(57)【要約】ＡｌｘＧａ１−ｘＮのクラッディングフリー非極性ＩＩＩ族窒化物ベースのレーザダイオードまたは発光ダイオードを製作するための方法が提供される。非極性の結晶面内に分極電場が存在しないことに起因して、これらの非極性のデバイスは、厚い量子井戸を有する。この量子井戸が光導波路として機能することにより、光学モードを活性領域に効果的に閉じ込め、そしてＡｌ含有導波路クラッド層の必要性を無くす。一実施形態において、光電子デバイスは、少なくとも４ナノメートルの厚さを有する少なくとも１つの非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸を有する非極性ＩＩＩ族窒化物半導体の光放射デバイスを備える。
2010518624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子デバイスであって、
少なくとも４ナノメートルの厚さを有する少なくとも１つの非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸を有する非極性ＩＩＩ族窒化物半導体の光放射デバイス
を備えている、デバイス。
【請求項２】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸は、４、５、６、７、または８ナノメートルを超える厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
少なくとも４ナノメートルの厚さを有する非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸は、４ナノメートル未満の厚さを有する非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸よりも大きい光閉じ込めを提供する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸の活性領域は、前記デバイスの動作に対して十分な光閉じ込めを提供する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記量子井戸の活性領域は、アルミニウム含有クラッド層無しに、前記デバイスの動作に対して十分な光閉じ込めを提供する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記デバイスは、１０％以下のアルミニウム含有量を有するアルミニウム含有導波路クラッド層を含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記デバイスは、アルミニウムフリーの導波路クラッド層を有する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項８】
前記量子井戸は、インジウム含有の量子井戸である、請求項４に記載のデバイス。
【請求項９】
前記量子井戸の活性領域は、前記デバイスのための光導波路として機能する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記量子井戸の活性領域は、前記デバイスの光学モードを効果的に閉じ込めるために、高い屈折率を有する材料を十分に提供する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記デバイスの基板は、該デバイスの光学モードに実質的な影響を及ぼさない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスの基板は、前記量子井戸の活性領域よりも低い屈折率を有する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
非極性ＩＩＩ族窒化物は、デバイス用の基板として用いられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記デバイスは、１ｋＡ／ｃｍ−２未満のしきい値電流密度によって動作する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
光電子デバイスを製作する方法であって、
少なくとも４ナノメートルの厚さを有する少なくとも１つの非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸を有する非極性ＩＩＩ族窒化物半導体の光放射デバイスを作り出すこと
を包含している、方法。
【請求項１６】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸は、４、５、６、７、または８ナノメートルを超える厚さを有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも４ナノメートルの厚さを有する非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸は、４ナノメートル未満の厚さを有する非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸よりも大きい光閉じ込めを提供する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸の活性領域は、前記デバイスの動作に対して十分な光閉じ込めを提供する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記量子井戸の活性領域は、アルミニウム含有クラッド層無しに、前記デバイスの動作に対して十分な光閉じ込めを提供する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記デバイスは、１０％以下のアルミニウム含有量を有するアルミニウム含有導波路クラッド層を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記デバイスは、アルミニウムフリーの導波路クラッド層を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記量子井戸は、インジウム含有の量子井戸である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記量子井戸の活性領域は、デバイスのための光導波路として機能する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記量子井戸の活性領域は、前記デバイスの光学モードを効果的に閉じ込めるために、高い屈折率を有する材料を十分に提供する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記デバイスの基板は、デバイスの光学モードに実質的な影響を及ぼさない、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記デバイスの基板は、量子井戸の活性領域よりも低い屈折率を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物は、前記デバイス用の基板として用いられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
前記デバイスは、１ｋＡ／ｃｍ−２未満のしきい値電流密度によって動作する、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）
本出願は、同時係属中であり、そして同一人に譲渡された下記の米国特許出願の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）の下に主張する。
【０００２】
該米国特許出願とは、Ｄａｎｉｅｌ  Ｆ．Ｆｅｅｚｅｌｌ、Ｍａｔｈｅｗ  Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｋｗａｎｇ  Ｃｈｏｏｎｇ  Ｋｉｍ、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｄａｎｉｅｌ  Ａ．Ｃｏｈｅｎ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年２月１２日に出願された米国仮出願第６０／８８９，５１０号、発明の名称は「Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ−ＣＬＡＤＤＩＮＧ−ＦＲＥＥ  ＮＯＮＰＯＬＡＲ  ＧＡＮ−ＢＡＳＥＤ  ＬＡＳＥＲ  ＤＩＯＤＥＳ  ＡＮＤ  ＬＥＤＳ」、代理人整理番号３０７９４．２２２−ＵＳ−Ｐ１（２００７−４２４−１）である。上記出願は、参考として本明細書中に援用される。
【０００３】
（発明の分野）
本発明は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのクラッディングフリー非極性ＩＩＩ族窒化物ベースのレーザダイオード（ＬＤ）および発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００４】
（関連技術の説明）
（注：本出願は、丸括弧内の１つ以上の参照文献番号、例えば、（参照文献Ｘ）によって本明細書の全体にわたって示されるような、多くの様々な刊行物を参照する。これらの参照文献番号に従って指示されるこれらの様々な刊行物の一覧は、「（参照文献）」という見出しを付された段落内に見出され得る。これらの刊行物のそれぞれは、参考として本明細書中に援用される）。
【０００５】
現時点では、既存の窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの端面放射型ＬＤは、通常ｃ面構造である（参照文献１〜３（非特許文献１〜３））。これらのデバイスは、いくつかの消費者向けの製品において用途を見出してきた。しかしながら、これらのデバイス内で光学モードの効果的な閉じ込めを達成するためには、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子などのアルミニウム含有（Ａｌ含有）導波路クラッド層の包接（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）が必要とされている。これらのＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子は、エピタキシャル成長の重大な課題を提示し、エピタキシャル材料の品質を低減し、そしてデバイスの動作電圧を増大させる。超格子の成長はまた、反応炉の安定性および再現性に対して重大な問題を提起する。
【０００６】
さらに、極性ｃ面に沿ったそれらの配向に起因して、これらのデバイスは、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）をこうむる。この効果は、電子およびホールの波動関数を空間的に引き離し、そしてそれらの放射効率を制限する（参照文献４（非特許文献４））。このことは、薄い量子井戸に対する要件をもたらし、その量子井戸は、概して、厚さにおいて４０オングストローム（Å）未満、典型的には、２５〜４０オングストロームの範囲にわたる厚さを有している。
【０００７】
ｃ面基板上に成長したＧａＮベースの光電子デバイスと異なり、非極性の基板（例えば、ｍ面またはａ面）上に成長した構造は、分極に関連した電場をこうむらない。なぜならば、極性ｃ軸が任意のヘテロ界面に対して平行だからである（参照文献５（非特許文献５））。従って、本発明は、非極性ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−窒化物）構造を用いて、分極電場の欠如に起因するより厚い量子井戸を実装する。さらに、これらのより厚い量子井戸は、レーザダイオード内の効果的な光導波路として機能する十分な厚さであり、従って、低い屈折率を有する基板が光学モードに接近しておらず、この厚い量子井戸は、ｃ面基板上に成長した同様なデバイス内の光導波のために必要とされる厄介なＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子の除去を可能にする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｓｅｎｏｈ、Ｓ．Ｎａｇａｈａｍａ、Ｎ．Ｉｗａｓａ、Ｔ．Ｙａｍａｄａ、Ｔ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ、Ｈ．Ｋｉｙｏｋｕ、Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ、Ｔ．Ｋｏｚａｋｉ、Ｈ．Ｕｍｅｍｏｔｏ、Ｍ．Ｓａｎｏ、およびＫ．Ｃｈｏｃｈｏ、「ＩｎＧａＮ／Ｇａｎ／ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐｅｄ  ｓｔｒａｉｎｅｄ−ｌａｙｅｒ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ａｎ  ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  ｌａｔｅｒａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．７２、Ｎｏ．１２、ｐｐ．２１１−２１３、１９９８年１月１２日
【非特許文献２】Ｔ．Ａｓａｎｏ、Ｔ．Ｔｓｕｙｏｓｈｉ、Ｔ．Ｍｉｚｕｎｏ、Ｍ．Ｔａｋｅｙａ、Ｓ．Ｉｋｅｄａ、Ｋ．Ｓｈｉｂｕｙａ、Ｔ．Ｈｉｎｏ、Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ、およびＭ．Ｉｋｅｄａ、「１００−ｍＷ  ｋｉｎｋ−ｆｒｅｅ  ｂｌｕｅ−ｖｉｏｌｅｔ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｌｏｗ  ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３９、Ｎｏ．１、ｐｐ．１３５−１４０、２００３年１月
【非特許文献３】Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ、Ｍ．Ｔａｋｅｙａ、Ｓ．Ｉｋｅｄａ、Ｔ．Ｍｉｚｕｎｏ、Ｔ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ、Ｏ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ、Ｓ．Ｇｏｔｏ、Ｔ．Ｔｏｊｙｏ、およびＭ．Ｉｋｅｄａ、「Ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｂｌｕｅ−ｖｉｏｌｅｔ  ｌａｓｅｒｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．５、ｐｐ．１２５２−１２５９、２００３年９月／１０月
【非特許文献４】Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ、Ｖ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｉ、およびＤ．Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ、「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．１６、ｐｐ．１００２４−１００２７、１９９７年１０月
【非特許文献５】Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ、Ｏ．Ｂｒａｎｄｔ、Ａ．Ｔｒａｍｐｅｒｔ、Ｈ．Ｇｒａｈｎ、Ｊ．Ｍｅｎｎｉｇｅｒ、Ｍ．Ｒａｍｓｔｅｉｎｅｒ、Ｍ．Ｒｅｉｃｈｅ、およびＫ．Ｐｌｏｏｇ、「Ｎｉｔｒｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ｆｒｅｅ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｆｉｅｌｄｓ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｗｈｉｔｅ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４０６、ｐｐ．８６５−８６８、２０００年８月
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、上記された従来技術の限界を克服し、本明細書を読み、そして理解する際に明らかとなる他の限界を克服するために、光電子デバイスと、それを作製するための方法とを開示する。該デバイスは、少なくとも４ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有する少なくとも１つの非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸を有する非極性ＩＩＩ族窒化物半導体のレーザダイオードまたは発光ダイオードを備える。そこでは、非極性ＩＩＩ族窒化物量子井戸の活性領域は、Ａｌ含有クラッド層無しに、デバイスの動作に対して十分な光閉じ込めを提供する。
【００１０】
好ましくは、デバイスがＡｌ含有導波路クラッド層を含まないか、または代替として、デバイスがＡｌフリーの導波路クラッド層を含むか、または代替として、デバイス内に含まれた任意のＡｌ含有導波路クラッド層が１０％以下のＡｌ含有量を有する。デバイス内に存在する何らのＡｌ含有層も、デバイスの光学モードを閉じ込めない。
【００１１】
代わりに、量子井戸の活性領域が、デバイスのための光導波路として機能する。特に、量子井戸の活性領域は、デバイスの光学モードを効果的に閉じ込めるために、高い屈折率を有する材料を十分に提供する。
【００１２】
さらに、デバイスの基板が量子井戸の活性領域よりも低い屈折率を有する場合でさえも、デバイスの基板は、デバイスの光学モードに実質的な影響を及ぼさない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
同様な参照番号が、対応する部分を全体にわたって表す図面をここで参照する。
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従った、ＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリーｍ面レーザダイオード用のエピタキシャル層構造の例である。
【図２】図２は、提案されたＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリーｍ面ＧａＮベースのレーザダイオード（ＬＤ）内の光学モードおよび屈折率のプロフィールを示すグラフである。
【図３】図３は、本発明のデバイスのための製作プロセスの一実施形態を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（発明の詳細な説明）
以下の好適な実施形態の説明において、その一部分を形成する添付の図面に対して参照がなされる。図面において、本発明が実施され得る特定の実施形態が例示のために示される。他の実施形態が利用され得、構造的な変更が、本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることは理解されるべきである。
【００１５】
（概観）
本発明は、Ａｌ含有導波路クラッド層を有しないＩＩＩ族窒化物ベースの光放射デバイス、例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードと、これらのデバイスを作製するための方法とを記載する。特に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子、バルクのＡｌｘＧａ１−ｘＮ、または任意のＡｌモル分率を有する他の層は、光導波路をクラッディングするために用いられる必要がない。さらに、デバイスに存在する何らのＡｌ含有層も、デバイスの光学モードを閉じ込めない。
【００１６】
好適な実施形態において、自立の、非極性ＩＩＩ族窒化物基板が、デバイス用の基板として用いられる。非極性の結晶面内に分極電場が存在しないことに起因して、非極性基板の配向上に成長したデバイスは、活性領域内の厚いＩｎＧａＮ量子井戸を利用し、そしてさらに高い利得の動作を示すことができる。非極性の構造内に可能とされている量子井戸の厚みの増加と、低い屈折率の基板が存在しないこととに起因して、これらの量子井戸は、レーザダイオード構造内の光導波路層として機能することができる。特に、いくつかの厚いＩｎＧａＮ量子井戸は、光学モードをデバイスの活性領域に効果的に閉じ込めるために、高い屈折率を有する材料を十分に提供する。
【００１７】
この構造は魅力的である。なぜならば、光学モード閉じ込め用のＡｌ含有（特に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）導波路クラッド層を必要としないからである。このことは、従来のｃ面ＧａＮを用いて成長したレーザダイオードと対照的である。従来は、自発電場およびピエゾ電場が、厚いＩｎＧａＮ量子井戸の使用を妨げ、そしてＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子領域などのＡｌ含有導波路クラッド層が、効果的な光学モード導波（ｇｕｉｄｉｎｇ）を達成するために必要とされている。さらに、従来のｃ面ＧａＮデバイス内の量子井戸の活性領域は、低い屈折率を有するサファイア基板の存在に起因して、効果的な光導波に用いられ得ず、そのサファイア基板は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子が存在しない場合には、より高次のモードを強いる傾向がある。
【００１８】
本発明において、Ａｌ含有導波路クラッド層の削除は、ＩＩＩ族窒化物ベースの発光ダイオードとほとんど同じ様態において、ＩＩＩ族窒化物ベースのレーザダイオードの製作を可能にする。
【００１９】
Ａｌ含有導波路クラッド層の削除は、より簡単なエピタキシャル成長技術と、改善された製造可能性と、より高い性能のデバイスとを可能にする。例えば、レーザダイオード構造内のＡｌ含有導波路クラッド層の削除は、一般的にＡｌ含有導波路層と関連づけられる引っ張り歪みおよびクラックによる問題を低減することと、より高い結晶品質の材料を産生することと、低減された電圧動作、より低いしきい値電流密度、およびより長い寿命を有するデバイスをもたらすこととに役立つ。
【００２０】
これらの利点は、様々な商業用製品のコストを潜在的に低減する。その結果として、これらのデバイス構造は、ｃ面ＧａＮベースのレーザダイオードと同じ用途における実用性を見出すことが期待されており、従って、様々な商業用途、工業用途、または科学技術用途のための光源として用いられ得る。従って、本発明は、高輝度および高解像度照明のディスプレイ、高解像度または高い処理能力のプリンタ、次世代ＤＶＤプレーヤ、効率的な固体型の照明、光学的センシング、および医療用製品の開発に関連している。
【００２１】
（エピタキシャル層構造）
図１は、本発明の一実施形態に従った、例示的なＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリーｍ面レーザダイオードのためのエピタキシャル層構造を例示する。エピタキシャル層構造は、（Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎ、すなわちＩＩＩ族窒化物などの合金を備えるけれども、それらに限定されない。しかしながら、他の構造、層の異なる組み合わせ、および代替の実施形態が、本発明の範囲を逸脱することなく可能である。
【００２２】
例示的なデバイス１０は、自立の、ｍ面ＧａＮ基板１２上に成長し、意図的でないドープ型（ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ  ｄｏｐｅｄ）および／またはｎ型ＧａＮ層１４と、量子井戸の活性領域１６と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロッキング層１８と、ｐ型ＧａＮ層２０とを含んでいる。デバイス１０は、確立された半導体デバイス製作技術を用いて製作され得る。
【００２３】
量子井戸の活性領域１６は、単一量子井戸または多重量子井戸を含み得る。好ましくは、量子井戸１６は、光学モードを効果的に閉じ込めるために、十分な厚さを有する。一実施形態において、量子井戸１６は、ｃ面構造において典型的に実装された量子井戸よりも厚く、すなわち、量子井戸１６は、少なくとも４０オングストローム（４ｎｍ）、好ましくは４０オングストローム（４ｎｍ）を超え、そしてさらに好ましくは５０、６０、７０または８０オングストローム（５、６、７、または８ｎｍ）を超える厚さを有する。
【００２４】
量子井戸１６の厚さのために、デバイス１０は、何らのＡｌ含有導波路クラッド層をも必要としない。特に、光導波路を作り出すための、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子、バルクＡｌｘＧａ１−ｘＮ、または任意のＡｌモル分率を有する他の層の必要性がない。実に、例示的なデバイス１０において、唯一のＡｌ含有層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロッキング層１８であり、その層は光学モードを閉じ込めない。
【００２５】
（デバイスの動作）
図２は、本発明の一実施形態に従った、ＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリーｍ面ＧａＮベースのレーザダイオード（ＬＤ）に対する光学モードを示す、屈折率プロフィール対量子井戸厚さのグラフである。光学モードは、厚いＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）によって効果的に導波される。レーザ構造は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮベースのクラッド層またはその他のＡｌ含有層を含んでいない。
【００２６】
この例において、活性領域は、６つの８ｎｍのＧａＮ障壁層（図において、８０Å  ＧａＮ障壁としてラベル付けされる）の間にはさまれるか、または該障壁層と混合された５つの８ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層（図において、５ｘ８０Å  ＩｎＧａＮ量子井戸としてラベル付けされる）からなる。これらの厚い量子井戸は、Ａｌ含有導波路クラッド層の必要性なしに、光学モードをデバイスの活性領域に効果的に閉じ込める。唯一のＡｌ含有層は、薄い（１０ｎｍ以下の）ＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロッキング層であり、その層は、光学モードを閉じ込めるために用いられない。
【００２７】
ＧａＮベースのレーザダイオードの様々なカテゴリーを生み出す提案されたエピタキシャル構造の実装は、本発明の重要な局面である。このエピタキシャル構造は、標準的な半導体プロセス技術を用いて、多様なＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリー非極性（ｍ面、ａ面）ＧａＮベースのレーザダイオード内に製作され得る。これらは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリー非極性の広領域端面放射型レーザ、リッジ（ｒｉｄｇｅ）レーザダイオード、ダブルヘテロ構造レーザダイオード、および分布帰還（ＤＦＢ）型レーザダイオードを含むけれども、それらに限定されない。これらのデバイスは、エッチング型ファセットまたはへき開型ファセットを有するレーザをも含んでいる。
【００２８】
（製作プロセス）
図３は、非極性ＩＩＩ族窒化物半導体のレーザダイオードまたは発光ダイオードを備える光電子デバイスを製作するためのプロセスの一実施形態を例示するフローチャートである。レーザダイオードまたは発光ダイオードは、少なくとも４ナノメートルの厚さを有する活性な少なくとも１つの非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸を有し、そこでは、非極性ＩＩＩ族窒化物量子井戸の活性領域は、Ａｌ含有クラッド層無しに、デバイスの動作に対して十分な光閉じ込めを提供する。デバイスの製作は、リソグラフィー、エッチングおよび堆積プロセスを含む、確立された半導体デバイスのプロセス技術を用い得る。
【００２９】
ブロック２２は、非極性ＩＩＩ族窒化物自立基板などの基板を提供するステップを表している。
【００３０】
ブロック２４は、基板上にデバイス構造を作り出すステップを表しており、意図的でないドープ型および／またはｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、ＩＩＩ族窒化物量子井戸の活性領域と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層とを製作することを含み得る。その他の層もなお含まれ得る。
【００３１】
これらのステップの最終的な結果は、図１に示された構造などのデバイス構造である。
【００３２】
好ましくは、量子井戸は、少なくとも４０オングストローム（４ｎｍ）、好ましくは４０オングストローム（４ｎｍ）を超え、そしてさらに好ましくは５０、６０、７０または８０オングストローム（５、６、７、または８ｎｍ）を超える厚さを有する。本発明において、少なくとも４ナノメートルの厚さを有する非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸は、４ナノメートル未満の厚さを有する非極性ＩＩＩ族窒化物の量子井戸よりも大きい光閉じ込めを提供する。
【００３３】
デバイスがＡｌ含有導波路クラッド層を含まないか、または代替として、デバイスがＡｌフリーの導波路クラッド層を含むか、または代替として、デバイス内に含まれた任意のＡｌ含有導波路クラッド層が１０％以下のＡｌ含有量を有する。デバイス内に存在する何らのＡｌ含有層も、デバイスの光学モードを閉じ込めない。
【００３４】
代わりに、量子井戸の活性領域が、デバイスのための光導波路として機能する。特に、量子井戸の活性領域は、デバイスの光学モードを効果的に閉じ込めるために、高い屈折率を有する材料を十分に提供する。
【００３５】
さらに、デバイスの基板が量子井戸の活性領域よりも低い屈折率を有する場合でさえも、デバイスの基板は、デバイスの光学モードに実質的な影響を及ぼさない。
【００３６】
（実施可能な修正および変形）
用語「ＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリー」は、任意のＡｌモル分率を含有する導波路クラッド層（例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子、バルクＡｌｘＧａ１−ｘＮ、またはＡｌＮ）が存在しないことを表している。光導波のために用いられない他の層は、いくらかの量のＡｌを含み得る。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロッキング層が存在し得る。
【００３７】
「ＧａＮベースの」デバイスが本明細書中に記載されるけれども、本発明は、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、およびＮをこれらに限定ではなく含む任意のＩＩＩ族窒化物半導体材料、すなわち（Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎを含有するデバイスと、それらの組み合わせとに対して適用され得る。例えば、量子井戸はＩｎＧａＮを備え得る。
【００３８】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリーのレーザダイオードの成長は、ｍ面またはａ面以外の（Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎ結晶の配向についても実施され得る。本発明の範囲は、（Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎのすべての可能な結晶の配向上のＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッディングフリーのレーザダイオードの成長と製作とを含んでいる。
【００３９】
これらの結晶の配向は、ａ面として総称される公知の｛１１−２０｝面、およびｍ面として総称される公知の｛１−１００｝面などの結晶の「非極性面」を含んでいる。これらの結晶学的配向はまた、これらの配向に対する最小限の分極効果に起因して、結晶の半極性面を含む。用語「半極性面」は、ｃ面、ａ面、またはｍ面として分類され得ない任意の面を表すために用いられ得る。結晶学的用語において、半極性面は、少なくとも２つのゼロでないｈ、ｉ、またはｋのミラー指数と、ゼロでないｌのミラー指数を有する任意の面である。
【００４０】
これらの無極性および半極性の結晶学的配向のさらなる情報については、参考として本明細書中に援用される、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌらによって、２００６年６月１日に出願され、２００７年４月２６日に公開された米国特許出願第１１／４４４，９４６号、米国特許出願公開第２００７／００９３０７３号、発明の名称は「ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＧＲＯＷＴＨ  ＡＮＤ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ，  ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ，  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ」、代理人整理番号３０７９４．１４０−ＵＳ−Ｕｌ（２００５−６６８−２）を参照されたい。
【００４１】
上記された好適な実施形態は、成長する構造に格子整合の組成を有する自立の非極性窒化物ウェハー上に成長した（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスを論じてきた。自立の非極性窒化物ウェハーは、厚い非極性窒化物層から異質の基板を除去することか、バルクの窒化物インゴットまたはブール（ｂｏｕｌｅ）を個々の非極性窒化物ウェハーへと切ること（ｓａｗｉｎｇ）か、あるいはすべての他の可能な結晶成長またはウェハー製造技術によって作り出され得る。本発明の範囲は、すべての可能な結晶成長方法とウェハー製造技術とによって作り出された、すべての可能な自立の非極性窒化物ウェハー上の非極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ薄膜と、ヘテロ構造と、デバイスとの成長および製作を含む。基板はまた、場合によって薄く、および／または研摩され得る。
【００４２】
同様に、上記の（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ薄膜と、ヘテロ構造と、デバイスとは、成長する構造に格子整合の組成を有する自立の半極性窒化物ウェハー上に成長され得る。自立の半極性窒化物ウェハーは、厚い半極性窒化物層から異質の基板を除去することか、バルクの窒化物インゴットまたはブールを個々の半極性窒化物ウェハーへと切ることか、あるいはすべての他の可能な結晶成長またはウェハー製造技術によって作り出され得る。本発明の範囲は、すべての可能な結晶成長方法とウェハー製造技術とによって作り出された、すべての可能な自立の半極性窒化物ウェハー上の半極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ薄膜と、ヘテロ構造と、デバイスとの成長および製作を含む。基板はまた、場合によって薄く、および／または研摩され得る。
【００４３】
さらに、自立のＧａＮ以外の異質の基板が、非極性または半極性テンプレートの成長用に用いられ得る。本発明の範囲は、すべての可能な基板のすべての可能な結晶配向上の無極性および半極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ薄膜と、ヘテロ構造と、デバイスとの成長および製作を含む。これらの基板は、炭化けい素、窒化ガリウム、シリコン、酸化亜鉛、窒化ほう素、アルミン酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ゲルマニウム、窒化アルミニウム、没食子酸リチウム、部分的に置換されたスピネル、およびγ−ＬｉＡｌＯ２構造を共有する四元正方晶系酸化物を含むけれども、これらに限定されない。
【００４４】
上記された非極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎデバイスは、自立のＧａＮウェハー上に成長した。しかしながら、本発明の範囲はまた、非極性または半極性の選択横方向成長エピタキシャル（ＥＬＯ）テンプレート上に成長した非極性または半極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎデバイスに及んでいる。ＥＬＯ技術は、その後のエピタキシャル層において貫通転位（ＴＤ）密度を低減する方法である。ＴＤ密度を低減することは、デバイス性能における改良につながる。レーザダイオードに対して、これらの改良は、増大した出力パワー、増大した内部量子効率、より長いデバイス寿命、および低減されたしきい値電流密度を含む。例えば、本発明のデバイスは、１ｋＡ／ｃｍ−２未満のしきい値電流密度によって動作する。これらの利点は、半極性ＥＬＯテンプレート上に成長したすべての無極性および半極性の平面薄膜、ヘテロ構造、およびデバイスに関係する。
【００４５】
（Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎの量子井戸における変形およびヘテロ構造の設計が、本発明の範囲を逸脱することなく実施可能である。さらに、層の特定の厚さおよび組成、成長した量子井戸の数、および電子ブロッキング層の包接または省略は、特定のデバイス設計に固有の変数であり、本発明の代替の実施形態において用いられ得る。実際に、非極性デバイス内のより厚い量子井戸の存在によって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの電子ブロッキング層が潜在的に全く除去され得、完全にＡｌフリーのデバイスを可能にする。
【００４６】
本発明はまた、量子井戸を含まないＡｌクラッディングフリーのダブルへテロ構造ＧａＮベースのレーザダイオードを産生するために用いられ得る。一例は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮダブルヘテロ構造を含んでいるレーザダイオード構造である。
【００４７】
（利点および改良点）
本発明は、従来技術を超えるいくつかの利点を提供する。非極性基板上に成長したＧａＮベースのレーザダイオードは、低減されたしきい値電流密度、より長寿命、およびより高い光利得を有することが期待されている。これらのデバイスは、それらのｃ面における場合のような分極誘導型の電場をこうむらず、従って、量子閉じ込めシュタルク効果を取り除く。このことは、より厚い量子井戸による高い利得構造の実装を可能にする。これらのより厚い量子井戸は、光学モードをデバイス内に効果的に閉じ込めるために用いられ得、光閉じ込め用のＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子層の必要性を取り除き、Ａｌクラッディングフリーのレーザダイオード構造を可能にする。Ａｌクラッディングフリーのレーザダイオード構造は、Ａｌ含有の構造よりも製造性が高く、より安価であることが期待されている。その構造はまた、より高い結晶品質、より低い動作電圧、およびより長い寿命を含む、従来技術を超えるいくつかの技術的利点を提供することが期待されている。
【００４８】
光学モード閉じ込めを達成するために、ＩＩＩ族窒化物ベースのレーザダイオードにおいて厚い量子井戸を利用する概念は、新規であると考えられる。Ａｌ含有クラッド層を有しない非極性ＩＩＩ族窒化物ベースのレーザダイオードの概念は、新規であると考えられる。ダブルへテロ構造ＩＩＩ族窒化物ベースのレーザダイオードの概念は、新規であると考えられる。
【００４９】
（参照文献）
以下の参照文献は、参考として本明細書中に援用される。
【００５０】
［１］  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｓｅｎｏｈ、Ｓ．Ｎａｇａｈａｍａ、Ｎ．Ｉｗａｓａ、Ｔ．Ｙａｍａｄａ、Ｔ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ、Ｈ．Ｋｉｙｏｋｕ、Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ、Ｔ．Ｋｏｚａｋｉ、Ｈ．Ｕｍｅｍｏｔｏ、Ｍ．Ｓａｎｏ、およびＫ．Ｃｈｏｃｈｏ、「ＩｎＧａＮ／Ｇａｎ／ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐｅｄ  ｓｔｒａｉｎｅｄ−ｌａｙｅｒ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ａｎ  ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  ｌａｔｅｒａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．７２、Ｎｏ．１２、ｐｐ．２１１−２１３、１９９８年１月１２日。
【００５１】
［２］  Ｔ．Ａｓａｎｏ、Ｔ．Ｔｓｕｙｏｓｈｉ、Ｔ．Ｍｉｚｕｎｏ、Ｍ．Ｔａｋｅｙａ、Ｓ．Ｉｋｅｄａ、Ｋ．Ｓｈｉｂｕｙａ、Ｔ．Ｈｉｎｏ、Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ、およびＭ．Ｉｋｅｄａ、「１００−ｍＷ  ｋｉｎｋ−ｆｒｅｅ  ｂｌｕｅ−ｖｉｏｌｅｔ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｌｏｗ  ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３９、Ｎｏ．１、ｐｐ．１３５−１４０、２００３年１月。
【００５２】
［３］  Ｓ．Ｕｃｈｉｄａ、Ｍ．Ｔａｋｅｙａ、Ｓ．Ｉｋｅｄａ、Ｔ．Ｍｉｚｕｎｏ、Ｔ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ、Ｏ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ、Ｓ．Ｇｏｔｏ、Ｔ．Ｔｏｊｙｏ、およびＭ．Ｉｋｅｄａ、「Ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｂｌｕｅ−ｖｉｏｌｅｔ  ｌａｓｅｒｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．５、ｐｐ．１２５２−１２５９、２００３年９月／１０月。
【００５３】
［４］  Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ、Ｖ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｉ、およびＤ．Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ、「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．１６、ｐｐ．１００２４−１００２７、１９９７年１０月。
【００５４】
［５］  Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ、Ｏ．Ｂｒａｎｄｔ、Ａ．Ｔｒａｍｐｅｒｔ、Ｈ．Ｇｒａｈｎ、Ｊ．Ｍｅｎｎｉｇｅｒ、Ｍ．Ｒａｍｓｔｅｉｎｅｒ、Ｍ．Ｒｅｉｃｈｅ、およびＫ．Ｐｌｏｏｇ、「Ｎｉｔｒｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ｆｒｅｅ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｆｉｅｌｄｓ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｗｈｉｔｅ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４０６、ｐｐ．８６５−８６８、２０００年８月。
【００５５】
［６］  米国特許第７，０９１，５１４号明細書。２００６年８月１５日にＣｒａｖｅｎらに発行され、発明の名称は「ＮＯＮＰＯＬＡＲ  （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＷＥＬＬ  ＡＮＤ  ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ」。
【００５６】
［７］  米国特許公開第２００５／０２１４９９２号明細書。２００５年９月２９日に公開され、Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙらによる、発明の名称は「ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＮＯＮＰＯＬＡＲ  ＩＮＤＩＵＭ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ，  ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＢＹ  ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」。
【００５７】
［８］  米国特許公開第２００６／０２０５１９９号明細書。２００６年９月１４日に公開され、Ｂａｋｅｒらによる、発明の名称は「ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＰＬＡＮＡＲ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ」。
【００５８】
（結び）
ここでは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくる。本発明の１つ以上の実施形態の上記の説明は、例示および説明の目的のために提示されてきた。それは、網羅的であることを意図せず、または開示されたまさにその形態に発明を限定することを意図していない。多くの修正および変形が、本発明の本質から根本的に逸脱することなく、上記の教示を考慮すれば可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、添付された特許請求の範囲によって制限されることが意図されている。
【図１】
2010518624.tif 000003
【図２】
2010518624.tif 000004
【図３】
2010518624.tif 000005
【国際調査報告】
2010518624.tif 000006