(57)【要約】０＜ｘ＜１かつ０≦ｙ＜１である、ＩｎｘＧａ１−ｘＮおよびＩｎｙＧａ１−ｙＮの交互層の少なくとも２つの周期を有する窒化物中間層と、窒化物中間層上に少なくとも１つの量子井戸構造を有する窒化物に基づく活性領域とを備える、パターン化した基板上の窒化物発光ダイオードである。本発明は、発光効率を改善することによって、窒化物に基づく素子構造の電子効率特性の改善をもたらし、その結果、窒化物半導体素子の応用を種々の商品に展開することができる。また、本発明は、パターン化した基板上に成長させた多重量子井戸構造の活性層性質を改善することによって、光出力特性を大幅に増強する。この改善は、ＬＥＤ素子の光取り出しの改善が示された、パターン化した基板の使用の拡大をもたらし得る。
2010539731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン化した基板上の窒化物発光ダイオードであって、
ｎ型層およびｐ型層と、
該ｎ型層と該ｐ型層との間にあり、異なるインジウム（Ｉｎ）組成を有するＩｎ含有層の少なくとも２つの周期の交互層を有する、窒化物中間層と、
少なくとも１つの量子井戸構造を含む、該窒化物中間層の上またはそれより上側に、かつ該ｎ型層と該ｐ型層との間に形成される、窒化物に基づく活性領域と
を備える、窒化物発光ダイオード。
【請求項２】
前記２つの周期の交互層は、少なくとも２つの第二の窒化物層と交互配置される、少なくとも２つの第一の窒化物層を備える、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項３】
前記第一の層はインジウムを含有し、前記第二の層は実質的に全くインジウムを含有しない、請求項２に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項４】
前記２つの周期の交互層は、窒化物の臨界弾性厚さよりも小さい厚さを有し、それにより、前記窒化物中間層は、該交互層が該臨界厚さよりも大きい厚さで成長させられた構造と比較して、前記活性領域の結晶品質を改善するための緩衝層の役割を果たす、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項５】
前記交互層は、第一の層と第二の層とを備え、第一の層の厚さは、該交互層の屈折率を変動させるために、該第一の層から前記活性層までの距離が減少するにつれて増加または減少する、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項６】
前記交互層は、第一の層と第二の層とを備え、第一の層のインジウム組成は、該交互層の屈折率を変動させるために、該第一の層から前記活性層までの距離が減少するにつれて増加または減少する、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項７】
前記交互層は、少なくとも２つの第一の層と、少なくとも２つの第二の層とを備え、該第一の層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、該第二の層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ、０＜ｘ＜１かつ０≦ｙ＜１である、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項８】
前記少なくとも１つの量子井戸のバンドギャップは、前記窒化物中間層のバンドギャップ未満である、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項９】
前記窒化物発光ダイオードの前記ｐ型窒化物層の最上部に形成される、少なくとも１つの透明導電酸化物（ＴＣＯ）層と、該ｐ型窒化物層と該ＴＣＯ層との間に、またはそれらに隣接して配置される、トンネル接合層とをさらに備える、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項１０】
前記透明導電酸化物層は、前記ｐ型窒化物層に対するｐ型接触として使用される、請求項９に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項１１】
前記パターン化した基板は、ｃ面、ｒ面、またはａ面によって表される、その主表面を有する、パターン化したサファイア基板である、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項１２】
前記パターン化した基板は、尖晶石（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のパターン化したサファイア絶縁基板、または、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、または３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、またはＧａＮでできているパターン化した半導体基板である、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項１３】
前記パターン化した基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の半極性または無極性の表面から成る、請求項１に記載の窒化物発光ダイオード。
【請求項１４】
パターン化した基板上に窒化物発光ダイオードを製造する方法であって、
ｎ型層とｐ型層との間に窒化物中間層を形成することであって、該窒化物中間層は、異なるインジウム（Ｉｎ）組成を有するＩｎ含有層の少なくとも２つの周期の交互層を有する、ことと、
該窒化物中間層の上またはそれより上側で、かつ該ｎ型層と該ｐ型層との間に、窒化物に基づく活性領域を形成することであって、該窒化物に基づく活性層は、少なくとも１つの量子井戸構造を含む、ことと
を含む、方法。
【請求項１５】
パターン化した基板上の窒化物発光ダイオードから発光する方法であって、
ｎ型層とｐ型層との間に窒化物中間層を形成することであって、該窒化物中間層は、異なるインジウム（Ｉｎ）組成を有するＩｎ含有層の少なくとも２つの周期の交互層を有する、ことと、
該窒化物中間層の上またはそれより上側で、かつ該ｎ型層と該ｐ型層との間で、窒化物に基づく活性領域から発光することであって、該窒化物に基づく活性層は、少なくとも１つの量子井戸構造を含む、ことと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、同時係属であって同一人に譲渡された米国仮特許出願第６０／９７３，６７１号（２００７年９月１９日出願、名称「（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ  ＤＥＶＩＣＥ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＯＮ  Ａ  ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」、発明者（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｉｚａ、Ｈｉｔｏｓｈｉ  Ｓａｔｏ、Ｅｕ  Ｊｉｎ  Ｈｗａｎｇ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ）、代理人整理番号３０７９４．２４３−ＵＳ−Ｐ１（２００７−７７３−１））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の優先権の利益を主張し、この出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
本願は、次の同時係属であって同一人に譲渡された米国特許出願に関連している：
米国実用特許出願第１２／１０２，６１２号（２００８年４月１４日出願、名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ」、発明者（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｉｚａ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ）、代理人整理番号３０７９４．２１９−ＵＳ−Ｕ１（２００７−３３８））であって、この出願は、米国仮特許出願第６０／９１１，３２３号（２００７年４月１２日出願、名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ」、発明者（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｉｚａ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ  ａｎｄ  Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ）、代理人整理番号３０７９４．２１９−ＵＳ−Ｐ１（２００７−３３８））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の優先権の利益を主張し、この出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００３】
（発明の分野）
（１．技術分野）
本発明は、パターン化した基板上の窒化物に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）構造等の、強化された性能を有する、パターン化した基板上の窒化物に基づく素子に関する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の説明）
（注：本出願は、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］によって多数の異なる出版物を参照する。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出版物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの出版物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる。）
窒化ガリウム（ＧａＮ）、およびアルミニウムおよびインジウムを組み込んだその三元および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性が、可視および紫外光電子素子および高出力の電子素子の製造について実証されてきた。これらの素子は、一般的に、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、および水酸化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）を含む成長手法を使用して、エピタキシャルに成長させる。
【０００５】
窒化物に基づく光電子素子は、高品質のＧａＮを堆積させる前の薄い核形成層の用法の出現によって、急速に商業化へと進み始めた。この手法は、ＧａＮ成長に利用できる天然基板の不足に起因して用いられている。マグネシウムドーピングに続く高温焼鈍によるｐ型ＧａＮの開発等の、その後の手法も不可欠であることが判明した。しかしながら、短波長素子のための活性層としてのＩｎＧａＮの使用が進展することによって、窒化物に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）は、多数の他の研究ベンチャーを凌ぐことができるようになり、今では、可視光半導体の応用に使用される主要な材料系になってきている。
【０００６】
ＬＥＤの外部量子効率または全効率（ηＬ）は、以下の式によって定義することができる。
【０００７】
ηＬ＝ηｉｎｔηｉｎｊηｅｘｔ
式中、抽出効率ηｅｘｔは、取り出した光子の量として定義され、注入効率ηｉｎｊは、素子の活性領域内に注入されるキャリアの量として定義され、また、内部量子効率ηｉｎｔは、デバイスの活性領域内で発生する光子の量として定義される。素子の内部量子効率は、欠陥および不純物等の非放射中心の数を低減することによって最大化することができる。すでに、窒化物に基づく青色ＬＥＤの内部量子および注入効率は、素子層の堆積状態を最適化することによって、高いレベルにまで改善されてきた。したがって、素子の外部効率におけるさらなる改善には、取り出し効率の改善が必要となる。
【０００８】
サファイア上に成長させた窒化物に基づく素子の取り出し効率は、窒化物膜とサファイアとの間の屈折率の差によって阻害される。この屈折差は、次に、活性領域内で発生する光を「閉じ込める」可能性のある内面反射を引き起こす。したがって、発生する光の大部分は、窒化物膜を通って伝播し、そして有用な光として使用することができない。
【０００９】
窒化物素子からの光取り出しを改善する１つの手法は、素子がその後に成長させられるパターン化した基板を使用することである。パターン化した基板は、縞、半円、角錐、異なる形状のメサ等（これに限定されない）が挙げられる表面特徴を生成するように処理された、任意の基板として定義される。基板上のパターンは、光干渉の抑制によって、素子の活性領域からの発光を取り出すことを支援する。Ｔａｄａｔｏｍｏ他によるパターン化したサファイアウエハ上に成長させる初期の研究では、最初に、異なる結晶成長方向に沿って、パターン化した溝または縞上に成長させることによって、窒化物膜の転位密度を低減しようと試みた［１（非特許文献１）］。これは、一般的に横方向エピタキシャル過成長（ＬＥＯ）と称される２ステップの成長手順を避けるために行われたものであり、縞の最上部に成長させる窒化物膜の転位密度を低減するために、成長させたままの窒化物膜の最上部に堆積させた、パターン化したＳｉＯ２縞を使用する。ＬＥＯプロセスは、ＳｉＯ２縞を堆積させるために、ウエハを反応器から取り除き、次いで、パターン化した窒化物膜の最上部に窒化物膜を再成長させるために、反応器内に再導入しなければならない、という事実のために扱い難いものである。パターン化した基板上に成長させる利点は、ＬＥＯプロセスの２つのステップと比較して、１つの堆積ステップで実行できることである。
【００１０】
パターン化した基板上に成長させたＬＥＤ素子のさらなる改善は、各種パターン設計を用いることによって、光取り出しが高められたことを示した［２（非特許文献２）］。これらの素子は、パターン化していない基板上に成長させたＬＥＤ素子と比較して、出力および発光効率の増加を呈した。しかしながら、これらの素子は、標準ＬＥＤ構造の使用を用いた。標準ＬＥＤ構造は、サファイアまたは炭化ケイ素基板と、ＧａＮまたはＡｌＧａＮでできている緩衝層と、シリコンをドープしたＧａＮでできているｎ接触層と、ＩｎＧａＮを含有する単一量子井戸（ＱＷ）または多重量子井戸（ＭＱＷ）でできている活性層と、ＡｌＧａＮでできている電子阻止層と、マグネシウムをドープしたＧａＮでできているｐ接触層とを備える構造として説明される。この素子構造は、２０ｍＡの順方向電流において良好に機能することが示され、４５０ｎｍで発光し、出力は１０〜１５ｍＷであった。
【００１１】
この標準素子構造は、パターン化していない基板に対して良好に機能したが、この標準構造は、パターン化した基板とともに使用した時に、同等の駆動電流での出力において不利益な性能を呈した。したがって、パターン化した基板上に堆積させた窒化物に基づくＬＥＤの性能を向上させるためには、素子構造を改善する必要がある。本発明は、素子の活性領域に隣接して配置される窒化物に基づく中間層を含む素子構造を使用することによって、この問題に対処する。
【００１２】
上述のように、パターン化した基板上の窒化物ＬＥＤの素子構造に使用される現在の技術は、窒化物に基づく中間層の使用を用いていない。本発明は、パターン化した基板上に成長させた高出力ＬＥＤを実現できるようにする。窒化物中間層の使用は、従来のパターン化していない基板上に成長させたＬＥＤの出力を増強することが示されたが、これが生じる理由については科学的な合意に達していなかった［３（非特許文献３）］。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｋ．Ｔａｄａｔｏｍｏ，Ｈ．Ｏｋａｇａｗａ，Ｙ．Ｏｈｕｃｈｉ，Ｔ．Ｔｓｕｎｅｋａｗａ，Ｔ．Ｊｙｏｕｉｃｈｉ，Ｙ．Ｉｍａｄａ，Ｍ．Ｋａｔｏ，Ｈ．Ｋｕｄｏ，ａｎｄ  Ｔ．Ｔａｇｕｃｈｉ，ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ａ）１８８，Ｎｏ．１，ｐｐ．１２１−１２５（２００１）
【非特許文献２】Ｍｏｔｏｋａｚｕ  Ｙａｍａｄａ，Ｔｏｍｏｔｓｕｇｕ  Ｍｉｔａｎｉ，Ｙｕｋｉｏ  Ｎａｒｕｋａｗａ，Ｓｈｕｊｉ  Ｓｈｉｏｊｉ，Ｉｓａｍｕ  Ｎｉｋｉ，Ｓｈｉｎｙａ  Ｓｏｎｏｂｅ、Ｋｏｕｉｃｈｉｒｏ  Ｄｅｇｕｃｈｉ，Ｍａｓａｈｉｋｏ  Ｓａｎｏ，ａｎｄ  Ｔａｋａｓｈｉ  Ｍｕｋａｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４１（２００２），ｐｐ．Ｌ１４３１−Ｌ１４３３，Ｐａｒｔ２、Ｎｏ．１２Ｂ，１５  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００２．
【非特許文献３】Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｔａｋａｓｈｉ  Ｍｕｋａｉ，Ｍａｓａｙｕｋｉ  Ｓｅｎｏｈ，Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ  Ｎａｇａｈａｍａ，ａｎｄ  Ｎａｒｕｈｉｔｏ  Ｉｗａｓａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７４、Ｎｏ．６（１９９３），ｐｐ．３９１１−３９１５，１５  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、発光素子の性能を改善するために、パターン化した基板上に窒化物中間層を使用することによって、それ自体と上述した素子設計とを区別する。その結果、素子構造が、パターン化した基板上に堆積させた従来の発光素子構造に存在する悪影響を最小化する、素子設計を改善した、パターン化した基板上の構造に対する必要性が存在する。本発明は、この必要性を満たすものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の従来技術の制限を克服し、かつ本明細書を読み取って理解した時に明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、窒化物に基づく素子構造の発光出力を増強する、パターン化した基板上の窒化物に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）等の、パターン化した基板上の窒化物に基づく素子構造を開示する。発光効率を改善することによって、窒化物に基づく素子構造の電子効率特性の改善をもたらし、その結果、窒化物半導体素子の応用を種々の商品に展開することができる。
【００１６】
また、本発明は、パターン化した基板上に成長させた多重量子井戸構造の活性層性質を改善することによって、光出力特性を大幅に増強する。この改善は、ＬＥＤ素子の光取り出しの改善が示された、パターン化した基板の使用の拡大をもたらし得る。
【００１７】
本発明の第一の窒化物半導体素子は、パターン化した基板を備え、かつ少なくともいくらかのインジウムを含有する窒化物中間層を組み込んでいる。この窒化物中間層は、素子の任意の部分に配置することができ、好ましくは素子の活性領域より上側に、より好ましくは素子の活性領域より下側に配置することができる。活性層は、少なくともいくらかのインジウムを含有する窒化物半導体でできている、好ましくは単一または多重量子井戸を有するＩｎＧａＮでできていることにも留意されたい。少なくとも１つの量子井戸のバンドギャップは、窒化物中間層のバンドギャップ未満であってもよい。
【００１８】
さらに、本発明の第一の窒化物半導体素子は、パターン化した基板上に複数の窒化物半導体膜を有するｎ領域を備える。ｎ領域の窒化物半導体層のうちの少なくとも１つは、ｎ側多層膜を有し、インジウムを含有する第一の窒化物半導体膜、および第一の窒化物半導体膜とは異なる組成を有する第二の窒化物半導体膜を交互に備える。第一の窒化物半導体膜のそれぞれ、および第二の窒化物半導体膜のそれぞれは、交互に積層され、第一の窒化物半導体膜および第二の窒化物半導体膜のうちの少なくとも１つは、１００オングストローム未満の厚さを有し、総多層膜厚は、３００ｎｍ未満である。以下、これらの第一および第二の交互層を、窒化物中間層膜と称する。
【００１９】
さらに、第一の窒化物半導体素子では、窒化物中間層膜は、代替として、少なくともいくらかのインジウムを含有し、総多層膜厚が３００ｎｍ未満である、単一窒化物膜から成ることができる。
【００２０】
窒化物ＬＥＤは、ｎ型層およびｐ型層と、ｎ型層とｐ型層との間にあり、異なるインジウム（Ｉｎ）組成を有するＩｎ含有層の少なくとも２つの周期の交互層を有する、窒化物中間層と、少なくとも１つの量子井戸構造を含む、窒化物中間層の上またはそれより上側で、かつｎ型層とｐ型層との間に形成される、窒化物に基づく活性領域とを備え得る。
【００２１】
本発明の第一の窒化物半導体素子では、窒化物中間層膜は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）、好ましくはｘ＜０．３、より好ましくはｘ＝０．０５、でできていることが好ましい。
【００２２】
２つの周期の交互層は、少なくとも２つの第二の窒化物層と交互配置される、少なくとも２つの第一の窒化物層を備え得る。本発明の第一の窒化物半導体素子では、窒化物中間層膜は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）およびＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）、好ましくはｘ＜０．３およびｙ＜０．３、より好ましくはｘ＝０．０５およびｙ＝０の交互層でできていることが好ましい。しかしながら、本発明は、特定のｘおよびｙの値に限定されず、例えば、０≦ｙ＜１を用いてもよい。例えば、第一の層は、インジウムを含有する場合があり、第二の層は、実質的にインジウムを全く含有しない場合がある。
【００２３】
さらに、本発明の第一の窒化物半導体素子では、第一の窒化物半導体膜は、互いに厚さが異なる場合があり、および／もしくは第二の化物半導体膜は、互いに厚さが異なる場合がある。したがって、多層膜が、複数の第一および第二の窒化物半導体膜で交互に積層される場合、第二（第一）の窒化物半導体膜を挟む２つの第一（第二）の窒化物半導体膜は、互いに異なる厚さを有し得る。
【００２４】
２つの周期の交互層は、窒化物の臨界弾性厚さよりも小さい厚さを有し得、よって、窒化物中間層は、交互層が臨界厚さよりも大きい厚さで成長させられる時の場合と比較して、活性領域の結晶品質を改善するための緩衝層の役割を果たす。第一の層の厚さは、交互層の屈折率を変動させるために、第一の層から活性層までの距離が減少するにつれて増加または減少し得る。
【００２５】
さらに、本発明の第一の窒化物半導体素子では、第一の窒化物半導体膜は、互いにＩＩＩ族元素含有量が異なる場合があり、および／もしくは第二の窒化物半導体膜は、互いにＩＩＩ族元素含有量が異なる場合がある。したがって、多層膜が、複数の第一および第二の窒化物半導体膜で交互に積層される場合、第二（第一）の窒化物半導体膜を挟む２つの第一（第二）の窒化物半導体膜は、異なる組成比のＩＩＩ族元素を有し得る。第一の層のインジウム組成は、交互層の屈折率を変動させるために、第一の層から活性層までの距離が減少するにつれて増加または減少し得る。
【００２６】
さらに、本発明の第一の窒化物半導体素子では、ｎ側窒化物中間層膜は、活性層から離間され得るが、好ましくは、出力特性を改善するために、活性層と接触して形成される。
【００２７】
さらに、本発明の第一の窒化物半導体素子では、第一の窒化物半導体膜および第二の窒化物半導体膜は、どちらも不純物でドープされない。「非ドープ」という用語は、意図的にドープされない状態を表し、本発明に従って、隣接する窒化物半導体層から不純物が拡散する場合を含む。このような拡散した不純物による不純物濃度は、しばしば層内に濃度勾配を有する。
【００２８】
さらに、本発明の第一の窒化物半導体素子では、ｎ型不純物は、第一の窒化物半導体膜および第二の窒化物半導体膜のうちのいずれかでドープされる。これは変調ドーピングと称され、変調ドープすることによって、出力を改善することもできる。ｎ型不純物は、ＩＶ族から選択することができ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびＳ、好ましくはＳｉまたはＳｎ等のＩＶ族元素が、ｎ型不純物に用いられることに留意されたい。
【００２９】
さらに、本発明の第一の窒化物半導体素子では、ｎ型不純物は、第一の窒化物半導体膜および第二の窒化物半導体膜内の両方にドープされる。ｎ型不純物がドープされる場合、濃度は、５×１０２１／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以下に調整される。５×１０２１／ｃｍ３を超える場合、窒化物半導体膜は、不十分な結晶品質を有し、よって、出力が低減される傾向がある。これは、変調ドーピングが使用される場合にも適合される。
【００３０】
本発明は、透明導電酸化物（ＴＣＯ）の使用を通して、パターン化した基板上の活性領域の光出力を改善し、かつ発光ダイオードの光取り出し効率を増大する。ｐ接触層は、一般的に、ニッケルおよび／もしくは金を含有する複数の薄い金属層から成る。これらの層の代表的な厚さは、２０ｎｍ未満である。これらの層は、ｐ型ＧａＮに対するオーミック接触を形成することができるが、素子から発せられる光の一部を吸収し、それによって、素子の全効率を大幅に減少させることも分かっている。
【００３１】
第二の窒化物半導体素子は、素子の光取り出し効率を増大し、それによって素子の全効率を改善するために構造化される。本発明の第二の窒化物半導体素子は、上記の説明で述べたように、第一の素子の組み合わせを含み、素子のｐ型窒化物膜の最上部に積層されるＴＣＯ膜の追加を伴う。
【００３２】
加えて、第二の窒化物半導体素子は、透明な接触膜として機能するために、ｐ型窒化物に隣接して配置されるＴＣＯからさらに成る。したがって、ＴＣＯ層は、ｐ型窒化物層に対するｐ型接触として使用することができる。
【００３３】
加えて、ＴＣＯは、酸化亜鉛、ＺｎＯ、または酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の、透明導電酸化物から成るものとすることができる。
【００３４】
さらに、本発明の第二の素子では、ＴＣＯ膜および第二の窒化物半導体膜は、不純物でドープされない。「非ドープ」という用語は、意図的にドープされない状態を表し、本発明に従って、隣接する窒化物半導体層から不純物が拡散する場合を含む。このような拡散した不純物による不純物濃度は、しばしば層内に濃度勾配を有する。
【００３５】
さらに、本発明の第二の素子では、ＴＣＯ膜は、種々の組成の複数の層から成ることができる。
【００３６】
さらに、第二の素子のＴＣＯは、光取り出しを増大させるために、パターン化する、または成形することができる。
【００３７】
加えて、本発明は、ｐ形半導体とＴＣＯとの間に配置されるトンネル接合層の使用を通して、本発明の第三の窒化物素子を備える、ＴＣＯを伴うパターン化した基板上の発光ダイオード素子の順電圧Ｖｆを低減する。
【００３８】
さらに、トンネル接合層は、少なくともいくらかのガリウムを含有する窒化物層を含み得る。この窒化物層は、意図せずにドープすることができるが、好ましくは、シリコン等のｎ型不純物で、１×１０１８／ｃｍ３超、より好ましくは５×１０１９／ｃｍ３超のドーピング濃度でドープされる。
【００３９】
さらに、トンネル接合層は、少なくともいくらかのインジウムを含有する窒化物層を含み得る。この窒化物層は、意図せずにドープすることができるが、好ましくは、シリコン等のｎ型不純物で、１×１０１８／ｃｍ３超、より好ましくは５×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度でドープされる。
【００４０】
本発明は、本発明の第四および第五の窒化物半導体素子によって説明されるように、ＴＣＯをパターン化または成形することによって、ＬＥＤの光取り出しを増加させる。成形は、物理的および／もしくは化学的プロセスによって達成することができ、かつ種々の形状または寸法から成り得る。
【００４１】
本発明の第一、第二、第三、第四、および第五の素子は、パターン化した、またはパターン化していないＴＣＯおよび／もしくはトンネル接合と組み合わせることもできる、パターン化した基板上に堆積させた窒化物中間層を組み込む、窒化物発光素子構造を説明する。パターン化した基板は、あらゆるパターン、形状、または設計から成り得る。当該構造は、パターン化した基板上に窒化物中間層を組み込み（または備え）、また、ＴＣＯおよび／もしくはトンネル接合も組み込む（または備える）場合もある、窒化物膜の最上部に成長させたあらゆる素子または構造からさらに成り得る。
【００４２】
さらに、本発明は、第一の素子について上記に説明したように、パターン化した基板上に成長させた窒化物中間層を組み込んだ、第一、第二、第三、第四、および第五の素子のあらゆる組み合わせも含む。
【００４３】
窒化物中間層膜は、変動または勾配組成層を有する複数の層、異なる（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ組成の層を備えるヘテロ構造、または異なる（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ組成の１つ以上の層を備え得る。窒化物中間層は、鉄、マグネシウム、シリコン、酸素、炭素、および／もしくは亜鉛等の元素で、意図せずにドープした、または意図的にドープした層から成り得る。窒化物中間層膜は、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、またはＭＢＥを含む堆積法を用いて成長させられ得る。
【００４４】
当該構造は、従来のｃ面配向の窒化物半導体結晶の上、またはａ面もしくはｍ面等の無極性の面の上、あるいは任意の半極性の面の上等の、任意の結晶学的窒化物内で成長させた窒化物中間層をさらに備え得、パターン化した基板は、ｃ面、ｒ面、またはａ面によって表されるその主表面を有する、パターン化したサファイア基板である。
【００４５】
パターン化した基板は、尖晶石（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のパターン化したサファイア絶縁基板、またはＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、または３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、またはＧａＮでできているパターン化した半導体基板であり得る。パターン化した基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の半極性または無極性の表面から成り得る。
【００４６】
本発明は、上述の構造を使用して強化した特性を有する素子も開示する。
【００４７】
本発明は、パターン化した基板上に窒化物発光ダイオードを製造する方法であって、ｎ型層とｐ型層との間に窒化物中間層を形成するステップであって、窒化物中間層は、異なるインジウム（Ｉｎ）組成を有するＩｎ含有層の少なくとも２つの周期の交互層を有する、ステップと、窒化物中間層の上またはそれより上側で、かつｎ型層とｐ型層との間に、窒化物に基づく活性領域を形成するステップであって、窒化物に基づく活性層は、少なくとも１つの量子井戸構造を含む、ステップとを含む方法をさらに開示する。本発明は、パターン化した基板上の窒化物発光ダイオードから発光する方法であって、窒化物中間層の上、またはそれより上側で、かつｎ型層とｐ型層との間で、窒化物に基づく活性領域から発光するステップであって、窒化物に基づく活性層は、少なくとも１つの量子井戸構造を含む、ステップを含む方法をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
以下、同じ参照符号が対応する要素を示す、複数の図面を参照する。
【図１】図１は、パターン化した基板から成り、かつ少なくともいくらかのインジウムを含有する窒化物中間層を組み込んだ、本発明の第一の窒化物半導体素子の概略断面図である。
【図２】図２は、ｐ型窒化物膜の最上部に積層されるＴＣＯ膜と、図１に示されるような第一の素子との組み合わせから成る、本発明の第二の窒化物半導体素子の概略断面図である。
【図３】図３は、ｐ形半導体とＴＣＯとの間に配置されるトンネル接合層の用法を示す概略断面図である。
【図４】図４は、ＴＣＯのパターン化または成形を示す、ＬＥＤの概略断面図である。
【図５】図５は、ＴＣＯのパターン化または成形を示す、別のＬＥＤの概略断面図である。
【図６】図６は、パターン化したサファイア基板（ＰＳＳ）上、およびパターン化していないサファイア基板上の両方に、いくらかのインジウムを含有する超格子（ＳＬ）を伴う、および伴わないＬＥＤについて測定した出力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下の発明を実施するための最良の形態では、本発明の一部を形成し、本発明を実施することが可能な特定の実施形態を図示するために示される添付図面を参照する。本発明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。
【００５０】
（概要）
本発明は、パターン化した基板上にＭＯＣＶＤを介して堆積させた窒化物中間層を組み込む、窒化物発光素子構造を説明する。発光素子内に組み込まれる、窒化物に基づく中間層構造の使用は、窒化物発光素子の性能を改善する手段を提供する。窒化物という用語は、化学式ＧａｎＡｌｘＩｎｙＢｚＮを有し、式中、
０≦ｎ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｎ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
である、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ半導体のあらゆる合金組成を指す。
【００５１】
現在のパターン化した基板上に堆積させた窒化物発光素子構造は、窒化物中間層を伴わない構造から成る。これらの構造は、定電流での出力に対して素子性能の大幅な低下を示す。窒化物中間層を組み込む窒化物発光素子構造は、定電流での素子の出力を大幅に増大することによって、窒化物ＬＥＤの性能を増大させる手段を提供する。本発明は、パターン化した基板上に蒸着される窒化物ＬＥＤの窒化物素子の性能を増強する。
【００５２】
（技術的説明）
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による、窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）１００の構造を示す概略断面図である。このＬＥＤ１００は、パターン化したサファイア基板１０２を備え、かつ以下の順序で連続的に基板１０２上に堆積される。ＧａＮでできている第一の緩衝層１０４（基板１０２の表面１０６に最も近い）、シリコンでドープしたＧａＮでできているｎ接触層１０８、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造１１０でできているｎ側多層膜（層１１０ａおよび１１０ｂを含み得る）、ＩｎＧａＮ／ＧａＮでできている多重量子井戸構造を備える活性層１１２（層１１２ａおよび１１２ｂを含み得る）、マグネシウムでドープしたｐ側ＡｌＧａＮ電子阻止層１１４、マグネシウムでドープしたＧａＮを含むｐ接触層１１６、薄い透明なｐ接触層１１８、および基板１０２のパターン化した表面１０６から最も遠い、厚いｐパッド層１２０。
【００５３】
ＬＥＤ素子１００は、第一の緩衝層１０４、ｎ接触層１０８、およびｎ側窒化物多層膜１１０を備えるｎ領域と、ｐ側ＡｌＧａＮ電子阻止層１１４およびｐ接触層１１６を備えるｐ領域との間に挟まれる、多重量子井戸構造の活性層１１２を有する。
【００５４】
窒化物半導体素子１００は、ｎ領域内の活性層１１２の下にｎ側多層膜１１０を備え、図１内の拡大図Ａに示されているように、Ｉｎを含有する第一の窒化物半導体膜１１０ａ、および第一の窒化物半導体膜１１０ａとは異なる組成の第二の窒化物半導体膜１１０ｂを堆積させる。ｎ側多層膜１１０は、第一の窒化物半導体膜１１０ａおよび第二の窒化物半導体膜１１０ｂのそれぞれのうちの少なくとも１つを備え、好ましくは合計で４つ以上、より好ましくは膜１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれのうちの少なくとも２つ、すなわち合計で５つ以上の膜を備える。
【００５５】
図２は、多層膜１１０が、一連の第二の窒化物半導体膜１１０ｂｉ−１、１１０ｂｉ、１１０ｂｉ＋１と交互配置される、一連の第一の窒化物半導体膜１１０ａｉ−１、１１０ａｉ、１１０ａｉ＋１を備え得ることを示しており、ｉは、膜の番号を示す整数である。しかしながら、個々の膜１１０ａｉ、１１０ａｉ−１、および１１０ａｉ＋１（１１０ｂｉ、１１０ｂｉ−１、および１１０ｂｉ＋１）の性質が類似している場合は、膜１１０ａｉ、１１０ａｉ−１、および１１０ａｉ＋１（１１０ｂｉ、１１０ｂｉ−１、および１１０ｂｉ＋１）は、図１に示されているように、全体として１１０ａ（１１０ｂ）と呼ばれる。
【００５６】
図１に示されているように、ｎ側多層膜１１０が、活性層１１２と接触して形成される場合、活性層１１２の最初の層（障壁層１１２ａまたは井戸層１１２ｂ）との接触が保たれる窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂのうちの１つは、第一の窒化物半導体膜１１０ａまたは第二の窒化物半導体膜１１０ｂのいずれかとなり得る。
【００５７】
ｎ側多層膜１１０における窒化物膜１１０ａおよび１１０ｂの堆積順序は、任意に選択してもよい。また、図示の実施形態では、ｎ側多層膜１１０が、活性層１１２と直接接触して形成されているが、ｎ型窒化物半導体でできている別の層が、ｎ側多層膜１１０と活性層１１２との間に介在してもよい。
【００５８】
厚さ１２２ａを有する少なくとも１つの第一の窒化物半導体膜１１０ａ、および厚さ１２２ｂを有する少なくとも１つの第二の窒化物半導体膜１１０ｂは、１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、より好ましくは５０オングストローム以下の、膜厚１２２ａ、１２２ｂを有するように設計される。例えば、厚さ１２２ａおよび１２２ｂは、異なっていてもよい。図２に示されているように、膜１１０ａｉが厚さ１２２ａｉを有し、膜１１０ｂｉが厚さ１２２ｂｉを有し、厚さ１２２ａｉおよび１２２ｂｉが、どちらも上述の範囲内にある場合は、膜１１０ａｉおよび１１０ｂｉが、臨界弾性厚さよりも薄いので、そのような薄膜１１０ｂｉ（１１０ａｉ）上に堆積される第一（または第二）の窒化物半導体膜１１０ａｉ＋１（または１１０ｂｉ）の結晶品質を改善することができ、それによって、総じてｎ側多層膜１１０の結晶品質を改善して、素子１００の出力能力を増加させることができる。層１１０は、厚さ１２２ｃを有する。
【００５９】
少なくとも１つの第一の窒化物半導体膜１１０ａは、Ｉｎ、好ましくは化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）で表される三元化合物を含有する窒化物半導体でできており、式中、ｘは、好ましくは０．５以下、より好ましくは、０．１以下である。
【００６０】
一方で、少なくとも１つの第二の窒化物半導体膜１１０ｂは、膜１１０ｂの窒化物半導体材料が、少なくとも１つの第一の窒化物半導体膜１１０ａに使用される窒化物半導体と異なっていれば、あらゆる好適な窒化物半導体でできていてもよい。しかしながら、少なくとも１つの第二の窒化物半導体膜１１０ｂが優れた結晶品質を保つためには、少なくとも１つの第一の窒化物半導体膜１１０ａよりも高いバンドギャップを有する二元または三元化合物を使用すべきであるが、本発明は、これらの化合物だけに限定されない。種々の窒化物半導体の中から、少なくとも１つの第二の窒化物半導体膜１１０ｂのための材料としてＧａＮを選択した場合、優れた結晶品質を有する多層膜を形成することができる。したがって、少なくとも１つの第一の窒化物半導体膜１１０ａに対するＩｎｘＧａ１−ｘＮの使用、式中、ｘは、０．５以下である、および少なくとも１つの第二の窒化物半導体膜１１０ｂに対するＧａＮの使用が、材料の好適な組み合わせである。
【００６１】
一実施形態では、第一および第二の窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂのうちのいずれか１つは、１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、より好ましくは５０オングストローム以下の膜厚１２２ａ、１２２ｂを有する。第一および第二の窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれに対する１００オングストローム以下の膜厚１２２ａ、１２２ｂの選択は、それぞれの窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂが、臨界弾性厚さ以下の膜厚１２２ａ、１２２ｂを有することができ、したがって、膜１１０ａおよび１１０ｂを厚膜に成長させる場合と比較して、優れた結晶品質を有する窒化物半導体１１０ａ、１１０ｂを成長させることができることを意味する。７０オングストローム以下の膜厚１２２ａ、１２２ｂの選択は、多層膜１１０を超格子構造に作製する時に有効であり、したがって、続いて活性層１１２を、優れた結晶品質を有するこの超格子多層膜１１０上にさせる時に、多層膜１１０は、緩衝層のそれに類似する機能を有することができ、優れた結晶品質を有する活性層１１２を成長させることができるようになる。
【００６２】
別の実施形態では、第一の窒化物半導体膜１１０ａｉは、異なる厚さ１２２ａｉを有し得、また、第二の窒化物半導体膜１１０ｂｉは、異なる厚さ１２２ｂｉを有し得る。例えば、第一（第二）の窒化物半導体膜１１０ａｉ（１１０ｂｉ）のうちの少なくとも１つは、次の隣接する第一（第二）の窒化物半導体膜１１０ａｉ−１（１１０ｂｉ−１）および１１０ａｉ＋１（１１０ｂｉ＋１）とは異なる膜厚１２２ａｉ（１２２ｂｉ）を有することができる（すなわち、膜１１０ａｉ（１１０ｂｉ）の厚さ１２２ａｉ（１２２ｂｉ）は、第一（第二）の窒化物半導体膜１１０ａ（１１０ｂ）の配列において、それぞれ膜１１０ａｉ（１１０ｂｉ）より下側および上側にある、膜１１０ａｉ−１（１１０ｂｉ−１）の厚さ１２２ａｉ−１（１２２ｂｉ−１）、および／もしくは膜１１０ａｉ＋１（１１０ａｉ＋１）の厚さ１２２ａｉ＋１（１２２ｂｉ＋１）と異なるものとすることができる）。さらなる実施例として、第一の窒化物半導体膜１１０ａがＩｎＧａＮでできており、また、第二の窒化物半導体膜１１０ｂがＧａＮでできていると仮定すると、隣接するＧａＮ層１１０ｂｉと１１０ｂｉ−１との間に介在するＩｎＧａＮ層１１０ａｉは、層１１０ａｉから活性層１１２までの距離が減少するにつれて、増加または減少する変動膜厚１２２ａｉを有し得る。その際に、多層膜１１０は、異なる屈折率を有する窒化物半導体膜１１０ａｉおよび１１０ｂｉによって変動屈折率を有することができ、結果的に、多層膜１１０は、勾配組成の窒化物半導体層と実質的に同じ効果を呈することができる。したがって、ビーム導波路の使用を必要とするタイプの半導体レーザ等の半導体素子では、多層膜１１０は、レーザビームのモードを調整するために、ビーム導波路を提供することができる。
【００６３】
層１１０ｂｉの厚さも、活性層１１２までの距離が減少するにつれて変動し得る。
【００６４】
また、第一（第二）の窒化物半導体膜１１０ａ（１１０ｂ）のうちの少なくとも１つは、次の隣接する第一（第二）の窒化物半導体膜１１０ａ（１１０ｂ）における組成とは異なるＩＩＩ族元素の組成を含有し得る。例えば、膜１１０ａｉ（１１０ｂｉ）の組成は、第一（第二）の窒化物半導体膜１１０ａ（１１０ｂ）の配列において、それぞれ膜１１０ａｉ（１１０ｂｉ）より下側および上側にある、膜１１０ａｉ−１（１１０ｂｉ−１）および／もしくは膜１１０ａｉ＋１（１１０ａｉ＋１）の組成と異なるものとすることができる。さらなる実施例として、第一の窒化物半導体膜１１０ａがＩｎＧａＮでできており、また、第二の窒化物半導体膜１１０ｂがＧａＮでできていると仮定すると、隣接するＧａＮ層１１０ｂｉと１１０ｂｉ−１との間に介在するＩｎＧａＮ層１１０ａｉに含有されるＩｎの量は、層１１０ａｉから活性層１１２までの距離が減少するにつれて、増加または減少し得る。そのような場合は、上述の異なる膜厚を用いる場合と同様に、多層膜１１０は、異なる屈折率を有する窒化物半導体膜１１０ａｉおよび１１０ｂｉによって変動屈折率を有することができ、結果的に、多層膜１１０は、勾配組成の窒化物半導体層と実質的に同じ効果を呈することができる。屈折率は、使用するＩｎの量の減少とともに減少する傾向があることに留意されたい。
【００６５】
別の実施形態では、第一および第二の窒化物半導体層１１０ａおよび１１０ｂは、同じ半導体材料でできているものとすることができ、したがって、上述の膜１１０ａおよび１１０ｂから成る多層膜１１０と同じ総厚さ１２２ｃの単一の層１１０を作製することができる。窒化物多層膜１１０は、Ｉｎ、好ましくは化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）で表される三元化合物を含有する窒化物半導体でできており、式中、ｘは、好ましくは０．５以下、より好ましくは、０．１以下である。この膜厚は、膜１１０ａおよび１１０ｂから成る多層膜と比較して、単一の膜しか組み込まないので、膜１１０を堆積する、より簡単な方法を可能にする。
【００６６】
ここでも、本実施形態の実施に際して、第一および第二の窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂのうちの一方または両方は、ドープされないもの、またはｎ型不純物でドープされるもののいずれかであってもよい。結晶品質を高めるために、第一および第二の窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂは、好ましくはドープされないが、変調ドープされてもよく、または第一および第二の窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂの両方が、ｎ型不純物でドープされてもよい。第一および第二の窒化物半導体膜１１０ａおよび１１０ｂが、どちらもｎ型不純物でドープされる場合、１つ以上の第一の窒化物半導体膜１１０ａ内のｎ型不純物の濃度は、１つ以上の第二の窒化物半導体膜１１０ｂ内の濃度と異なっていてもよい。
【００６７】
別の実施形態では、透明なｐ電極１１８が、ｐ接触層１１６の最上面のほぼ全体に形成され、結合のためのｐパッド電極１２０が、ｐ電極１１８上の一部に形成される。また、発光素子１００は、ｎ側窒化物半導体層１０８の表面が露出されて、その上にｎ電極１２４が形成される部分を有する。
【００６８】
（実施形態２）
実施形態２による窒化物半導体発光素子１２６は、図２に示されているように、実施形態２における透明なｐ接触層１２８が、ＴＣＯ等の新規なｐ接触から成り、それによって、実施形態１において説明されている薄い半透明のｐ電極層１１８を置き換えていることを除いて、実施形態１と同じ構造を有する。
【００６９】
具体的には、ＴＣＯ１２８は、ＺｎＯまたはＩＴＯ等の元素から成るものであってもよい。
【００７０】
これらの層１２８は、ＭＯＣＶＤ反応器内等の、原位置に堆積させることができ、または別々の蒸着プロセスによって続いて積層することができる。ＴＣＯ１２８は、適切なプロセスを用いて、構造的に結合することもできる。
【００７１】
また、ＴＣＯ膜または膜１２８は、複数の異なる層および組成を含み得る。それらは、導電性および構造組成等の膜１２８の性質を調整するために、種々の元素によって、意図せずにドープするか、または意図的にドープすることもできる。ＴＣＯ層１２８は、ｐ型窒化物層１１６に対するｐ型接触として使用され得る。
【００７２】
ＴＣＯ膜１２８は、種々の厚さ１３０を含み得る。
【００７３】
（実施形態３）
実施形態３による窒化物半導体発光ダイオード１３２は、図３に示されているように、トンネル接合層１３４が、ｐ型ＧａＮ接触層１１６とＴＣＯ１２８との間に積層されることを除いて、実施形態２と同じ構造を有する。
【００７４】
トンネル接合層１３４は、層１３４の導電性を制御するために、シリコンまたはマグネシウムの元素等の、ｎ型またはｐ型不純物で意図的にドープした窒化物半導体からなり得る。トンネル接合層１３４は、種々の厚さ１３６および組成から成るものとすることができる。層１３４は、複数の異なる層から成るものとすることもできる。層１３４は、勾配組成でドープする、または変調ドープすることもできる。
【００７５】
例えば、トンネル接合層１３４は、ＧａＮを含む、窒化物に基づく層であってもよく、または、例えば、トンネル接合層は、少なくともいくらかのインジウムを含有してもよい。
【００７６】
（実施形態４）
実施形態４による窒化物半導体発光ダイオード１３８は、図４に示されているように、素子１４０からの光取り出しを増大するために、ＴＣＯ１２８が成形される（すなわち、凸凹のある、またはパターン化した表面１４０を備える）ことを除いて、実施形態２と同じ構造を有する。１４０の成形は、物理的または化学的プロセスによって達成することができる。１４０の成形は、種々の形状および寸法から成るものとすることもできる。
【００７７】
（実施形態５）
実施形態５による窒化物半導体発光ダイオード１４２は、図５に示されているように、素子１４２からの光取り出しを増大するために、ＴＣＯ１２８が成形される（すなわち、凸凹のある、またはパターン化した表面１４０を備える）ことを除いて、実施形態３と同じ構造を有する。１４０の成形は、物理的または化学的プロセスによって達成することができる。１４０の成形は、種々の形状および寸法から成るものとすることもできる。
【００７８】
（実施形態６）
図１〜５で説明されている全ての層が必要であるというわけではない。例えば、実施形態６は、パターン化した基板１０２上に窒化物発光ダイオードまたはレーザダイオードを備え、当該ダイオードは、ｎ型層１０８およびｐ型層１１６と、ｎ型層１０８とｐ型層１１６との間にあり、異なるインジウム（Ｉｎ）組成を有するＩｎ含有層の少なくとも２つの周期の交互層１１０ａおよび１１０ｂを有する（１つの周期は、層１１０ａ上の層１１０ｂの（または層１１０ｂ上の層１１０ａの）積層を含み、２つの周期は、層１１０ｂｉ−１上の層１１０ａｉ、層１１０ａｉ上の層１１０ｂｉ、および層１１０ｂｉ上の層１１０ａ＋１を含む積層等の、２つの層１１０ｂと交互配置される、２つの層１１０ａを備える）窒化物中間層１１０と、窒化物中間層１１０の上またはそれより上側で、かつｎ型層１０８とｐ型層１１６との間に形成される窒化物に基づく活性領域１１２であって、少なくとも１つの量子井戸構造（障壁層１１２ａおよび量子井戸層１１２ｂ）を含み得る活性層１１２とを備える。例えば、交互層は、第一の層１１０ａと、第二の層１１０ｂとを備えてもよく、第一の層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮであり、第二の層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮであり、０＜ｘ＜１および０≦ｙ＜１である。
【００７９】
（プロセスステップ）
以下、本発明による、素子構造を製造するための方法の一実施例を説明し、かつ図１〜５によって示す。
【００８０】
最初に、パターン化した基板１０２を反応器内に装填して洗浄する。本実施例では、パターン化したサファイア基板１０２（Ｃ面）は、金属有機気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）反応器内に設置し、基盤１０２の温度を、基板１０２を洗浄するために、水素フローによって１１５０℃まで上昇させた。Ｃ面サファイア基板１０２の代わりに、基板１０２は、ＲまたはＡ面によって表されるその主表面を有する、パターン化したサファイア基板１０２、例えば尖晶石（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のパターン化した絶縁基板１０２、または、例えばＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、または３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、またはＧａＮでできているパターン化した半導体基板１０２であってもよい。パターン化した基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の半極性または無極性の表面１０６から成るものであってもよい。
【００８１】
基板１０２を洗浄するために用いた上述の温度上昇に続いて、温度を５７０℃に下げ、約２００オングストロームの厚さ１４４を有する、ＧａＮでできている第一の緩衝層１０４を、搬送ガスとして水素を使用し、また、材料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）を使用して、基板１０２上に成長させた。低温で成長させられるこのような緩衝層１０４は、基板１０２の種類、成長方法等に応じて省略されてもよい。
【００８２】
緩衝層１０４が成長した後に、ＴＭＧだけを止めて、温度を１１８５℃に上昇させた。３×１０１９／ｃｍ３にＳｉでドープしたＧａＮでできており、かつ４μｍの厚さ１４６を有するｎ接触層１０８を、上述のステップと同じように材料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを使用し、また不純物ガスとしてシランガスを使用して成長させた。このｎ接触層１０８は、ＩｎｘＡｌｙＧａＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）でできていてもよい。組成は、その組成に特に限定されないが、好ましくは、ＧａＮおよびＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、０．２以下）であってもよい。そのような場合は、最小化された結晶欠陥を有する窒化物半導体層１０８を、容易に得ることができる。
【００８３】
ｎ接触層１０８の厚さ１４６は、任意の厚さ１４６に特に限定されないが、厚さ１４６は、一般的に、ｎ電極１２４がその上に形成されるので、４μｍ以上である。さらに、ｎ型不純物は、望ましくは、窒化物半導体１０８の結晶品質を低下させない程度の高濃度、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３と５×１０２１／ｃｍ３との間でドープされてもよい。
【００８４】
次に、温度を９１０℃に下げ、非ドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎでできていて、かつ２５オングストロームの厚さ１２２ａを有する第一の窒化物半導体膜（層１１０ａ）を、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、およびアンモニアを使用して成長させた。続いて、ＴＭＩを遮断し、ＧａＮでできていて、かつ２５オングストロームの厚さ１２２ｂを有する第二の窒化物半導体膜（層１１０ｂ）を、第一の膜１１０ａの上に成長させた。次いで、これらの操作を繰り返し、第一の膜１１０ａ、第二の膜１１０ｂ、第一の膜１１０ａ等の順序で、それぞれ５０回、第一の膜１１０ａおよび第二の膜１１０ｂを交互に積層することによって、２５０ｎｍの厚さ１２２ｃを有する超格子構造のｎ側多層膜（窒化物中間層膜）１１０を形成した。
【００８５】
次に、非ドープのＧａＮでできていて、２００オングストロームの厚さ１４８ａを有する障壁層１１２ａを、８８０℃で成長させ、非ドープのＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎでできていて、２５オングストロームの厚さ１４８ｂを有する井戸層１１２ｂを、ＴＭＧ、ＴＭＩ、およびアンモニアを使用して成長させた。図１内の拡大図Ｂに示されているように、１５０オングストロームの総厚さ１４８ｃを有する多重量子井戸構造の活性層１１２を、障壁層１１２ａ、井戸層１１２ｂ、障壁層１１２ａ等の順序で、７つの障壁層、層１１２ａ、および６つの井戸層、層１１２ｂを交互に積層して、障壁層１１２ａで終了することによって成長させた。活性層１１２は、最初に第一の障壁層１１２ａを積層することによって成長させたが、井戸層１１２ｂを最初に、および最後にも積層することによって成長させてもよい。活性層１１２は、井戸層１１２ｂを最初に、かつ障壁層１１２ａを最後に積層することによって成長させてもよく、または、順序は、障壁層１１２ａから開始して、井戸層１１２ｂで終了してもよい。したがって、障壁１１２ａおよび井戸層１１２ｂを堆積する順序は、特定の順序に特に限定されない。
【００８６】
井戸層１１２ｂは、１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、より好ましくは５０オングストローム以下の厚さ１４８ｂを有するように設定した。１００オングストロームを超える厚さ１４８ｂは、素子１００の出力増加を困難にし得る。
【００８７】
一方で、障壁層１１２ａは、３００オングストローム以下、好ましくは２５０オングストローム以下、より好ましくは２００オングストローム以下の厚さ１４８ａを有するように設定した。
【００８８】
量子井戸１１２ｂは、窒化物中間層１１０のバンドギャップ未満のバンドギャップを有し得る。
【００８９】
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを使用して、意図せずにドープしたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎでできていて、（例えば）２００オングストロームの厚さ１５０を有する、第三の窒化物半導体膜１１４を成長させた。このＡｌＧａＮ電子阻止層１１４は、ＩｎｘＡｌｙＧａＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）でできていてもよい。当該組成は、この組成に特に限定されないが、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、０．２以下）であってもよい。
【００９０】
続いて、９１０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、およびＣｐ２Ｍｇを使用して、Ｍｇで１×１０２０／ｃｍ３にドープしたｐ型ＧａＮでできていて、（例えば）７００オングストロームの厚さ１５２を有する、ｐ接触層１１６を成長させた。ｐ接触層１１６は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）でできていてもよい。当該組成は、この組成に特に限定されないが、好ましくはＧａＮであってもよい。そのような場合は、最小化された結晶欠陥を有する窒化物半導体層１１６を得ることができ、かつｐ電極材料１１８との優れたオーミック接触を達成することができる。
【００９１】
反応器が冷却された時点で、窒化物ダイオード１００を取り出し、ｐ型ＧａＮ１１６を活性化するために、７００℃で１５分間、水素欠乏の雰囲気中で焼鈍した。
【００９２】
（可能な変更）
上述の開示において説明されている層厚および組成は例示的なものであり、本発明は、これらの特定の層厚および組成に限定されない。実際に、本発明は、（好ましくはパターン化した）基板上に窒化物中間層（好ましくは多層膜）を備える、窒化物膜の最上部に成長させた素子または構造（例えば、活性層）を対象にする。しかしながら、中間層はまた、活性層より上側にあってもよい。
【００９３】
（利点および改善点）
図６は、パターン化した１０２およびパターン化していない両者のサファイア基板上の、いくらかのインジウムを含有する超格子１１０を伴う、および伴わないＬＥＤについて測定した、「オンウエハ」出力を示している。ＬＥＤの出力は、基板１０２の後部１５４を通して、シリコン光検出器を使用して光出力を測定することによって評価した。これは、一般に「オンウエハ」測定と称される。図６は、パターン化していないサファイア基板およびパターン化したサファイア基板（ＰＳＳ）１０２上の試料について、超格子（ＳＬ）１１０を使用することによる出力の増加を示している。しかしながら、図６から、パターン化した基板１０２上での超格子１１０の使用は、約１５８％という大幅な出力の増加をもたらすことも明らかである。これは、超格子１１０が、パターン化していないサファイア基板に用いられた時の、わずか４２％の出力の増加とは対照的であ。
【００９４】
（参考文献）
以下の参考文献は、参照することにより本明細書にその全体が組み込まれる。
【００９５】
［１］Ｋ．Ｔａｄａｔｏｍｏ、Ｈ．Ｏｋａｇａｗａ、Ｙ．Ｏｈｕｃｈｉ、Ｔ．Ｔｓｕｎｅｋａｗａ、Ｔ．Ｊｙｏｕｉｃｈｉ、Ｙ．Ｉｍａｄａ、Ｍ．Ｋａｔｏ、Ｈ．Ｋｕｄｏ、ａｎｄ  Ｔ．Ｔａｇｕｃｈｉ、ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ａ）１８８、Ｎｏ．１、ｐｐ．１２１−１２５（２００１）。
【００９６】
［２］Ｍｏｔｏｋａｚｕ  Ｙａｍａｄａ、Ｔｏｍｏｔｓｕｇｕ  Ｍｉｔａｎｉ、Ｙｕｋｉｏ  Ｎａｒｕｋａｗａ、Ｓｈｕｊｉ  Ｓｈｉｏｊｉ、Ｉｓａｍｕ  Ｎｉｋｉ、Ｓｈｉｎｙａ  Ｓｏｎｏｂｅ、Ｋｏｕｉｃｈｉｒｏ  Ｄｅｇｕｃｈｉ、Ｍａｓａｈｉｋｏ  Ｓａｎｏ、ａｎｄ  Ｔａｋａｓｈｉ  Ｍｕｋａｉ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４１（２００２）ｐｐ．Ｌ１４３１−Ｌ１４３３、Ｐａｒｔ２、Ｎｏ．１２Ｂ、１５  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００２．
［３］Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｔａｋａｓｈｉ  Ｍｕｋａｉ、Ｍａｓａｙｕｋｉ  Ｓｅｎｏｈ、Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ  Ｎａｇａｈａｍａ、ａｎｄ  Ｎａｒｕｈｉｔｏ  Ｉｗａｓａ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７４、Ｎｏ．６（１９９３）ｐｐ．３９１１−３９１５、１５  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９３。
【００９７】
（結び）
本節は、本発明の好適な実施形態の説明を結ぶものである。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、本発明を完全なものとすること、または開示された精密な形態に限定することを意図するものではない。上述の教示を考慮すれば、多数の修正および変更が可能である。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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【国際調査報告】
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