(57)【要約】【課題】  本発明は、発光ダイオード等のIII族窒化物発光デバイスのための、活性領域の量子井戸層で利用可能な電荷キャリア数を増加できるヘテロ構造デザインを提供する。【解決手段】  第１の実施形態において、リザーバ層は、発光デバイスの活性領域内にバリア層及び量子井戸層と一緒に含まれる。特定の実施形態において、リザーバ層は、バリア層及び量子井戸層よりも厚く、バリア層よりも多いインジウム組成を有し、量子井戸層よりも少ないインジウム組成を有する。特定の実施形態において、リザーバ層は、傾斜がつけられている。第２の実施形態において、発光デバイスの活性領域は、量子井戸層とバリア層とが交互になっている超格子である。特定の実施形態において、バリア層は、電荷キャリアがバリア層を通って各量子井戸層の間を通り抜けることができる程度に薄い。【選択図】          図１
2005012216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に重なる第１の導電型の領域と、
前記第１の導電型の領域に重なる活性領域と、
前記活性領域に重なる第２の導電型の領域と、
を備える発光デバイスであって、
前記活性領域が、
ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）を含むと共に第１のバンドギャップを有する量子井戸層と、
バリア層と、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）を含むと共に第２のバンドギャップを有し、更に前記量子井戸層に電荷キャリアを供給するリザーバ層と、
を備え、前記第１のバンドギャップが前記第２のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記バリア層が、第３のバンドギャップを有し、
前記第３のバンドギャップが、前記第２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１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記量子井戸層が、第１のインジウム組成を有し、
前記リザーバ層が、第２のインジウム組成を有し、
前記第１のインジウム組成が、前記第２のインジウム組成よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記バリア層が、第３のインジウム組成を有し、
前記第２のインジウム組成が、前記第３のインジウム組成よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記バリア層が、前記量子井戸層と前記リザーバ層との間に挿入されることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記量子井戸層が、第１の厚みを有し、
前記リザーバ層が、第２の厚みを有し、
前記第２の厚みが前記第１の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記バリア層が、第３の厚みを有し、
前記第１の厚みが前記第３の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記バリア層が、約５オングストロームと約２５０オングストロームとの間の厚みを有し、
前記量子井戸層が、約５オングストロームと約１００オングストロームとの間の厚みを有し、
前記リザーバ層が、約５オングストロームと約２５０オングストロームとの間の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記バリア層が、ＧａＮ又は、約０％と約１５％との間のインジウム組成を有するＩｎＧａＮであり、
前記量子井戸層が、ＧａＮ又は、約０％と約３０％との間のインジウム組成を有するＩｎＧａＮであり、
前記リザーバ層が、約０％と約２５％との間のインジウム組成を有するＩｎＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記リザーバ層の少なくとも一部の組成が、傾斜付けされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記組成が、前記第１の導電型領域と前記第２の導電型領域のうちの１つに隣接する前記リザーバ層の第１の部分の第１のインジウム組成から、前記量子井戸と前記バリア層のうちの１つに隣接する前記リザーバ層の第２の部分の第２の組成へ傾斜付けされ、
前記第１のインジウム組成が、前記第２のインジウム組成よりも少ないことを特徴とする請求項１０に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記リザーバ層が、各々がインジウム組成を有する複数のサブ層を備え、
最も少ないインジウム組成を有するサブ層が、前記第１の導電型領域と前記第２の導電型領域の内の１つに隣接して配置され、
最も多いインジウム組成を有するサブ層が、前記量子井戸層と前記バリア層の内の１つに隣接して配置されることを特徴とする請求項１０に記載の発光デバス。
【請求項１３】
前記傾斜が単調的であることを特徴とする請求項１０に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
前記組成が、直線状、段階的傾斜、及び放物線状からなる群から選択されるプロファイルで傾斜されることを特徴とする請求項１０に記載の発光デバイス。
【請求項１５】
前記リザーバ層が、一定の組成を有する第１の部分と傾斜組成を有する第２の部分とを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１６】
前記第１の導電型領域に接続されている第１の接触部と、
前記第２の導電型領域に接続されている第２の接触部と、
前記第１の接触部及び前記第２の接触部に接続されているサブマウントと、
前記基板に重なるレンズと、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１７】
前記量子井戸層、バリア層、及びリザーバ層の各々は、
前記リザーバ層内の電荷キャリアの滞留時間が、電荷キャリアが前記リザーバ層から前記量子井戸層へ通り抜けるのに必要な時間よりも長く、
電荷キャリアが前記リザーバ層から前記量子井戸層へ通り抜けるのに必要な時間が、電荷キャリアの前記量子井戸内での滞留時間よりも長い、
ような組成及び厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１８】
基板と、
前記基板に重なる第１の導電型の領域と、
第１の導電型の前記領域に重なり、量子井戸層とバリア層とが交互になった超格子を有する活性領域と、
前記活性領域に重なる第２の導電型の領域と、
を備える発光デバイスであって、
前記バリア層は、電荷キャリアが前記バリア層を通って前記量子井戸層の間を通り抜けることができるような厚みを有することを特徴とする発光デバイス。
【請求項１９】
前記バリア層の少なくとも１つが、約５オングストロームと約１１０オングストロームとの間の厚みを有し、
前記量子井戸層の少なくとも１つが、約２０オングストロームと約４０オングストロームとの間の厚みを有することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２０】
前記バリア層の少なくとも１つが、約５オングストロームと約２５オングストロームとの間の厚みを有し、
前記量子井戸層の少なくとも１つが、約２０オングストロームと約２５オングストロームとの間の厚みを有することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２１】
前記バリア層の少なくとも１つが、約０％と約１５％との間のインジウム組成を有し、
前記量子井戸層の少なくとも１つが、約４％と約２５％と間のインジウム組成を有することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２２】
前記第１の導電型領域に接続されている第１の接触部と、
前記第２の導電型領域に接続されている第２の接触部と、
前記第１の接触部及び前記第２の接触部に接続されているサブマウントと、
前記基板に重なるレンズと、
を更に備えることを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２３】
第１の導電型の領域を準備する段階と、
第２の導電型の領域を準備する段階と、
前記第１の導電型領域を前記第２の導電型領域から分離する活性領域を準備する段階と、
を含む発光デバイスを形成する方法であって、前記活性領域を準備する段階は、
量子井戸層、バリア層、及びリザーバ層の各々に関する組成及び厚みを選択する段階を含み、前記選択する段階は、
前記リザーバ層内の電荷キャリアの滞留時間が、電荷キャリアが前記リザーバ層から前記量子井戸層へ通り抜けるのに必要な時間よりも長く、
電荷キャリアが前記リザーバ層から前記量子井戸層へ通り抜けるのに必要な時間が、電荷キャリアの前記量子井戸内での滞留時間よりも長くなるように選択することを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記量子井戸層が、第１のインジウム組成を有し、
前記リザーバ層が、第２のインジウム組成を有し、
前記第１のインジウム組成が、前記第２のインジウム組成よりも多いことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記バリア層が、第３のインジウム組成を有し、
前記第２のインジウム組成が、前記第３のインジウム組成よりも多いことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記量子井戸層が、第１の厚みを有し、
前記リザーバ層が、第２の厚みを有し、
前記第２の厚みが、前記第１の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記バリア層が、第３の厚みを有し、
前記第１の厚みが、前記第３の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的には半導体発光デバイスに関し、より詳細には、III族発光デバイスのための活性領域に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率の良い光源の１つである。可視スペクトルにわたって作動できる高輝度ＬＥＤの製造において現在関心のある材料システムは、III−Ｖ族半導体、特に、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の、２元、３元、及び４元合金であり、III族窒化物材料とも呼ばれている。典型的に、III族窒化物層は、サファイヤ、炭化ケイ素、又は窒化ガリウム基板上に、エピタキシャル的に形成される。
【０００３】
通常、III族窒化物デバイスは、バリア層によって分離された複数の量子井戸層を含む発光領域又は活性領域と共に成長する。活性領域は、ｐ型領域とｎ型領域との間に挟まれている。ｐ型領域及びｎ型領域は、正及び負の電荷キャリア（電子及び正孔）を活性領域内の量子井戸層に供給し、そこで正及び負の電荷キャリアは再結合して発光する。発光デバイスの輝度は、少なくともデバイスの内部量子効率によって部分的に決定され、内部量子効率は、活性領域内でどれだけの発光電子−空孔再結合が発生するかの目安である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
各々の量子井戸層は、所定時間に有限数の電荷キャリアを保持できる。半導体層のキャリア容量は、この層内にどれ程の材料が存在するかに依存するので、量子井戸層が厚いほど、量子井戸層はより多くのキャリアを保持することができる。しかしながら、III族窒化物デバイスにおいては、一般に量子井戸層はＩｎＧａＮであり、これはインジウム原子の大きな寸法及び量子井戸層を発光させるのに必要なインジウム量に起因して、他のIII族窒化物に比較して結晶特性が劣っている。別の厄介な問題は、通常、ＩｎＧａＮがＧａＮよりも低い温度で成長することであり、これにより結晶特性が損なわれる。更に、ＩｎＧａＮ層内には、発光層のキャリア容量を制限するＩｎ変動が存在する。圧電場は、再結合に関する振動子強度低下と共に、電子波動関数と正孔波動関数のオーバーラップ低下を引き起こす場合がある。最後に、結晶性半導体層の欠陥は、正及び負の電荷キャリアの非放射再結合を引き起こす場合があり、このことは、量子井戸層から電荷キャリアを奪うことによって、デバイスが発生する光量を低下させる場合がある。従って、発光デバイスの結晶特性及び内部量子効率を維持するために、量子井戸層は一般に薄く、量子井戸層を分離するバリア層は、Ｉｎを含有する量子井戸層よりも良好な結晶特性の一般に厚い層である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態には、発光ダイオード等のIII族窒化物発光デバイスのための、活性領域の量子井戸層で利用可能な電荷キャリア数を増加できるヘテロ構造デザインが開示される。第１の実施形態において、リザーバ層は、発光デバイスの活性領域内にバリア層及び量子井戸層と一緒に含まれる。特定の実施形態において、リザーバ層は、バリア層及び量子井戸層よりも厚く、バリア層よりも多いインジウム組成を有し、量子井戸層よりも少ないインジウム組成を有する。特定の実施形態において、リザーバ層は、量子井戸層に隣接し、キャリアを量子井戸層内に「ファンネル」で流し込むように傾斜がつけられている。
【０００６】
第２の実施形態において、発光デバイスの活性領域は、量子井戸層とバリア層とが交互になっている超格子である。特定の実施形態において、バリア層は、電荷キャリアがバリア層を通って各量子井戸層の間を通り抜けることができる程度に薄い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施形態において、発光ダイオードのようなIII族窒化物発光デバイスのための、活性領域の量子井戸層内で利用可能な電荷キャリアの数を増加できるヘテロ構造設計が開示される。本明細書で用いる場合、III族窒化物半導体層は、一般式ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される化合物を呼び、この化合物は、ホウ素及びタリウム等のIII族元素を更に含むことができ、窒素の一部は、リン、ヒ素、アンチモン、又はビスマスによって置き換えることができる。
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施形態による発光デバイスの断面図を示す。図１に示したデバイスにおいて、１つ又はそれ以上のｎ型層１１は、基板１０上にエピタキシャル的に堆積される。基板１０は、例えば、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は任意の他の好適な基板であってもよい。ｎ型層１１は、例えば、緩衝層、接触層、非ドープ結晶層、及び種々の組成及び種々のドーパント濃度のｎ型層を含むことができる。次に、活性領域１８がｎ型層の上に形成される。次に、１つ又はそれ以上のｐ型層１５が活性領域１８上に形成される。ｐ型層１５は、例えば、隔離層、接触層、及び他の種々の組成及び種々のドーパントの他のｐ型層を含む。次に、ｐ型層１５に電極又は接点を形成することになる、１つ又はそれ以上のｐ−金属層１６がｐ型層１５上に堆積さる。活性領域及びｐ型層の一部は、ｎ型層１１の一部を露出するために除去される。１つ又はそれ以上のｎ−金属層１７は、デバイスのｎ型層への接点を形作るためにｎ型層１１の露出部分に堆積される。
【０００９】
活性領域１８は、量子井戸層１４、バリア層１３、及びリザーバ層１２を含む。図２は、図１に示したデバイス層の一部に関する伝導帯端エネルギー線図の例を示す。図２に示すように、リザーバ層１２は、量子井戸１４よりも大きなバンドギャップを有し、バリア層１３及び活性領域の外側のデバイス層１１、１５よりも小さなバンドギャップを有する。量子井戸層１４及びリザーバ層１２は、ＩｎＧａＮであってもよく、バリア層１３はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）であってもよい。ＩｎＧａＮ層内のインジウムの量が低下するにつれてバンドギャップは増大し、従って、リザーバ層１２は量子井戸層１４よりも少ないインジウムを含み、バリア層１３よりも多いインジウムを含むことができる。量子井戸層１４は、０％（例えば、バリア層がＡｌＧａＮの場合）と約３０％との間の範囲のインジウム組成を有し、通常、約４％と約２５％との間の範囲のインジウム組成を有することができる。バリア層は、０％と１５％との間の範囲のインジウム組成を有することができ、通常、０％と５％との間の範囲のインジウム組成を有する。リザーバ層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮであってもよい。１つの実施形態において、リザーバ層は、０％と約２５％との間の範囲のインジウム組成を有するＩｎＧａＮである。
【００１０】
バリア層１３は、電荷キャリアがリザーバ層から量子井戸層１４にバリア層１３を通って通り抜けることができるほど十分薄い。バリア層は、約５オングストロームと約２００オングストロームとの間の厚みを有することができ、２０オングストローム又はそれ以下の厚みである場合が多く、量子井戸層１４は、約５オングストロームと約１００オングストロームとの間の厚みを有することができ、約２５オングストロームの厚みである場合が多く、更に、リザーバ層は、約５オングストロームと約５００オングストロームとの間の厚みを有することができ、約２５オングストロームよりも大きい厚みである場合が多い。リザーバ層１２及びバリア層１３は、ｐ型又はｎ型ドーパントでドープしてもよく、又はドープしなくてもよい。１つの実施形態において、リザーバ層は、ｎ型又はｐ型ドーパントを用いて、約５×１０16ｃｍ-3と約５×１０19ｃｍ-3との間のドーパント濃度にドープされる。１つの実施形態において、リザーバ層１２は、活性領域１８内の他の層と同じ導電型のドーパントを用いてドープされる。
【００１１】
リザーバ層１２は、量子井戸１４に近接してキャリア蓄積を行い、キャリアは、バリア１３を通って量子井戸１４内に容易に通り抜けることができる。リザーバ層１２は量子井戸層１４にキャリアを供給するので、例えば、発光再結合によって量子井戸層１４からキャリアが離れると直ぐに、リザーバ１２から他のキャリアを入手してその場所に持ち込むことができる。リザーバ層１２は、量子井戸層１４よりも少ないインジウムを有するので、リザーバ層１２はより優れた結晶特性を有し、これにより、リザーバ層１２は、長い減衰期間でキャリアを保持できる。量子井戸層１４、バリア層１３、及びリザーバ層１２の組成及び厚みは、
τRV≫τTUN≫τW                （１）
であるように選択でき、ここで、τRVはリザーバ層１２内でのキャリアの滞留時間、τTUNはキャリアがリザーバ層１２から量子井戸層１４へ通り抜けるのに必要な時間、τWは量子井戸内のキャリアが再結合して光を生成する前の量子井戸層１４内のキャリアの滞留時間である。リザーバ層１２内の滞留時間は、量子井戸層１４内の滞留時間よりも非常に長いので、一定供給されるキャリアは、量子井戸１４内の任意の空孔を満たすためにリザーバ１２において利用可能である。
【００１２】
バリア層１３を通って通り抜ける確率は、リザーバ１２及び量子井戸１４内の電荷キャリアに使用できる状態の各エネルギー準位がほとんど等しいように、リザーバ１２及び量子井戸１４の組成及び厚みを選択することによって最大にすることができる。この状態のエネルギー準位がほとんど等しい場合、キャリアがリザーバ１２と量子井戸１４との間を通り抜ける確率が高い。また、トンネル現象の確率は、III族窒化物材料内に自然に発生する分極場の利点を利用することによって最大にすることができる。図３は、III族窒化物内に存在する分極場を考慮した、図１に示すデバイス層の一部に関する伝導帯端エネルギー線図の例を示す。分極場は、エネルギー帯線図を歪めるので、リザーバ層１２内のコーナ部３０での伝導帯は、リザーバ層１２の残りの部分よりも低い。同様に、量子井戸層１４内のコーナ部３２での伝導帯は、量子井戸層１４の残りの部分よりも低い。コーナ部３０での伝導帯が、リザーバ層１２の残りの部分よりも低いという理由で、キャリアがコーナ部３０に集まる傾向になるので、キャリアは量子井戸１４に向かって「押し進められる」。
【００１３】
図１は、各々の量子井戸層１４のいずれかの面上のリザーバ層１２を示すが、別の構造のリザーバを活性領域に使用することができる。第１に、２つ又はそれ以上の量子井戸層を各リザーバ層の間に挟み込むことができる。例えば、リザーバ層がｎ型層に重なり、第１のバリア層がリザーバ層に重なり、第１の量子井戸層が第１のバリア層に重なり、第２のバリア層が第１の量子井戸層に重なり、第２の量子井戸層が第２のバリア層に重なり、第３のバリア層が第２の量子井戸層に重なり、次に、第２のリザーバ層が第３のバリア層に重なるように配置することができる。第２に、リザーバ層は、活性領域の中心部のみに使用することができる。活性領域の最も外側の層はバリア層又は量子井戸であってもよく、図１に示すデバイスのようにリザーバ層である必要はない。第３に、別個のリザーバ層は、異なる組成又は異なる厚みを有することができる。リザーバ層は、図１に示すデバイスのように同一の組成又は同一の厚みをもつ必要はない。第４に、活性領域内のリザーバ層の配置は、対称である必要はない。例えば、デバイスは、活性領域の一方側のｎ型層に隣接するリザーバ層を有することができ、この場合、活性領域の他方側のｐ型層に隣接するバリア層又は量子井戸を有することができる。
【００１４】
図４は、本発明の第２の実施形態による発光デバイスを示す。図４に示すデバイスにおいて、量子井戸層１４はバリア層によってリザーバ層１２から分離されていない。バリア層１３は、図４に示すように各量子井戸層１４を互いに分離することができ、又は他のリザーバ層が、各量子井戸層１４を分離することができる。
【００１５】
図５から図８は、図４に示すデバイスの一部の層に関する伝導帯端エネルギー線図の実施例を示す。図５から図８に示すように、リザーバ層１２は、傾斜組成を有することができる。本明細書に用いる場合、デバイスの１つ又は複数の層内の組成又はドーパント濃度を説明する際の用語「傾斜」は、組成及び／又はドーパント濃度での単ステップ以外の任意の方法で、組成及び／又はドーパント濃度の変化を達成する任意の構造を意味する。図７に示す１つの実施例において、傾斜リザーバは、層のスタックであり、各々の層は、隣接するいずれの層とも異なる組成及び／又はドーパント濃度を有する。各層が分割できる厚みの場合、傾斜領域は、段階的傾斜領域又は指数的傾斜領域として知られる。個々の層の厚みがゼロに近付く極限において、傾斜リザーバ領域は、連続的傾斜領域として知られる。傾斜リザーバ領域を形成する層は、厚みに対する組成及び／又はドーパント濃度において種々のプロファイルを形作るように配置でき、このプロファイルとしては、直線的傾斜、放物線的傾斜、及び指数関数的傾斜を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。また、傾斜リザーバは、単一の傾斜プロファイルに限定されず、異なった傾斜プロファイルを有する複数の部分を含むことができ、実質的に一定の組成及び／又はドーパント濃度の領域を有する１つ又はそれ以上の部分を含むことができる。
【００１６】
図５及び図６に示すように、リザーバ層１２は直線的単調組成傾斜でもって作ることができる。図５に示すデバイスにおいて、リザーバ１２のインジウム組成は、典型的にはゼロであるｎ型層１１のインジウム％から、量子井戸層１４のインジウム組成よりも少ないインジウム組成に傾斜付けされる。従って、インジウム組成は量子井戸１４内で増加する。図６に示すデバイスについて説明するように、リザーバ１２のインジウム組成は、ｎ型層１１内のインジウム組成から量子井戸１４内のインジウム組成まで連続的に傾斜付けされ、傾斜リザーバ領域１２と量子井戸層１４との間のインジウム組成における急激な段階的変化はない。また、図６は、ｎ型層１１に隣接するリザーバ内の傾斜が、ｐ型層１５に隣接するリザーバの傾斜と同じである必要はなく、又は対称である必要はないことを示している。
【００１７】
図７に示すデバイスにおいて、リザーバ１２は一連の層であり、各々の層は異なるインジウム組成を有する。ｎ型層１１に隣接するリザーバ１２において、各々の層が成長するにつれてインジウム組成が増える。インジウム組成の増減は、段階的傾斜リザーバにおいて、各々の層に関して同じである必要はない。図８に示すデバイスにおいて、リザーバ１２は非直線的単調組成傾斜でもって作られる。
【００１８】
図５から図８に示して説明したリザーバ層の傾斜方式は、活性領域に隣接するｎ型及びｐ型層の低インジウム組成から、活性領域内の量子井戸層に隣接するリザーバの領域の高インジウム組成まで傾斜させるものである。この傾斜方式は、量子井戸層内にキャリアを案内する「ファンネル」を作り出すように選択される。更に、活性領域に直接隣接する傾斜リザーバ層の存在は、キャリアを保持するのに利用できる材料の量を増加させるので、量子井戸層に利用できるキャリアの数が増加する。
【００１９】
図９は、本発明の第３の実施形態による発光デバイスを示す。図９に示すデバイスにおいて、活性領域内の量子井戸１４及びバリア層１３が超格子を形成する。量子井戸層１４及びバリア層１３は、図１に関連して説明したデバイスと同じインジウム組成を有することができる。超格子において、量子井戸層は約５オングストロームから約５０オングストロームの厚みを有することができ、２０オングストロームから４０オングストロームの厚みである場合が多い。バリア層は、約５オングストロームから約１１０オングストロームの厚みを有することができ、２５オングストローム未満の厚みである場合が多い。バリア層は、キャリアが活性領域１８内のバリア層１３を通って各量子井戸層１４の間を通り抜けることができるように十分に薄い。所定のバリア厚みに対するトンネル現象の速度は、量子井戸の厚みに左右される。量子井戸の厚みが減少するにつれてトンネル現象の速度は増大するが、これは量子井戸とバリアとの間のエネルギー準位の差が減少するからである。特定の実施形態において、活性領域内の各々の量子井戸の厚みは、その量子井戸に近接した所望のトンネル現象速度に応じて選択できる。図９に示す超格子活性領域は、図１から図８に示したリザーバ層に使用できる。例えば、図９に示すデバイスは、超格子の一方側又は両側にリザーバ層を組み込むことができ、及び／又は１つ又はそれ以上のリザーバ層を超格子内に組み込むことができる。
【００２０】
バリアが、図９に示すデバイスと同様に、キャリアは各量子井戸層の間を通り抜けることができるように十分に薄い場合、この量子井戸層は「連結」され、このことは、活性領域１８が複数の別個の薄い量子井戸層ではなくて、単一の量子井戸のように振る舞うことを意味する。この連結は、いくつかの利点をもたらす。第１に、キャリアが各量子井戸層の間を通り抜けるので、キャリアは量子井戸の任意の１つに見つけることができ、キャリアをより活性な材料の支配下に置くことができる。このことは、厚いバリア層を有する従来の活性領域に対する改善である。結果として、より多くのキャリアが活性領域内の量子井戸層での再結合に使用可能となり、デバイスの光出力が大きくなる。
【００２１】
第２に、超格子活性領域での閉じ込めペナルティを、厚いバリア層を有する従来の活性領域よりも少なくできる。閉じ込めペナルティは、薄い量子井戸（図１０Ａ）、厚い量子井戸（図１０Ｂ）、及び超格子活性領域（図１０Ｃ）に関する伝導帯端エネルギー線図を示す図１０Ａから１０Ｃに説明される。ライン１２１は、図１０Ａに示す量子井戸内でキャリアが占める必要があるエネルギー準位を示す。図１０Ａの量子井戸は薄く、キャリアが小空間に閉じ込められるので、エネルギー準位１２１は高い。対照的に、図１０Ｂの広い量子井戸内のエネルギー準位１２２は、図１０Ａのエネルギー準位１２１よりも非常に低く、これは、図１０Ｂの広い量子井戸内に閉じ込められるキャリアが少ないからである。図１０Ｃには、超格子活性領域内でキャリアが占める必要があるエネルギー準位を示す。超格子は、内部に複数の「柱」を有する広い量子井戸のように作動すると考えることができる。ここでは、キャリアが井戸の任意の１つの中に「存在」するので、結果的に、キャリアは、薄い量子井戸以上に散らばる。バリア層の「柱」の存在は、同じ活性領域幅を有する井戸のエネルギーを上昇させる。エネルギー準位は、デバイスからの発光色を決定する。また、量子井戸層内のインジウムの組成も発光色に影響するので、超格子活性領域を使用してエネルギー準位を低下させると、所定の発光色に必要なインジウム組成が減少することになる。前述のように、一般に、層内のインジウムの量が増加すると層の結晶特性が損なわれる。結晶特性が損なわれると効率が低下する可能性がある。従って、超格子活性領域を組み込むデバイスは、効率が高く、同時に高いインジウム組成の非連結量子井戸デバイスと同じ色の光を発する。
【００２２】
第３に、超格子活性領域は分極場の影響を低減できる。図１１は、超格子活性領域に関するエネルギー帯線図を示す。超格子活性領域に使用した薄いバリア層は、空間的に間接的な再結合を可能にすることによって分極場の影響を低減することができ、これにより活性領域が発生する光量が増加する。各々の量子井戸の下側を「傾斜させる」分極場が原因で、キャリアは、各々の量子井戸層の領域１１０内に集まる傾向になる場合がある。超格子活性領域内のバリア層は薄いので、キャリアは、矢印１１４によって示すように、バリア層の全域で再結合可能になるであろう。
【００２３】
図１２はパッケージ型発光デバイスの分解図である。放熱スラグ１００は、インサート成形リードフレーム１０６内に配置される。インサート成形リードフレーム１０６は、例えば、電気経路を形成する金属フレームのまわ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、随意的な反射カップ１０２を含むことができる。前述のいずれかのデバイスであることができる発光デバイスダイ１０４は、直接的に、又は熱伝導性サブマウント１０３を介して間接的に、スラグ１００に取り付けられる。光学レンズ１０８を付加してもよい。
【００２４】
本発明は、詳細に説明されているが、当業者であれば、本開示内容に基づいて、本明細書に説明した発明性のある概念の精神から逸脱することなく、本発明に対する変更を行い得ることを理解できるであろう。従って、本発明の範囲は、図示及び説明された特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態による発光デバイスを示す。
【図２】図１に示すデバイス層の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図３】分極場を説明する、図１に示す層の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図４】本発明の第２の実施形態による発光デバイスを示す。
【図５】図４に示すデバイス層の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図６】図４に示すデバイス層の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図７】図４に示すデバイス層の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図８】図４に示すデバイス層の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図９】本発明の第３の実施形態による発光デバイスを示す。
【図１０Ａ】薄い量子井戸層、厚い量子井戸層、及び超格子活性領域の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図１０Ｂ】薄い量子井戸層、厚い量子井戸層、及び超格子活性領域の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図１０Ｃ】薄い量子井戸層、厚い量子井戸層、及び超格子活性領域の伝導帯端エネルギーの実施例を示す。
【図１１】図９に示す超格子に関する分極場を説明するエネルギー帯線図を示す。
【図１２】パッケージを含む発光デバイスの分解図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  基板
１１  ｎ型層
１２  リザーバ層
１３  バリア層
１４  量子井戸層
１５  ｎ型層
１６  ｐ−金属層
１７  ｎ−金属層
１８  活性領域
【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】
2005012216.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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