(57)【要約】【課題】  ＩＩＩ族窒化物発光装置を提供する。【解決手段】  ＩＩＩ族窒化物発光装置において、三元又は四元発光層は、相分離の程度を制御するように構成される。いくつかの実施形態では、発光層の任意の点におけるＩｎＮ組成と発光層の平均ＩｎＮ組成の間の差は２０％よりも小さい。いくつかの実施形態では、相分離の制御は、基部領域の格子定数に対する発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層の格子定数の比率を制御することによって達成される。例えば、この比率は、約１と約１．０１の間とすることができる。【選択図】      図４
2005311374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光装置であって、
核生成領域と、
エピタキシャル構造と、
を含み、
前記エピタキシャル構造は、
前記核生成領域上に形成された基部領域と、
前記基部領域の上に重なり、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されたＩＩＩ族窒化物発光層と、
を含み、
前記発光層は、４２０ｎｍよりも大きいピーク放射波長を有する光を放射するように構成され、
前記発光層及び基部領域は、
該発光層が平均ＩｎＮ組成ｂを有し、
該発光層の任意の点のＩｎＮ組成が（ｂ−０．２ｂ）と（ｂ＋０．２ｂ）の間である、
ように構成された、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記発光層の任意の点のＩｎＮ組成は、（ｂ−０．１ｂ）と（ｂ＋０．１ｂ）の間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記発光層の任意の点のＩｎＮ組成は、（ｂ−０．０５ｂ）と（ｂ＋０．０５ｂ）の間であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記発光層は、ＩｎＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記基部領域は、格子定数ａ1を有し、
前記発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層が、格子定数ａ2を有し、
ａ1に対するａ2の比率は、約１と約１．０１の間である、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｚ≦１の場合に、ＡｌxＩｎyＧａzＮであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１の場合に、ＩｎxＧａyＮであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ｎ型領域、発光層、及びｐ型領域の転位密度は、約５×１０8ｃｍ-2よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記発光層及び該発光層と前記基部領域との間の任意の層は、歪んでいることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
半導体発光装置であって、
核生成領域と、
エピタキシャル構造と、
を含み、
前記エピタキシャル構造は、
前記核生成領域上に形成された基部領域と、
前記基部領域の上に重なり、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されたＩＩＩ族窒化物発光層と、
を含み、
前記発光層及び基部領域は、
該発光層が、平均ＩｎＮ組成ｂを有し、
該平均ＩｎＮ組成ｂは、８％よりも大きく、
該発光層の任意の点のＩｎＮ組成が、（ｂ−０．２ｂ）と（ｂ＋０．２ｂ）の間である、
ように構成された、
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記発光層の任意の点のＩｎＮ組成は、（ｂ−０．１ｂ）と（ｂ＋０．１ｂ）の間であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記発光層の任意の点のＩｎＮ組成は、（ｂ−０．０５ｂ）と（ｂ＋０．０５ｂ）の間であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記発光層は、ＡｌＩｎＧａＮであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記基部領域は、格子定数ａ1を有し、
前記発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層が、格子定数ａ2を有し、
ａ1に対するａ2の比率は、約１と約１．０１の間である、
ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｚ≦１の場合に、ＡｌxＩｎyＧａzＮであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
前記発光層は、４２０ｎｍよりも大きいピーク放射波長を有する光を放射するように構成されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
ＩＩＩ族窒化物発光装置であって、
核生成領域と、
前記核生成領域上に形成された格子定数ａ１を有する基部領域と、
前記基部領域の上に重なり、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置された発光層と、
を含み、
前記発光層は、８％よりも大きい平均ＩｎＮ組成を有し、
前記発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層が、格子定数ａ2を有し、
ａ1に対するａ2の比率は、約１と約１．０１の間である、
ことを特徴とする装置。
【請求項１８】
前記発光層は、４２０ｎｍよりも大きいピーク放射波長を有する光を放射するように構成されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｚ≦１の場合に、ＡｌxＩｎyＧａzＮであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１の場合に、ＩｎxＧａyＮであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記基部領域、ｎ型領域、発光層、及びｐ型領域の転位密度は、約５×１０8ｃｍ-2よりも小さいことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記発光層は、０．０８≦ｘ≦１の場合に、ＩｎxＧａyＮであり、
前記基部領域は、（ｘ−０．０８）≦ａ≦１の場合に、ＩｎaＧａbＮである、
ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記ｎ型領域と電気的に接続した第１の接点と、
前記ｐ型領域と電気的に接続した第２の接点と、
前記第１及び第２の接点と電気的に接続したリードフレームと、
前記発光層の上に重なるカバーと、
を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
前記発光層は、５ｎｍよりも大きい厚みを有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２５】
前記発光層は、１０ｎｍよりも大きい厚みを有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２６】
前記発光層は、第１の量子井戸であり、
第２の量子井戸と、
前記第１及び第２の量子井戸の間に配置されたバリア層と、
を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２７】
前記発光層及び該発光層と前記基部領域の間の任意の層は、歪んでいることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２８】
前記基部領域は、前記ｎ型領域であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２９】
ＩＩＩ族窒化物発光装置であって、
基板と、
前記基板上に形成された格子定数ａ1を有する基部領域と、
前記基部領域の上に重なり、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置された発光層と、
を含み、
前記発光層は、８％よりも大きい平均ＩｎＮ組成を有し、
前記発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層が、格子定数ａ2を有し、
ａ1に対するａ2の比率は、約１と約１．０１の間である、
ことを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記発光層は、４２０ｎｍよりも大きいピーク放射波長を有する光を放射するように構成されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｚ≦１の場合に、ＡｌxＩｎyＧａzＮであることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１の場合に、ＩｎxＧａyＮであることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３３】
前記発光層は、０．０８≦ｘ≦１の場合に、ＩｎxＧａyＮであり、
前記基部領域は、（ｘ−０．０８）≦ａ≦１の場合に、ＩｎaＧａbＮである、
ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３４】
前記基板は、ＳｉＣであることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３５】
格子定数ａ1を有する基部領域、及び
前記基部領域の上に重なり、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置された発光層、
を含むエピタキシャルスタックを成長基板上に成長させる段階と、
前記エピタキシャルスタックをホスト基板に結合する段階と、
前記成長基板を除去する段階と、
を含み、
前記発光層は、８％よりも大きい平均ＩｎＮ組成を有し、
前記発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層が、格子定数ａ2を有し、
ａ1に対するａ2の比率は、約１と約１．０１の間である、
ことを特徴とする方法。
【請求項３６】
前記発光層は、４２０ｎｍよりも大きいピーク放射波長を有する光を放射するように構成されることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｚ≦１の場合に、ＡｌxＩｎyＧａzＮであることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記基部領域は、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１の場合に、ＩｎxＧａyＮであることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記発光層は、０．０８≦ｘ≦１の場合に、ＩｎxＧａyＮであり、
前記基部領域は、（ｘ−０．０８）≦ａ≦１の場合に、ＩｎaＧａbＮである、
ことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物発光装置に関する。
【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）、及びエッジ発光レーザを含む半導体発光装置は、とりわけ現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトルに亘る作動が可能な高輝度発光装置の製造において現在関心が寄せられている材料システムには、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、及び窒素の二元、三元、及び四元合金が含まれる。一般的に、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシ技術により、サファイア、炭化珪素、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板上に異なる組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックをエピタキシャル成長させることによって製造される。このスタックは、多くの場合、基板の上に形成された、例えばＳｉでドープされた１つ又はそれ以上のｎ型層と、１つ又は複数のｎ型層の上に形成された発光又は活性領域と、活性領域の上に形成された、例えばＭｇでドープされた１つ又はそれ以上のｐ型層とを含む。導電基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物装置は、装置の各反対側に形成されたｐ接点及びｎ接点を有することができる。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物装置は、サファイアのような絶縁基板上に製造され、両方の接点は、装置の同じ側にある。このような装置は、光が接点を通じて抽出されるか（エピタキシ−アップ装置として公知）、又は接点と反対側の装置の表面を通じて抽出されるように（フリップチップ装置として公知）装着される。
【０００３】
図１は、従来のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを示す。図１の装置は、サファイア基板３０の上面に順番に積み重ねられたＧａＮ又はＡｌＮバッファ層３１、ｎ型ＧａＮ層３２、ＩｎＧａＮ活性層３３、ｐ型ＡｌＧａＮ層３４、及びｐ型ＧａＮ層３５を含む。層３３、３４、及び３５の一部分は、ｎ型ＧａＮ層３２の一部分を露出させるためにエッチングによって除去され、次に、ｎ側電極６が、ｎ型ＧａＮ層３２の露出部分に形成される。ｐ側電極５は、残りのｐ型ＧａＮ層３５の上面に形成される。
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号
【特許文献２】米国特許第６，６３０，６９２号
【特許文献３】米国特許第６，５９９，３６２号
【特許文献４】米国特許第６，２６５，２８９号
【非特許文献１】Ｆｏｌｌｓｔａｅｄｔ他著「ＧａＮの片持エピタキシャル成長中の再方向付けによるスレディング転位の最小化」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、８１、２７５８（２００２年）
【非特許文献２】ナカムラ他著「エピタキシャル横方向過成長ＧａＮ基板上に成長した変調ドープ歪み層超格子を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮベースのレーザダイオード」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７２、２１１（１９９８年）
【非特許文献３】カトー他、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ、１４４，１３３（１９９４年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＩＩＩ族窒化物発光装置の様々な問題を克服する新しいＩＩＩ族窒化物発光装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によると、ＩＩＩ族窒化物発光装置では、三元又は四元発光層は、相分離の程度を制御するように構成される。いくつかの実施形態では、発光層の任意の点のＩｎＮ組成と発光層の平均ＩｎＮ組成の間の差は、２０％よりも小さい。いくつかの実施形態では、相分離の制御は、発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層の格子定数と基部領域の格子定数との比率を制御することによって達成される。例えば、この比率は、約１と約１．０１の間とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１に示す装置のようなサファイア又はＳｉＣ上に成長させたＩＩＩ族窒化物装置は、一般的に、５〜５０×１０8ｃｍ-2程度のスレッディングな転位密度を有する。このようなＬＥＤは、以下の望ましくない挙動を示す場合がある。第１に、装置の活性領域内に生成された光子数を装置に供給された電子数で割ったものとして定義される内部量子効率（ＩＱＥ）は、一般的に、約５から１０％のＩｎＮ組成を含む発光層を有するＬＥＤで最も高く、その結果、ピーク放射波長は約４００ｎｍとなる。ＩｎＮ組成及びピーク放射波長が大きくなると、ＩＱＥは小さくなる。一部の装置の場合、ＩＱＥは、約２５％のＩｎＮ組成に対してほとんどゼロになり、約５５０ｎｍよりの長いピーク放射波長に相当する。約５％よりも少ないＩｎＮ組成を有する発光層の場合も（約４００ｎｍよりも短いピーク放射波長）ＩＱＥは小さくなる。波長及びＩｎＮ組成の関数としてのＩＱＥのプロットである図２にこの挙動を示す。図２のデータは、所定の厚みの発光層に対応する。発光層の厚みが変わると、最大外部量子効率は、図２に示す点からシフトすることができる。
【０００８】
第２に、所定の色のＩＩＩ族窒化物ベースＬＥＤの効率はまた、駆動電流に依存する。効率は、一般的に、比較的低い電流密度でピークとなり、電流密度が大きくなると急激に小さくなる。一般的に、効率の低下は、ＬＥＤの放射波長が長くなると最も強くなる。この挙動を図３に示すが、この図は、装置からの光パワーを装置に供給された電力で割ったものとして定義される壁コンセント効率を、ピーク放射波長が４２８ｎｍから５２７ｎｍの範囲である４つの装置の順電流の関数としてプロットしたものである。
発光層のＩｎＮ組成及び電流密度が大きくなる時の効率の低下の１つの説明は、結晶内の歪み及び格子欠陥によるＩｎＧａＮ発光層の相分離であろう。
【０００９】
ＩＩＩ族窒化物発光装置は、一般的に、サファイア及びＳｉＣのような基板上に成長する。このような基板は、ＩＩＩ族窒化物結晶層との大きな格子及び熱膨張率の不適合性を有する。その結果、結晶不完全性、特に、スレディング転位が、このような基板上に成長した結晶層に高密度で存在する。更に、ＩＩＩ族窒化物ベースの装置は、一般的に［０００１］又は「ｃ」結晶軸に沿って成長し、（０００１）又はｃ平面材料をもたらす。ＩｎＧａＮのようなＩＩＩ族窒化物三元合金の格子定数は、組成で大幅に変わる。（０００１）ＩｎＧａＮの場合、ＧａＮとＩｎＮの間の格子不適合性は１１％である。その結果、ＧａＮ基部層上に成長した低ＩｎＮ組成を有する薄いＩｎＧａＮ発光層は、圧縮されて歪んでいる。上述の説明は、ｃ平面ＩＩＩ族窒化物装置に関するが、本明細書で説明する概念及び実施形態は、ａ平面及びｍ平面のような他の配向のＩＩＩ族窒化物結晶に等しく適用可能であると考えられる。従って、本発明は、（０００１）装置に限定されない。
【００１０】
ＩｎＮ及びＧａＮは、ＩｎＧａＮ合金に完全に混和できるものではない。所定の組の成長条件において、エネルギ的に好ましくない組成領域を定める上限及び下限として、臨界ＩｎＮ組成が存在する。ＩＩＩ族窒化物層に存在する上述の歪み及び格子欠陥は、強制的にＩｎＧａＮ層を厚すぎるように又はこの「禁止」範囲の組成を有するように成長させ、ＩｎＮ及びＧａＮに相分離させる傾向がある。相分離は、組成上限値を超えるか又は組成下限値よりも小さいＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮポケットをもたらす。ＩｎＧａＮ層の平均ＩｎＮ組成よりも少ないＩｎＮを含む材料の領域によって分離されたＩｎＮが豊富なＩｎＧａＮ材料のクラスターが形成される。このようなＩｎＮが豊富な領域は、約８％を超えるＩｎＮを含有するＩｎＧａＮ発光層を有してＧａＮ基部層上に成長した装置の発光層内で既に認められている。例えば、ＧａＮ上に成長した１１％の平均ＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮ発光層を有する装置において、本発明人は、発光層のＩｎＮ組成の１標準偏差が２％ＩｎＮであることを認めた。発光層のＩｎＮ組成は、平均より下が３標準偏差、平均より上が３標準偏差、すなわち、５％と１７％ＩｎＮの間の範囲であり、すなわち、平均から５４％の変動であると予想される。実際に認められた最も高いＩｎＮ組成は２２％であり、すなわち、平均から１００％の変動であった。ＧａＮ上に成長した２０％の平均ＩｎＮ組成のＩｎＧａＮ発光層を有する装置に対して、発光層のＩｎＮ組成における１標準偏差も２％ＩｎＮであると認められており、１４％と２６％ＩｎＮの間の範囲、すなわち、平均から３０％の変動の予想範囲をもたらす。実際に観察された最も高いＩｎＮ組成は、３８％、すなわち、平均から９０％の変動であった。
【００１１】
高量子効率を有するＩＩＩ族窒化物発光装置を製造することができる能力は、多くの場合、ＩｎＧａＮ発光層内の上述のＩｎＮ豊富領域のバンドギャップが残りのＩｎＧａＮ層よりも小さく、従って、電子及び正孔がＩｎＮ豊富領域に閉じ込められ、不適合基板上の成長によって引き起こされた結晶欠陥での非放射再結合を防止するという事実による。すなわち、従来のＩＩＩ族窒化物発光装置内の非放射再結合サイトの存在のために、ＩｎＧａＮ発光層内のある程度の相分離が高い放射再結合効率を達成する上で必要であろう。しかし、高ＩｎＮ組成では、相分離が非常に大きいので、図２に示す高ＩｎＮ組成での望ましくなく低い外部量子効率によって示すように、相分離によって導入される問題が相分離のいかなる利点も上回る場合がある。
【００１２】
図４は、本発明の実施形態によるＩＩＩ族窒化物発光装置を示す。ｎ型又は非ドープ基部領域５２は、基板５０の上に成長する。基部領域５２を成長させる前に、核生成領域（図示せず）を一般的に基板５０上に成長させる。核生成領域は、１つ又はそれ以上の多結晶又はアモルファス材料の層を含む。基部領域５２の始まりは、核生成領域の上に成長した第１の単一結晶材料である。基部層５２と活性領域５５の間にｎ型領域５４を配置する。ｐ型領域５６は活性領域５５の上に形成される。基部領域５２、ｎ型領域５４、活性領域５５、及びｐ型領域５６の各々は、異なる厚み、組成、及びドーパント濃度の１つ又はそれ以上の層を有することができる。例えば、活性領域５５は、異なる組成のバリア層によって取り囲まれた１つ又はそれ以上の量子井戸層又は発光層を含むことができる。
【００１３】
図４に示す実施形態では、ｐ型領域５６及び活性領域５５の一部分は、ｎ型領域５４の一部分を露出させるためにエッチングによって除去される。ｐ接点５８をｐ型領域５６の残りの部分に形成し、ｎ接点５７をｎ型領域５４の露出部分に形成する。透明な接点又はエピタキシャル構造の上部の小部分を覆う接点を形成することにより、装置の上部を通じて光を抽出することができる。当業技術で公知のように、接点を反射性にすることにより、装置の基板の底部を通じて光を抽出することができる。このような装置においては、基部領域５２及びｎ型領域のうちの少なくとも一方は、活性領域のｎ側で電流の拡散をもたらすために、十分な厚みを有して十分にドープされるべきである。他の実施形態では、基板５０は、導電性であり、接点の１つを基板５０の底部上に形成する。更に他の実施形態では、エピタキシャル層５９は、ｐ型領域５６との導電性インタフェースを通じてホスト基板に接合され、次に、成長基板５０を除去し、ｎ接点５７が、成長基板除去によって露出した表面に形成される。成長基板除去については、本発明の出願人に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている、２００４年３月１９日出願の「光結晶発光装置」という名称の米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号により詳細に説明されている。基板５０が導電性であるか又は除去される実施形態では、基部領域５２は、図４の装置よりも薄いものとすることができる。図４は、ｐ型領域５６の前に基板５０の上に成長するｎ型領域５４を示すが、いくつかの実施形態では、ｎ型領域５４の前にｐ型領域５６を成長させるように成長順番を逆にすることができる。このような実施形態では、基部領域５２は、ｐ型又は非ドープ材料とすることができる。
【００１４】
本発明の装置の実施形態によれば、基部領域５２及び活性領域５５の発光層の特性は、発光層における相分離を制御するように選択される。すなわち、基部領域５２及び活性領域５５の発光層の特性は、所定の発光層における任意の点におけるＩｎＮ組成が発光層全体に亘って平均ＩｎＮ組成に近いように選択され、いくつかの実施形態では、任意の点のＩｎＮ組成の変動は、平均ＩｎＮ組成の２０％よりも小さい。この変動は、平均ＩｎＮ組成の１０％よりも小さいことが好ましく、平均ＩｎＮ組成の５％よりも小さいことが更に好ましい。以下の例でＩｎＧａＮ発光層について説明するが、類似の相分離挙動は、四元ＡｌＩｎＧａＮ発光層においても予想される。従って、本明細書の教示内容は、四元発光層にも適用可能である。
【００１５】
いくつかの実施形態では、発光層と基部領域５２の間の格子定数の不適合性を制御することによって活性領域の発光層の相分離を防止する。いくつかの実施形態では、基部領域の格子定数に対する発光層と同じ組成を有する弛緩した自立層の格子定数の比率は、約１と約１．０１の間である。活性領域の外側でのＩｎＧａＮの使用は、高品質ＩｎＧａＮの成長が困難であり、かつ高処理温度に対するＩｎＧａＮの感受性のために一般的に好ましくないが、ＩｎＧａＮを基部領域５２で使用し、発光層との格子定数不適合性を制限することができる。ＩｎＧａＮにおいては、格子定数は、組成と共にほぼ線形に変化する。従って、二元ＧａＮ又は三元ＩｎＧａＮ基部領域５２については、格子定数は、基部領域のＩｎＮ組成と関係があり、活性領域５５の所定のＩｎＧａＮ発光層に対して、基部領域のＩｎＮ組成は、格子定数不適合性を制御するように選択することができる。いくつかの実施形態では、基部領域５２は、少なくとも１つの四元ＡｌＩｎＧａＮ層を含む。四元層を使用すると、格子定数をバンドギャップと独立して処理することができる。
【００１６】
図５は、所定のＩｎＧａＮ発光層組成について、基部領域に関する許容可能な格子パラメータ、ＧａＮ又はＩｎＧａＮ基部領域に関する許容可能なＩｎＮ組成、及び２０％ＡｌＮを含む四元ＡｌＩｎＧａＮ基部領域に関する許容可能なＩｎＮ組成を示す。好ましい基部領域格子定数及びＩｎＮ組成は、図５の点線対角線上又はその上方にある。第１の例においては、ＧａＮ基部領域５２を有する装置は、約８％に等しいか又はそれ以下のＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮ発光層を有することができる。第２の例においては、約５００ｎｍで光を放射する装置は、ＩｎＧａＮ発光層に約１５％ＩｎＮ組成を有する。基部領域の格子定数は、約３．２Å又はそれ以上であるべきである。ＩｎＧａＮ基部領域装置のＩｎＮ組成は、少なくとも７％であるべきである。２０％ＡｌＮを有するＡｌＩｎＧａＮ基部領域のＩｎＮ組成は、少なくとも１０％であるべきである。第３の例においては、約５５０ｎｍで光を放射する装置は、ＩｎＧａＮ発光層に約２０％のＩｎＮ組成を有する。基部領域の格子定数は、約３．２２Å又はそれ以上であるべきである。ＩｎＧａＮ基部領域のＩｎＮ組成は、少なくとも１２％であるべきである。２０％ＡｌＮを有するＡｌＩｎＧａＮ基部領域のＩｎＮ組成は、少なくとも１４％であるべきである。図５は、一例として２０％ＡｌＮを含む四元層の許容可能なＩｎＮ組成を示すが、図５の点線対角線上方にある格子パラメータを有する任意の四元層組成を使用することができることは理解されるものとする。
【００１７】
基部領域５２は、一般的に、厚い領域、例えば、少なくとも約１ミクロン厚である。基部領域５２は、発光層又は活性領域の層を含む、基部領域５２の上方で成長する層の格子定数を設定する。基部領域５２と発光層の間で成長する層、及び発光層自体は、それらが歪むほど十分に薄く成長する。歪んだ状態は、例えば、基部領域５２を活性領域５５と活性領域５５の発光層とから間隔を空けるｎ型領域５４における基部領域５２の格子定数を維持する。例えば、８％ＩｎＮを有するＩｎＧａＮ発光層は、ＧａＮ基部領域上に成長すると、歪んだ状態を維持するために約３３０ｎｍよりも小さい厚みを有することができ、１０％ＩｎＮを有するＩｎＧａＮ発光層は、約７５ｎｍよりも小さい厚みを有することができ、１４％ＩｎＮを有するＩｎＧａＮ発光層は、約３０ｎｍよりも小さい厚みを有することができる。
【００１８】
相分離を防止するために発光層と基部領域５２の間の格子定数の不適合性を制御すると、より厚い発光層を使用することができる。従来のＩＩＩ族窒化物装置では、多重量子井戸活性領域における量子井戸は、一般的に、約１０％のＩｎＮ組成の場合は約５ｎｍの厚み、及び約２０％のＩｎＮ組成に場合は約３ｎｍの厚みに制限される。基部領域５２及び活性領域５５の発光層の特性が発光層における相分離を実質的に低減するように選択される装置においては、より厚い量子井戸、例えば、約２０％のＩｎＮ組成の場合は約５ｎｍを使用することができる。更に、例えば、約５ｎｍと約３００ｎｍの間の厚みを有する単一の厚い発光層を使用することができる。
【００１９】
公知のＩＩＩ族窒化物成長技術を用いて、適切な格子定数を有する基部領域を製造することができる。ＳｉＣ成長基板を使用する時は、基部領域５２を直接基板上に成長させることができる。サファイア成長基板を使用する時は、基部領域５２を核生成領域上に成長させることができる。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のＩｎＮ含有核生成層の上に適切な格子定数の基部領域５２が成長する。基板に最も近い核生成層は、基板から離れている層よりも多くのインジウムを有することができる。核生成層は、低温、例えば、約４００℃と約６５０℃の間で成長させることができる。ＩｎＮ含有核生成層の上により高い温度で形成されるキャップ層を形成することができる。ＩｎＮ含有核生成層の成長は、当業技術で公知である。
【００２０】
いくつかの実施形態では、ＩｎＧａＮ基部領域は、最初に従来の低温（例えば、４００℃から６５０℃）ＧａＮ核生成層（例えば、１５０Åから３５０Å厚）をサファイア（０００１）基板上に成長させることによって成長させる。次に、厚い（０．５〜５ミクロン）ＩｎＧａＮ薄膜の基部領域をＧａＮ核生成層の上に成長させる。この基部領域の得られる格子パラメータは、ＩｎＧａＮ薄膜のＩｎＮ組成が下に重なる低温ＧａＮ核生成層に対して歪まないので、ＩｎＧａＮ薄膜のＩｎＮ組成によって判断される。高温ＩｎＧａＮ薄膜に対する典型的な前駆物質は、Ｎ2雰囲気におけるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びトリエチルガリウム（ＴＥＧ）又はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）である。基部領域のＩｎＮ組成は、成長温度、例えば、〜３％ＩｎＧａＮ薄膜に対する〜９７５℃で制御することができる。ＩｎＧａＮ成長温度を下げると、ＩｎＮ混和及び面内格子パラメータが大きくなることになる。ＩｎＧａＮ薄膜基部領域は、非ドープ又はドープとすることができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、装置の格子定数を「リセット」する構造の上に適切な格子定数の基部領域を成長させる。例えば、適切な組成の基部領域５２は、ＧａＮ欠陥低減層又はＳｉドープＧａＮ欠陥低減層の上に成長するＩｎＮ含有融合層として成長させることができる。このような融合層及び欠陥低減層の成長については、本出願の出願人に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている、Ｇｏｅｔｚ他に付与された米国特許第６，６３０，６９２号に説明されている。
【００２２】
発光層の任意の点のＩｎＮ組成の変動が平均ＩｎＮ組成に対して２０％よりも小さい上述のような装置では、欠陥状態を通じた非放射キャリア再結合を防止するＩｎＮ豊富領域が発光層にないので、転位密度の低減が必要であろう。いくつかの実施形態では、図４による装置は、約５×１０8ｃｍ-2よりも小さい転位密度が必要な場合がある。転位密度が約５×１０8ｃｍ-2よりも小さい装置は、例えば、エピタキシャル横方向過成長、ペンデオ・エピタキシ、又は片持エピタキシのような技術によって成長させることができる。エピタキシャル横方向過成長、ペンデオ・エピタキシ、又は片持エピタキシは、当業技術で公知であり、各々が引用により組み込まれている、米国特許第６，５９９，３６２号、Ｆｏｌｌｓｔａｅｄｔ他著「ＧａＮの片持エピタキシャル成長中の再方向付けによるスレディング転位の最小化」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、８１、２７５８（２００２年）、ナカムラ他著「エピタキシャル横方向過成長ＧａＮ基板上に成長した変調ドープ歪み層超格子を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮベースのレーザダイオード」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７２、２１１（１９９８年）、カトー他、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ、１４４，１３３（１９９４年）、及び米国特許第６，２６５，２８９号といった特許及び文献で説明されている。
【００２３】
図６は、大型接合装置（すなわち、１平方ミリメートル又はそれ以上の面積）の平面図である。図７は、軸７０に沿って切取った図６に示す装置の断面図である。図６及び図７は、図４及び付随する本文において図示及び説明したエピタキシャル構造５９のいずれかと共に使用することができる接点の配置を示す。エピタキシャル構造５９の活性領域は、ｎ接点５７が形成される３つの溝によって分離された４つの領域に分離されている。各領域は、ｐ接点５８上に形成された４つのｐサブマウント接続２４によりサブマウントに接続される。ｎ接点５７は、４つの活性領域を取り囲む。ｎ接点５７は、６つのｎサブマウント接続２３によりサブマウントに接続される。ｎ及びｐ接点は、絶縁層２２によって絶縁することができる。図６及び図７に示す装置は、装置を出る光の大半が成長基板５０を通じて出るように、一般的にフリップチップ構成に取付けられる。
【００２４】
図８は、パッケージ化された発光装置の分解組立図である。放熱スラグ１００は、挿入成形リードフレーム１０６内に置かれる。挿入成形リードフレーム１０６は、例えば、電路を形成する金属フレーム回りに成形された充填プラスチック材料である。スラグ１００は、任意的な反射器カップ１０２を含むことができる。上述の装置のいずれかである発光装置ダイ１０４は、直接に又は熱伝導サブマウント１０３を通じて間接的にスラグ１００に取り付けられる。光学レンズとすることができるカバー１０８を追加することもできる。
本発明を詳細に説明したので、当業者は、本発明の開示により、本明細書で説明した本発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に対して修正を為し得ることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図示及び説明した特定的な実施形態に限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを示す図である。
【図２】ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤに対するピーク波長の関数としての外部量子効率のプロットを示す図である。
【図３】異なる波長で光を放射する４つの装置に対する順電流の関数としての壁コンセント効率のプロットを示す図である。
【図４】本発明の実施形態によるＩＩＩ族窒化物装置の断面図である。
【図５】図４の装置の基部領域及び発光層のＩｎＮ組成に関して可能な範囲を示す図である。
【図６】図４に示す装置上の接点の配置の平面図である。
【図７】図４に示す装置上の接点の配置の断面図である。
【図８】パッケージ化された発光装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
５０  基板
５２  基部領域
５４  ｎ型領域
５５  活性領域
５６  ｐ型領域
５７  ｎ接点
５８  ｐ接点
【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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