(57)【要約】本発明は電磁スペクトルの赤から紫外線の部分において発光できる発光デバイス用の半導体構造である。半導体構造は、ＩＩＩ族窒化物の第１のクラッディング層、ＩＩＩ族窒化物の第２のクラッディング層、並びに、第１及び第２のクラッディング層の間に配置され、かつそのバンドギャップが第１及び第２のクラッディング層のそれぞれのバンドギャップより小さいＩＩＩ族窒化物のアクティブ層を含む。半導体構造は、これらの構造の層のうちの１つ以上がガリウムを含まないことを特徴としている。
2004513520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁スペクトルの赤から紫外線の部分で発光することができる発光デバイス用の半導体構造（１０）において、
０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ、及び（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなる第１のクラッディング層（１１）と、
０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ、及び（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなる第２のクラッディング層（１２）と、
０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ、及び０≦（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなるアクティブ層（１３）であって、第１のクラッディング層（１１）と第２のクラッディング層（１２）との間に配置されているアクティブ層（１３）と
を含み、
第１及び第２のクラッディング層（１１、１２）がそれぞれ、アクティブ層（１３）のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、
第１のクラッディング層（１１）、第２のクラッディング層、及びアクティブ層（１３）の少なくとも１つが、ガリウムを含んでいない
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項２】
請求項１記載の半導体構造（１０）において、第１のクラッディング層（ｌｌ）は、基本的に、０＜ｘ≦１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮからなり、かつガリウムを含まないことを特徴とする半導体構造。
【請求項３】
請求項１記載の半導体構造（１０）において、第２のクラッディング層（ｌ２）は、基本的に、０＜ｘ≦１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮからなり、かつガリウムを含まないことを特徴とする半導体構造。
【請求項４】
請求項１記載の半導体構造（１０）において、
第１のクラッディング層（ｌｌ）及び第２のクラッディング層（ｌ２）は、反対の導電型を有し、
アクティブ層（１３）が、基本的に、０≦ｘ＜１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮからなり、かつガリウムを含まないことを特徴とする半導体構造。
【請求項５】
請求項１記載の半導体構造（１０）において、アクティブ層（１３）は第１の表面（１４）及び第２の表面（１５）を持ち、アクティブ層（１３）の第１の表面（１４）が第１のクラッディング層（１１）に接し、アクティブ層（１３）の第２の表面（１５）が第２のクラッディング層（１２）に接していることを特徴とする半導体構造。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、第１のクラッディング層（１１）がガリウムを含まないことを特徴とする半導体構造。
【請求項７】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、第２のクラッディング層（１２）がガリウムを含まないことを特徴とする半導体構造。
【請求項８】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、アクティブ層（１３）がガリウムを含まないことを特徴とする半導体構造。
【請求項９】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、アクティブ層（１３）がドープされていることを特徴とする半導体構造。
【請求項１０】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、アクティブ層（１３）がドープされていないことを特徴とする半導体構造。
【請求項１１】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、第１のクラッディング層（１１）及び第２のクラッディング層（１２）が、反対の導電型を有することを特徴とする半導体構造。
【請求項１２】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、
該構造はさらに、炭化ケイ素基板（１７）を含み、
第１のクラッディング層（１１）が、炭化ケイ素基板（１７）とアクティブ層（１３）との間に配置され、
炭化ケイ素基板（１７）及び第１のクラッディング層（ｌｌ）が同じ導電型を有する
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体構造（１０）において、炭化ケイ素基板（１７）は、アクティブ層（１３）の反対側で第１のクラッディング層（１１）に接していることを特徴とする半導体構造。
【請求項１４】
請求項１３記載の半導体構造（１０）において、
第１のクラッディング層（１１）は第１の表面（２１）及び第２の表面（２２）を持ち、第１のクラッディング層（１１）の第１の表面（２１）が炭化ケイ素基板（１７）に接し、第１のクラッディング層（１１）の第２の表面（２２）がアクティブ層（１３）に接し、
第１のクラッディング層（１１）の組成は、第１のクラッディング層（１１）の第１の表面（２１）の結晶ラチスが、炭化ケイ素（１７）の結晶ラチスにより良く一致し、かつ第１のクラッディング層（１１）の第２の表面（２２）の結晶ラチスが、アクティブ層（１３）の結晶ラチスとより良く一致するように、徐々に変化させられている
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項１５】
請求項１２記載の半導体構造（１０）において、炭化ケイ素（１７）が単結晶であることを特徴とする半導体構造。
【請求項１６】
請求項１２記載の半導体構造（１０）において、炭化ケイ素（１７）が、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒから成るグループから選択されるポリタイプであることを特徴とする半導体構造。
【請求項１７】
請求項１２記載の半導体構造（１０）において、炭化ケイ素（１７）が、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒから成るグループから選択されるポリタイプの単結晶炭化ケイ素基板（１７）であることを特徴とする半導体構造。
【請求項１８】
請求項１２記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、窒化ガリウム及びインジウム窒化ガリウムから成るグループから選択される離散結晶部（２８）を含み、離散結晶部（２８）が、第１のクラッディング層（１１）と炭化ケイ素基板（１７）との間に配置され、離散結晶部（２８）が、第１のクラッディング層（１１）と炭化ケイ素基板（１７）との間の障壁を減少させるのに十分な量であるが、炭化ケイ素基板（１７）上に形成される発光デバイスの機能に不利益な影響を及ぼす量より少ない量で存在することを特徴とする半導体構造。
【請求項１９】
請求項１２記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、
第１のオーミック接点（２５）であって、該第１のオーミック接点（２５）と第１のクラッディング層（１１）との間に炭化ケイ素基板（１７）が配置される、第１のオーミック接点（２５）と、
第２のオーミック接点（２６）であって、該第２のオーミック接点（２６）とアクティブ層（１３）との間に第２のクラッディング層（１２）が配置される、第２のオーミック接点（２６）と
を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項２０】
請求項１９記載の半導体構造（１０）において、第１及び第２のオーミック接点（２５、２６）は、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、白金、及びバナジウムから成るグループから選択される少なくとも１つの金属、並びに、層、合金、及びそれの混合を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項２１】
請求項１９記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、
ＩＩＩ族窒化物コンタクト層（２７）であって、該コンタクト層（２７）が第２のオーミック接点（２６）と第２のクラッディング層（１２）との間に配置され、コンタクト層（２７）及び第２のクラッディング層（１２）が同じ導電型を有する、ＩＩＩ族窒化物コンタクト層（２７）と、
を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項２２】
請求項２１記載の半導体構造（１０）において、コンタクト層（２７）は、窒化ガリウム、窒化インジウム、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ、並びに、０＜ｘ＜１及び０＜ｙ＜ｌ及び（ｘ＋ｙ）＜１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから成るグループから選択されるＩＩＩ族窒化物で形成されるｐ型のコンタクト層（２７）であることを特徴とする半導体構造。
【請求項２３】
請求項２１記載の半導体構造（１０）において、コンタクト層（２７）は、窒化ガリウム、窒化インジウム、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ、並びに、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜ｌ、及び（ｘ＋ｙ）＜１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから成るグループから選択される複数のＩＩＩ族窒化物層から形成されるｐ型の超ラチスであることを特徴とする半導体構造。
【請求項２４】
請求項２３記載の半導体構造（１０）において、超ラチスが、窒化ガリウム、窒化インジウム、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ、並びに、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜ｌ、及び（ｘ＋ｙ）＜１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから成るグループから選択される２つのＩＩＩ族窒化物層を交互に積層した層から形成されることを特徴とする半導体構造。
【請求項２５】
請求項２４記載の半導体構造（１０）において、超ラチスが、窒化ガリウムと０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮとの２つの層を複数交互に積層した層、あるいは、窒化ガリウムと０＜ｘ＜１であるＡｌｘＧａ１−ｘＮとの層を複数交互に積層した層のいずれかで形成されることを特徴とする半導体構造。
【請求項２６】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、ＩＩＩ族窒化物コンタクト層（２７）を有し、該コンタクト層（２７）がアクティブ層（１３）の反対側で第２のクラッディング層（１２）と接し、かつ該コンタクト層（２７）及び第２のクラッディング層（１２）が同じ導電型を有することを特徴とする半導体構造。
【請求項２７】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、
炭化ケイ素基板（１７）であって、該炭化ケイ素基板（１７）及び第１のクラッディング層（１１）が同じ導電型を有する、炭化ケイ素基板（１７）と、
導電性の緩衝層（２３）と
を含み、
第１のクラッディング層（ｌｌ）が、炭化ケイ素基板（１７）とアクティブ層（１３）との間に配置され、
導電性の緩衝層（２３）が、炭化ケイ素基板（１７）と第１のクラッディング層（ｌｌ）との間に配置される
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項２８】
請求項２７記載の半導体構造（１０）において、導電性の緩衝層（２３）は、基本的に、０≦ｘ≦１である化学式ＡｌｘＧａ１−ｘＮで表されるアルミニウム窒化ガリウム、及び、０≦ｘ≦１である化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮで表されるアルミニウム窒化インジウムから成るグループから選択されるＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする半導体構造。
【請求項２９】
請求項２７記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、導電性の緩衝層（２３）と第１のクラッディング層（１１）との間に配置され、第１のクラッディング層（１１）と同じ導電型を有するＩＩＩ族窒化物遷移層（２４）を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項３０】
請求項２７記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、
第１のオーミック接点（２５）であって、該第１のオーミック接点（２５）と導電性の緩衝層（２３）との間に炭化ケイ素基板（１７）が配置される、第１のオーミック接点（２５）と、
第２のオーミック接点（２６）であって、該第２のオーミック接点（２６）とアクティブ層（１３）との間に第２のクラッディング層（１２）が配置される、第２のオーミック接点（２６）と
を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項３１】
請求項２７記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、
第２のクラッディング層（１２）と同じ導電型を有するＩＩＩ族窒化物コンタクト層（２７）と、
第１のオーミック接点（２５）であって、該第１のオーミック接点（２５）と導電性の緩衝層（２３）との間に炭化ケイ素基板（１７）が配置される、第１のオーミック接点（２５）と、
第２のオーミック接点（２６）であって、該第２のオーミック接点（２６）と第２のクラッディング層（１２）との間にコンタクト層（２７）が配置される、第２のオーミック接点（２６）と
を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項３２】
請求項３１記載の半導体構造（１０）において、コンタクト層（２７）は、窒化ガリウム、窒化インジウム、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ、並びに、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜ｌ、及び（ｘ＋ｙ）＜１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから成るグループから選択される複数のＩＩＩ族窒化物層から形成されるｐ型の超ラチスであることを特徴とする半導体構造。
【請求項３３】
請求項３２記載の半導体構造（１０）において、超ラチスは、窒化ガリウム、窒化インジウム、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ、並びに、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜ｌ、及び（ｘ＋ｙ）＜１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮから成るグループから選択される２つのＩＩＩ族窒化物層の交互の積層で構成されていることを特徴とする半導体構造。
【請求項３４】
請求項１〜５いずれかに記載の半導体構造（１０）において、該構造はさらに、
アクティブ層の反対側で第１のクラッディング層（１１）に接し、かつ第１のクラッディング層（１１）と同じ導電型を持つ、ＩＩＩ族窒化物遷移層（２４）と、
第１のクラッディング層（１１）と反対側で遷移層（２４）に接する導電性の緩衝層（２３）であって、０≦ｘ≦１である化学式ＡｌｘＧａ１−ｘＮで表されるアルミニウム窒化ガリウム、及び０≦ｘ≦１である化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮで表されるアルミニウム窒化インジウムから成るグループから選択されるＩＩＩ族窒化物である導電性の緩衝層（２３）と、
遷移層（２４）の反対側で導電性の緩衝層（２３）に接する単結晶の炭化ケイ素基板（１７）であって、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒから成るグループから選択されるポリタイプを有し、かつ第１のクラッディング層（１１）と同じ導電型を有する炭化ケイ素基板（１７）と、
導線性の緩衝層（２３）の反対側で炭化ケイ素基板（１７）に接し、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、白金、及びバナジウムから成るグループから選択される少なくとも１つの金属、並びに、層、合金、及びそれの混合をからなる第１のオーミック接点（２５）と、
アクティブ層（１３）の反対側で第２のクラッディング層（１２）上に延在するＩＩＩ族窒化物コンタクト層（２７）であって、窒化ガリウム、窒化インジウム、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ、並びに、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜ｌ、及び（ｘ＋ｙ）＜１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、から成るグループから選択される複数のＩＩＩ族窒化物層から形成されるｐ型の超ラチスであるＩＩＩ族窒化物コンタクト層（２７）と、
第２のクラッディング層（１２）の反対側でＩＩＩ族窒化物コンタクト層（２７）に接する第２のオーミック接点（２６）であって、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、白金、及びバナジウムから成るグループから選択される少なくとも１つの金属、並びに、層、合金、及びそれの混合からなる第２のオーミック接点（２６）と
を含み、
第１のクラッディング層（１１）及び第２のクラッディング層（１２）が、反対の導電型を有する
ことを特徴とする半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、電磁スペクトルの赤から紫外線の部分において発光することができるグループＩＩＩ窒化物から形成された発光デバイス、特に発光ダイオード及びレーザ・ダイオードの半導体構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトニック半導体デバイスは、次の３つのカテゴリに分類される。電気エネルギを光放射に変換するデバイス（例えば発光ダイオード及びレーザ・ダイオード）、光信号を検知するデバイス（例えば光電検出器）、また光放射を電気エネルギに変換するデバイス（例えば光起電力デバイス及び太陽電池）である。これら３種類のデバイスは、すべて有用なアプリケーションを持つが、発光ダイオードは、様々な消費者用の製品及びアプリケーションに対するその用途があるため、最も一般的である。
【０００３】
ＬＥＤと呼ばれる発光デバイス（例えば発光ダイオード及びレーザ・ダイオード）は、電力を放射光線に変換する、ｐｎ接合のフォトニック半導体デバイスである。最も一般的に、ＬＥＤは、多くの消費製品（例えば、オーディオ・システム、自動車、家庭用電子機器、及びコンピュータ・システム）で使用される、様々な信号、インディケータ、計器、及びディスプレイのための、電磁スペクトルの可視光部分における光源を形成する。ＬＥＤは、一般的に寿命が長く、必要とされる消費電力が低く、信頼性が高いために、光出力デバイスとして望ましい。
【０００４】
広範囲に使用されているにもかかわらず、所定のＬＥＤが生成することができる色が、ＬＥＤを組立てるために使用される半導体材料の性質によって制限されるので、ＬＥＤは機能上多少制約される。この分野及びその関連分野における一般的な技術を持つ人たちには、よく知られていることであるが、ＬＥＤによって生成される光は、「エレクトロルミネセンス」と呼ばれ、電圧印加の状態で電流が材料を通り抜けることによって光が生成する。エレクトロルミネセンスの光を生成するいかなる特定の組成であっても、波長の比較的狭い範囲で光を生成する傾向がある。
【０００５】
所定のＬＥＤ材料によって発することができる光の波長（つまりその色）は、その材料の物性、特にそのバンドギャップ・エネルギによって制限される。バンドギャップ・エネルギは、半導体内の、より低いエネルギの価電子バンドと、より高いエネルギの伝導バンドとを区分するエネルギ量であり、これらのバンドは、量子力学のよく知られた原理に従ってキャリア（つまり電子又は正孔）が存在することができるエネルギ状態である。「バンドギャップ」は、キャリアが入ることを禁止される（つまり、キャリアがこれらのエネルギ状態の中で存在することができない）伝導バンドと価電子バンドとの間のエネルギの範囲である。特定の環境下で、電子と正孔がバンドギャップを横断して再結合する場合、それらは光の形をしたエネルギを発する。言いかえれば、所定の半導体材料によって引き起こされる電磁放射の周波数（つまり色）は、その材料のバンドギャップ・エネルギの関数である。
【０００６】
この点で、より狭いバンドギャップは、より低いエネルギである、より長い波長の光子を生成する。反対に、より広いバンドギャップ材料は、より高いエネルギである、より短い波長の光子を生成する。青い光は、可視スペクトル内の他の色より短い波長を持ち、従って、より高い周波数を持つ。結果的に、青い光は、緑、黄、橙又は赤の光を生成する遷移（トランジッション）より、エネルギにおいてより大きな遷移から生成されなければならない。可視スペクトルの青又は紫外の部分の波長を持つ光子の生成は、比較的大きなバンドギャップを持つ半導体材料を要求する。
【０００７】
可視スペクトルは、約３９０ナノメートルの紫から、約７８０ナノメートルの赤までである。可視スペクトルの青の部分は、約４２５と４８０ナノメートルの波長間にわたると考えることができる。約４２５ナノメートル（紫に近い）及び約４８０ナノメートル（緑に近い）の波長は、それぞれ約２．９ｅＶ及び約２．６ｅＶのエネルギ遷移を表す。従って、少なくとも約２．６ｅＶのバンドギャップを備えた材料だけが、青い光を生成することができる。
【０００８】
より短い波長のデバイスは、色に加えて多くの利点を提供する。特に、ＣＤ−ＲＯＭ光ディスクのような、光学的なストレージ（記憶）及びメモリ・デバイスの中で使用される場合、波長が短いことによって、そのようなストレージ・デバイスは、著しく多くの情報を保持することができる。例えば、青い光を使用して情報を格納する光デバイスは、赤い光を使用するものよりも、同じスペース内により多くの情報を保持することができる。
【０００９】
発光ダイオードが作用する基本的なメカニズムは、この技術分野において充分に理解されており、例えば、ＳｚｅによるＰｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ（半導体デバイスの物理学）の第２版（１９８１）の６８１〜７０３ページに示されている。
【００１０】
本特許出願の譲受人は、青色スペクトル内の光を発する商業ベースにのった、多量に市販されるＬＥＤの開発に、この分野で初めて成功した。これらのＬＥＤは、広いバンドギャップの半導体材料である炭化ケイ素で形成された。そのような青いＬＥＤの例が、各々「炭化ケイ素で形成された青い発光ダイオード」と題されたＥｄｍｏｎｄへの米国特許第４，９１８，４９７及び５，０２７，１６８号に記述されている。ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの構造及びレーザの構造についての他の例が、譲受された米国特許第５，５２３，５８９、５，５９２，５０１及び５，７３９，５５４号に記載されている。
【００１１】
炭化ケイ素に加えて、青い発光デバイスに用いることができる材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、並びにアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）、インジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）、及び、ある環境においてはアルミニウム・インジウム窒化ガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）のようなそれに関連するＩＩＩ族（つまり周期表のＩＩＩ族）の窒化化合物である。これらの材料は、室温で約１．９から約６．２ｅＶまでの間のバンドギャップのダイレクト・エネルギ遷移を提供するので、特に魅力的である。シリコン、リン化ガリウム、又はガリウムひ素のようなより一般的な半導体材料は、それらのバンドギャップがほぼ２．２６ｅＶ又はそれより少なく、またシリコンの場合には、インダイレクトな半導体で、非能率的な光エミッタであるので、青い光を生成するには適さない。
【００１２】
ＬＥＤ及び電子遷移に精通している当業者に知られているように、価電子バンド最大値と伝導バンド最小値が、同じモーメンタムの状態の時に、ダイレクト遷移が半導体に発生する。これは、遷移によって生成されたエネルギが、大部分効率的に光子になることができるように（つまり熱ではなく光を生成するために）、結晶モーメンタムが、電子と正孔の再結合の間に容易に保持されることを意味する。伝導バンド最小値及び価電子バンド最大値が同じモーメンタムの状態ではない場合、光子（つまり振動エネルギの量子）は結晶モーメンタムを保持するよう要求され、その遷移は「インダイレクト」と呼ばれる。第３の素粒子である光子の必要性は、インダイレクトな放射遷移を余り起こさせないことであり、これにより、デバイスの発光効率を減少させることになる。
【００１３】
概して言えば、ダイレクトなバンドギャップ材料内に形成されるＬＥＤは、インダイレクトなバンドギャップ材料内に形成されるものより効率的に機能する。従って、ＩＩＩ族窒化物のダイレクト遷移特性は、炭化ケイ素のようなインダイレクトな材料から放射を行う以上に、より明るくより効率的な放射、つまりより明るくより効率的なＬＥＤに対する可能性を提供する。また従って、最近１０年の多くの関心は、窒化ガリウム、及びその関連のＩＩＩ族窒化物内に、発光ダイオードを生成することに集中した。
【００１４】
ＩＩＩ族窒化物は、広いバンドギャップ・エネルギ範囲に渡って、ダイレクト遷移を提供するものの、その材料には、特定の一組の技術的な製造上の問題がある。特に、光子デバイスが形成される窒化ガリウム・エピタキシャル層用の適切な基板として機能することができる窒化ガリウム（ＧａＮ）のバルク単結晶を生成するための商業ベースにのった技術は、まだ出現していない。
【００１５】
すべての半導体デバイスは、ある種の構造的な基板を必要とする。通常、活性領域と同じ材料から構成された基板には、特に結晶成長及びラチス（格子）整合において、著しい利点がある。窒化ガリウムはそのようなバルク結晶の中でまだ形成されていないので、窒化ガリウムの光子デバイスが、非ＧａＮ基板上のエピタキシャル層内に形成されなければならない。
【００１６】
ＩＩＩ族の窒化物基板の分野での最近の研究は、「Ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　Ｂｕｌｋ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｏｆ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ（アルミニウム窒化物のバルク単結晶の成長）」について１９９９年７月２７日に出願された同時係属の譲受された米国特許出願第０９／３６１，９４５号、「Ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　Ｂｕｌｋ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｏｆ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ　ｆｒｏｍ　ａ　Ｍｅｌｔ（溶融物からアルミニウム窒化物のバルク単結晶の成長）」について１９９９年７月２７日に出願された米国特許出願第０９／３６１、９４４号、「Ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　Ｂｕｌｋ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｏｆ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ（アルミニウム窒化物のバルク単結晶の成長）」について１９９９年７月７日に出願された米国特許出願第０９／１１１，４１３号、「Ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　Ｂｕｌｋ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｏｆ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｎｉｔｒｉｄｅ：　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ　Ａｌｌｏｙｓ（アルミニウム窒化物である炭化ケイ素合金のバルク単結晶の成長）」について１９９８年１０月９日に出願された米国特許出願第０９／１６９，３８５号を含む。これらの審査継続中の出願が、すべてここに完全に参考文献として組み込まれる。
【００１７】
しかしながら、異なる基板を使用することは、結晶ラチスの整合のほとんどの領域において、さらなる問題を引き起こす。ほぼすべての場合に、異なる材料は、異なる結晶ラチスパラメータを持つ。その結果、窒化ガリウム・エピタキシャル層が、異なる基板上で成長する場合、いくらかの結晶ラチス不整合及び熱膨脹係数不整合が発生する。その結果生じるエピタキシャル層は、この不整合によって「ストレインド（ひずんでいる）」と呼ばれる。結晶ラチス不整合、及びそれらが生み出すひずみは、ラチス欠陥を生じる恐れがある。次に、これは、結晶及び接合の電子的な特性に影響を与えて、その結果、光子デバイスの性能を下げる傾向がある。これらの種類の欠陥は、高出力な構造においては、さらに問題である。
【００１８】
初期のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤにおいて、窒化ガリウム・デバイス用の最も一般的な基板は、サファイヤ（つまり酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３）であった。あるＩＩＩ族窒化物デバイスは、それを使用し続けている。
【００１９】
サファイヤは、可視の紫外線の範囲において、光学上透明であるが、約１６パーセントの窒化ガリウムとの結晶ラチス不整合がある。さらに、サファイヤは、導電性というよりむしろ絶縁性を有し、導電性ドーピングに適さない。結果的に、光の放射を生成するためにＬＥＤを通過しなければならない電流が、サファイヤ基板を通して導かれることができない。従って、ＬＥＤへ他のタイプの接続をなされなければならない。
【００２０】
一般的に、縦型の形状を備えたＬＥＤは、デバイスの反対側の端にオーミック接点を配置することができるように、導電性の基板を使用する。そのような縦型ＬＥＤは、縦型でないデバイスより、最終用途デバイスへの取り込みの単純性、及びそれらの製造の容易さを含めた多くの理由により、望ましい。しかしながら、導電性の基板が無いと、縦型のデバイスを形成することができない。
【００２１】
サファイヤとは対照的に、窒化ガリウムだけが、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）と約３．５パーセントのラチス不整合、炭化ケイ素と約２．４パーセントのラチス不整合を持つ。炭化ケイ素は、アルミニウム窒化物と比較的少ない約１パーセントだけの不整合を持つ。
【００２２】
また、ＩＩＩ族の３元及び４元の窒化物（例えばインジウム窒化ガリウム及びアルミニウム・インジウム窒化ガリウム）が、比較的広いバンドギャップを持つことが明らかにされている。従って、そのようなＩＩＩ族の窒化物もまた、青及び紫外線の半導体レーザ、ならびにＬＥＤへの使用の可能性がある。しかしながら、ほとんどのこれらの化合物は、窒化ガリウムと同じ問題、すなわち全く同じ単結晶基板を形成することができない。従って、各々は、通常、異なる基板上で成長したエピタキシャル層の形で使用される。このことは、ラチス欠陥、及びそれに関連する電子的な問題と同様の問題を生じる可能性がある。
【００２３】
従って、本発明の譲受人は、基板としてのサファイヤの導電性の問題を解決する手段として、窒化ガリウム及び他のＩＩＩ族のデバイスの代わりに、炭化ケイ素基板の使用を開発した。炭化ケイ素は導電性を持たせるようにドープされることができるので、縦型のＬＥＤを形成することができる。上述したように、縦型の構造は、ＬＥＤの製造、並びに回路及び最終用途デバイスへの取り込みの両方に、好適である。
【００２４】
ＩＩＩ族の窒化物に精通している当業者には知られているように、それらの特性は、現在のＩＩＩ族元素（例えばガリウム、アルミニウム、インジウム）の本来の性質及びモル分率によって異なる。例えば、アルミニウムのモル分率の増加は、バンドギャップを増大させる傾向がある一方で、アルミニウムの量を減少させることは、屈折率を増大させる傾向がある。同様に、インジウムの比率が大きいと、材料のバンドギャップが減少し、そして、バンドギャップが調整され、所要の周波数の光子を生成するよう「周波数を同調させる」ことが可能になる。しかしながら、このことは、結晶の化学的及び物理的な安定性を減少させる傾向がある。モル分率に基づく他の影響は、ひずみを引き起こす結果になる、結晶ラチス間隔の変化を含む。
【００２５】
従って、この技術分野での多くの労力にもかかわらず、縦型の形状を組み込み、かつ、ＩＩＩ族の窒化物の光子デバイスからなるアクティブ層、クラッディング層、及び緩衝層において、インジウム、アルミニウム及びガリウムの比率が望ましいように調整されているデバイスに対するニーズが依然として存在する。従って、ＩＩＩ族窒化物の好ましい比率を利用するやり方で、ＩＩＩ族窒化物から成る発光ダイオード及びレーザ・ダイオードを生成することが、本発明の目的である。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物の第１のクラッディング層、ＩＩＩ族窒化物の第２のクラッディング層、並びに、第１及び第２のクラッディング層の間に配置され、そのバンドギャップが、第１及び第２のクラッディング層のそれぞれのバンドギャップより小さい、ＩＩＩ族窒化物のアクティブ層を含む半導体構造を通して、この目的を達成する。特に、本発明の半導体構造は、アクティブ層又はクラッディング層のうちの少なくとも１つに、ガリウムを含まないことが特徴である。
【００２７】
本発明の前述及び他の目的及び利点、並びに、これらを達成する方式について、以下の詳細な説明及びその添附図面の中で、さらに明細に述べる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明は、電磁スペクトルの赤から紫外の部分において発光することができる発光デバイス用の半導体構造である。その構造は、第１のＩＩＩ族窒化物クラッディング層と第２のＩＩＩ族窒化物クラッディング層との間に配置されたＩＩＩ族窒化物アクティブ層を含む。そのアクティブ層は、第１及び第２のクラッディング層の各々のそれぞれのバンドギャップより小さいバンドギャップを持ち、そして第１及び第２のクラッディング層は、反対の導電型（つまり、ｐ型又はｎ型、あるいはその逆）を所有することが望ましい。特に、アクティブ層、第１のクラッディング層又は第２のクラッディング層のうちの少なくとも１つは、ガリウムを含まないことが特徴である。
【００２９】
これは、ここで用いられているが、本発明のコンテキストにおいて実質的に意味がない程度の少量（つまり半導体デバイスに対して機能的な影響を与えない）であれば、ガリウムが存在してもよいことを意味する。それでもなお、前述の層の少なくとも１つが、わずか微量のガリウム以外は許さないという要件は、１つ以上の層にそのような特徴を持たせてもよいということであることである（例えば、第１のクラッディング層及び第２のクラッディング層の両方が、ガリウムを含んでいない）。
【００３０】
導電型（つまり、ｎ型かｐ型）は先天的なものであるが、より一般には、適切なドナー又は受容体原子を使用して、特別にＩＩＩ族窒化物をドープして得られるものである。ＩＩＩ族窒化物の適切なドーピングは、一般にこの技術分野ではよく理解されており、本発明を説明するために必要なこと以外は、ここでは説明しない。
【００３１】
この分野での一般的な技術を持つ当業者によって理解されるように、アクティブ層、第１のクラッディング層、及び第２のクラッディング層内のアルミニウム、インジウム、及びガリウムのモル分率は、化学式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮによって一般に表わされる。ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１である。この点では、アルミニウム、インジウム、及びガリウムの相対的な濃度が、層によって異なることが理解されるであろう。
【００３２】
本発明の１つの望ましい実施例では、第１のクラッディング層が、ガリウムを含まない特徴を持つＩＩＩ族窒化物であるアルミニウム窒化インジウムであることが最も望ましい。この場合、第１のクラッディング層内のアルミニウム及びインジウムのモル分率は、化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮによって一般に表わされる。ただし０＜ｘ≦１である。ここで、変数ｘに対する範囲は０を含まないが、この分野の当業者であれば、これは、アルミニウムの存在が必要であること（つまりアルミニウム窒化物合金）を意味していることを、理解するであろう。
【００３３】
同様に、本発明の別の望ましい実施例では、アクティブ層が、ガリウムを含まない特徴を持つアルミニウム窒化インジウムというＩＩＩ族窒化物である。この場合、アクティブ層内のアルミニウム及びインジウムのモル分率は、化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮによって一般に表わされる。ただし０≦ｘ＜１である。ここに、変数ｘに対する範囲はｌを含んでいないが、これは、インジウムを必要としていることを意味している。
【００３４】
そのようなガリウムを含まないアルミニウム窒化インジウムのアクティブ層は、（例えば、赤から紫外線までの）非常に広範囲の放射を可能にするという点で有益である。さらに、局在状態が、アルミニウム窒化インジウム内のインジウムによって引き起こされるので、アルミニウム窒化インジウムは、アクティブ層として、アルミニウム窒化ガリウムより機能が良好である。このことは、放射効果を増強し、非発光性再結合を減少させる。
【００３５】
本発明についての理解は、本発明に従ったＬＥＤに対する半導体構造の横断面の概要図である図ｌを参照することで、達成される。
１０で概略的に示される半導体構造は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第１のクラッディング層１１を含む。ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１。より特別な実施例では、第１のクラッディング層１１がガリウムを含まず、基本的にＡｌｘＩｎ１−ｘＮという化学式を持つアルミニウム窒化インジウムから成る。ただし、０＜ｘ≦１。
【００３６】
また半導体構造１０は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第２のクラッディング層１２を含むか、あるいはより特別な実施例では、０＜ｘ≦１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮという化学式を持つ、ガリウムを含まないアルミニウム窒化インジウムのクラッディング層１２を含む。
【００３７】
言及されたように、第１のクラッディング層１１及び第２のクラッディング層１２は、反対の導電型を持つ。すなわち、第１のクラッディング層１１がｎ型の層である場合、第２のクラッディング層１２はｐ型の層であり、その逆でもよい。先の例が後の例より好ましい。導電型に関するこの約束事は、仕様の全体にわたって維持される。発光デバイスに精通している当業者には知られているように、反対の導電型の構造をした層を含むことは、デバイスに順バイアスを促進し、これにより、所要の放射を生成する再結合を促進する。
【００３８】
０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１である化学式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮを持つアクティブ層１３が、第１のクラッディング層１１及び第２のクラッディング層１２との間に配置される。より特別な実施例では、アクティブ層１３は、ガリウムを含まず、基本的に、０≦ｘ＜１である化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮを持つアルミニウム窒化インジウムから成る。
【００３９】
ここで使用される用語「層」は、一般に単結晶エピタキシャル層を指す。
アクティブ層１３は、ドープされるか、又はドープされないかのどちらかである。ＩＩＩ族窒化物特性に精通している当業者には知られているように、ドープされてない材料は、一般に、元来ｎ型である。特に、第１のクラッディング層１１及び第２のクラッディング層１２は、アクティブ層１３のバンドギャップより各々大きい、それぞれのバンドギャップを持つ。前述したように、ＩＩＩ族モル分率は、これらの特性を提供するように選択される。
【００４０】
これに関して、図２を参照して、バンドギャップ・エネルギに対比するラチス定数を理論的に説明する。図２の三角形の領域は、アルミニウム、インジウム及びガリウムのＩＩＩ族窒化物に利用可能なバンドギャップ・エネルギの範囲を表す。図２は、任意の特定のラチス定数に対して、ガリウムを取り除くことが、バンドギャップ・エネルギを最大限にすることを明らかにしている（つまり、アルミニウム窒化インジウム用のバンドギャップは、ＡｌＮとＩｎＮを結ぶ線分によって求められる）。
【００４１】
また半導体の構造、特にレーザの構造に精通している人たちには知られているように、デバイスの能力を高めるためには、アクティブ層は、隣接するクラッディング層より低いバンドギャップを、及び隣接するクラッディング層より高い屈折率を持つことが望ましい。そのような構造は、レーザの能力にとって重要な２つの利点を与える。まず、アクティブ層が最低のバンドギャップを持っている場合、それは、キャリアが落ちる傾向がある量子ウエル（井戸）を形成する。これは、レーザ効果を高めるのに役立つ。次に、導波が、構造内の最も高い屈折率を持っている材料に発生する。従って、アクティブ層のバンドギャップが隣接する層のそれより小さくて、それの屈折率が、隣接する層のそれより大きい場合、デバイスのレージング能力が高められる。
【００４２】
さらに、この分野における当業者には知られているように、３元及び４元のＩＩＩ族窒化物の組成は、それらの屈折率とバンドギャップとの両方に影響を与える。概して言えば、アルミニウムの比率が大きいと、バンドギャップが増大し、屈折率が減少する。従って、望ましい実施例では、クラッディング層ｌｌ及び１２が、アクティブ層１３より大きなバンドギャップと、アクティブ層１３より小さな屈折率とを持つために、クラッディング層ｌｌ及び１２は、アクティブ層１３と比較して、より高い比率のアルミニウムを含む。クラッディング層１１及び１２のバンドギャップがより大きいと、アクティブ層１３へのキャリアの閉じ込めを高めることにより、デバイスの効率を増大させる。同様に、ヘテロ構造の層１１及び１２の屈折率がより低いと、光がアクティブ層１３に閉じ込められるようになる。
【００４３】
上述したように、変数（例えばｘ及びｙ）は、それらが説明している構造の層を言及している。すなわち、１つの層に関する変数の値は、別の層に関する変数の値に無関係である。例えば、半導体構造を説明する際に、変数ｘは、第１のクラッディング層１１に関して１つの値を持ち、第２のクラッディング層１２に関して別の値を持ち、説明されたアクティブ層１３に関して、さらに別の値を持つ。またこの分野の当業者には理解されるように、式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮにおける制限０≦（ｘ＋ｙ）≦１は、ＩＩＩ族元素（複数）と窒素とが１：１のモル比で存在することを必要としている。
【００４４】
（以下の）例１及び２は、クラッディング層及びアクティブ層内のＩＩＩ族窒化物に対する様々なモル比を開示する。特に、例１は、青色ＬＥＤに対する３元のＩｎｘＡｌ１−ｘＮのクラッディング層の組成を説明し、例２は、青色ＬＥＤに対する３元のＩｎｘＡｌ１−ｘＮのアクティブ層の組成を説明する。
例　１
青色ＬＥＤ（４２５ｎｍ＜λ＜４８０ｎｍ）に対するクラッディング層は、青色アクティブ層（２．５８〜２．９２ｅＶ）のそれより大きなバンドギャップ・エネルギを持たなければならない。３元のＩｎｘＡｌ１−ｘＮに対して、理想的な結晶のバンドギャップ・エネルギは、依然として研究と討論の事柄である。これは、第１に、バンドギャップ・エネルギを決定する光伝送測定のための十分に厚い（ほぼ０．２μｍ）固溶体の高品質で均一なエピタキシャル層を育てることの困難さのためである。最新データからみると、Ｉｎ０．１７Ａｌ０．８３Ｎは、２．９〜３．０ｅＶのバンドギャップ・エネルギを持っている。Ｓ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ、Ｍ．Ｋａｒｉｙａ、Ｓ．Ｎｉｔｔａ、Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｃ．Ｗｅｔｚｅｌ、Ｈ．Ａｍａｎｏ及びＩ．Ａｋａｓａｋｉによる米国出願Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６　８７６（２０００）を参照されたい。従って、青色ＬＥＤ用のクラッディング層は、０．１７未満のインジウム・モル分率を持つべきである。Ｋ．Ｓ．Ｋｉｍ、Ａ．Ｓａｘｌｅｒ、Ｐ．Ｋｕｎｇ、Ｍ．Ｒａｚｅｇｈｉ及びＫ．Ｙ．Ｋｉｍによる米国出願Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１　８００（１９９７）を参照のこと。
例　２
青い光の放射は、０．１４＜ｘ＜０．２１の間の３元のＩｎｘＡｌ１−ｘＮに対して発生し、Ｉｎ０．１７Ａｌ０．８３Ｎならば４５０ｎｍでピークを持つルミネセンスを発生し、Ｉｎ０．２２Ａｌ０．７８Ｎならば５００ｎｍである。Ｓ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ、Ｍ．Ｋａｒｉｙａ、Ｓ．Ｎｉｔｔａ、Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｃ．Ｗｅｔｚｅｌ、Ｈ．Ａｍａｎｏ及びＩ．Ａｋａｓａｋｉによる婦負国出願Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６　８７６（２０００）を参照のこと。インジウム・モル分率を０．１４未満にすると、より短い波長の光を発生し、そのために、４２５ｎｍの放射が可能になる。緑色の放射（例えば、５００＜λ＜５７５ｎｍ）については、インジウム・モル分率が約０．２２＜ｘ＜０．３５の間にあるべきである。
【００４５】
これらがバルク放射であること、及び量子ウエルとしての材料の成長が、これらの放射波長を青色方向に偏移させる量子閉じ込めを引き起こすことは、この分野での技術を持つ人たちには理解されるであろう。
【００４６】
ここで用いられた、１つの層が他の２つの層「の間に」存在するという概念は、必ずしも３層が隣接している（つまり密着して接している）ことを意味しない。むしろ、ここで用いられる、１つの層が他の２つの層「の間に」存在するという概念は、半導体構造内での層の相対的な位置を説明するものである。同様に、ここで用いられる、第１の層が第２の層に接しているとか、「向こう側」の第３の層という概念は、単に半導体構造内の第１及び第２の層の相対的な位置を説明するものである。
【００４７】
このように、半導体構造の望ましい実施例で、アクティブ層１３は、第１のクラッディング層１１に隣接する第１の表面１４、及び第２のクラッディング層１２に隣接する第２の表面１５を持つ。言いかえれば、そのような実施例では、アクティブ層１３は、第１のクラッディング層１１と第２のクラッディング層１２の間に直接に挟まれていて、大括弧１６で示されているダブルのヘテロ構造である、この３つの層を妨げるいかなる追加の層も無い。
【００４８】
構造的な呼称「ダブル・ヘテロ構造」は、この技術分野でよく理解されている方法で、ここで用いられている。これらの構造の様相は、例えば、Ｓｚｅによる「Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ（半導体デバイスの物理学）」の第２版（１９８１）のページ７０８〜７１０で説明されている。引用されているＳｚｅの説明はレーザに言及しているが、さらに、通常の構造、単一のヘテロ構造、及びダブルのヘテロ構造、のデバイスの性質、並びにその区別を述べている。
【００４９】
半導体デバイス１０は、さらに、第１のクラッディング層１１と同じ導電型を持つ炭化ケイ素基板１７を含むことができる。炭化ケイ素基板１７は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、又は１５Ｒのポリタイプを持つ。第１のクラッディング層１１は、炭化ケイ素基板１７とアクティブ層１３の間に配置される。
【００５０】
図３に示した本発明の別の実施例では、炭化ケイ素基板１７が、第１のクラッディング層１１に接し、そして該層１１を隔てて向こう側にアクティブ層１３がある（つまり、炭化ケイ素基板１７と第１のクラッディング層１１との間に介在する層が全くない）。
【００５１】
炭化ケイ素基板１７は、単結晶であることが最も望ましい。この分野における通常の技術を持つ人たちであればよく理解されるように、高品質の単結晶基板は、次々に有意な性能を提供する多くの構造的な利点、並びに寿命の利点を提供する。炭化ケイ素基板１７は、継続中の出願と同様に譲受された米国特許第４，８６６，００５号（現在は米国特許第ＲＥ３４，８６１号）に記載されている方法で、形成可能である。高品質の炭化ケイ素の単結晶基板は、ｎ型として生産する方が多少容易であるので、炭化ケイ素基板１７及び第１のクラッディング層１１はｎ型であることが望ましい。
【００５２】
図４によって描かれた望ましい実施例では、第１のクラッディング層１１が、炭化ケイ素基板１７に接している第１の表面２１、及びアクティブ層１３に接している第２の表面２２を持つ。特に、第１のクラッディング層１１の組成は、第１の表面２１での結晶ラチスが、炭化ケイ素１７の結晶ラチスとより良く整合するように、また第２の表面２２での結晶ラチスが、アクティブ層１３の結晶ラチスとより良く整合するように、徐々に変化していくように作られる。第１のクラッディング層が、炭化ケイ素基板１７に隣接しているそれの第１の表面２１を確実に導電性の状態にするために、第１のクラッディング層１１は、インジウムの十分なモル分率を示さなければならない。
【００５３】
ここで使用されたように、それぞれの結晶ラチスとより良く整合させる概念は、完全な整合を意味するものではなく、層のインターフェースでのそのラチスが、隣接した層の結晶ラチスとより互換性をもつように、層の組成が徐々に変化させられるということである。デバイスを組立てる時に、多くの点でバランスがとれていなければならず、そのうちの１つがラチスの整合である。他の要素がより重要である場合は、完全又は良いラチス整合は、それほど重要ではないし、その逆も正しい。
【００５４】
この場合で、クラッディング層、特にアルミニウム窒化インジウムのクラッディング層は、ひずみ（ストレイン）と欠陥を減少させるために、ガリウムを含むアクティブ層、特に窒化ガリウム及びインジウム窒化ガリウムのアクティブ層と、選択的に整合するラチスである。特に、アルミニウム窒化インジウムは、より高いバンドギャップを持つ他のＩＩＩ族窒化物と整合するラチスであるので、有用である。図２を参照すること。
【００５５】
この分野の当業者によって理解されるように、クラッディング層及びアクティブ層のラチス整合は、片側のラチス整合（つまりラチス整合がアクティブ層の１つの側に起こる）又は両側のラチス整合（つまりラチス整合がアクティブ層の両側で起こる）であってもよい。
【００５６】
図５に示した別の実施例では、半導体構造１０が、さらに、炭化ケイ素基板１７と第１のクラッディング層１１との間に配置された導電性の緩衝層２３を含む。この実施例の変形では、導電性の緩衝層２３が、介在する層も無く、炭化ケイ素基板１７と第１のクラッディング層１１との間に挟まれている。導電性の緩衝層２３は、基本的に、化学式ＡｌｘＧａ１−ｘＮを持つアルミニウム窒化ガリウムから成ることが望ましい。ただし、０≦ｘ≦１である。代案として、第１のクラッディング層１１が、基本的に、０＜ｘ≦１の化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮを持つアルミニウム窒化インジウムから成る場合、導電性の緩衝層２３は、基本的に、０≦ｘ≦１の化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮを持つアルミニウム窒化インジウムから成ることが望ましい。他の容認できる緩衝及び緩衝構造は、譲受された米国特許番号５，５２３，５８９及び５，３９３，９９３及び５，５９２，５０１に記述されたものを含み、その各々の内容が参考文献としてここに完全に組み込まれる。
【００５７】
第１のクラッディング層１１と導電性の緩衝層２３との間での遷移を促進するために、半導体構造１０はさらに、導電性の緩衝層２３と第１のクラッディング層１１との間に配置される、組成的に徐々に変化していく層から形成されることが望ましい、ＩＩＩ族窒化物遷移層２４を含むことができる。遷移層２４は、第１のクラッディング層ｌｌ及び炭化ケイ素基板１７と同じ導電型である。図６を参照のこと。
【００５８】
代案として、図７に示されるように、導電性の緩衝層２３及び遷移層２４は、第１のクラッディング層１１及び炭化ケイ素基板１７を分離する、離散的結晶部２８（つまり、ＩＩＩ族窒化ドット部、できればガリウム・ドット又はインジウム窒化ガリウム・ドット部）と置き換えられることができる。そのような実施例では、離散的結晶部２８が、第１のクラッディング層１１と炭化ケイ素基板１７との間の障壁を最小限にするか又は取り除くために十分な量であるが、炭化ケイ素基板１７上に形成される任意の派生する発光デバイスの機能に有害な影響を与えるか又は破壊する量より少ない量である。
【００５９】
さらに、別の実施例では、離散的結晶部２８は、炭化ケイ素基板１７と導電性の緩衝層２３との間に配置される。図１は、大ざっぱに、これらのコンポーネントの１つ以上が、半導体構造の中に存在する時の、導電性の緩衝層２３、遷移層２４及び離散的結晶部２８の相対的な位置を示す。
【００６０】
離散的結晶部は、エピタキシャル層を形成しない。従って、この分野の通常の技術を人たちであれば、図１及び図７の中の離散的結晶部２８の描写が、単に概要図であることを理解するであろう。
【００６１】
離散的結晶部２８は、窒化ガリウムあるいはインジウム窒化ガリウムから形成されることが望ましい。
窒化ガリウムからなる離散的結晶部を含めることは、「Ｇｒｏｕｐ　ＩＩＩ　Ｎｉｔｒｉｄｅ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｂｕｆｆｅｒ　Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（導電性のバッファ中間層構造を持つ炭化ケイ素基盤上のＩＩＩ族窒化物の光子デバイス）」に関して１９９７年１０月７日に出願された、譲受された米国特許出願第０８／９４４，５４７号の中でより完全に開示され、それは完全にここに参考文献として組み込まれる。
【００６２】
また別の実施例で、半導体構造１０は、さらに、第１のオーミック接点２５及び第２のオーミック接点２６を含む。図１で示すように、第１のオーミック接点２５は、炭化ケイ素基板１７が、第１のオーミック接点２５と第１のクラッディング層１１との間に存在するような半導体構造内に配置される。第２のオーミック接点２６は、第２のクラッディング層１２が、第２のオーミック接点２６とアクティブ層１３との間に存在するような半導体構造内に配置される。図１を参照のこと。
【００６３】
半導体構造１０は、さらに、第２のオーミック接点２６と第２のクラッディング層１２との間に配置されたＩＩＩ族窒化物のコンタクト層２７を含む。コンタクト層２７及び第２のクラッディング層１２は、同じ導電型で、通常はｐ型である。図１を参照のこと。
【００６４】
望ましい実施例では、コンタクト層は、ｐ型で、窒化ガリウム（マグネシウムがドープされた窒化ガリウム）、窒化インジウム、０＜ｘ＜１である化学式ＡｌｘＩｎｌ−ｘＮのアルミニウム窒化インジウム、０＜ｘ＜１である化学式ＡｌｘＧａｌ−ｘＮのアルミニウム窒化ガリウム、０＜ｘ＜１である化学式ＩｎｘＧａｌ−ｘＮのインジウム窒化ガリウム、又は０＜ｘ＜１で０＜ｙ＜１で（ｘ＋ｙ）＜１である化学式ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮから作られる。この点に関して、範囲から０及びｌの両方が排除されていることは、合金内にＩＩＩ族元素の両方の存在が必要であるということである。
【００６５】
ほとんどの望ましい実施例では、コンタクト層が、窒化ガリウム（マグネシウムがドープされた窒化ガリウムが望ましい）、窒化インジウム、０＜ｘ＜１である化学式ＡｌｘＩｎｌ−ｘＮのアルミニウム窒化インジウム、０＜ｘ＜１である化学式ＡｌｘＧａｌ−ｘＮのアルミニウム窒化ガリウム、０＜ｘ＜１である化学式ＩｎｘＧａｌ−ｘＮのインジウム窒化ガリウム、又は０＜ｘ＜１で０＜ｙ＜１で（ｘ＋ｙ）＜１である化学式ＡｌｘＩｎｙＧａｌ−ｘ−ｙＮ、から成るグループから選択された、複数のＩＩＩ族窒化物層から形成される超ラチスを含むｐ型のコンタクト層である。
【００６６】
特に、超ラチスは、これらのＩＩＩ族窒化物層のうちの任意の２つの層を交互に積層することによって最良に形成される。そのような超ラチスにおいては、窒化ガリウム、アルミニウム窒化インジウム、インジウム窒化ガリウムのうちの任意の２つの層を交互積層することが、最も望ましい。
【００６７】
より一般的には、超ラチス構造の中に、窒化インジウム、アルミニウム窒化インジウム、インジウム窒化ガリウム、又はアルミニウム・インジウム窒化ガリウムのうちの少なくとも１つの層を組み入れることが望ましい（つまり、超ラチスは窒化ガリウム層だけから形成されてはならない）。アルミニウム窒化ガリウム層は比較的好ましくない。例えば、窒化ガリウム、アルミニウム窒化インジウム、又はインジウム窒化ガリウムから成るグループから選択された複数の隣接したｐ型のＩＩＩ族窒化物層から形成される超ラチスは、少なくとも１つの隣接したｐ型のＩＩＩ族窒化物層がアルミニウム窒化インジウム又はインジウム窒化ガリウムのいずれかである場合が、特に望ましい。
【００６８】
できれば、第１のオーミック接点２５が、炭化ケイ素基板１７上に直接に置かれ、該基板の向こう側に第１のクラッディング層１１があり、第２のオーミック接点２６が、ＩＩＩ族窒化物コンタクト層２７上に直接に置かれ、該層２７の向こう側に第２のクラッディング層１２があることが望ましい。この実施例の変形では、コンタクト層２７が、介在する層を持たずに、第２のオーミック接点２６と第２のクラッディング層１２との間に挟まれる。
【００６９】
この分野における当業者が理解するように、緩衝層２３が、炭化ケイ素基板１７と第１のクラッディング層１１との間に、物理的な電子の遷移を提供する。多くの環境では、緩衝層２３の存在が、炭化ケイ素基板１７と第１のクラッディング層１１との間のラチスの違いに起因する物理的なひずみを和らげることができる。さらに、デバイスの縦型の機能を維持するために、緩衝層２３は、デバイス１０を操作するために所要の又は必要な電流を流すのに、十分に導電性でなければならない。同様に、遷移層２４は、同じような物理的及び電子的な遷移に役立つ。
【００７０】
本発明の有利な縦型の構造を完成させるオーミック接点２５及び２６は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）、合金、又はその混合、といったような金属、あるいはこれらの金属の２つ以上の連続する層から構成されることが望ましいが、それらが抵抗の特性を示し、その他の点でＬＥＤ１０の構造あるいは機能を妨害しなければ、この分野の当業者に知られている他のオーミック接点材料から形成されてもよい。
【００７１】
オーミック接点２５が炭化ケイ素基板１７に形成されるという点で、本発明は、サファイヤを使用するそれらのデバイスと区別される。サファイヤは導電性になることができず、したがって、オーミック接点に接続されることができない。結果的に、サファイヤ・ベースのデバイスは、ＬＥＤには最も望ましい縦型の構造の種類を構成することができない。
【００７２】
従って、１つの望ましい実施例では、本発明は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、又は１５Ｒポリタイプの単結晶炭化ケイ素基板１７、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮのアクティブ層１３、基本的に０＜ｘ≦１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮからなるガリウムを含まない第１のクラッディング層１１，並びに０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第２のクラッディング層１２を含む発光デバイス用の半導体構造である。
【００７３】
別の望ましい実施例では、本発明は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、又は１５Ｒポリタイプの単結晶炭化ケイ素基板１７、基本的に０≦ｘ≦１であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮからなるガリウムを含まないアクティブ層１３、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第１のクラッディング層１１，並びに０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦ｌ及び（ｘ＋ｙ）≦１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮの第２のクラッディング層１２、を含む発光デバイス用の半導体構造である。
【００７４】
これらの実施例の各々では、第１のクラッディング層１１が炭化ケイ素基板１７とアクティブ層１３との間に配置され、第２のクラッディング層１２が、アクティブ層１３が第１のクラッディング層ｌｌと第２のクラッディング層１２との間にあるような半導体構造の中に配置される。さらに、本発明の他の開示された実施例では、第１のクラッディング層ｌｌ及び炭化ケイ素基板１７が同じ導電型を持ち、その向こう側に導電型の第２のクラッディング層１２を持つことが望ましい。最後に、第１のクラッディング層ｌｌ及び第２のクラッディング層１２のそれぞれのバンドギャップは、アクティブ層１３のバンドギャップより各々大きい。
【００７５】
これらの実施例では、第１のクラッディング層ｌｌの組成は、その第１の表面２１での結晶ラチスが、炭化ケイ素１７の結晶ラチスとより良く一致するように、徐々に変化させられることができ、その第２の表面２２での結晶ラチスが、アクティブ層１３の結晶ラチスとより良く一致する。
【００７６】
さらにまた、前述の説明に従って、これらの望ましい構造のどちらかが、次の層、つまり導電性の緩衝層２３、ＩＩＩ族窒化物遷移層２４、ＩＩＩ族窒化物コンタクト層２７、及びオーミック接点２５及び２６、のうちの１つ以上を含む。この場合、導電性の緩衝層１８は、０≦ｘ≦１である化学式ＡｌｘＧａ１−ｘＮを持つアルミニウム窒化ガリウムであるか、又は０≦ｘ≦１である化学式ＡｌｘＩｎ１−ｘＮを持つアルミニウム窒化インジウムであることが最も望ましい。
【００７７】
図及び仕様では、本発明の典型的な実施例が開示された。特定の用語が、一般的かつ記述的な感覚で使用されたが、制限するためのものではない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲で規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による発光デバイス用の半導体構造の概略断面図である。
【図２】
アルミニウム、インジウム、及びガリウムのＩＩＩ族窒化物合金に対する、バンドギャップ・エネルギと対比したラチス定数の理論的プロット図である。
【図３】
半導体構造の一実施例の概略断面図である。
【図４】
半導体構造の一実施例の概略断面図である。
【図５】
半導体構造の一実施例の概略断面図である。
【図６】
半導体構造の一実施例の概略断面図である。
【図７】
半導体構造の一実施例の概略断面図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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