(57)【要約】発光ダイオードを開示する。該ダイオードは、第一導電型を有する炭化珪素基板、該ＳｉＣ基板の上にあって該基板と同じ導電型を有する第一窒化ガリウム層、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮの中から選択される交互層の複数の繰返しセットから形成されていて該ＧａＮ層上にある超格子、該第一窒化ガリウム層と同じ導電型を有していて該超格子上にある第二ＧａＮ層、該第二窒化ガリウム層上にある多重量子井戸、該多重量子井戸上にある第三窒化ガリウム層、該基板及び該第一窒化ガリウム層とは反対の導電型を有していて該第三窒化ガリウム層上にあるコンタクト構造、該ＳｉＣ基板に対するオーミックコンタクト、及び該コンタクト構造に対するオーミックコンタクトを含む。
2004531894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型を有する炭化珪素基板；
該ＳｉＣ基板の上にあって該基板と同じ導電型を有する第一窒化ガリウム層；
ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）、及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つ０＜ｘ＋ｙ＜１）から成る群より選択される交互層の複数の繰返しセットから形成されていて該ＧａＮ層上にある超格子；
該第一ＧａＮ層と同じ導電型を有していて該超格子上にある第二ＧａＮ層；
該第二ＧａＮ層上にある多重量子井戸；
該多重量子井戸上にある第三ＧａＮ層；
該基板及び該第一ＧａＮ層とは反対の導電型を有していて該第三ＧａＮ層上にある接触構造；
該ＳｉＣ基板に対するオーミックコンタクト；及び
該接触構造に対するオーミックコンタクト
を含む発光ダイオード。
【請求項２】
該ＳｉＣ基板が、６ＨポリタイプのＳｉＣである請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項３】
該ＳｉＣ基板が、紫外波長における望ましくない吸収を防止するために、４ＨポリタイプのＳｉＣである請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項４】
該ＳｉＣ基板及び該第一ＧａＮ層が、ｎ型導電性を有する請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項５】
該基板と該ＬＥＤの残りの部分との間に結晶転位及び電子遷移を提供するために、該ＳｉＣ基板上にバッファ層を更に含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項６】
該バッファ層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧ｘ≧０）を含む請求項５記載のＬＥＤ。
【請求項７】
該バッファ層が、該ＳｉＣ基板の表面上に複数のＧａＮドットを含む請求項５記載のＬＥＤ。
【請求項８】
該ＳｉＣ基板の表面上にある該ＧａＮドットを、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１＞ｘ＞０）キャップで隠蔽する請求項５記載のＬＥＤ。
【請求項９】
該基板において発生する傾向がある欠陥の伝搬を低減させるために、該超格子と該バッファ層との間にＳｉ３Ｎ４不連続層を更に含む請求項５記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
該超格子が、ＧａＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）とから成る交互層を複数周期含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
該超格子が、該交互層の２ 〜 ５０周期を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が約１５オングストロームの厚さであり、該ＧａＮ層が約３０オングストロームの厚さであって、且つ両方の層を珪素でｎ型ドープしてある請求項１０記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
該超格子が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮとＩｎｙＧａ１−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つｘはｙと等しくない）とから成る交互層の複数の周期を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
該超格子を、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとＡｌｙＧａ１−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つｘはｙと等しくない）とから成る交互層の複数の周期から形成する請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
該第二ＧａＮ層が、望ましくないドーピングから多重量子井戸を保護するために、ドープト部分とアンドープト部分とを含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
該第二ＧａＮ層の該ドープト部分が該超格子に対して直接隣接していて、また該第二ＧａＮ層の該アンドープト部分が該多重量子井戸に対して直接隣接している請求項１５記載のＬＥＤ。
【請求項１７】
該多重量子井戸が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層とＧａＮ層とから形成されている基本構造の繰返しを複数含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１８】
ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１つが、アンドープされている請求項１７記載のＬＥＤ。
【請求項１９】
該多重量子井戸が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮとＩｎｙＧａ１−ｙＮ（式中、１≧ｘ≧０且つ１≧ｙ≧０且つｘはｙと等しくない）とから成る交互層を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２０】
該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層及びＩｎｙＧａ１−ｙＮ層の少なくとも１つが、アンドープされている請求項１９記載のＬＥＤ。
【請求項２１】
該多重量子井戸が、該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）とＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つ０＜ｘ＋ｙ＜１）とから成る交互層を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２２】
該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１つが、アンドープされている請求項２１記載のＬＥＤ。
【請求項２３】
ｘが、該交互ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層では、約０．１５である請求項１７記載のＬＥＤ。
【請求項２４】
該ＭＱＷにおける該ＧａＮ層の少なくとも１つが、ドープトＧａＮの第一部分と、該アンドープトＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１つに直接隣接している該アンドープト部分を有するアンドープトＧａＮの第二部分とを含む請求項１７記載のＬＥＤ。
【請求項２５】
該多重量子井戸が、少なくとも３つの量子井戸を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２６】
該多重量子井戸が、少なくとも５つの量子井戸を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２７】
該多重量子井戸が、少なくとも７つの量子井戸を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２８】
それぞれの該井戸の厚さが、約５０オングストローム以下である請求項２５記載のＬＥＤ。
【請求項２９】
それぞれの該井戸の厚さが、約２５オングストロームである請求項２５記載のＬＥＤ。
【請求項３０】
該多重量子井戸における該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層において０＜ｘ＜０．３である請求項１７記載のＬＥＤ。
【請求項３１】
該多重量子井戸における該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層において０＜ｘ＜０．１５である請求項１７記載のＬＥＤ。
【請求項３２】
該多重量子井戸が、電磁スペクトルの紫外領域の光子を生成するようなｘである請求項１７記載のＬＥＤ。
【請求項３３】
該多重量子井戸が、電磁スペクトルの紫外領域の光子を生成するようなｘ及びｙである請求項１９記載のＬＥＤ。
【請求項３４】
該多重量子井戸が、電磁スペクトルの紫外領域の光子を生成するようなｘである請求項２０記載のＬＥＤ。
【請求項３５】
該多重量子井戸が、約３７０ 〜 ４２０ｎｍのピーク波長を放射する請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項３６】
該コンタクト構造が、ｐ型ＧａＮ接触層を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項３７】
該コンタクト構造が、該ｐ型ＧａＮ接触層に隣接していて且つ該ｐ型接触層に関する該オーミックコンタクトの反対側にあるＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）の少なくとも１つの層を更に含む請求項３６記載のＬＥＤ。
【請求項３８】
該コンタクト構造が、該第三ＧａＮ層上にアンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層、及び該アンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１）層上にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含む請求項３６記載のＬＥＤ。
【請求項３９】
該第三ＧａＮ層を、マグネシウムでドープして、ｐ型導電性を生成させる請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項４０】
該第三ＧａＮ層を、珪素でドープして、ｎ型導電性を生成させる請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項４１】
該コンタクト構造が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）のｐ型層を含む請求項４記載のＬＥＤ。
【請求項４２】
該コンタクト構造が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）のｐ型層を含む請求項４記載のＬＥＤ。
【請求項４３】
該コンタクト構造が、ｐ型ＩＩＩ族窒化物超格子を含む請求項４記載のＬＥＤ。
【請求項４４】
該多重量子井戸が、電磁スペクトルの紫外部分において放射し；且つ
該多重量子井戸によって放射された紫外光子に応答して可視光子を生成する、紫外線に応答する蛍光燐光体
を更に含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項４５】
赤色発光ダイオード；
緑色発光ダイオード；及び
請求項１記載の発光ダイオード
を含むピクセル。
【請求項４６】
請求項４５記載のピクセルを複数含むディスプレー。
【請求項４７】
請求項４５記載のピクセルを含むＬＥＤランプ。
【請求項４８】
ｎ型導電性を有する４ＨポリタイプのＳｉＣから成るＳｉＣ基板；
該ＳｉＣ基板上にあるＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）バッファ層；
該基板と同じ導電型を有する、該ＳｉＣ基板の上にある第一ＧａＮ層；
ＧａＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）とから成る交互層の複数の繰返し周期から成る、該第一ＧａＮ層上にある超格子；
該第一ＧａＮ層と同じ導電型を有する、該超格子上にある第二ＧａＮ層；
該第二ＧａＮ層上にある多重量子井戸；
該多重量子井戸上にある第三ＧａＮ層；
該ＳｉＣ基板及び該第一ＧａＮ層とは反対の導電型を有する、該第三ＧａＮ層上にあるコンタクト構造；
該ＳｉＣ基板に対するオーミックコンタクト；及び
該コンタクト構造に対するオーミックコンタクト
を含むピクセル。
【請求項４９】
該バッファ層が、該ＳｉＣ基板の表面上に複数のＧａＮドットを含む請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項５０】
該ＧａＮドットを、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１＜ｘ＜０）キャップで隠蔽する請求項４９記載のＬＥＤ。
【請求項５１】
該基板において発生する傾向がある欠陥の伝搬を低減させるために、該超格子と該バッファ層との間にＳｉ３Ｎ４不連続層を更に含む請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項５２】
該超格子が、ＧａＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮとから成る該交互層を２ 〜 ５０周期含む請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項５３】
該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が約１５オングストロームの厚さであり、該ＧａＮ層が約３０オングストロームの厚さであって、且つ両方の層がｎ型である請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項５４】
該第二ＧａＮ層が、望ましくないドーピングから多重量子井戸を保護するために、ドープト部分とアンドープト部分とを含む請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項５５】
該第二ＧａＮ層の該ドープト部分が、該超格子に対して直接隣接している請求項５４記載のＬＥＤ。
【請求項５６】
該第二ＧａＮ層の該アンドープト部分が、該多重量子井戸に対して直接隣接している請求項５４記載のＬＥＤ。
【請求項５７】
該多重量子井戸が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層とＧａＮ層とから形成されている基本構造の繰返しを複数含む請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項５８】
該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、アンドープされている請求項５７記載のＬＥＤ。
【請求項５９】
ｘが、該交互ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層では、約０．１５である請求項５７記載のＬＥＤ。
【請求項６０】
該多重量子井戸における該ＧａＮ層が、ドープトＧａＮの第一部分と、該アンドープトＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１つに直接隣接している該アンドープト部分を有するアンドープトＧａＮの第二部分とから成る請求項５７記載のＬＥＤ。
【請求項６１】
該多重量子井戸が、少なくとも３つの量子井戸から成る請求項５７記載のＬＥＤ。
【請求項６２】
それぞれの該井戸の厚さが、約２５オングストロームである請求項５７記載のＬＥＤ。
【請求項６３】
該第三ＧａＮ層が、アンドープされている請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項６４】
該コンタクト構造が、該オーミックコンタクトに対して隣接しているｐ型ＧａＮ接触層を含む請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項６５】
該コンタクト構造が、該第三ＧａＮ層上にアンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層、及び該アンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１）層を含む請求項４８記載のＬＥＤ。
【請求項６６】
赤色発光ダイオード；
緑色発光ダイオード；及び
請求項４８記載の発光ダイオード
を含むピクセル。
【請求項６７】
請求項６６記載のピクセルを複数含むディスプレー。
【請求項６８】
請求項６６記載のピクセルを含むＬＥＤランプ。
【請求項６９】
ｎ型導電性を有する４ＨポリタイプのＳｉＣから成るＳｉＣ基板；
該ＳｉＣ基板の表面上にあって、且つＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）キャップで隠蔽されている複数のＧａＮドット；
該ＳｉＣ基板及び該ドット上にあるＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）バッファ層；
該ＳｉＣ基板において発生する傾向がある欠陥の伝搬を低減させるための、該バッファ層上にあるＳｉ３Ｎ４不連続層；
該バッファ層及び該不連続層上にあって、該基板と同じ導電型を有する第一ＧａＮ層；
ＧａＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）との交互層を２ 〜 ５０周期含む、該第一ＧａＮ層上にある超格子、その場合、該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は約１０オングストロームの厚さであり、該ＧａＮ層は約２０オングストロームの厚さであって、且つ両方の層はｎ型である；
該第一ＧａＮ層と同じ導電型を有していて、ドープト部分とアンドープト部分とから成る、該超格子上にある第二ＧａＮ層、その場合、該ドープト部分は該超格子に対して直接隣接していて、該アンドープト部分は該ドープト部分に対して直接隣接している；
アンドープトＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、ｘは約０．１５に等しい）層とＧａＮ層とから形成されている基本構造の少なくとも３つの繰返しを含む、該第二ＧａＮ層上にある多重量子井戸、その場合、該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は約２５オングストロームの厚さであり、該ＧａＮ層は、ドープトＧａＮの第一部分とアンドープトＧａＮの第二部分とから成っていて、該アンドープト部分は該アンドープトＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１つに直接隣接している；
該多重量子井戸上にある第三アンドープトＧａＮ層；
該ＳｉＣ基板及び該第一ＧａＮ層とは反対の導電型を有する、該第三ＧａＮ層上にあるコンタクト構造、その場合、該コンタクト構造は、該第三ＧａＮ層上にあるアンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層と、該アンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にあるｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１）層とを含む；
該コンタクト構造上にあるＧａＮのｐ型接触層；
該ＳｉＣ基板に対するオーミックコンタクト；及び
該接触構造に対するオーミックコンタクト
を含むＬＥＤ。
【請求項７０】
赤色発光ダイオード；
緑色発光ダイオード；及び
請求項６９記載の発光ダイオード
を含むピクセル。
【請求項７１】
請求項７０記載のピクセルを複数含むディスプレー。
【請求項７２】
請求項７０記載のピクセルを含むＬＥＤランプ。
【請求項７３】
ＳｉＣ基板上に該基板と同じ導電型を有する第一ＧａＮ層を成長させる工程；
ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）、及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、ｘ＋ｙ＜１）から成る群より選択される交互層の複数の繰返しセット（周期）を含む超格子を該第一ＧａＮ層上に成長させる工程；
該超格子上において該第一ＧａＮ層と同じ導電型を有する第二ＧａＮ層を成長させる工程；
該超格子上においてＩＩＩ族窒化物多重量子井戸を成長させる工程；
該多重量子井戸上において第三ＧａＮ層を成長させる工程；
該第三ＧａＮ層上において、該ＳｉＣ基板及び該第一ＧａＮ層とは反対の導電型を有するコンタクト構造を成長させる工程；
該ＳｉＣ基板に対してオーミックコンタクトを形成する工程；及び
該コンタクト構造に対してオーミックコンタクトを形成する工程
を含むＬＥＤを作製する方法。
【請求項７４】
ＩＩＩ族窒化物から形成される層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させる請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項７５】
該ＳｉＣ基板上において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）キャップを有する複数のＧａＮドットを作製する工程を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項７６】
ｘが、約０．０５ 〜 ０．１５である請求項７５記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項７７】
ｘが、約０．１０である請求項７５記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項７８】
約１０００℃の温度で、該ＳｉＣ基板上においてＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層を厚さ約３０００オングストロームまで成長させ、その後で、該ＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層上に該第一ＧａＮ層を成長させる工程を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項７９】
該第一ＧａＮ層のエピタキシャル横方向オーバーグロース（ＥＬＯ）を促進するために、２００ 〜 １０００℃の温度で、該バッファ層上においてＳｉ３Ｎ４不連続層を成長させる工程を更に含む請求項７８記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８０】
約７００℃の温度で、該バッファ層上においてＳｉ３Ｎ４不連続層を成長させる工程を含む請求項７９記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８１】
該第一ＧａＮ層の横方向成長速度が、その垂直方向成長速度に比べて速くなるように約１０９０℃の温度で、Ｓｉ３Ｎ４部分上においてではなく該バッファ層の表面上において、該第一ＧａＮ層を厚さ約３００００オングストロームまで成長させる工程；
その後で、該ＧａＮ層が成長している間に、約１０３０℃まで温度を低下させ、更にその後、約７９０℃まで低下させる工程；及び
その後で、該ＧａＮ層の成長の最終段階において温度を約７７０℃まで徐々に低下させて、該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ多重量子井戸の成長のための準備をする工程
を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８２】
該超格子を作製する工程が：
厚さが約１５オングストロームであるＩｎｘＧａ１−ｘＮと厚さが約３０オングストロームであるＧａＮとの交互層を成長させる工程；及び
珪素で該交互層の両方をドープしてｎ型導電性を生成させる工程
を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８３】
ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＧａＮのアンドープト層を成長させる工程を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８４】
該超格子の該交互層の２ 〜 ５０周期を形成する工程を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８５】
約８２０℃の温度において、厚さ約２５０オングストロームの第一部分を有する該第二ＧａＮ層を形成する工程；及び
珪素で該第二ＧａＮ層をドープする工程
を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８６】
約８２０℃の温度において、第二のより狭い部分を用いて且つドーピングせずに該第二ＧａＮ層を形成し、それによって、該第二ＧａＮ層の該ドープト部分から、該多重量子井戸中にある該アンドープトＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を隔離する工程を含む請求項７３記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８７】
該多重量子井戸を作製する工程が：
約７７０℃の第一温度で、約２５オングストロームの厚さまでＩｎｘＧａ１−ｘＮのアンドープト層を成長させる工程；
約７７０℃の温度で、ＩｎｘＧａ１−ｘＮの該アンドープト層上において、約２５オングストロームの厚さまでＧａＮのアンドープト層を成長させる工程；
約８２０℃の温度で、ＧａＮの別の層を成長させ、且つ珪素でその層をドープして、該ＧａＮの導電性を向上させる工程；
約７７０℃で、ＧａＮの別のアンドープ層を成長させる工程；
約７７０℃を超える第二温度で、該アンドープトＧａＮ層を成長させることによって、該アンドープトＧａＮ層を拡張する工程、その場合、該第二温度は、該ＧａＮの高品質成長を促進するのに充分に高いが、近傍にある非隣接ＩｎｘＧａ１−ｘＮ井戸の劣化を防止する程度には充分に低い；及び
約８４０℃の温度で、約３５オングストロームの厚さまでＧａＮの該アンドープト層の最後の部分を成長させる工程
を含む請求項７３記載の方法。
【請求項８８】
該多重量子井戸を作製する工程を少なくとも３回繰返して、３つの量子井戸を作製する工程を含む請求項８７記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項８９】
該多重量子井戸を作製する工程を少なくとも５回繰返して、５つの量子井戸を作製する工程を含む請求項８７記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項９０】
該多重量子井戸を作製する工程を少なくとも７回繰返して、７つの量子井戸を作製する工程を含む請求項８７記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項９１】
該多重量子井戸を作製する工程が、約７７０℃の温度でＩｎｘＧａ１−ｘＮの最後の井戸を約２５オングストロームの厚さまで成長させる工程、及び約７７０℃の温度でアンドープトＧａＮの最後の層を約２５オングストロームの厚さまで成長させる工程を含む請求項８７記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項９２】
約８２０℃の温度で、該多重量子井戸上に該第三ＧａＮ層を約８０オングストロームの厚さまで成長させる工程を含む請求項８７記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項９３】
マグネシウムで該第三ＧａＮ層をドープして、ｐ型導電性を生成させる工程を含む請求項９２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項９４】
珪素で該第三ＧａＮ層をドープして、ｎ型導電性を生成させる工程を含む請求項９２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項９５】
該コンタクト構造を作製する工程が：
約８９０℃の温度で、第一アンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を約３０オングストロームの厚さまで成長させる工程；
約８９０℃の温度で、ｐ型導電性を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮのマグネシウムドープト層を約８５オングストロームの厚さまで成長させる工程；及び
マグネシウムでドープされてｐ型導電性を有するＧａＮ接触層を、約９８０℃の温度で約１８００オングストロームの厚さまで成長させる工程
を含む請求項７３記載の方法。
【請求項９６】
該コンタクト構造の該ｐ型層を、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの該ドープト層及びＧａＮの該ドープト層のための代替としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＧａＮ（式中、０＜ｘ＜１）から成る群より選択される材料を用いて作製する請求項９５記載のＬＥＤを作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
発明の分野
本出願は、「紫外線発光ダイオード（Ultraviolet Light Emitting Diode）」という名称で２００１年６月１５日に出願された仮特許出願第６０／２９８，８３５号の優先権を主張する。本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）に関するものであり、特に電磁スペクトルの紫外（ＵＶ）部分で発光するＩＩＩ族窒化物から形成された発光ダイオードに関するものである。本出願は、以下の同時係属出願：すなわち、「多重量子井戸発光ダイオード構造（Multi-Quantum Well Light Emitting Diode Structure）」という名称で２００１年５月３０日に出願された第６０／２９４，４４５号、「多重量子井戸と超格子構造とを有する発光ダイオード構造（Light Emitting Diode Structure with Multi-Quantum Well and Superlattice Structure）」という名称で２００１年５月３０日に出願された第６０／２９４，３０８号、及び「ガリウム無含有層を有するＩＩＩ族窒化物発光デバイス（Group III Nitride Light Emitting Devices with Gallium-Free Layers）」という名称で２０００年１１月３日に出願された第０９／７０６，０５７号と関連があり、そのそれぞれの内容は本明細書に完全に引用したものとする。
【０００２】
発明の背景
本発明は、発光ダイオードに関するものである。当業者には充分に理解されるように、そのほとんど基本的な形態では、発光ダイオードは、少なくとも１つのｐ−ｎ接合（ダイオード）を含み、且つ電流がデバイスを流れる（導入される）ときに、特有な色の光（光子）を放射する１種類以上の半導体材料から作製される。
【０００３】
発光ダイオードは半導体材料から作製されるので、発光ダイオードとは、「固体」デバイスの一群、すなわち、固体組成物で形成され、且つ例えば真空管のような極めて初期世代の電子装置を特徴付けるガス又は真空の中を通る電子の流れを用いずに動作する電気的又は電子的なデバイスを意味している。ますます増加する多くの電子用途では、固体デバイスは、比較的低コスト、高信頼性、小サイズ、軽量、及び派生的な利点を有することから、圧倒的に好まれている。
【０００４】
特に、発光ダイオードは、すべてのタイプのデバイスにおいて、ほとんど至る所で用いられている。近年、可視スペクトルの青色部分を放射する発光ダイオードの利用可能性により、発光ダイオードの利用可能用途が再び拡大している。青色光を提供することに加えて、適当な波長（約４５５〜 ４９２ナノメートル）を有する青色ＬＥＤｓを、他の三原色（一般的に青に比べて更に広範に利用できる赤色及び緑色）のＬＥＤｓと結合させて、多くの目的のための可視カラーの多数の組合せを作ることができる。実際、発光ダイオードにおけるすべての三原色の利用可能性により、白色光（すなわち、すべての三原色の組合せ）の固体状態での生成の可能性が開かれた。そのようなデバイスは、消費者市場及び他の商業領域において市販数が増加している。
【０００５】
当業者には更に理解されるように、ＬＥＤによって生成される色は、多くのファクターに基づいているが、補償ドーピングスキーム（compensated doping schemes）を含む様々なドーピングスキームと使用され、しばしば組合される半導体材料のバンドギャップに主として左右される。しかしながら、半導体材料のフルバンドギャップは、光子を生成できるエネルギー遷移における制限ファクターであるので、用いられる半導体材料は基本的なファクターである。而して、バンドギャップが小さい材料では、可視スペクトルのより高いエネルギー（青色及び紫色）部分に相当する充分なエネルギー（対応する波長及び周波数）を有する光子を生成させることができない。特に、青色光子を生成させるためには、材料は、（例えば、４９２ｎｍ光子のためには）少なくとも２．５ｅＶのバンドギャップを有していなければならず、その基準を満たすのはほんの比較的少数の半導体材料にすぎない。そのような材料としては、ＩＩＩ族窒化物、炭化珪素（ＳｉＣ）、及びダイヤモンドが挙げられる。
【０００６】
青色ＬＥＤｓでは炭化珪素ベースのデバイスに多くの関心が集まり成果も得られたが、間接発光体（indirect emitter）ではなく直接発光体としての特徴により、最近ではＩＩＩ族窒化物により多くの関心が集まっている。簡単に言えば、直接発光体は、バンドギャップ遷移のエネルギーのすべてを含んでいる光子を生成させるが、間接発光体は、光子として遷移エネルギーのいくらかを放射し、且つ振動エネルギー（音子）としても遷移エネルギーのいくらかを放出する。而して、ＬＥＤでは、直接遷移は、間接遷移に比べてより効率が良い。更に、ＩＩＩ族窒化物材料のバンドギャップは、該窒化物の原子組成によって、いくぶん調整することができる。而して、青色発光ダイオードは、一般的に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化インジウム、及びそれらの材料の様々な三元バージョン及び四元バージョンを組合せて作製される。特に、窒化インジウムガリウムは、そのバンドギャップを、存在するインジウムの量を調節することによって調整できるので、魅力的な候補である。
【０００７】
青色ＬＥＤはＬＥＤの用途範囲を広げたが、青色ＬＥＤの使用は、他のより世俗的な理由によって、白色光を生成させる場合にはある程度制限されることがある。例えば、赤色・緑色・青色を組合せて白色光を生成させるために、ランプ又はピクセルは、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤを含有していなければならない。更に、３つのＬＥＤｓを収容し且つ動作させるために必要な回路及び物理的配置を作製することは、３つのＬＥＤｓをデバイス中に組み込むときには、単色ＬＥＤｓに比べて更に複雑である。
【０００８】
而して、最近の関心は、蛍光材料及び燐光材料と共に単色ＬＥＤｓを用いて、単一ＬＥＤｓから所望の色を生成させることに集まっている。多くの材料は、可視スペクトルの光に対して蛍光又は燐光で応答するので、可視ＬＥＤｓに応答するが、スペクトルの紫外部分におけるより高エネルギーの光子には更に良く応答する傾向がある。また、ある種の可視ＬＥＤ−蛍光燐光体の組合せには特有の短所が認められる。例えば、青色ＬＥＤからの比較的高いエネルギー光子は、多くの材料において燐光（白色光の燐光を含む）を生起させる。しかしながら、青色ＬＥＤは燐光を誘発させるので、その光は、所定の用途では望ましくないかもしれない青色成分を常に有する傾向がある。
【０００９】
而して、蛍光照明又は燐光照明のための励起光源として紫外（ＵＶ）ＬＥＤｓを使用することに大きな関心が集まっている。理論では、適当な波長放射及び周波数放射を生起させる単一ＵＶ ＬＥＤは、補色蛍光燐光体（complementary phosphor）から、適当な白色光放射を生起させることができる。換言すれば、蛍光燐光体を組み込むことによって、単一ＵＶ ＬＥＤは、分離した赤色ＬＥＤｓ、緑色ＬＥＤｓ及び青色ＬＥＤｓを必要とするのと同じ白色光を生起させることができる。その例としては、液晶ディスプレーデバイスのための、例えば携帯電話のディスプレーのためのバックライトとしての可能性が挙げられる。更に、単一ＬＥＤｓからの白色光の生成は、室内照明及び屋外照明を含む多くの用途で利点を提供する。而して、スペクトルのＵＶ部分において、効率的且つ満足の行く様式で放射できる発光ダイオードを製造し改良することは望ましい目的である。
【００１０】
発明の目的及び概要
而して、本発明の目的は、電磁スペクトルの紫外部分における周波数を生成させることができ、且つＬＥＤと一緒に蛍光燐光体を用いるデバイスを包む関連デバイス及び関連装置の中に組み込んで白色光を生成できる発光ダイオードを提供することにある。
【００１１】
本発明は、電磁スペクトルのＵＶ部分において放射する発光ダイオードによって、上記目的を達成する。
別の面では、本発明は、ＬＥＤと適当な蛍光燐光体とを組合せて、白色光を放射するデバイスを製造することである。
【００１２】
更に別の面では、本発明は、ＵＶ発光ダイオードを製造する方法である。
本発明の上記及び他の目的及び利点と、同じことが達成される方法は、添付の図面と詳細な説明とに基づいて明らかになる。
【００１３】
好ましい態様の詳細な説明
図１は、従来技術における単純な従来のＬＥＤに関する概略横断面図である。ＬＥＤ１０は、基板１１と、ｐ−ｎ接合を形成するｎ型及びｐ型エピタキシャル層１２及び１３それぞれとから形成されている。オーミックコンタクト１４及び１５は、基板１１が導電性である状態でデバイスを完成させている。一般的に同様な構造を有する炭化珪素で形成された青色ＬＥＤの例は、本発明と一緒に同一の譲受人に譲渡されている米国特許第４，９１８，４９７号及び第５，０２７，１６８号に記載されている。炭化珪素を用いるデバイスでは、基板１１は、典型的には、第一エピタキシャル層１２と同じｎ型である。上部エピタキシャル層１３はｐ型である。上記特許及び多くの他の特許に記載されているように、基板としての炭化珪素の利点の一つは、導電性にドープして、図１に示してあるデバイスの縦型配向を可能にすることができる点である。当業において使用される場合、「縦型」という用語は、例えばサファイアのような非導電性基板を組み込んでいるＬＥＤのような側方ではなく、末端から末端へとデバイス中を電流が流れることができるように、オーミックコンタクト１４及び１５が、デバイスの反対側の末端に配置されていることを示している。最も単純な運転では、電流がＬＥＤ１０を通過するとき、層１２及び１３からのホール及び電子が結合して、光子の形態でエネルギーを放出する。デバイスのバンドギャップ又は他の面（例えば、補償ドーピング）によって固有のエネルギー分離が規定される場合、光子は、電磁スペクトルの可視部分に存在するので、可視光を形成する。もちろん、同じ様式において、エネルギー遷移が小さいと、スペクトルの赤外部分に相当する低いエネルギーの光子が生成され、またエネルギー遷移が大きいと、スペクトルの青色部分、紫色部分、及び紫外部分に相当する高いエネルギーの光子が生成される。
【００１４】
図２は、横断面で切り取った本発明が図示されており、一般的に２０とする。概観すれば、デバイス２０は、炭化珪素基板２１上に形成される。好ましい態様では、基板２１は、６Ｈ又は４ＨポリタイプのＳｉＣから形成され、４Ｈは、そのより良好な電気的特性及びＵＶに対する透明性の故に最も好ましい。それに対して、６Ｈポリタイプは、スペクトルのＵＶ領域を吸収する傾向がある。
【００１５】
基板２１は、炭化珪素基板２１と、その格子定数及びデバイスの他の残りの部分の格子定数との間に、結晶転移及び電子遷移を提供する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）バッファ層２２を支持している。本明細書で使用する場合、式ＡｌＧａＮは、より完全な式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧Ｘ≧０）を示している。バッファ構造及び組成物の例は、その内容を本明細書に完全に引用したものとする米国特許第５，３９３，９９３号及び第５，５２３，５８９号に記載されている。表１は、バッファ層２２及び図２に示してある残りの層に関する好ましい厚さの範囲を示している。バッファ層２２は、本発明の好ましい態様の素子を形成しているが、任意の素子である。
【００１６】
また、図２は、バッファ層２２が、炭化珪素基板の表面上に複数の窒化ガリウムドット２３（ドット２３はＡｌＧａＮキャップ２４で隠蔽されている）も含んでいることも示している。而して、バッファ層２２は、ドット２３及びそれらのキャップ２４上に存在しているものとして記述することもできる。同様に、窒化ガリウムドット２３及びＡｌＧａＮキャップ２４は、必須の素子ではないが、本発明の好ましい態様の素子を形成する。
【００１７】
次の層は、ｎ型の珪素でドープされている窒化ガリウム（ＧａＮ）層２５であるので、好ましいｎ型炭化珪素基板に適合しており、且つデバイス２０の全体的な縦型配向を可能にしている。窒化ガリウム層２５は、長方形２６によって概略示されている窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の不連続層も含む。長方形は概略的に示してあるものであり、その層は、不連続であって、特定の幾何学的形状に限定されない。而して、ＧａＮ層２５は、バッファ層２２及び不連続（Ｓｉ３Ｎ４）層２６の両方の上に存在しているものとして記述することもできる。
【００１８】
図２には、ＡｌＧａＮバッファ層２２の上面上に存在している窒化珪素層２６が図示してあるが、この位置は、好ましく且つ例示であって、本発明を限定するものではない。より広い意味で、窒化珪素層２６は、活性層よりも下にあり、且つＡｌＧａＮ層又はＧａＮ層でキャップされていて、欠陥を低減させる働きをすべきである。
【００１９】
窒化珪素層２６は、ＳｉＣ基板２１で発生する傾向がある結晶中における転位の伝搬を低減させるように機能する。前記の転位は、ＩＩＩ族窒化物層中を伝搬する傾向はあるが、転位の再現が妨げられるのでＳｉ３Ｎ４部分（エピタキシャル横方向オーバーグロース）は伝搬しない。実際に、Ｓｉ３Ｎ４層２６は欠陥密度を減少させることができる。而して、窒化珪素層は本発明の必須の素子ではないが、好ましい態様の素子を形成する。
【００２０】
デバイスの次なる部分は、図２において広範に２７で示してある超格子（図３で更に詳細に考察する）及び超格子２７上にあるｎ型ドープト窒化ガリウム層３０である。この層は、多重量子井戸（“ＭＱＷ”）３１（図４）の方への適当な遷移を提供する。好ましい態様では、層３０は、ドープト部分及びアンドープト部分の両方を含む。ドープト部分は、ｎ型であり、厚さは約２５０オングストローム（表１を参照されたい）であって、超格子２７に直接隣接している。アンドープト部分は、厚さ約３５オングストロームであり、好ましくはＭＱＷ３１に接している。層３0のこの部分がドーピングされないように防止することは、ＭＱＷの第一周期のＩｎＧａＮ部分を望ましくないドーピングから保護するのに役立つ。
【００２１】
多重量子井戸３１は、好ましい態様ではアンドープされているが、マグネシウムでｐ型ドープすることができ又は珪素でｎ型ドープすることができる別の窒化ガリウム層３２でキャップされる。次の層は、同様にアンドープされている窒化アルミニウムガリウム層３３であり、更に次の層は、ｐ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧ｘ≧０）層３４及びｐ型ＧａＮ接触層３５である。ｐ型接触層３５に対してオーミックコンタクト３６及び基板２１に対してｐ型接触層３７をそれぞれ配置してデバイスを完成させる。接触層３５は、好ましくは、ＧａＮから形成される。なぜならば、ＧａＮは、ＡｌＧａＮに比べてより良好なオーミックコンタクトを提供するが、ＩｎＧａＮに比べて形成し難いからであり、またＧａＮは、ｐ型接触層３５のために最良の理論的特性を有するからである。好ましいＧａＮコンタクトは、ＧａＮに対するコンタクトを制限しない。適当なＩｎＧａＮ又は超格子層も接触層として用いることができる。
【００２２】
図３は、超格子構造２７の拡大図である。好ましい態様では、超格子２７は、それぞれ窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）４０と窒化ガリウム層４１の交互層の複数の繰返しセット（「周期」）から形成される。他の態様では、交互層は、両方ともに、インジウムとガリウムの異なるモル分率の組合せを有するＩｎＧａＮであることができる。更に別の態様では、交互層は、アルミニウム、ガリウム及びインジウムの異なるモル分率を有するＡｌＧａＮであることができる。図３には、超格子２７の３つの周期が図示してあり、好ましい態様では、デバイスは、そのような周期を５０以下含むことができる。好ましい態様では、ＩｎＧａＮ層４０は約１０オングストロームの厚さであり、窒化ガリウム層は約２０オングストロームの厚さである。両方の層は、珪素でｎ型ドープされている。
【００２３】
超格子２７によって提供される利点は、理論的に理解されるものではなく、ある程度までは経験的に観察されるものである。而して、出願人は、超格子に関するいかなる特定の理論とも結び付けて考えたくはないが、得られた発光ダイオードは、超格子２７を含んでいるときには、改良された性能、特に改良された輝度を示すことが測定された。少なくとも一面では、超格子は、応力解放を提供し、且つデバイスの窒化ガリウム部分と多重量子井戸３１における窒化インジウムガリウム層との間の格子定数差を埋めるのに役立つことが認められる。また、超格子２７は、有効キャリア濃度を増加させ、デバイスに必要とされる電圧を低下させるので、デバイスの光学的特性及び効率の両方が向上する。
【００２４】
図４は、図２に示してある多重量子井戸３１に関する更に詳細な拡大された概略横断面図である。超格子２７の場合のように、多重量子井戸は、図４ではそれぞれ４２と示してあるアンドープト窒化インジウムガリウム層と、それぞれ４３と示してある窒化ガリウム層とから形成される基本構造の多くの繰返しを含む。窒化インジウムガリウム部分４２はアンドープされており、デバイス中に存在する材料のすべての中でバンドギャップが最も小さく、キャリア密度が最も高い量子井戸を形成する。発明者は特定の理論に結び付けたくないが、アンドープトＩｎＧａＮは、ドープトＩｎＧａＮに比べてより高品質な傾向を有すると考えられる（すべての他のファクターは等しい）。而して、アンドープトＩｎＧａＮは、本発明の現在のところの好ましい態様であるが、絶対的な制限ではない。
【００２５】
更に、ＧａＮとＩｎＧａＮとから形成される周期は、好ましく且つ例示の態様であるが、広い意味では、交互層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮと交互に配置される又は四元ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、Ｘ＋Ｙ＜１）と交互に配置されるＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧Ｘ≧０及び１≧Ｙ≧０）と表すことができると理解される。そのような場合では、Ｘ及びＹの値は、量子井戸４２が層４３に比べて小さいバンドギャップを確実に有するように選択される。
【００２６】
好ましい態様では、窒化ガリウム層４３のそれぞれは、３つの各部分から形成される。第一部分４３Ａは、意図的にドープしない。第二部分４３Ｂは、珪素でｎ型ドープする。第三部分４３Ｃは、意図的にドープしない。層４３Ａ及び４３Ｃの目的は、アンドープト窒化インジウムガリウム井戸層４２に直接隣接しているアンドープト領域を提供することにある。多重量子井戸の構造及び目的は、一般的に当業において充分に理解されているが、量子井戸を含む目的は、図５の部分的バンドギャップ図によってある程度で説明される。図５では、一連の矢印は、量子井戸を通るキャリア（図５ではホール）の流れを示している。キャリアが各井戸に達すると、注入される数の一部が各井戸に集められるが、一部は集められない。而して、キャリアの初期数は、図５の最大矢印４４で図示され、窒化インジウムガリウム層４２によって形成される第一量子井戸を通過する。第一量子井戸４２で集められないキャリアは、いくぶん短い矢印４５（図５の配向において、右から左へと移動している）で示してある。更に再び、次の量子井戸の後でより少ない数のキャリアが残る。そのより少ない量のキャリアは矢印４６で示してある。最終的に、最後の量子井戸の後にはキャリアの数は最も少数となり、その状態は矢印４７で示してある。
【００２７】
いくつかの場合では、単一量子井戸は、有利であり、且つ光が生成される本発明の活性層を形成できる。しかしながら、単一量子井戸ではなく複数の量子井戸４２を用いると、できる限り多くの利用可能なキャリアを集め且つ有効に使用するのに役立つので、同じ材料から成る単一層構造に比して、デバイスの効率が増大する。しかしながら、いくつかの点では、キャリアのほとんどが集められた後では、追加の井戸によって効率の比例増加は提供されない。更に、窒化インジウムガリウムは、窒化ガリウムに比べて歪結晶構造であり、たとえその層が比較的薄くても、多重量子井戸における歪は累積する。而して、量子井戸の数は、一般的に、効率が増大するのに充分であるように選択されるが、その数を下回ると、歪は有害となり、効率の増大は、最小又は無くなってしまうと考えられる。現在、３周期井戸、５周期井戸及び７周期井戸を用いて、満足の行くデバイスが作製されてきた。当業者は、発明の範囲又は請求の範囲から逸脱せずに、前記したものとは別の周期数を選択できる。
【００２８】
図６及び図７は、量子井戸の放射波長と、（１）量子井戸におけるインジウムの含有率（図６）又は（２）量子井戸の厚さ（図７）との関係を示している概略図である。窒化インジウムガリウムに精通している者には公知であるように、この三元材料のバンドギャップは、結晶中のインジウムの量を変化させることによって調整できる。それに関して、当業では充分理解されているように、窒化インジウムガリウムは、ＩｎｘＧａｘ−１Ｎ（式中、１＞Ｘ＞０である）という式で最も良く表される。
【００２９】
図６に示してあるように、固定された厚さの量子井戸では、インジウムの量（モル％）が増すと、波長が増大する傾向があるので、デバイスによって放射される光子の周波数が低下する。インジウムの分率が低下すればするほど、デバイスは、所望のＵＶ範囲において、より波長が短くて、より周波数が高い光子を放射する。而して、本発明の好ましい態様では、Ｘは約０．１５であって；すなわちＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎである。
【００３０】
図７には、固定されたインジウム量では、量子井戸の厚さが波長に影響を及ぼすことが図示されている。表２には、量子井戸の厚さの好ましい範囲が示してあり、好ましい態様では、量子井戸２５は約２５オングストロームの厚さである。
【００３１】
而して、ＵＶ放射を生成させるために、ＩｎＧａＮ量子井戸４２におけるインジウムの含有率（モル分率）は、好ましくは３０％以下、最も好ましくは約１５％である。同様に、量子井戸の厚さは、好ましくは約５０オングストローム以下、最も好ましくは約２５オングストロームである。
【００３２】
得られたＬＥＤｓは、本明細書で記載した設計パラメーターにしたがって、３７０ｎｍ 〜 ４２０ｎｍの波長を生成した。
図８は、本発明の発光ダイオードの重要な部分に関する概略バンドギャップ図である。図の上部境界線は伝導帯を表しており、下の部分は価電子帯を表している。
【００３３】
【表１】
2004531894.tif 000003
発明の方法：
本発明の発光ダイオードを製造する場合、多くの異なる工程がある。当業者には公知のように、例えばＩＩＩ族窒化物のような材料のエピタキシャル層の成長は比較的高度な仕事である。ある程度まで、特有の成長条件及び技術は、用いられる特有の反応器（及び関連のある設備及び装置）のようなファクターに左右される。而して、本明細書の説明は、個々の又は異なる状況下で、また不要な実験をせずに、開示され請求される技術を実行するために、当業者にとって必要な情報を提供する。
【００３４】
基板２１は、一般的に、本譲受人が専用実施権者である、米国特許第４，８６６，００５号及びその再発行特許ＲＥ ３４，８６１に記載されている様式で形成される。例示的態様及び好ましい態様におけるデバイスの残りの部分の成長は、表１に記載してある。
【００３５】
表１は、図２と同様の順序で並べてある。括弧内の数値は許容範囲を示しており、括弧外の数値は好ましい値を示している。而して、成長工程は、表の下で始まり、上へと作業がなされる。第一工程は、基板２１に対してＧａＮドット２３及びそれらのＡｌＧａＮキャップ２４を付加することである。ＡｌＧａＮキャップの組成は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１＞Ｘ＞０であり、好ましい態様では、Ｘは約５〜 １５である）である。
【００３６】
次に、窒化アルミニウムガリウム層２２を、約１０００℃の温度で、約３０００オングストロームの厚さまで成長させる。
ＩＩＩ族窒化物は、好ましくは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させる。ＭＯＣＶＤの一般的な性質は、当業において充分に理解されており、而して、本明細書に記載されているその工程は、不要な実験を行なわずとも、当業者は実行することができる。しかしながら、冒頭で記したように、技術の洗練された性質上、通常は、個々の装置及び設定をベースとする特有な調整が必要である。
【００３７】
ＡｌＧａＮバッファ層２２を完成させたら、窒化珪素の不連続層２６を、約７００℃の温度において、バッファ層２２上に成長させる。Ｓｉ３Ｎ４は、その場で又は現場外で、且つ２００〜 １１００℃の温度範囲で、堆積させることができる。温度は、成長速度を制御する（特に、遅くする）のに役立つ程度に、而して、不連続窒化珪素層の品質及び厚さを制御するのに役立つ程度に充分に低い温度であるべきである。約７００℃の温度が好ましい。より高い温度では、前記の層は、より迅速に形成される傾向があり、成長及び厚さは、いくぶん（過度にではない）制御し難くなる。
【００３８】
バッファ層２２を成長させた後、一連の工程によって、不連続窒化珪素層２６及び窒化ガリウムｎ型層２５を成長させる。特に、窒化珪素の不連続層を用いる目的は、Ｓｉ３Ｎ４部分上にではなくバッファ層２２の表面上において、まず最初にＧａＮが成長する「エピタキシャル横方向オーバーグロース（又は“ＥＬＯ”）」と呼ばれている成長技術を実施可能にし且つ促進することである。バッファ層２２からの上方成長が、Ｓｉ３Ｎ４部分に隣接して進行するとき、ＧａＮは、Ｓｉ３Ｎ４部分を横断して横方向に成長する傾向がある。水平方向に比べて垂直方向により容易に欠陥が伝搬する傾向があるので、横方向部分（その後に続く垂直方向成長）の欠陥密度が低下する傾向がある。この成長の第一部分では、ＧａＮ層は、約１０９０℃（又は、機能的に等価な温度範囲）（より速い横方向成長を促し、欠陥の減少を促進する）において、厚さ約３００００オングストロームで成長する。詳しくは、前記温度において、窒化ガリウムのエピタキシャル横方向オーバーグロースは、窒化珪素上でより速く合体する。エピタキシャル横方向オーバーグロースの例は、その内容を本明細書に完全に引用したものとする米国特許第６，１７７，１６８号及び第６，０５１，８４９号に記載されている。
【００３９】
表１に示してあるように、好ましい態様では、超格子は、双方ともに珪素（Ｓｉ）でｎ型ドープされている窒化インジウムガリウム１５オングストローム層４２と窒化ガリウム３０オングストローム層４３とによって形成されている周期を約２〜 ５０周期（１０周期は例示である）含む。しかしながら、所望ならば、層４２及び層４３はアンドープであることができる。
【００４０】
超格子２７を成長させた後には、二つの工程でｎ型窒化ガリウム層３０を成長させる。表１に示してあるように、約２５０オングストロームの厚さを有する層３０の第一部分を、約８２０℃の温度において、珪素をドープしながら成長させる。次に、層のより小さくより狭い部分をドーピングしないで成長させて、多重量子井戸３１におけるアンドープト窒化インジウムガリウム層を、ｎ型層３０における珪素ドーピングからできる限り隔離する。
【００４１】
次に、多重量子井戸３１を次の方法で成長させる。まず最初に、比較的薄い約２５オングストロームのアンドープト窒化インジウムガリウム層４２を７７０℃の温度で成長させ、その後で、約２５オングストロームのＧａＮの比較的薄いアンドープト部分も７７０℃で成長させる。更に次に、やや高い８２０℃の温度で窒化ガリウムの珪素ドープト部分を成長させて、窒化ガリウムの結晶品質を高める。換言すれば、窒化インジウムガリウム層上の又は近傍の窒化ガリウム層に関しては、窒化インジウムガリウム層を保護するためには、やや低い温度が好ましい。しかしながら、可能ならば、好ましくは、窒化ガリウムは、その結晶品質を向上させるために、いくぶん高い温度で成長させる。
【００４２】
機能的な意味において、用いられる温度は次のように説明できる：すなわち、インジウムの望ましい量（しかし過剰ではない）を含有させるのに充分に低いが、望ましいインジウム量において高品質成長させるのに充分に高い第一温度において、ＩｎＧａＮを成長させる。
【００４３】
次に、上記第一温度を超える温度でＩｎＧａＮを好ましくなく加熱せずに、同じ第一温度でＧａＮ層を成長させてＩｎＧａＮを隠蔽する。
次に、第一温度に比べて高い第二温度で成長させることによってＧａＮ層を拡張させる。第二温度は、ＧａＮのより高品質の成長を促進するのに充分に高いが、近傍にある（隣接はしていない）ＩｎＧａＮ井戸を劣化させることを避けるために十分低いように選択される。
【００４４】
次に、約３５オングストロームの窒化ガリウム層の別の部分は８４０℃の温度で成長させるが、はじめの方に記載した同じ理由から、すなわち不測のドーピングから次のＩｎＧａＮ層を保護するために、ドーピングは行なわない。適当な数の量子井戸を含有させた後、量子井戸部分３１を、約７７０℃で成長させた厚さ約２５オングストロームの窒化インジウムガリウム層と、更に又約７７０℃で約２５オングストロームの厚さまで成長させた比較的薄いアンドープト窒化ガリウムの１つの最後の比較的薄い層とから成る１つの最終井戸で仕上げる。
【００４５】
MQW３１が完成したら、約８２０℃の温度で、約８０オングストロームの層となるまで、アンドープトＧａＮ層３２を成長させ、そして、最後の井戸の上にキャップを形成する。別の態様では、ＧａＮ層３２は、マグネシウム又は珪素でドープすることができる。
【００４６】
次の工程では、アンドープトＡｌＧａＮ層３３を成長させる。この層により、できる限り多くの電子が、コンタクト３６に隣接しているｐ−ＡｌＧａＮ層及びｐ−ＧａＮ層３４と３５に到達しないように、妨害され、これによりこのような電子が望ましくない発光やダイオード挙動を作り出すことを妨げる。アンドープトＡｌＧａＮ層３３は、約８９０℃の温度において約３０オングストロームの厚さまで成長させる。
【００４７】
次に、約８９０℃の温度において約８５オングストロームの厚さまでｐ−ＡｌＧａＮ層３４を成長させ、好ましくは、マグネシウムでドープする。最後に、ｐ型ＧａＮ接触層３５を、デバイスのＩｎＧａＮ部分を過熱しないようにしながら、成長の質及び結晶の品質を向上させるいくぶん高い温度である約９８０℃の温度において約１８００オングストロームの厚さまで形成する。同様にｐ−ＧａＮ接触層３５もマグネシウムでドープする。ｐ型層３４及び３５は、デバイスの動作に必要なホール注入を提供する。好ましい態様では、デバイス全体の構造及び機能と整合性がある様式で含有させるという条件下で、層３４及び３５のためのｐ−ＡｌＧａＮ及びｐ−ＧａＮをそれぞれ含有させるが、これらの層は、他のＩＩＩ族窒化物から作製できる。
【００４８】
別の面では、本発明は、適当な蛍光燐光体を有するＵＶ ＬＥＤが組み込まれていて、所望の可視出力を生成する発光ダイオードである。UV放射に応答して蛍光又は燐光を発する材料（発光源によらず）は、当業において充分に公知である。例えば、普通の蛍光は、同じ原理で作用する；すなわち、電球（bulb）又は器具の部分はＵＶ放射を発生し、次に、そのＵＶ放射は蛍光燐光体を励起し、その結果、可視白色光が放射される。ＵＶ放射に応答して白色（又は白色に近い）発光を生成する典型的な蛍光燐光体は、一般的に、当業において公知であり且つ理解されていて、必要以上の実験を行なわなくても、選択し含有させることができる。更に、白色光は例示的な目的であるが、他の適当な蛍光燐光体を用いて本方法によって他の色を生成できること、また本発明が白色光の生成に限定されないことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来技術によって例示された基本形態の発光ダイオードに関する概略図である。
【図２】本発明の発光ダイオードに関する概略横断面図である。
【図３】図２に図示してあるデバイスの超格子部分に関する拡大横断面図である。
【図４】図２に図示してあるデバイスの多重量子井戸部分に関する拡大概略横断面図である。
【図５】多重量子井戸の機能を示している概略バンドギャップ図である。
【図６】本発明によるダイオードの放射波長と、固定された厚さの窒化インジウムガリウム量子井戸中におけるインジウムの含有率との関係を示している概略プロットである。
【図７】窒化インジウムガリウム量子井戸中におけるインジウムの含有率を固定した場合における、量子井戸の厚さに対する放射波長の概略プロットである。
【図８】本発明による発光ダイオードの図示部分に関する更に完全なバンドギャップ図である。
【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年2月28日(2003.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型を有する炭化珪素基板；
該基板と該LEDの残りの部分との間に結晶転位及び電子遷移を提供するための、該ＳｉＣ基板上にあるバッファ層；
該基板と同じ導電型を有していて、該ＳｉＣ基板の上にある第一窒化ガリウム層；
ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）、及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つ０＜ｘ＋ｙ＜１）から成る群より選択される交互層の複数の繰返しセットから形成されていて該ＧａＮ層上にある超格子；
該基板において発生する傾向がある欠陥の伝搬を低減させるために、該超格子と該バッファ層との間にあるＳｉ３Ｎ４不連続層；
該第一ＧａＮ層と同じ導電型を有していて該超格子上にある第二ＧａＮ層；
該第二ＧａＮ層上にある多重量子井戸；
該多重量子井戸上にある第三ＧａＮ層；
該基板及び該第一ＧａＮ層とは反対の導電型を有していて該第三ＧａＮ層上にあるコンタクト構造；
該ＳｉＣ基板に対するオーミックコンタクト；及び
該コンタクト構造に対するオーミックコンタクト
を含む発光ダイオード。
【請求項２】
該ＳｉＣ基板を、６Ｈポリタイプ及び４ＨポリタイプのＳｉＣから成る群より選択する請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項３】
該ＳｉＣ基板及び該第一ＧａＮ層が、ｎ型導電性を有する請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項４】
該バッファ層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１≧ｘ≧０）を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項５】
該バッファ層が、該ＳｉＣ基板の表面上に複数のＧａＮドットを含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項６】
該ＳｉＣ基板の表面上にある該ＧａＮドットを、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、１＞ｘ＞０）キャップで隠蔽する請求項５記載のＬＥＤ。
【請求項７】
該超格子が、ＧａＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）との交互層；ＩｎｘＧａ１−ｘＮとＩｎｙＧａ１−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つｘはｙと等しくない）との交互層；及びＡｌｘＧａ１−ｘＮとＡｌｙＧａ１−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つｘはｙと等しくない）との交互層から成る群より選択される複数の周期を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項８】
該超格子が、該交互層の２ 〜 ５０周期を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項９】
該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が約１５オングストロームの厚さであり、該ＧａＮ層が約３０オングストロームの厚さであって、且つ両方の該層を珪素でｎ型ドープしてある請求項７記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
該第二ＧａＮ層が、望ましくないドーピングから該多重量子井戸を保護するために、ドープト部分とアンドープト部分とを含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
該第二ＧａＮ層の該ドープト部分が該超格子に対して直接隣接していて、また該第二ＧａＮ層の該アンドープト部分が該多重量子井戸に対して直接隣接している請求項１０記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
該多重量子井戸が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層とＧａＮ層との交互層；ＩｎｘＧａ１−ｘＮとＩｎｙＧａ１−ｙＮ（式中、１≧ｘ≧０且つ１≧ｙ≧０且つｘはｙと等しくない）との交互層；及びＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）とＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、０＜ｘ＜１且つ０＜ｙ＜１且つ０＜ｘ＋ｙ＜１）との交互層から成る群より選択される複数の繰返しを含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
該ＭＱＷ層の少なくとも１つが、アンドープされている請求項１２記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
ｘが、該交互ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層では、約０．１５である請求項１２記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
該ＭＱＷにおける該ＧａＮ層の少なくとも１つが、ドープトＧａＮの第一部分と、該アンドープトＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１つに対して直接隣接している該アンドープト部分を有するアンドープトＧａＮの第二部分とを含む請求項１２記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
該多重量子井戸が、少なくとも３つの量子井戸を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項１７】
それぞれの該井戸の厚さが、約５０オングストローム以下である請求項１６記載のＬＥＤ。
【請求項１８】
該多重量子井戸における該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層において０＜ｘ＜０．３である請求項１２記載のＬＥＤ。
【請求項１９】
該組成が、該多重量子井戸が電磁スペクトルの紫外領域における光子を生成するような組成である請求項１２記載のＬＥＤ。
【請求項２０】
該多重量子井戸が、約３７０ 〜 ４２０ｎｍのピーク波長を放射する請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２１】
該コンタクト構造が、ＧａＮ層；ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）；及びＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）から成る群より選択されるｐ型接触層を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２２】
該コンタクト構造が、該ｐ型ＧａＮ接触層に隣接していて且つ該ｐ型接触層に関する該オーミックコンタクトの反対側にあって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）の少なくとも１つの層を更に含む請求項２１記載のＬＥＤ。
【請求項２３】
該コンタクト構造が、該第三ＧａＮ層上にアンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層、及び該アンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１）層を含む請求項２１記載のＬＥＤ。
【請求項２４】
ＧａＮの該第三層を、マグネシウムでドープしてｐ型導電性を生成させる請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２５】
ＧａＮの該第三層を、珪素でドープしてｎ型導電性を生成させる請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２６】
該コンタクト構造が、ｐ型ＩＩＩ族窒化物超格子を含む請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２７】
該多重量子井戸によって放射された紫外光子に応答して可視光子を生成する、紫外線に応答する蛍光燐光体を含む請求項１９記載のＬＥＤ。
【請求項２８】
該ＳｉＣ基板が、ｎ型導電性を有する該４ＨポリタイプのＳｉＣから成っていて；
該バッファ層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）であって；また、
該超格子が、ＧａＮとＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）とから成る交互層の複数の繰返し周期から成っている請求項１記載のＬＥＤ。
【請求項２９】
該第三ＧａＮ層が、アンドープされている請求項２８記載のＬＥＤ。
【請求項３０】
該コンタクト構造が、該オーミックコンタクトに対して隣接しているｐ型ＧａＮ接触層を含む請求項２８記載のＬＥＤ。
【請求項３１】
該コンタクト構造が、該第三ＧａＮ層上にアンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）層、及び該アンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上にｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１）層を含む請求項２８記載のＬＥＤ。
【請求項３２】
約１０００℃の温度において約３００オングストロームの厚さまでＳｉＣ基板上にＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層を成長させる工程；
該第一ＧａＮ層のエピタキシャル横方向オーバーグロース（ＥＬＯ）を促進するために、２００〜 １０００℃の温度で、該バッファ層上においてＳｉ３Ｎ４不連続層を成長させる工程；
該基板と同じ導電型を有するＳｉＣ基板上で第一ＧａＮ層を成長させる工程；
ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）、及びＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（式中、ｘ＋ｙ＜１）から成る群より選択される交互層の複数の繰返しセット（周期）を含んでいる超格子を該第一ＧａＮ層上で成長させる工程；
該超格子上において該第一ＧａＮ層と同じ導電型を有する第二ＧａＮ層を成長させる工程；
該超格子上においてＩＩＩ族窒化物多重量子井戸を成長させる工程；
該多重量子井戸上において第三ＧａＮ層を成長させる工程；
該第三ＧａＮ層上において、該ＳｉＣ基板及び該第一ＧａＮ層とは反対の導電型を有するコンタクト構造を成長させる工程；
該ＳｉＣ基板に対してオーミックコンタクトを形成する工程；及び
該コンタクト構造に対してオーミックコンタクトを形成する工程
を含むＬＥＤを作製する方法。
【請求項３３】
ＩＩＩ族窒化物から形成される層を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させる請求項３２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項３４】
該ＳｉＣ基板上において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１）キャップを有する複数のＧａＮドットを作製する工程を含む請求項３２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項３５】
ｘが、約０．０５ 〜 ０．１５である請求項３４記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項３６】
該第一ＧａＮ層の横方向成長速度が、その垂直方向成長速度に比べて速くなるように約１０９０℃の温度で、Ｓｉ３Ｎ４部分上においてではなく該バッファ層の表面上において、該第一ＧａＮ層を厚さ約３００００オングストロームまで成長させる工程；
その後で、該ＩｎｘＧａ１−ｘＮ多重量子井戸の成長のための準備をするために、該ＧａＮ層を成長させるにしたがい、温度を段階的方法で約７７０℃まで徐々に低下させる工程
を含む請求項３２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項３７】
該超格子を作製する工程が：
厚さが約１５オングストロームであるＩｎｘＧａ１−ｘＮと厚さが約３０オングストロームであるＧａＮとの交互層を成長させる工程；及び
珪素で該交互層の両方をドープしてｎ型導電性を生成させる工程
によって該超格子の交互層の２ 〜 ５０周期を形成する工程を含む請求項３２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項３８】
約８２０℃の温度において、厚さ約２５０オングストロームの第一部分を有する該第二ＧａＮ層を形成する工程；及び
珪素で該第二ＧａＮ層をドープする工程
を含む請求項３２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項３９】
約８２０℃の温度において、ド−ピングせずに、第二のより狭い部分を有する該第二ＧａＮ層を形成し、それによって、該第二ＧａＮ層の該ドープト部分から、該多重量子井戸中にある該アンドープトＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を隔離する工程を含む請求項３２記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項４０】
該多重量子井戸を作製する工程が：
約７７０℃の第一温度で、約２５オングストロームの厚さまでＩｎｘＧａ１−ｘＮのアンドープト層を成長させる工程；
約７７０℃の温度で、ＩｎｘＧａ１−ｘＮの該アンドープト層上において、約２５オングストロームの厚さまでＧａＮのアンドープト層を成長させる工程；
約８２０℃の温度で、ＧａＮの別の層を成長させ、且つ珪素でその層をドープして、該ＧａＮの導電性を向上させる工程；
約７７０℃の温度で、ＧａＮの別のアンドープト層を成長させる工程；
約７７０℃を超える第二温度で、該アンドープトＧａＮ層を成長させることによって、該アンドープトＧａＮ層を拡張する工程、その場合、該第二温度は、該ＧａＮの高品質成長を促進するのに充分に高いが、近傍にある非隣接ＩｎｘＧａ１−ｘＮ井戸の劣化を防止する程度には充分に低い；及び
約８４０℃の温度で、約３５オングストロームの厚さまでＧａＮの該アンドープト層の最後の部分を成長させる工程
を含む請求項３２記載の方法。
【請求項４１】
該多重量子井戸を作製する工程を少なくとも３回繰返して、３つの量子井戸を作製する工程を含む請求項４０記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項４２】
マグネシウムで該第三ＧａＮ層をドープして、ｐ型導電性を生成させる工程を含む請求項４０記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項４３】
珪素で該第三ＧａＮ層をドープして、ｎ型導電性を生成させる工程を含む請求項４０記載のＬＥＤを作製する方法。
【請求項４４】
該コンタクト構造を作製する工程が：
約８９０℃の温度で、第一アンドープトＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を約３０オングストロームの厚さまで成長させる工程；
約８９０℃の温度で、ｐ型導電性を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮのマグネシウムドープト層を約８５オングストロームの厚さまで成長させる工程；及び
マグネシウムでドープされてｐ型導電性を有するＧａＮ接触層を、約９８０℃の温度で約１８００オングストロームの厚さまで成長させる工程
を含む請求項７３記載の方法。
【請求項４５】
該コンタクト構造の該ｐ型層を、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの該ドープト層及びＧａＮの該ドープト層のための代替としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ及びＧａＮ（式中、０＜ｘ＜１）から成る群より選択される材料を用いて作製する請求項９５記載のＬＥＤを作製する方法。
【国際調査報告】
2004531894.tif 000044
2004531894.tif 000045
2004531894.tif 000046