(57)【要約】  ｎ型III族窒化物クラッド層、インジウム含有III族窒化物発光領域、及びｐ型III族窒化物クラッド層を組み込んだ、III族窒化物半導体発光デバイス。上記発光領域は、ｎ型III族窒化物クラッド層とｐ型III族窒化物クラッド層との間に挟まれ、多重量子井戸（ＭＱＷ）の複数のセットを含む。ｎ型クラッド層上に形成される第１のＭＱＷセットは、相対的に低いインジウム濃度を有する。第２のＭＱＷセットは、相対的に中程度のインジウム濃度を含む。上記ｐ型クラッド層に隣接する第３のＭＱＷセットは、３つのＭＱＷセットのうち相対的に最も高いインジウム濃度を取り込み、琥珀色〜赤色の光を放出できる。最初２つのＭＱＷセットは、予歪み層として利用される。ＭＱＷセットとＭＱＷセットの間に、中間歪補償層（ＩＳＣＬ）が追加される。最初の２つのＭＱＷセットとＩＳＣＬとの組み合わせにより、相分離が防止され、上記第３のＭＱＷセットのインジウム取り込みが強化される。結果として、上記第３のＭＱＷセットは、いずれの相分離に関連する問題を生じることなく、高い出力電力の琥珀色〜赤色の光を放出するために、十分に高いインジウム濃度を保持する。
2018531514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にスタックされた複数の多重量子井戸セットを備え、
第１の前記多重量子井戸セットは、前記基板に隣接し、低いインジウム濃度を有し；
前記第１の多重量子井戸セットの上方の各前記多重量子井戸セットは、漸進的に上昇する濃度を有し；
最上部の前記多重量子井戸セットは、琥珀色〜赤色の光を放出するよう選択された最も高いインジウム濃度を有し；
隣接する前記多重量子井戸セットは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層によって隔てられ、各前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層は、前記最上部多重量子井戸セットにおける総歪みを低減するために、各前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層の上下にバリア層を有する、III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項２】
前記第１の多重量子井戸セットの下のバリア層；
前記最上部多重量子井戸セットの上の電子ブロック層；
前記電子ブロック層の上のクラッド層；及び
前記クラッド層の上のコンタクト層
を更に備える、請求項１に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項３】
前記第１の多重量子井戸セット及び第２の多重量子井戸セットは、予歪み効果を生成する、請求項１に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項４】
前記基板上にスタックされた前記複数の多重量子井戸セットは、前記基板上にスタックされた３つ以上の前記多重量子井戸セットを備える、請求項１に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項５】
低いインジウム濃度を有する前記第１の多重量子井戸セットのインジウム濃度は、１７％以下である、請求項４に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項６】
前記第１の多重量子井戸セットと前記最上部多重量子井戸セットとの間の前記多重量子井戸セットのインジウム濃度は、２０％超である、請求項４に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項７】
前記最上部多重量子井戸セットのインジウム濃度は、３０％超である、請求項４に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項８】
前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層のＡｌ濃度は変動し、前記基板に最も近い前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層が、他の前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層より高いＡｌ濃度を有する、請求項４に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項９】
前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層のうちの少なくとも１つのＡｌ濃度は、前記層内の複数の離散的ステップとして、又は連続的変動として、変動する、請求項４に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項１０】
各前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層はＧａＮで構成され、各前記多重量子井戸セットはＩｎＧａＮで構成される、請求項４に記載のIII族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項１１】
III族窒化物半導体ＬＥＤを形成する方法であって、前記方法は：
複数の多重量子井戸セットを有する活性領域を基板上に形成するステップ
を含み、
前記ステップは：
あるインジウム濃度を有する多重量子井戸の第１のセットを基板上に形成するステップ；
多重量子井戸の少なくとも１つの追加のセットを、前記多重量子井戸の第１のセット上に形成するステップであって、前記多重量子井戸の追加のセットそれぞれの形成の前に、多重量子井戸の先行するセット上におけるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層の形成を行う、ステップ
によって実施され；
多重量子井戸の最上部セットは、前記多重量子井戸の第１のセットより高いインジウム濃度を有する、方法。
【請求項１２】
前記多重量子井戸の最上部セットのインジウム濃度は、琥珀色〜赤色の光を放出するために選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記多重量子井戸セットの数は少なくとも３つである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
各前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層の上下にバリア層を形成するステップであって、各前記バリア層はＧａＮで構成され、各前記多重量子井戸セットはＩｎＧａＮで構成される、ステップを更に含み；
前記基板に最も近い第１の前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層は、第２の前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層より高いＡｌ濃度を有し；
前記第１の多重量子井戸セットは１７％以下のインジウム濃度を有し、第２の前記多重量子井戸セットは２０％超のインジウム濃度を有し、第３の又は最上部の前記多重量子井戸セットは３０％超のインジウム濃度を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
多層III族窒化物半導体ＬＥＤであって：
前記多層III族窒化物半導体ＬＥＤは、第１の層状多重量子井戸セット、第２の層状多重量子井戸セット、及び第３の層状多重量子井戸セットを備え；
前記層状多重量子井戸の第１のセットは第１のインジウム濃度を有し；
前記層状多重量子井戸の第２のセットは前記第１のインジウム濃度より高い第２のインジウム濃度を有し；
前記層状多重量子井戸の第３のセットは前記第２のインジウム濃度より高い第３のインジウム濃度を有し；
前記多層III族窒化物半導体ＬＥＤは：
前記第１の層状多重量子井戸セットと前記第２の層状多重量子井戸セットとの間に配置される、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成された第１の中間歪補償層；
前記第２の層状多重量子井戸セットと前記第３の層状多重量子井戸セットとの間に配置される、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成された第２の中間歪補償層
を備え、
前記第１の中間歪補償層及び前記第２の中間歪補償層はそれぞれ２つのバリア層の間に配置され、
前記第３の層状多重量子井戸セットは、およそ６００ｎｍ〜およそ６６０ｎｍの範囲の波長においてピーク発光を有する光を放出するよう構成される、多層III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項１６】
前記第１のインジウム濃度はおよそ１７％未満である、請求項１５に記載の多層III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項１７】
前記第２のインジウム濃度はおよそ２０％超である、請求項１５に記載の多層III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項１８】
前記第３のインジウム濃度はおよそ３０％超であり、前記第３の層状多重量子井戸セットに琥珀色〜赤色の光を放出させるよう選択される、請求項１５に記載の多層III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項１９】
前記中間歪補償層のうちの少なくとも１つのＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）の組成は変動し、前記第１の中間歪補償層は前記第２の中間歪補償層より高いＡｌ濃度を有する、請求項１５に記載の多層III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項２０】
前記ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）中間歪補償層のうちの少なくとも１つのＡｌ濃度は、前記層内の複数の離散的ステップとして、又は連続的変動として、変動する、請求項１５に記載の多層III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項２１】
前記バリア層のうちの少なくとも１つはＧａＮで構成され、前記層状多重量子井戸セットのうちの少なくとも１つはＩｎＧａＮで構成される、請求項１５に記載の多層III族窒化物半導体ＬＥＤ。
【請求項２２】
琥珀色〜赤色の光を放出するIII族窒化物半導体ＬＥＤを製造する方法であって、前記方法は：
第１のバリア層を画定するステップ；
前記第１のバリア層上に、第１のインジウム濃度を有する第１の層状多重量子井戸セットを画定するステップ；
前記第１の層状多重量子井戸セット上に第２のバリア層を画定するステップ；
前記第２のバリア層上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成された第１の中間歪補償層を画定するステップ；
前記第１の中間歪補償層上に第３のバリア層を画定するステップ；
前記第３のバリア層上に、前記第１のインジウム濃度より高い第２のインジウム濃度を有する第２の層状多重量子井戸セットを画定するステップ；
前記第２の層状多重量子井戸セット上に第４のバリア層を画定するステップ；
前記第４のバリア層上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成された第２の中間歪補償層を画定するステップ；
前記第２の中間歪補償層上に第５のバリア層を画定するステップ；
およそ６００ｎｍ〜およそ６６０ｎｍの範囲の波長においてピーク発光を有する光を放出するよう構成された、前記第２のインジウム濃度より高い第３のインジウム濃度を有する、第３の層状多重量子井戸セットを画定するステップ
を含む、方法。
【請求項２３】
前記バリア層のうちの少なくとも１つはＧａＮで構成され、前記層状多重量子井戸セットのうちの少なくとも１つはＩｎＧａＮで構成され、前記第１の中間歪補償層は前記第２の中間歪補償層より高いＡｌ濃度を有し、前記第１の層状多重量子井戸セットはおよそ１７％以下のインジウム濃度を有し、前記第２の層状多重量子井戸セットはおよそ２０％超のインジウム濃度を有し、前記第３の層状多重量子井戸セットはおよそ３０％超のインジウム濃度を有する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１５年１０月８日出願の米国仮特許出願第６２／２３９，１２２号及び２０１６年１０月６日出願の米国特許出願第１５／２８７，３８４号の便益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本明細書において本発明は一般に、琥珀色〜赤色領域の可視光を放出するIII族窒化物半導体発光デバイスに関する。これを製造する方法が開示される。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）（簡潔さのために、本明細書中ではＬＥＤ及びＬＤをそれぞれＬＥＤと呼ぶ場合がある）といった従来技術のIII族窒化物系青色発光構造体は、市販されており、ピーク外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＥＱＥ）が８０％超である。緑色スペクトル領域において動作する場合、従来技術のＬＥＤのＥＱＥは青色ＬＥＤのＥＱＥの半分未満に低下する。III族窒化物半導体発光素子のＥＱＥはなおさら、琥珀色及び赤色スペクトル領域に向かって非常に急激に低下する。III族窒化物発光素子の効率損失に関して、２つの一般的な原因がある：（１）III族窒化物発光構造体のＩｎＧａＮ層とＧａＮ層との間の大きな格子不整合（混和性が顕著になり、比較的長い波長のために遥かに高いインジウム濃度が必要となる）；及び（２）ｃ面極性ＧａＮ上に成長させたＩｎＧａＮ  ＱＷが、強い圧電場から生じる量子閉じ込めシュタルク効果（ｑｕａｎｔｕｍ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  ｅｆｆｅｃｔ：ＱＣＳＥ）を不可避的に受け、これが、特に比較的インジウム濃度が必要とされる長波長域における放射再結合速度の低下を引き起こす。
【０００４】
例えばＬＥＤ等のIII族窒化物発光デバイスにおいてＩｎＧａＮ系長波長（６００ｎｍ超の波長の琥珀色〜赤色）を達成するのは困難であるが、このようなデバイスは、シングルチップの、ソリッドステート照明及びモノリシックマルチカラー光変調デバイス（Ｒｅｆ［１］）を実現するために極めて望ましい。更に、ＬＥＤ及びＬＤ等のＩｎＧａＮ系発光構造体のデバイス性能は、ＡｌＩｎＧａＰ材料系をベースとする発光素子等の他の長波長発光構造体よりもバンドギャップオフセットが大きいため、温度依存性が低い。更に、ＧａＮ系赤色波長発光ＬＥＤ材料構造は有益には、ＧａＮ系青色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤと温度膨張が一致し、これにより、ウェハ結合を用いてマルチカラーソリッドステート発光素子（Ｒｅｆ［２−４］）を生成するＧａＮ系スタックＬＥＤ発光構造体に適合する。よって、ＬＥＤ及びＬＤ等のＩｎＧａＮ系長波長発光構造体は、多くの用途において優れたものとなり得る。
【０００５】
結晶のｃ軸に沿って成長する従来技術のＩｎＧａＮ系赤色波長発光素子（ＬＥＤ又はＬＤ等）の分野において、これらは全て、不十分な材料品質により「相分離（ｐｈａｓｅ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）」（当業者にはインジウム偏析としても公知）を呈する。例えばＲ．Ｚｈａｎｇらによる特許文献１（発明の名称：“Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ａ  ＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ＬＥＤ  ｗｉｔｈ  ｒｅｄ  ｌｉｇｈｔ”）、Ｊｏｎｇ−ｌｌ  Ｈｗａｎｇらによる非特許文献１（タイトル：“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ＩｎＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ｒｅｄ  ＬＥＤ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  （０００１）  ｐｏｌａｒ  ｓｕｒｆａｃｅ”）を参照のこと。この相分離は、スペクトル上の比較的短い波長域における１つ又は複数の追加の発光ピークとして現れ、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように色純度を不可避的に低下させる。従って、材料品質及びデバイス性能について妥協せずにインジウムの取り込みを増やすためのアプローチが、ＬＥＤ及びＬＤ等の長波長発光、琥珀色〜赤色、III族窒化物系発光構造体を得るためには必須である。本明細書において開示される方法及びデバイスは、ソリッドステート照明システム、ディスプレイシステム、及び６００ｎｍ超の波長のソリッドステート発光素子を必要とする多数の他の用途において使用される、高性能長波長III族窒化物半導体発光デバイスへの道を開く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１０２３７０１１Ａ１号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ７，  ０７１００３  （２０１５）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、図面を参照して様々な実施形態を説明する。図面において同一の参照符号は、複数の図にわたり同一の又は同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示によるIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０の例示的な、ただし非限定的な実施形態の一部分の断面図である。
【図２ａ】図２ａは、３０ｍＡの電流注入で琥珀色光及び赤色光を放出する図１のIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０のＥＬスペクトルを示すグラフである。挿入図は、３０ｍＡ及び１００ｍＡの注入電流での短波長スペクトル領域内の、図１の琥珀色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤ１０の両方のＥＬスペクトルを示す。
【図２ｂ】図２ｂは、従来技術：米国特許出願公開第２０１１０２３７０１１Ａ１号における光ルミネセンス（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）スペクトルを示す。
【図２ｃ】図２ｃは、従来技術：Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ７，  ０７１００３  （２０１５）における電流依存性ＥＬスペクトルを示す。
【図３】図３は、赤色光を放出する図１のIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０に関する、電流の関数としての出力電力及び相対ＥＱＥ（オンウェハ構成で実施された測定）を示すグラフである。
【図４】図４は、赤色光を放出する図１のIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０に関する、電流の関数としてのピーク波長シフト及び半値全幅（ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）を示すグラフである。
【図５】図５は、琥珀色光を放出する図１のIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０に関する、電流の関数としての出力電力及び相対ＥＱＥを示すグラフである。
【図６】図６は、琥珀色光を放出する図１のIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０に関する、電流の関数としてのピーク波長シフト及びＦＷＨＭを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、エピタキシャル成長プロセス中に構造体の発光活性領域内の結晶歪みを操作することにより製作される、ＬＥＤ、ＬＤ等の長波長発光III族窒化物系半導体発光構造体に関する。本明細書中では限定することなく、本発明のIII族窒化物半導体発光構造体は、ＬＥＤデバイス構造体の文脈において例示される。しかしながら当業者は、ＬＤを含むがこれに限定されない他のIII族窒化物半導体発光素子の設計に本発明の方法を応用する方法を認識するであろう。
【００１１】
本発明は、過度の相分離を受けず、従って高いスペクトル純度で琥珀色〜赤色の光を放出できる、ＬＥＤ又はＬＤ等のIII族窒化物系発光構造体を製作する革新的な方法を開示する。本発明の更なる利点及び他の特徴は、以下の説明において記載され、またその一部は、以下を考察することにより当業者に明らかとなるか、又は本発明の実践から学ぶことができる。これらの利点は、本出願に対する優先権を主張するいずれの出願の後続の請求項において指摘されるように、実現及び獲得され得る。
【００１２】
本発明の一実施形態によると、III族窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体では、第１のクラッド層はｎ型III族窒化物半導体層で構成される。発光活性領域は、インジウム含有III族窒化物層を含むｎ型クラッド層上に形成される。ｐ型ＡｌＧａＮは発光活性領域上に形成され、電子ブロック層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ：ＥＢＬ）として機能する。そして第２のｐ型III族窒化物クラッド層はＡｌＧａＮ層上に形成される。
【００１３】
本発明の更なる実施形態によると、III族窒化物発光素子の発光領域は、結晶歪みを最小化するために１つ又は複数の中間歪補償層（以下ＩＳＣＬと呼ぶ）によって隔てられた、複数の多重量子井戸（ＭＱＷ）セットを備える。複数のＭＱＷセット及び／又はＩＳＣＬは、基板の表面上に垂直にスタックしてよく、これにより基板上にＭＱＷセットの多層スタックが形成される。多層スタックは、低いインジウム濃度を有するＧａＮ／ＩｎＧａＮを含む第１のＭＱＷセットと、中程度の、上記第１のＭＱＷセットのインジウム濃度より高いインジウム濃度を有するＧａＮ／ＩｎＧａＮを含む第２のＭＱＷセットと、所望の琥珀色〜赤色の波長光を放出できる最も高いインジウム濃度を有するＧａＮ／ＩｎＧａＮを含む第３のＭＱＷセットとを含んでよい。最初の２つのＭＱＷセットを利用して、III族窒化物発光構造体の上記III族窒化物半導体層上に予歪み効果を生成する。しかしながらここでは、様々なインジウム濃度を有する３つ以上のＭＱＷセットを用いて、２つのＭＱＷセットが生成するのと同等の予歪み効果を生成でき、これは本開示における非限定的な例として示される。更に、ＡｌＧａＮ層を中間歪補償層（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｓｔｒａｉｎ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ：ＩＳＣＬ）として挿入することによって、発光領域における全歪みを最小化する。（本例示的実施形態においては）２つ、又は３つ以上の、予歪みを与えられたＭＱＷ  ＧａＮ／ＩｎＧａＮセットと、これらのセットを隔てるＡｌＧａＮ  ＩＳＣＬとの組み合わせにより、III族窒化物ＬＥＤの発光波長を高いスペクトル純度及び高い出力電力を有する琥珀色及び赤色の領域まで拡張できる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態では、本発明のIII族窒化物発光構造体の発光領域は、１つ又は複数のIII族窒化物バリア層及び低インジウム多重量子井戸層（第１のＭＱＷセット）と、１つ又は複数のIII族窒化物バリア層及び中程度インジウム多重量子井戸層（第２のＭＱＷセット）を内包する第１のＩＳＣＬと、第２のＩＳＣＬと、１つ又は複数のバリア層及び琥珀色〜赤色の光を放出する高インジウム含有多重量子井戸層（第３のＭＱＷセット）と、最上部バリア層とを備え、各上記バリア層は主にＧａＮで構成され；各上記インジウム含有量子井戸層はＩｎＧａＮで構成され；各上記ＩＳＣＬはＡｌＧａＮで構成される。
【００１５】
本発明の第１の態様では、多層III族窒化物半導体ＬＥＤが開示され、これは、層状ＭＱＷセットの第１のセット、第２のセット、第３のセットを備えてよい。上記第１のセットは第１のインジウム濃度を有してよい。上記第２のセットは、上記第１のインジウム濃度より高い第２のインジウム濃度を有してよい。上記第３のセットは、上記第２のインジウム濃度より高い第３のインジウム濃度を有してよい。上記第１のセット及び第２のセットのうちの少なくとも一方は、予歪み層として機能するよう構成してよい。第１の中間歪補償層を設けてよく、これは、上記第１のセットと上記第２のセットとの間に配置されるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成されてよい。第２の中間歪補償層を設けてよく、これは、上記第２のセットと上記第３のセットとの間に配置されるＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成されてよい。上記第１及び第２の中間歪補償層は２つのバリア層の間に配置してよく、上記第３のセットは、琥珀色〜赤色の可視域の、約６００ｎｍ〜約６６０ｎｍの範囲の波長を有する光を放出するよう構成してよい。
【００１６】
本発明の第２の態様では、上記第１のインジウム濃度は約１７％未満であってよい。
【００１７】
本発明の第３の態様では、上記第２のインジウム濃度は約２０％超であってよい。
【００１８】
本発明の第４の態様では、上記第３のインジウム濃度は、約３０％超であってよく、また約６００ｎｍ〜約６６０ｎｍの範囲の波長を有する琥珀色〜赤色の光を放出するよう構成してよい。
【００１９】
本発明の第５の態様では、上記中間歪補償層のうちの少なくとも１つはＡｌxＧａ1-xＮを含んでよく、ｘ値は０より大きくかつ１以下である。
【００２０】
本発明の第６の態様では、上記中間歪補償層のうちの少なくとも１つのＡｌ濃度を変更してよく、上記第１の中間歪補償層は上記第２の中間歪補償層より高いＡｌ濃度を有してよい。
【００２１】
本発明の第７の態様では、上記バリア層のうちの少なくとも１つはＧａＮで構成されてよく、上記セットのうちの少なくとも１つはＩｎＧａＮで構成されよく、上記中間歪補償層のうちの少なくとも１つはＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成されてよい。
【００２２】
本発明の第８の態様では、琥珀色〜赤色の光を放出するIII族窒化物半導体ＬＥＤを製造する方法が開示され、上記方法は：第１のバリア層を画定するステップ；上記第１のバリア層上に、第１のインジウム濃度を有するＭＱＷセットの第１のセットを画定するステップ；上記第１のセット上に第２のバリア層を画定するステップ；上記第２のバリア層上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成された第１の中間歪補償層を画定するステップ；上記第１の中間歪補償層上に第３のバリア層を画定するステップ；上記第３のバリア層上に、上記第１のインジウム濃度より高い第２のインジウム濃度を有するＭＱＷセットの第２のセットを画定するステップ；上記第２のセット上に第４のバリア層を画定するステップ；上記第４のバリア層上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成された第２の中間歪補償層を画定するステップ；上記第２の中間歪補償層上に第５のバリア層を画定するステップ；約６００ｎｍ〜約６６０ｎｍの範囲の波長を有する光を放出するよう構成された、上記第２のインジウム濃度より高い第３のインジウム濃度を有する、ＭＱＷセットの第３のセットを画定するステップを含む。
【００２３】
本発明の第９の態様では、本方法によって作製される上記バリア層のうちの少なくとも１つはＧａＮで構成されてよく、上記セットのうちの少なくとも１つはＩｎＧａＮで構成されてよく、上記第１の中間歪補償層は上記第２の中間歪補償層より高いＡｌ濃度を有してよく、上記第１のセットは約１７％以下のインジウム濃度を有してよく、上記第２のセットは約２０％超のインジウム濃度を有してよく、上記第３のセットは琥珀色〜赤色の光を放出するために約３０％超のインジウム濃度を有してよい。
【００２４】
本発明は、革新的なＬＥＤデバイス、及び琥珀色〜赤色波長光を放出するＬＥＤ又はＬＤ等のIII族窒化物ソリッドステート発光構造体を製造するための方法を提供する。III族窒化物ソリッドステート発光素子は、本発明の方法を用いてエピタキシャル成長させられるため、高い出力電力及び高いスペクトル純度を呈する琥珀色及び赤色波長発光を独自に達成し、従来技術のIII族窒化物発光構造体において問題であった、長波長における相分離を引き起こさない。
【００２５】
本発明のIII族窒化物半導体琥珀色〜赤色波長発光素子について、本発明の例示的実施形態として図１に示すＬＥＤデバイス構造体の文脈において説明する。図１は、本発明による琥珀色〜赤色III族窒化物ＬＥＤ１０の例示的実施形態の一部分の断面図である。琥珀色〜赤色III族窒化物ＬＥＤデバイス１０は、従来のエピタキシャル法、例えば有機金属化学蒸着（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）としても公知である有機金属気相成長（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）によって製造できる。図１に示すように、およそ２μｍのＧａＮバッファ層２を基板１（例えばサファイア基板）上に成長させ、間に核生成層（図示せず）を挿入する。Ｓｉでドープしたおよそ３μｍ厚のｎ型ＧａＮクラッド層３を、ＧａＮバッファ層２上に成長させる。琥珀色〜赤色III族窒化物ＬＥＤ１０の例示的実施形態は、好適な基板１の結晶方位を用いて、極性、半極性又は非極性結晶方位にエピタキシャル成長させることができる。
【００２６】
図１を参照すると、III族窒化物ＬＥＤ構造体は、発光領域又は多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域４を備え、これは、ｎ型ＧａＮクラッド層３上に成長させたインジウム含有III族窒化物半導体層を備える。図１に示すように、活性領域４は３タイプのＭＱＷセットを備えてよく、底部ＭＱＷセット４Aから最上部ＭＱＷセット４Hへとインジウム濃度が漸進的に増大する。各ＭＱＷセットは、１つ又は複数の２〜３ｎｍ厚の（結晶方位に応じて更に厚くてもよい）ＩｎＧａＮ量子井戸層（４A2、．．．、４E2、．．．、４H2．．．）と、主にＧａＮで構成された１つ又は複数の５〜２０ｎｍ厚のバリア層（４A1、．．．、４B、４E1、．．．、４F、４H1、．．．、４I）とを含み、上記バリア層は１つずつ交互にスタックされ、各ＩｎＧａＮ量子井戸層が２つのバリア層の間に挟まれる。従って、図１に示すように、ＭＱＷセット４A、４E、４Hを垂直にスタックしてＭＱＷセット４の多層スタックを生成してよい。III族窒化物系バリア層（４A1、．．．、４B、４E1、．．．、４F、４H1、．．．、４I）は、上記III族窒化物系バリア層の各量子井戸層（４A2、．．．、４E2、．．．、４H2．．．）の量子閉じ込めレベルを調整するために、必要に応じて追加量のインジウム及び／又はアルミニウムを含んでよい。第１のＭＱＷセット４A及び第２のＭＱＷセット４Eのインジウム濃度は好ましくは、図示した例ではそれぞれ７〜１３％及び２０〜２５％の範囲である。最初の２つのＭＱＷセット４A、４Eは、琥珀色〜赤色の発光に好ましい３０％超のインジウム濃度を有し得る最上部ＭＱＷセット４Hのための予歪み効果を生成する。
【００２７】
本発明の一実施形態では、図１のIII族窒化物琥珀色〜赤色発光構造体の最上部ＭＱＷセット４Hの高インジウム含有量子井戸層（４H2、．．．）の歪みの慎重な制御により、相分離を引き起こすことなく高いインジウム濃度が達成される。この実施形態では、インジウム濃度が漸進的に上昇する下側の２つのＭＱＷセット４A、４Eを導入することにより、バリア層上に予歪み効果が生成されるため、最上部ＭＱＷセット４H内の多量のインジウムの取り込みが促進される。インジウム濃度が低いＭＱＷセットをIII族窒化物発光構造体内に１つだけ又は２つ含めても、高いスペクトル純度及び高い出力電力で琥珀色〜赤色の領域において発光する、完全に機能するIII族窒化物半導体ＬＥＤは生成できないことを強調しておく。従って、本発明の別の実施形態によると、図１に示すように、中間歪補償層（ＩＳＣＬ）４C、４Gはそれぞれ、２つの連続するＭＱＷセットの間に挿入される。
【００２８】
ＩＳＣＬはそれぞれ、２つの連続するＭＱＷセットのバリア層の間に挟まれ、また好ましくは約１７％〜約２５％の範囲でＡｌ濃度ｘが変動するＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）合金からなる。好ましくは、ＩＳＣＬ  ４C、４Gの厚さ及びＡｌ濃度は異なる。本発明の一実施形態では、下側ＩＳＣＬ  ４CのＡｌ濃度ｘを上側ＩＳＣＬ  ４GのＡｌ濃度ｘより高くすることによって、層に亀裂が発生するのを防ぐことができ、またこれらの層によるＬＥＤデバイス１０の過度の直列抵抗を回避できる。本発明の別の実施形態では、下側ＩＳＣＬ  ４CのＡｌ濃度ｘを上側ＩＳＣＬ  ４GのＡｌ濃度ｘより低くすることによって、下側の２つの低インジウム濃度ＭＱＷセット４A、４Eへのキャリア注入を抑制でき、これは高インジウム濃度の最上部ＭＱＷセット４Hへの、より高いレベルのキャリア注入を促進するのに有利であり、これによって最上部ＭＱＷセット４HからのＬＥＤデバイス発光の比率が増大し、従って本発明のIII族窒化物半導体発光素子の琥珀色〜赤色の発光の半値全幅（ＦＷＨＭ）が減少する。一般に、Ａｌ濃度はＩＳＣＬ毎に変動するが、代替として、個々の中間歪補償層のＡｌ濃度は、当該中間歪補償層内において、層内の複数の離散的ステップとして（段階的に）又は各層内での連続的変動として、変動してもよい。
【００２９】
当業者は、本発明の上述の方法の使用法を認識して、III族窒化物半導体発光素子の琥珀色〜赤色の発光の標的性能パラメータに応じたＩＳＣＬ  ４C、４Gの最適な厚さ及びＡｌ濃度を選択するであろう。
【００３０】
図１に戻ると、ＬＥＤデバイス１０の重なっているＭＱＷ活性領域４は、約２００ｎｍの総厚さをそれぞれ有し、またＭｇドープＡｌＧａＮ電子ブロック層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ：ＥＢＬ）５、ＭｇドープＧａＮクラッド層６、ＭｇドープＧａＮコンタクト層７を含む、ｐ型層である。ｐ型ＡｌＧａＮ及びＧａＮクラッド層のＭｇの原子濃度は好ましくは、例えば１Ｅ１９ｃｍ-3〜１Ｅ２０ｃｍ-3の範囲である。ｐ型ＧａＮコンタクト層のＭｇ原子濃度は好ましくは、例えば１Ｅ２１ｃｍ-3である。
【００３１】
従来技術のIII族窒化物発光素子におけるように、本発明のIII族窒化物半導体琥珀色〜赤色発光デバイスは、まずエピタキシャル処理済みウェハの上面ｐ−ＧａＮ層７上にオーミックコンタクト金属スタックを堆積させてｐ側電極８を形成し、続いて側部トレンチをエッチングしてｎ−ＧａＮ層３を露出させ、続いてエッチングした上記トレンチ内にオーミックコンタクト金属スタックを堆積させてｎ側電極９を形成することにより、形成される。続いて上記エピタキシャル処理済みウェハをダイシングして、それぞれ図１に示した断面を実質的に有する個別のＬＥＤチップを形成し、その後これらをパッケージ化し、それぞれのｐ電極及びｎ電極にワイヤボンディングして、本発明のＬＥＤデバイスを形成する。実験室での試験のために、ｐ側電極（又はオーミックコンタクト金属スタック）８、例えば（迅速な試験における簡略化のための）インジウムボールを、ｐ型ＧａＮコンタクト層７上に形成する。
【００３２】
更に、デバイス１０の一方の側部を、ｐ型ＧａＮコンタクト層７からｎ型ＧａＮクラッド層３の一部までエッチングする。続いてｎ側電極（又はオーミックコンタクト金属スタック）９、例えば（迅速な試験における簡略化のための）インジウムボールを、ｎ型ＧａＮクラッド層の露出部分上に形成する。
【００３３】
正のｐ側電極８を通したｎ側電極９への電流注入下で、電子・正孔再結合プロセスにより、活性領域４から可視光が放出される。本発明の方法に従ってエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０は好ましくは、最上部ＭＱＷセット４Hのみが光を放出し、その一方で底部の２つのＭＱＷセット４A、４Eが主に予歪み層として機能するように構成される。約３０ｍＡの電流注入下で琥珀色〜赤色（琥珀色−赤色）可視スペクトル領域内の光を放出する面積が〜１ｍｍ2のIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０は、強い琥珀色−赤色発光を放出する。
【００３４】
図２ａは、約３０ｍＡで駆動される図１の琥珀色−赤色ＬＥＤ１０の典型的なＥＬスペクトルを示すグラフである。挿入図は、３０ｍＡ及び１００ｍＡの注入電流での短波長スペクトル領域内の、本発明の図１のIII族窒化物ＬＥＤ１０の琥珀色ＬＥＤ及び赤色両方の例示的実施形態のＥＬスペクトルを示す。図２（ａ）の挿入図に見られるように、１００ｍＡの比較的高い駆動電力下でさえ、比較的短い波長域に追加のピークが存在せず、これは本発明のＬＥＤに相分離が存在しないことを示唆している。対照的に、従来技術のＬＥＤの性能を示す図２ｂ、２ｃに示すように、相分離によって誘発される追加の発光ピーク（〜４４０ｎｍ）及び実質的により広いＦＷＨＭ発光が、従来技術のＬＥＤ：米国特許出願公開第２０１１０２３７０１１Ａ１号及びＡｐｐ．  Ｐｈｙｓ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ７，  ０７１００３  （２０１５）それぞれにおいて容易に観察される。
【００３５】
図３〜図６は、本発明の琥珀色−赤色III族窒化物発光素子１０の性能を実証している。図３、図４は、デバイス１０の活性領域４が赤色（〜６２５ｎｍ）発光（〜４５％インジウム濃度）のために設計された本発明の一例示的実施形態の性能を実証しており、図５、図６は、琥珀色（〜６１５ｎｍ）発光（〜４０％インジウム濃度）のために設計されたデバイス１０の活性領域構造を有する本発明の別の例示的実施形態の性能を実証している。
【００３６】
図３は、赤色（〜６２５ｎｍ）発光においてピークに達するよう設計された活性領域４を有する本発明の赤色発光III族窒化物ＬＥＤデバイス１０に関する、出力電力及び相対ＥＱＥの測定された電流依存を示すグラフである。全ての測定は、ｐ側電極８及びｎ側電極９両方としてインジウムボールを用いたオンウェハ試験構成において実施される。特別な表面処理及び／又は冷却ユニットを用いずに、図示した試験を行った。光はＬＥＤ１０の下に配置された積分球によって集光され、従って全ての光が集光されたわけではなかった。図３に示すように、出力電力は、他のIII族窒化物半導体系ＬＥＤにおいて観察されるように、電力規則（ｐｏｗｅｒ  ｒｕｌｅ）に従って印加された電流と共に増大する。３０ｍＡでは、赤色III族窒化物半導体ＬＥＤ１０の出力電力は約２１１μＷに達する。赤色III族窒化物半導体ＬＥＤ１０の相対ＥＱＥはおよそ１１ｍＡで約３５％のピークに達し、その後電流の増大と共に単調に低下し始める。１００ｍＡで、相対ＥＱＥはピーク値と比較して約２６％だけ低下した。電流の増大に伴うＥＱＥ低下の真の機序は、ＬＥＤ設計分野においてまだよく理解されていない。この現象に関して２つの説明が基本的に存在する：（１）オージェ再結合；及び（２）不十分な正孔輸送による電子の漏れ（これに関する詳細な説明は本開示の範囲を超える）。
【００３７】
図４は、図１の赤色III族窒化物ＬＥＤ１０に関する、測定された発光ピーク波長シフト及びＦＷＨＭの例を電流と共に示すグラフである。発光ピーク波長は、注入電流の増大と共に青色シフトを示す。この挙動は、III族窒化物系半導体ＬＥＤにおける圧電場のキャリアスクリーニングの特性である。バンド充填効果（ｂａｎｄ−ｆｉｌｌｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）もまた、青色シフトの別の原因である。発光ピーク波長は、強いバンド充填により低い電流でシフトするが、１００ｍＡで徐々に飽和して６１７ｎｍとなる。〜１ｍｍ2の面積を有するデバイスに関して、発光ピーク波長は３０ｍＡで６２５ｎｍ（赤色）であり、ＦＷＨＭは同一の電流レベルで４９ｎｍの最小値に達する。出願人が知る限りでは、これは、これまでに達成されたIII族窒化物発光素子からの最高の赤色発光性能を示す。
【００３８】
図５は、琥珀色発光においてピークに達するよう設計された活性領域４を有する本発明の図１のIII族窒化物半導体ＬＥＤデバイス１０の、出力電力及び相対ＥＱＥの電流依存を示すグラフである。〜１ｍｍ2の領域を有するデバイスに関する、１つ前の例示的実施形態の赤色III族窒化物半導体ＬＥＤの挙動と同様の挙動において、琥珀色III族窒化物半導体ＬＥＤの相対ＥＱＥは、およそ９ｍＡで４５％のピークに達し、１００ｍＡで約３３％まで低下する。琥珀色III族窒化物ＬＥＤに関して測定された出力電力は、３０ｍＡで約２６６μＷであった。
【００３９】
図６は、図１の琥珀色III族窒化物半導体ＬＥＤ１０に関する、測定された発光ピーク波長及びＦＷＨＭの変動の例を、印加された電流と共に示すグラフである。赤色III族窒化物ＬＥＤと同様の傾向に従って、波長は低い電流でシフトするが、１００ｍＡで飽和して５９９ｎｍとなる。３０ｍＡでピーク波長は６１７ｎｍ（琥珀色）であり、ＦＷＨＭは５４ｎｍである。
【００４０】
先行するいくつかの段落に記載したように、本発明による高い出力電力及び高いスペクトル純度を有する琥珀色〜赤色の光を放出するIII族窒化物半導体ＬＥＤは、材料の歪みを慎重に制御にすることにより容易に製造できる。エピタキシャル成長法は、III−V化合物半導体を得るための技法に適合する。本開示を実践する際に使用する好適なエピタキシャル堆積技法としては、ＭＯＶＰＥ、分子線エピタキシ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）、及びハイドライド気相成長（ｈｙｄｒｉｄｅ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）が挙げられるがこれらに限定されない。III族窒化物系半導体層は例えば、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮで構成でき、ここで０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１である。基板１の面方位は、ｃ面、半極性及び非極性結晶面であってよい。
【００４１】
更に、本開示によるＬＥＤデバイス１０は、従来のIII−V化合物半導体の製造方式及び技術を使用して容易に製作できる。
【００４２】
以上の開示を例として記載したが、本開示はこれに限定されないことを理解されたい。幅広い修正及び同様の構成を含むことが意図されている。本開示の特徴又は構成要素の修正は、本開示の中核となるコンセプトから逸脱することなく実施できる。その結果として、本開示の範囲は以上の記載によって限定されることはなく、本明細書中で述べたように添付の請求項によってのみ限定される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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