成される。スタックは、さらに、n型層の上に形成された活性領域における1または2以上の発光層と、例えばMgでドープされ、活性領域の上に形成された1または2以上のp型層と、を有する。n型およびp型の領域上には、電気的コンタクトが形成される。
【０００３】
III−窒化物装置は、しばしば、サファイア、Si、SiCの基板の上に成長する。基板材料とIII−窒化物半導体材料の間の格子定数および熱膨張係数の差異により、成長の間、半導体内に欠陥が形成され、これは、III−窒化物装置の効率を制限する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、III−窒化物構造において、ナノパイプの欠陥を低減し、または除去することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施例は、
n型領域とp型領域の間に配置されたIII−窒化物発光層と、
ナノパイプ欠陥を有するIII−窒化物層と、
前記III−窒化物発光層と前記ナノパイプ欠陥を有するIII−窒化物層との間に配置されたナノパイプ終端層と、
を含む。前記ナノパイプは、前記ナノパイプ終端層で終結する。
【０００６】
本発明の実施例は、
n型領域とp型領域の間に配置されたIII−窒化物発光層と、
アクセプタがドープされ得るIII−窒化物層と、
を含む。前記n型領域は、前記アクセプタがドープされたIII−窒化物層と、前記発光層との間に配置される。前記アクセプタは、例えば、マグネシウムであっても良い。
【０００７】
本発明の実施例による方法は、
成長基板の上部でIII−窒化物層を成長させるステップであって、前記III−窒化物層は、ナノパイプ欠陥を有するステップと、
前記III−窒化物層の上部でナノパイプ終端層を成長させるステップと、
前記ナノパイプ終端層の上部で、III−窒化物発光層を成長させるステップと、
を有する。前記ナノパイプは、前記ナノパイプ終端層で終結する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】基板上に成長したIII−窒化物核発生層を示した図である。
【図２】図1に示した構造の上部に成長した高温層と活性領域におけるナノパイプの形成を示した図である。
【図３】ナノパイプ終端構造を含むIII−窒化物構造を示した図である。
【図４】複数のアクセプタドープ層を含むナノパイプ終端構造を示した図である。
【図５】アクセプタドープ層および追加層を含むナノパイプ終端構造を示した図である。
【図６】超格子ナノパイプ終端構造を示した図である。
【図７】フリップチップ装置に形成された図3の構造を示した図である。
【図８】静電放電保護回路に導入されたナノパイプ終端構造を示した図である。
【図９】図8に示した構造の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図1および図2には、本願においてナノパイプと称する欠陥種の形成を示す。ナノパイプは、その大きなサイズのため、特に問題のある欠陥となる。寸法は、しばしば、数μmの長さ、および数十または数百オングストロームの直径に至る。例えば、III−窒化物材料において、ナノパイプは、ある実施例では少なくとも10Åの幅であり、ある実施例では500Å以下の幅である。SiCのようなある材料において、ナノパイプは、1μm以上の幅を有し得る。ナノパイプは、酸素、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、およびインジウムのようなGaN膜内の不純物によって生じ得る。またナノパイプは、基板表面における傷のような不純物もしくは欠陥に関連し、あるいはナノパイプは、基板自身に存在し、基板から、該基板上に成長したIII−窒化物材料まで連続する。ナノパイプは、しばしば、〜106cm-2の密度でIII−窒化物装置に形成され、これは、通常のIII−窒化物装置における転位密度よりもずっと小さい。この転位密度は、〜107cm-2から〜1010cm-2まで変化する。
【００１０】
図1において、低温核発生層12は、しばしばGaNまたはAlNであり、これは、基板10上に成膜される。基板は、例えば、サファイア、SiC、Si、複合材基板、または別の好適な基板である。核発生層12は、しばしば、多結晶またはアモルファス層であり、例えば800℃未満の温度で成膜される。その後、核発生層12は、しばしば、成膜温度よりも高い温度でアニールされる。核発生層12がアニールされると、核発生層は、基板上に核発生層の小さな分離島14を形成する。
【００１１】
図2において、高温III−窒化物層16は、しばしばGaNであり、これは、核発生層12上に成長し、装置内の細長い転移の密度を下げ、平滑で均一な表面を形成する。この上には、活性領域および他の装置層が成長する。高温層16は、最初、島14上に核発生し、個々の島18A、18B、18C、および18Dとなり、これは、最終的に合体して、平滑で均一な膜に変化する。島同士の間の大部分の境界は、合体して平滑な均一膜を形成するが、これらの境界、例えば島18Aと18Bの間の境界もしくは島18Cと島18Dの間の境界は、1または2以上の転移を有し、このため、細長い転移の密度は、〜107cm-2から〜1010cm-2に達する。ほとんどの島は合体するものの、いくつかの島の間には隙間が残り、これらの隙間は、通常ナノパイプと称される、細長い狭小欠陥を形成する。図2には、島18Bと島18Cの間のそのようなナノパイプ20の一つが示されている。LEDのようなIII−窒化物装置では、発光または活性領域22は、高温層16の上部に成長する。ナノパイプ20は、活性領域22の近傍または内部に伝播し、損傷領域24を形成する。活性領域内のこれらの損傷領域により、LED特性および信頼性が低下する。このため、これは好ましくない。
【００１２】
本発明の実施例では、ナノパイプが後に成長する層に伝播することを防ぐ構造、または「ナノパイプ終端構造」もしくはNTSと称される、ナノパイプのサイズを低減する構造が、活性領域の前に成長する。図3には、NTSを含むIII−窒化物構造が示されている。図1、図2に示したように、図3において、しばしば未ドープまたはn型のGaN層である高温層16は、基板上の核発生層（図示されていない）の上部に成長する。高温層は、1または2以上のナノパイプ20を有しても良い。ナノパイプ20を有する高温層16の上部には、NTS26が成長する。NTS26の少なくとも一部は、初期にはドープされておらず、あるいはマグネシウムのようなアクセプタでドープされ、またはSiのようなドナーでドープされる。
【００１３】
NTS26の上にはn型領域28が成長し、その上に、活性領域30およびp型領域32が続く。適当な発光領域30の一例には、単一の厚いもしくは薄い発光層、または複数の量子井戸発光領域が含まれ、後者は、バリア層で分離された、複数の薄いもしくは厚い発光層を有する。可視光を放射する装置の活性領域30における発光層は、通常、InGaNである。UV光を放射する装置における活性領域30の発光層は、GaNまたはAlGaNであっても良い。n型領域28およびp型領域32の各々は、組成、厚さ、およびドーパント濃度が異なる複数の層を有し、これは、意図的にドープされていない層、または反対の導電性タイプの層を有する。ある例では、n型領域28は、Siドープされた少なくとも一つのn型のGaN層を含み、活性領域30は、GaNバリア層により分離されたInGaN量子井戸層を含み、p型領域32は、Mgでドープされた少なくとも一つのp型GaNもしくはAlGaN層を含む。
【００１４】
ある実施例では、NTS26は、低温GaN層である。例えば、低温GaNのNTSは、高温GaN層16の成長温度よりも約100乃至200℃低い温度で成長しても良い。この低温GaNのNTSは、ある位実施例では少なくとも10nmの厚さであり、ある実施例では40nm以下の厚さであり、ある実施例では、25nmの厚さであり、ある実施例では少なくとも100nmの厚さであり、ある実施例では、1ミクロン以下の厚さであり、ある実施例では0.5ミクロンの厚さである。低温GaN層は、実質的に単結晶の層であり、ドープされてもされなくても良い。
【００１５】
ある実施例では、NTS26は、AlN、AlGaN、AlBGaN、またはAlInGaNのような、アルミニウムを含むIII−窒化物層である。AlxGa1-xNのNTS中の組成xは、ある実施例では少なくとも0.1であり、ある実施例では0.5以下であり、ある実施例では少なくとも0.2であり、ある実施例では0.3以下である。ある例では、AlxGa1-xNのNTS層は、ｘ＝0.25で150Åの厚さである。組成および厚さの上限は、GaN上のAlGaNの成長のクラック閾値により定められ、従って、NTS26が十分に薄く、クラックが回避される場合、AlNが使用され得る。その結果、最大許容厚さは、Al濃度の上昇とともに減少する。アルミニウム含有NTSの厚さは、ある実施例では少なくとも50Åであり、ある実施例では0.5μm以下であり、ある実施例では少なくとも100Åであり、ある実施例では500Å以下である。アルミニウム含有NTSは、マグネシウムのようなアクセプタでドープされてもされなくても良い。ある実施例では、アルミニウム含有層は、少なくともある最小厚さを有し、これは、Siでドープされておらず、またはドープされたn型ではない。例えば、この最小厚さは、ある実施例では少なくとも2nmであり、ある実施例では少なくとも5nmである。
【００１６】
ある実施例では、NTS26は、アクセプタ欠陥でドープされたIII−窒化物層である。マグネシウムは、好適なアクセプタであるが、他のアクセプタ欠陥も使用できる。これらのアクセプタ欠陥用の他の可能性のある候補には、炭素、ベリリウム、または自然由来の欠陥が含まれる。マグネシウムドープNTS26は、例えば、GaN、InGaN、AlGaNまたはAlInGaNを含む、いかなる適当なIII−窒化物材料であっても良い。ある実施例では、マグネシウムドープNTS26は、核発生層12のアニール直後に成長し、しばしば未ドープの高温層16が省略されても良い。マグネシウム濃度は、ある実施例では1×1017cm-3から1×1020cm-3の範囲であり、ある実施例では1×1017cm-3から1×1019cm-3の範囲である。この層内のマグネシウムドーパントは、必ずしも成長後に活性化される必要はない。
【００１７】
ある実施例では、マグネシウムドープNTS26中のマグネシウムの濃度は、傾斜されても良い。本願において使用される「傾斜」と言う用語は、装置の層内のドーパント濃度を表すときは、組成において、単一のステップ以外のいかなる態様での、ドーパント濃度の変化が得られる、いかなる構造をも網羅する。各傾斜層は、サブレイヤのスタックであっても良く、各サブレイヤは、隣接するサブレイヤとは異なるドーパント濃度を有する。サブレイヤが視認可能な厚さの場合、傾斜層は、ステップ状傾斜層である。ある実施例では、ステップ状傾斜層におけるサブレイヤは、数十Åから数百Åの範囲の厚さを有する。個々のサブレイヤの厚さがゼロに近づくと、傾斜層は、連続傾斜領域となる。各傾斜層を形成するサブレイヤは、厚さに対するドーパント濃度の各種プロファイルを形成するように配置され、これに限られるものではないが、これには、直線傾斜、放物線傾斜、および指数関数的傾斜が含まれる。また、傾斜層または傾斜領域は、単一の傾斜プロファイルに限定されるものではなく、これは、異なる傾斜プロファイルの部分、ならびに実質的に一定のドーパント濃度の1または2以上の部分を含んでも良い。例えば、傾斜マグネシウムドープNTS26において、マグネシウム濃度は、NTS26の成長とともに、直線的に増加し、マグネシウム濃度は、活性領域に近いNTS26の部分で、活性領域から遠いNTS26の部分よりも高くなっても良い。
【００１８】
ある実施例では、NTS26は、複数の層を含む。図4、図5、図6には、複数の層を有するナノパイプ終端構造を示す。
【００１９】
図4には、マグネシウムまたは他の好適なアクセプタでドープされた複数の層を有するNTS26を示す。各層40、42、44は、異なるドーパント濃度を有しても良い。例えば、層40は、ゼロ（Mgドープなし）から2×1018cm-3の間のマグネシウム濃度を有し、層42は、ある実施例では1×1017cm-3から1×1020cm-3の間のマグネシウム濃度を有し、ある実施例では2×1017cm-3から5×1019cm-3の間のマグネシウム濃度を有し、層44は、ゼロ（Mgドープなし）から1×1019cm-3の間のマグネシウム濃度を有しても良い。ある実施例では、NTS26において活性領域30に最近接の層は、最大のドーパント濃度を有しても良い。ある実施例では、NTS26において成長基板10に最近接の層は、最小のドーパント濃度を有しても良い。図4には、3つの層が示されているが、複数のアクセプタドープ層を有するNTSは、3層よりも多くの層または少ない層を有しても良い。必ずしも必要ではないが、層40、42、44は、同じ組成を有しても良い。例えば、層40、42、44は、GaN、InGaN、AlGaN、AlN、またはAlInGaNであっても良い。
【００２０】
図5において、NTS26は、少なくとも2つの層46、48を有する。層46は、高温、ナノパイプ含有層16上に成長する。層46は、マグネシウムまたは他のアクセプタでドープされても良い。層46は、しばしばGaNであるが、これは、InGaN、AlGaN、またはAlInGaNであっても良い。層48は、層46の上部に成長する。層48は、アルミニウムおよび／またはインジウムを有しても良い。例えば、層48は、AlGaN、InGaN、またはAlInGaNであっても良い。あるいは、層48は、高温層16の温度よりも100乃至200℃低い温度で成長したGaN層であっても良い。低温GaN層は、ドープされてもされなくても良い。活性領域30は、層48の上に成長する。活性層30は、層48と直接接して成長しても良く、あるいは、例えば図3に示したようなn型領域28により、層48から離間されても良い。
【００２１】
図6では、NTS26は超格子である。超格子は、ドープされてもされなくても良い。超格子は、層50と52の複数の組を有する。層50および層52は、交互に配置される。3つの層組が示されているが、より多くのまたはより少ない層組を使用しても良い。活性領域30は、超格子の上部に成長する。活性領域30は、超格子と直接接触して成長しても良く、あるいは、例えば図3に示したようなn型領域28により、超格子から離間されても良い。超格子は、高温層16と直接接する層50から始まり、活性領域30の下側に配置された層52で終わるように示されているが、超格子は、層50もしくは52のいずれで開始または完了しても良く、超格子は、不完全な層組を含んでも良い。ある実施例では、層50はGaNであり、層52はAlaGa1-aNであり、アルミニウム組成は、0.05から1である。ある実施例では、層50はGaNであり、層52はAlNである。ある実施例では、層50はAlbGa1-bNであり、層52はAlcGa1-cNである。ここで、ある実施例ではb≠cであり、ある実施例ではb＞cであり、ある実施例ではb＜cである。ある実施例では、層50、52は、b＝0.05
、c＝1の組成を有しても良い。歪み補償層組を使用しても良い。この場合、層50および52の一方は、例えばInGaNもしくは別のインジウム含有層の使用により、圧縮歪みを受け、層50および52の他方は、例えばAlGaN、AlN、またはAlInGaNの使用により、引張応力を受ける。各層50、52は、ある実施例では、例えば少なくとも1nmの厚さであり、ある実施例では50nm未満の厚さである。超格子の総厚は、ある実施例では少なくとも10nmであり、ある実施例では100nm以下である。
【００２２】
ある実施例では、NTS26は、活性領域30から離間される。例えば、前述のいかなるNTSであっても良いNTS26は、n型領域28により、活性領域30から離間される。NTS26は、ある実施例では活性領域30から少なくとも500nmだけ離間されても良く、ある実施例では活性領域30から少なくとも1μmだけ離間されても良く、ある実施例では活性領域30から5μm以下で離間されても良い。NTS26は、装置の活性領域の前に成長し、NTS26は、上部に活性領域30が成長するテンプレートに含まれても良い。成長後に配向が維持され、NTSは活性領域の下方に配置されても良く、あるいは装置は反転され、NTSは活性領域の上に配置されても良い。
【００２３】
ある実施例では、活性領域は、n型領域とp型領域の間に配置される。活性領域を順方向にバイアス化するため、n型とp型の領域には、金属コンタクトが形成される。ある実施例では、NTS上に金属コンタクトは形成されず、NTSは、装置内で意図的に電気的に活性にされなくても良い。これは、NTSが、コンタクトから半導体構造を通過するホールおよび電子の直接経路にはないことを意味する。ある実施例では、一部の電流が、非意図的に、NTS内にまたはNTSを介して流れても良い。
【００２４】
図3、図4、図5、図6に示した半導体構造は、いかなる適当な装置に形成されても良い。図7には、好適な装置、フリップチップの一例を示す。半導体構造70は、1または2以上の核発生層12と、高温層16と、NTS26と、n型領域28と、活性領域30と、p型領域32とを有し、前述のこれらの構造またはこれらの構造の特徴のいかなる組み合わせを有しても良い。p型領域には、金属pコンタクト60が形成される。光の大部分が、半導体構造から、pコンタクトの反対の表面を介して誘導される場合、pコンタクト60は、反射性であっても良い。フリップチップ装置は、標準的なフォトリソグラフィー操作による半導体構造のパターン化、および半導体構造のエッチングにより形成され、p型領域の総厚の一部、および発光領域の総厚の一部が除去され、n型領域の表面を露出させるメサが形成され、このn型領域の上に、金属nコンタクト62が形成される。pおよびnコンタクトは、ギャップ64により、相互に電気的に絶縁され、このギャップには、誘電体材料が充填される。メサならびにpおよびnコンタクトは、いかなる好適な方法で形成されても良い。メサならびにpおよびnコンタクトの形成方法は、当業者には良く知られている。基板10は、除去されまたは薄肉化され、あるいは図7に示すように、装置の一部として残される。基板10が除去されると、核発生層12、高温層16、NTS26のいずれかまたは全てが除去され、あるいは薄肉化される。
【００２５】
ある実施例では、金属コンタクトは、NTSと高温領域の双方の上に形成され、NTSは、静電放電保護回路のような、二次電子保護回路の一部を形成する。図8には、静電放電保護回路の一部を形成するNTSを有する装置の断面を示す。図9は、図8に示した構造の回路図である。図8、9の装置において、NTS26は、n型領域28と電気的に接続され、p型領域32は、高温層16と電気的に接続され、NTS26と高温層16は、活性領域30を取り囲むn型およびp型領域28、32により形成されたダイオードに逆並列接続された、静電放電（ESD）保護ダイオードを形成する。図8に示すように、第1および第2のコンタクト64および66は、それぞれ、NTS26および高温層16の上に形成される。上部にコンタクト62が形成されるn型領域を露出させるメサを含む、複数のメサがエッチングされ、NTS26が露出され、この上にコンタクト64が形成されるとともに、高温層16が露出され、この上にコンタクト66が形成される。コンタクト62と64の間の電気的接続80、ならびにコンタクト60と66の間の電気的接続82は、適当な誘電絶縁層を有するチップ上に形成された金属層であっても良く、または外部回路を介したマウントに形成されても良い。
【００２６】
図8、図9におけるLEDは、n型領域28と、活性領域30と、p型領域32とを有する。LEDは、それぞれ、p型領域32およびn型領域28と電気的に接続された金属コンタクト60および62への電流印加により、順方向バイアス化される。ESD保護ダイオードは、高温層16とNTS26とを有し、これらは、それぞれ、金属コンタクト66および64に接続される。
【００２７】
図9は、図8に示した装置の回路図である。図9には、LED90および静電放電保護ダイオード88が示されている。矢印84は、通常のLED作動の間の電流の流れを示す。矢印86は、静電放電事象の間の電流の流れを示す。
【００２８】
以下の例では、半導体発光装置は、青色光またはUV光を放射するIII−窒化物LEDであるが、他に、レーザダイオードのような、LED以外の半導体発光装置も、本発明の範囲に属する。
【００２９】
本発明についての詳細な説明により、本発明の概念の思想から逸脱しないで、本発明の変更が可能であることは、当業者には明らかである。従って、本発明の範囲は、示された特定の実施例に限定されることを意図しない。
【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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【図９】
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