(57)【要約】【課題】  ウルツ鉱半導体発光装置を提供する。【解決手段】  層の平面にほぼ平行な＜０００１＞軸を有するウルツ鉱結晶構造を有する、面内発光層と呼ばれるプレーナ発光層を含む半導体発光装置。面内発光層は、例えば、2005311375.tif 000017又は2005311375.tif 000018ＩｎＧａＮ発光層を含むことができる。いくつかの実施形態では、面内発光層は、５０Åよりも大きい厚みを有する。【選択図】          図４
2005311375.tif 000002
【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発光層を含む半導体発光装置であって、
発光層が、ウルツ鉱であり、
＜０００１＞軸が、前記発光層の上面とほぼ平行であり、
前記発光層は、２５Åよりも大きい厚みを有する、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記発光層は、５０Åよりも大きい厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記発光層は、９０Åよりも大きい厚みを有す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、１５０Åよりも大きい厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記発光層は、
【数１】
2005311375.tif 000015
ＩｎＧａＮを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記発光層は、
【数２】
2005311375.tif 000016
ＩｎＧａＮを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記発光層は、ＡｌＧａＮ及びＡｌｌｎＧａＮの一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記発光層のインジウムの組成は、前記ｎ型領域に隣接した該発光層の第１の部分の第１のインジウム組成から、前記ｐ型領域に隣接した該発光層の第２の部分の第２のインジウム組成まで段階付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の組成は、前記第２の組成よりも多いことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の組成は、前記第２の組成よりも少ないことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記発光層のアルミニウムの組成は、前記ｎ型領域に隣接した該発光層の第１の部分の第１のアルミニウム組成から、前記ｐ型領域に隣接した該発光層の第２の部分の第２のアルミニウム組成まで段階付けられることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記発光層のアルミニウムの組成は、前記ｎ型領域に隣接した該発光層の第１の部分の第１のアルミニウム組成から、前記ｐ型領域に隣接した該発光層の第２の部分の第２のアルミニウム組成まで段階付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の組成は、前記第２の組成よりも多いことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の組成は、前記第２の組成よりも少ないことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
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、
を更に含み、
前記第１の量子井戸、第２の量子井戸、及びバリア層は、活性領域を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１及び第２の量子井戸の一方のインジウム組成は、段階付けられることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記バリア層は、段階的な組成を有することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記活性領域は、第１及び第２のクラッド層の間に配置されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１及び第２のクラッド層は、前記第１及び第２の量子井戸よりも大きいバンドギャップを有することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１及び第２のクラッド層の各々は、前記活性領域の近くの該クラッド層の部分の第１のバンドギャップから、該活性領域から間隔の空いた該クラッド層の部分の第２のバンドギャップまで段階付けられ、
前記第２のバンドギャップは、前記第１のバンドギャップよりも大きい、
ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１及び第２のクラッド層のインジウムの組成は、段階付けられることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
１０Ａ／ｃｍ2よりも大きい電流密度で作動することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
１００Ａ／ｃｍ2よりも大きい電流密度で作動することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウルツ鉱半導体発光装置に関する。
【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。１つの部類のＵＶから緑色の発光ダイオード又は短波長レーザダイオードは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ又はＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ歪み量子井戸を使用して、量子井戸を挟むｎ型及びｐ型領域から注入された電子及正孔の再結合によって光を発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のウルツ鉱半導体発光装置の様々な問題を克服する新しいウルツ鉱半導体発光装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態によれば、半導体発光装置は、層の平面にほぼ平行な＜０００１＞軸を有するウルツ鉱結晶構造を備えた、面内発光層と呼ばれるプレーナ発光層を含む。面内発光層は、例えば、
【０００５】
【数１】
2005311375.tif 000003
【０００６】
又は
【０００７】
【数２】
2005311375.tif 000004
【０００８】
ＩｎＧａＮ発光層を含むことができる。いくつかの実施形態では、面内発光層は、５０Åよりも大きい厚みを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、ウルツ鉱結晶ＧａＮ構造を示す。ＩＩＩ族窒化物装置は、多くの場合、広い利用可能性及び基板の取り扱いやすさのために、サファイア基板の｛０００１｝又はｃ平面上に成長させられる。活性領域内の１つ又は複数の発光層を含む、得られるＩＩＩ族窒化物層は、一般的に｛０００１｝層であり、これは、＜０００１＞軸がＩＩＩ族窒化物層の平面に垂直であることを意味する。｛０００１｝配向のウルツ鉱結晶層では、自然及び圧電性の偏光の両方が見られ、その結果、ＩＩＩ族窒化物発光層と隣接層の間のインタフェースのような異なる合金組成の｛０００１｝ＩＩＩ族窒化物層間のインタフェースで固定電荷のシートが発生する。シート電荷により、発光層に亘って電界が生成される。
｛０００１｝ＩＩＩ族窒化物発光層の電界は、電位が変化する時に発光層のエネルギバンドを実質的に傾かせることができる。その結果、電子及び正孔の波動関数は、空間的に互いに分離し、波動関数の重なり積分が小さくなる。発光及び吸光のような光学特性は重なり積分に依存するので、｛０００１｝装置の効率は、電界の増大と共に低下する。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、結晶＜０００１＞方向が発光ＩＩＩ族窒化物層の平面にほぼ平行であるように成長する。＜０００１＞軸を発光層の平面に閉じ込めると、発光層に亘る電界を小さくすることができる。＜０００１＞方向が１つ又は複数の層の平面に平行な装置又は結晶層は、ｃ軸が装置層の平面に平行か又はその平面にあるので、以下では「面内」又は「面内偏光」装置又は層と呼ばれる。いくつかの実施形態では、ＩＩＩ族窒化物装置の活性領域の１つ又は複数の発光層は、四元合金ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）の
【００１１】
【数３】
2005311375.tif 000005
【００１２】
又は
【００１３】
【数４】
2005311375.tif 000006
【００１４】
層である。
【００１５】
面内発光層を有する装置は、面内成長基板上に装置層を成長させることによって製造することができる。面内活性領域の成長に適切な基板の例としては、２Ｈ、４Ｈ、又は６ＨポリタイプのＳｉＣの
【００１６】
【数５】
2005311375.tif 000007
【００１７】
及び
【００１８】
【数６】
2005311375.tif 000008
【００１９】
面、サファイアの
【００２０】
【数７】
2005311375.tif 000009
【００２１】
面、及びγ−ＬｉＡｌＯ2の｛１００｝面がある。ＳｉＣ基板の場合、堆積したＩＩＩ族窒化物薄膜の向きは、基板の向きに符合する。有機金属化学気相エピタキシ技術を用いる時は、面内ＩＩＩ族窒化物層を堆積させる処理は、＜０００１＞ＩＩＩ族窒化物層を＜０００１＞ＳｉＣ基板上に堆積させるのに使用される処理と類似のものである。ＡｌＧａＮのバッファ層は、高温（〜１１００℃）でＳｉＣ基板上に直接堆積する。ＧａＮの層は、ＡｌＧａＮバッファ層上に堆積する。発光ＩＩＩ族窒化物量子井戸は、ＧａＮ層上に堆積する。
【００２２】
【数８】
2005311375.tif 000010
【００２３】
面を有するサファイア基板の場合、堆積ＩＩＩ族窒化物薄膜は、
【００２４】
【数９】
2005311375.tif 000011
【００２５】
方向に配向される。有機金属化学気相エピタキシ技術を用いる時は、面内ＩＩＩ族窒化物層を堆積させる処理は、＜０００１＞ＩＩＩ族窒化物層を＜０００１＞サファイア基板上に堆積させるのに使用される処理と類似のものである。ＩＩＩ族窒化物バッファ層は、低温（〜５５０℃）でサファイア基板上に直接堆積する。ＧａＮの層は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層上に堆積する。発光ＩＩＩ族窒化物量子井戸は、ＧａＮ層上に堆積する。
【００２６】
＜１００＞γ−ＬｉＡｌＯ2基板の場合、堆積ＩＩＩ族窒化物薄膜は、
【数１０】
2005311375.tif 000012
【００２７】
方向に配向される。分子線エピタキシによって面内ＩＩＩ族窒化物層を堆積させる処理は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層を低温（〜５５０℃）で直接基板上に堆積させ、次に、高温で成長するＧａＮの層を堆積させる段階から成る。発光ＩＩＩ族窒化物量子井戸は、ＧａＮ層上に堆積する。
【００２８】
図２は、｛０００１｝発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置、及び面内発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置に対するエネルギバンドダイアグラムの一部分を示す。図２の点線は、量子井戸のポテンシャルの形が図示のように傾いた｛０００１｝発光層を示す。電子は、伝道バンド（点２０）の最も低いポテンシャルに集まり、正孔は、価電子バンド（点２２）の最も高いポテンシャルに集まる傾向があり、最も高い濃度の電子及び正孔キャリアにおいて空間的オフセットをもたらす。発光層の厚みが増すと、発光層に亘るポテンシャル差が大きくなり、電子の重なり積分及び正孔波動関数が小さくなることにより、オフセットに亘るキャリアの放射再結合の可能性を低減する。従って、かなりの電界を｛０００１｝発光層のような発光層に有する装置では、電界は、発光層の厚みを実質的に制限する。
【００２９】
図２の実線は、面内発光層を示す。発光層の自然な偏光は、＜０００１＞軸を発光層の平面に閉じ込めることによって大幅に小さくなるので、エネルギバンドダイアグラムにおける傾きは、大幅に小さくなるか又は排除される。従って、面内発光層は、量子井戸の両側のキャリアを閉じ込めることなく｛０００１｝発光層よりも厚くすることができる。更に、発光層が厚いほど、より多くのキャリアを収容することができ、潜在的に、所定の内部量子効率に対して｛０００１｝装置よりも高い電流密度での作動を可能にする。
【００３０】
図２の点線で示すような｛０００１｝発光層は、例えば２５Åよりも小さい厚みでは良好な効率を示し、例えば５０Åよりも小さい厚みでは許容可能な効率を示すことができる。これと対照的に、図２の実線で示すような面内発光層は、５０Åを超える厚みを有する可能性があり、９０又は１５０Åを超える厚みを有することが多い。
【００３１】
本発明人は、９０Å厚の量子井戸を有する、
【数１１】
2005311375.tif 000013
【００３２】
ＳｉＣ上に成長させたＩＩＩ族窒化物光ルミネセンス試験構造体を準備した。この
【００３３】
【数１２】
2005311375.tif 000014
【００３４】
試験構造体は、同じ入力レーザ強度を有する２５Å厚｛０００１｝量子井戸の効率の約１７％で光を放射した。これと対照的に、同じ入力レーザ強度を有する９０Å厚｛０００１｝量子井戸を備えた試験構造体は光を放射せず、面内発光層が、偏光発光層よりも厚い場合があることを示している。
【００３５】
図３は、段階的なバンドギャップを有する｛０００１｝発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置と、段階的なバンドギャップを有する面内発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置とに対するエネルギバンドダイアグラムの一部分を示す。図２のように、図３においては、点線は、｛０００１｝発光層を表し、実線は、面内発光層を表す。図３に示す装置の各々においては、発光層に亘るバンドギャップは、例えば、ＩｎＧａＮ発光層内のＩｎＮの組成を段階付けることによって段階付けられる。｛０００１｝発光層内のＩｎＮの組成を段階付けて、その層内の偏光によって引き起こされたエネルギバンドの傾きを補償することにより、図２に関連して上述したオフセットを小さくすることができる。図３の点線で示すように、このような段階付けの１つの結果は、一方のバンドがより平坦になり（図３の伝導バンド）、同時に、他方のバンドの傾きが大きくなる（図３の価電子バンド）ことである。すなわち、｛０００１｝発光層における段階付けは、上述のオフセット問題を解決するために厳しいものでなければならない。
【００３６】
面内発光層においては、発光層の組成は、上述の｛０００１｝発光層の問題に遭遇することなく段階付けることができる。面内発光層を段階付けると、電子及び正孔波動関数間の重なり積分が大きくなる。面内発光層は、両方の種類のキャリアを発光層の同じ側に押しやるように段階付けることができる。再結合が発光層の片側で好ましい場合、例えば、発光層の一方の側のインタフェースが、例えば、発光層の他方の側のインタフェースよりも非放射再結合に対してより多くの利用可能な欠陥を有する場合は、発光層を段階付けることは有用であろう。
【００３７】
面内発光層は、三元ＩｎＧａＮ又は四元ＡｌＩｎＧａＮ層の場合は、Ｉｎ組成を段階付けることによって段階付けることができる。青色光を放射する非段階的｛０００１｝ＩｎＧａＮ発光層は、一般的に、約８％と約１２％の間のＩｎ組成を有し、緑色光を放射する層は、一般的に、約１６％と約２０％の間のＩｎ組成を有する。面内段階的発光層では、段階的なＩｎ組成は、上述のＩｎ組成から始まり、終了し、又はそれを通過することができる。
ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ量子井戸の場合は、Ａｌの組成及び／又はＩｎの組成は、発光層において段階付けることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、面内発光層は、図６に示すように多重量子井戸活性領域に含まれる。３つの量子井戸５０は、バリア層５２によって分離されている。クラッド層５４は、電子及び正孔を活性領域に閉じ込める。３つの量子井戸を示しているが、使用する量子井戸は、これよりも多く又は少なくすることができる。量子井戸５０は、上述のように厚くすることができ、各々が同じか又は異なる幅を有することができる。量子井戸５０は、一定の組成を有することができ、各々が同じか又は異なる組成を有することもできる。上述のように、１つ又はそれ以上の量子井戸５０を段階付けることができる。いくつかの実施形態では、バリア層５２及び／又はクラッド層５４は、段階的な組成を有することができる。クラッド層は、量子井戸層５０に入る「漏斗」を作り出すように段階付けることができる。バリア層５２は、一定の組成を有することができ、各々が同じか又は異なる組成を有することもできる。
上述の面内発光層は、非ドープ、ｎ型、又はｐ型とすることができる。
【００３９】
面内発光層は、いくつかの利点を提供することができる。第１に、面内発光層は、装置をより高い電流密度で作動させることができる。｛０００１｝ＩＩＩ族窒化物装置においては、装置の効率は、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下がる。｛０００１｝ＩＩＩ族窒化物装置が作動する電流密度は、例えば、約１０Ａ／ｃｍ2とすることができる。｛０００１｝発光層よりも厚く作ることができる面内発光層を使用すると、効率の低下なく遥かに高い電流密度、例えば、約１００Ａ／ｃｍ2よりも大きい密度で装置を作動させることができる。
【００４０】
第２に、面内発光層は、高電流密度での放射波長のシフトを小さくすることができる。上述のように、｛０００１｝ＩＩＩ族窒化物発光層における電界は、発光層のエネルギバンドを大幅に傾かせる可能性がある。電流密度の増加に伴って、発光層におけるキャリア密度の増加は、シート電荷を遮蔽し、傾いたバンドを平坦なバンド状態に戻し、放射波長のシフトを引き起こす。放射波長のシフトは、特に、燐光体変換装置又はディスプレイに組み込まれた装置の場合は望ましくない。面内装置においては、発光層の電界は、実質的に低減されるか又は排除される。すなわち、増加した電流密度での作動は、層内のポテンシャルを感知できるほど変化させず、従って、光の放射波長を感知できるほど変化させない。
【００４１】
図４及び図５は、面内発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置を示す。図４の装置においては、ｎ型領域４２を適切な成長基板４０の上に成長させ、次に、活性領域４３及びｐ型領域４４を成長させる。成長基板４０は、例えば、上述の面内成長基板又は任意の他の適切な成長基板とすることができる。ｎ型領域４２、活性領域４３、及びｐ型領域４４の各々は、異なる組成、厚み、及びドーパント濃度の複数の層を含むことができる。例えば、ｎ型領域４２及びｐ型領域４４は、オーム接触に対して最適化された接触層、及び活性領域４３内にキャリアを含むように最適化されたクラッド層を含むことができる。活性領域４３は、上述のように、少なくとも１つの面内発光層を含む。活性領域４３は、単一の発光層を含むことができ、又はバリア層によって分離された複数の量子井戸発光層を含むことができる。
【００４２】
図４に示す装置においては、ｐ型領域４４及び活性領域４３の一部分は、ｎ型領域４２の一部分を露出するためにエッチングで除去される。ｐ接点４５が、ｐ型領域４４の残りの部分に形成され、ｎ接点４６が、ｎ型領域４２の露出部分に形成される。接点４５及び４６は、光が基板４０の裏側を通じて装置から抽出されるように反射性とすることができる。代替的に、接点４５及び４６は、透明、半透明、又はｐ型領域４４及びｎ型領域４２の表面の大部分が接点によって露出状態になるように形成することができる。このような装置においては、光は、エピタキシャル構造の上面、すなわち、接点４５及び４６が形成された表面を通じて装置から抽出することができる。
【００４３】
図５に示す装置においては、エピタキシャル層は、ｐ接点４５を通じてホスト基板４９に接合される。結合を容易にするための付加的な層（図示せず）を、ｐ型領域４４とホスト４９の間に含めることができる。エピタキシャル層をホスト４９に結合した後に、ｎ型領域４２の表面を露出させるために成長基板を除去することができる。活性領域のｐ側との接触は、ホスト４９を通じてもたらされる。ｎ接点４６は、ｎ型領域４２の露出面の一部分上に形成される。
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】
【００４４】
【図１】ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶構造を示す図である。
【図２】｛０００１｝発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置及び面内発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置に対するエネルギバンドダイアグラムの一部分を示す図である。
【図３】｛０００１｝発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置及び面内発光層を含むＩＩＩ族窒化物装置のエネルギバンドダイアグラムの一部分を示す図である。
【図４】面内発光層を組み込むＩＩＩ族窒化物発光装置を示す図である。
【図５】面内発光層を組み込むＩＩＩ族窒化物発光装置を示す図である。
【図６】面内多重量子井戸活性領域を含むＩＩＩ族窒化物装置に対するエネルギバンドダイアグラムの一部分を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
４０  成長基板
４２  ｎ型領域
４３  活性領域
４４  ｐ型領域
４５、４６  接点
【図１】
2005311375.tif 000019
【図２】
2005311375.tif 000020
【図３】
2005311375.tif 000021
【図４】
2005311375.tif 000022
【図５】
2005311375.tif 000023
【図６】
2005311375.tif 000024