(57)【要約】【課題】デバイス効率を更に最適化し、ＵＶ発光デバイスのために最適化されたエピタキシャルデバイス構造を提供する。【解決手段】様々な実施形態において、発光デバイスは、一方又は双方のエンドポイントにおいて組成オフセットを有する傾斜層を組み込んで、２次元キャリアガスの形成と分極ドーピングを促進し、これによってデバイス性能を向上させる。
2018532265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌｕＧａ１−ｕＮ上面を有し、０．４≦ｕ≦１．０である、基板と、
前記基板の上に配置された活性発光デバイス構造であって、各々がひずみＡｌｘＧａ１−ｘＮ障壁とひずみＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸とを含む複数の周期を含む多重量子井戸層を含み、ｘ及びｙは、前記多重量子井戸層における電荷キャリアの閉じ込めを容易にする量だけ異なる、活性発光デバイス構造と、
前記多重量子井戸層の上に配置され、ＡｌｖＧａ１−ｖＮを含み、ｖ＞ｙ及びｖ＞ｘである、電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の上に配置された傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層であって、前記傾斜層の組成は、Ａｌ濃度ｚが前記発光デバイス構造から離れる方向において低下するように前記Ａｌ濃度ｚが傾斜している、傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層と、
前記傾斜層の上に配置され、０≦ｗ≦０．２である、ｐドープＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層と、
前記ＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層の上に配置され、少なくとも１つの金属を含む金属コンタクトと、
を備え、（ｉ）前記傾斜層と前記電子ブロック層との界面において、前記傾斜層の前記Ａｌ濃度ｚは前記電子ブロック層の前記Ａｌ濃度ｖよりも０．１以上の量かつ０．５５以下の量だけ小さく、（ｉｉ）前記傾斜層と前記キャップ層との界面において、前記キャップ層の前記Ａｌ濃度ｗは前記傾斜層の前記Ａｌ濃度ｚよりも０．１以上の量かつ０．７５以下の量だけ小さい、紫外線（ＵＶ）発光デバイス。
【請求項２】
前記傾斜層はアンドープである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記キャップ層の前記Ａｌ濃度ｗは約０である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記基板はドープＡｌＮ又はアンドープＡｌＮを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記発光デバイスは発光ダイオードを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記キャップ層の厚さは１ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記基板と前記多重量子井戸層との間に配置され、ｙ＜ｎ＜ｘであるｎドープＡｌｎＧａ１−ｎＮ下部コンタクト層を更に備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記キャップ層の少なくとも一部の上に配置された反射層を更に備え、前記発光デバイス構造によって放出される光に対する前記反射層の反射率は、前記発光デバイス構造によって放出される光に対する前記金属コンタクトの反射率よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記反射層はＡｌを含む、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記反射層の少なくとも一部と前記キャップ層との間に配置された透過層を更に備え、前記発光構造によって放出される光に対する前記透過層の透過率は、前記発光構造によって放出される光に対する前記金属コンタクトの透過率よりも大きい、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記透過層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化ガリウムのうち少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
ＡｌｕＧａ１−ｕＮ上面を有し、０．４≦ｕ≦１．０である、基板と、
前記基板の上に配置された活性発光デバイス構造であって、各々がひずみＡｌｘＧａ１−ｘＮ障壁とひずみＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸とを含む複数の周期を含む多重量子井戸層を含み、ｘ及びｙは、前記多重量子井戸層における電荷キャリアの閉じ込めを容易にする量だけ異なる、活性発光デバイス構造と、
前記多重量子井戸層の上に配置され、ＡｌｖＧａ１−ｖＮを含み、ｖ＞ｙ及びｖ＞ｘである、電子ブロック層と、
前記電子ブロック層の上に配置された傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層であって、前記傾斜層の組成は、Ａｌ濃度ｚが前記発光デバイス構造から離れる方向において低下するように前記Ａｌ濃度ｚが傾斜している、傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層と、
前記傾斜層の上に配置され、０≦ｗ≦０．２である、ｐドープＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層と、
前記ＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層の上に配置され、少なくとも１つの金属を含む金属コンタクトと、
を備え、前記傾斜層と前記電子ブロック層との界面において、前記傾斜層の前記Ａｌ濃度ｚは前記電子ブロック層の前記Ａｌ濃度ｖよりも０．１以上の量かつ０．５５以下の量だけ小さい、紫外線（ＵＶ）発光デバイス。
【請求項１３】
前記傾斜層はアンドープである、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記傾斜層と前記キャップ層との界面における前記傾斜層の前記Ａｌ濃度ｚは前記キャップ層の前記Ａｌ濃度ｗにほぼ等しい、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記キャップ層の前記Ａｌ濃度ｗは約０である、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記基板はドープＡｌＮ又はアンドープＡｌＮを含む、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記発光デバイスは発光ダイオードを含む、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記キャップ層の厚さは１ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下である、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記基板と前記多重量子井戸層との間に配置され、ｙ＜ｎ＜ｘであるｎドープＡｌｎＧａ１−ｎＮ下部コンタクト層を更に備える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記キャップ層の少なくとも一部の上に配置された反射層を更に備え、前記発光デバイス構造によって放出される光に対する前記反射層の反射率は、前記発光デバイス構造によって放出される光に対する前記金属コンタクトの反射率よりも大きい、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記反射層はＡｌを含む、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記反射層の少なくとも一部と前記キャップ層との間に配置された透過層を更に備え、前記発光構造によって放出される光に対する前記透過層の透過率は、前記発光構造によって放出される光に対する前記金属コンタクトの透過率よりも大きい、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記透過層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化ガリウムのうち少なくとも１つを含む、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
ＡｌｕＧａ１−ｕＮ上面を有し、０．４≦ｕ≦１．０である、基板と、
前記基板の上に配置された活性発光デバイス構造であって、各々がひずみＡｌｘＧａ１−ｘＮ障壁とひずみＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸とを含む複数の周期を含む多重量子井戸層を含み、ｘ及びｙは、前記多重量子井戸層における電荷キャリアの閉じ込めを容易にする量だけ異なる、活性発光デバイス構造と、
前記多重量子井戸層の上に配置された傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層であって、前記傾斜層の組成は、Ａｌ濃度ｚが前記発光デバイス構造から離れる方向において低下するように前記Ａｌ濃度ｚが傾斜している、傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層と、
前記傾斜層の上に配置され、０≦ｗ≦０．２である、ｐドープＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層と、
前記ＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層の上に配置され、少なくとも１つの金属を含む金属コンタクトと、
を備え、前記傾斜層と前記キャップ層との界面において、前記キャップ層の前記Ａｌ濃度ｗは前記傾斜層の前記Ａｌ濃度ｚよりも０．１以上の量かつ０．７５以下の量だけ小さい、紫外線（ＵＶ）発光デバイス。
【請求項２５】
前記傾斜層はアンドープである、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記多重量子井戸層と前記傾斜層との間に配置され、ＡｌｖＧａ１−ｖＮを含み、ｖ＞ｙ及びｖ＞ｘである電子ブロック層を更に備える、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記傾斜層と前記電子ブロック層との界面における前記傾斜層の前記Ａｌ濃度ｚは前記電子ブロック層の前記Ａｌ濃度ｖにほぼ等しい、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記キャップ層の前記Ａｌ濃度ｗは約０である、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記基板はドープＡｌＮ又はアンドープＡｌＮを含む、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記発光デバイスは発光ダイオードを含む、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記キャップ層の厚さは１ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下である、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記基板と前記多重量子井戸層との間に配置され、ｙ＜ｎ＜ｘである、ｎドープＡｌｎＧａ１−ｎＮ下部コンタクト層を更に備える、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記キャップ層の少なくとも一部の上に配置された反射層を更に備え、前記発光デバイス構造によって放出される光に対する前記反射層の反射率は、前記発光デバイス構造によって放出される光に対する前記金属コンタクトの反射率よりも大きい、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記反射層はＡｌを含む、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記反射層の少なくとも一部と前記キャップ層との間に配置された透過層を更に備え、前記発光構造によって放出される光に対する前記透過層の透過率は、前記発光構造によって放出される光に対する前記金属コンタクトの透過率よりも大きい、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記透過層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化ガリウムのうち少なくとも１つを含む、請求項３５に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１５年９月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／２１９，８８１号、及び２０１５年１０月５日に出願された米国仮特許出願第６２／２３７，０２７号の利益及び優先権を主張する。これらの各々の開示全体は参照により本願にも含まれる。
【０００２】
様々な実施形態において、本発明は、窒化物ベースの電子及び光電子デバイスに対するキャリア注入効率（例えば正孔注入効率）の改善に関する。
【背景技術】
【０００３】
窒化物半導体系に基づく、短波長紫外線発光ダイオード（ＵＶ  ＬＥＤ：ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）、すなわち３５０ｎｍ未満の波長の光を発するＬＥＤの出力パワー、効率、及び寿命は、活性領域における欠陥レベルが高いために制限されている。こういった制限は、２８０ｎｍ未満の波長で発光するように設計されたデバイスでは特に問題となる（かつ顕著となる）。特に、サファイア等の異質の（ｆｏｒｅｉｇｎ）基板上に形成されたデバイスの場合、欠陥を低減するための著しい努力にもかかわらず、欠陥密度は依然として高い。こういった高い欠陥密度は、そのような基板上に成長させたデバイスの効率と信頼性の双方を制限する。
【０００４】
近年の低欠陥結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の導入は、窒化物ベースの光電子半導体デバイス、特にアルミニウム濃度が高いデバイスの活性領域において欠陥が少ないという利点のため、これらのデバイスを劇的に改善する可能性がある。例えば、ＡｌＮ基板上に擬似格子整合的に（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃａｌｌｙ）成長させたＵＶ  ＬＥＤは、他の基板上に形成された同様のデバイスに比べて、効率が高く、パワーが大きく、寿命が長いことが実証されている。一般に、これらの擬似格子整合ＵＶ  ＬＥＤは、パッケージングのため「フリップチップ」構成で搭載されている。この場合、デバイスの活性領域で発生した光がＡｌＮ基板を通して放出されると共に、ＬＥＤダイは、前面（すなわち、接合前のエピタキシャル成長中と初期デバイス製造中のデバイスの上面）が、ＬＥＤチップと電気的及び熱的な接触を得るため用いられるパターニングされたサブマウントに接合されている。良好なサブマウント材料は多結晶（セラミック）ＡｌＮである。その理由は、ＡｌＮチップとの比較的良好な熱膨張の合致と、この材料の高い熱伝導率である。そのようなデバイスの活性デバイス領域において達成できる高い結晶完全性のため、６０％よりも高い内部効率が実証されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
残念ながら、これらのデバイスにおいて、光子抽出効率は依然として極めて低いことが多く、表面パターニング技法を用いて達成されるのは約４％〜約１５％であるが、これは多くの可視光（又は「可視」）ＬＥＤによって与えられるものに比べて著しく低い。したがって、現世代の短波長ＵＶ  ＬＥＤは、せいぜい数パーセントの低いウォールプラグ効率（ＷＰＥ：ｗａｌｌ−ｐｌｕｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を有する。ここで、ＷＰＥは、ダイオードから達成される使用可能光学パワー（この場合は放出されるＵＶ光）とデバイス内に供給される電力との比として定義される。ＬＥＤのＷＰＥは、電気的効率（ηｅｌ）、光子抽出効率（ηｅｘ）、及び内部効率（ＩＥ）の積を計算することによって算出され得る。すなわち、ＷＰＥ＝ηｅｌ×ηｅｘ×ＩＥである。ＩＥ自体は、電流注入効率（ηｉｎｊ）と内部量子効率（ＩＱＥ）との積である。すなわち、ＩＥ＝ηｉｎｊ×ＩＱＥである。したがって、例えば、デバイスのプラットフォームとして上述のＡｌＮ基板を使用することで可能となる内部結晶欠陥の減少によりＩＥが改善された後であっても、低いηｅｘがＷＰＥに有害な影響を及ぼす。
【０００６】
低い光子抽出効率には、いくつかの考えられる原因がある。例えば、現在利用可能なＡｌＮ基板は一般に、ＡｌＮのバンド端（約２１０ｎｍである）よりも長い波長においても、ＵＶ波長範囲でいくらかの吸収を有する。この吸収により、デバイスの活性領域で発生したＵＶ光の一部が基板において吸収され、このため基板表面から放出される光量が減少する傾向がある。しかしながら、この損失機構は、米国特許第８，０８０，８３３号（「８３３号特許」、その開示全体は参照により本願に含まれる）に記載されているようにＡｌＮを薄くすること、及び／又は米国特許第８，０１２，２５７号（その開示全体は参照により本願に含まれる）に記載されているようにＡｌＮ基板における吸収を低減させることによって、軽減され得る。更に、ＵＶ  ＬＥＤは通常、発生した光子の約５０％が、典型的に光子吸収ｐ−ＧａＮを含むｐコンタクトの方へ誘導される欠点がある。光子がＡｌＮ表面の方へ誘導される場合であっても、ＡｌＮの屈折率が大きいために未処理の表面から脱出するのは典型的に約９．４％のみであり、結果として小さいエスケープコーン（ｅｓｃａｐｅ  ｃｏｎｅ）が生じる。これらの損失は倍数的に増加し、平均光子抽出効率は極めて低い場合がある。
【０００７】
Ｇｒａｎｄｕｓｋｙ等による最近の発表（Ｊａｍｅｓ  Ｒ．  Ｇｒａｎｄｕｓｋｙ等、２０１３  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ，  Ｖｏｌ．  ６，  Ｎｏ．  ３，  ０３２１０１、以降「Ｇｒａｎｄｕｓｋｙ  ２０１３」と称する。その開示全体は参照により本願に含まれる）で実証されているように、ＡｌＮ基板上に成長させた擬似格子整合ＵＶ  ＬＥＤにおいて、薄いカプセル材料層（例えば有機ＵＶ抵抗性カプセル材料化合物）を介して直接ＬＥＤダイに無機（及び典型的に剛性の）レンズを取り付けることで、光子抽出効率を約１５％まで増大させることができる。２０１２年７月１９日に出願された米国特許出願第１３／５５３，０９３号（「０９３号出願」、その開示全体は参照により本願に含まれる）にも詳述されているこのカプセル化手法は、半導体ダイの上面を介した全内部反射の臨界角を拡大し、これがＵＶ  ＬＥＤの光子抽出効率を著しく改善する。更に、上述した通り、８３３号特許で検討されているようなＡｌＮ基板の薄化（ｔｈｉｎｎｉｎｇ）及びＡｌＮ基板表面の粗化（ｒｏｕｇｈｅｎｉｎｇ）によっても、光子抽出効率を増大させることができる。
【０００８】
更に、コンタクト冶金（ｃｏｎｔａｃｔ  ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）及び平坦さを改善するための技法が、２０１４年３月１３日に出願された米国特許出願第１４／２０８，０８９号、及び２０１４年３月１３日に出願された米国特許出願第１４／２０８，３７９号に詳述されている。これらの開示全体は参照により本願に含まれる。そのような技法は、ＡｌＮ基板上に生成されたＵＶ  ＬＥＤのデバイス性能を向上させる。しかしながら、これらの出願で詳述されているデバイスのキャリア注入効率、キャリア拡散、したがって他の特徴（ＷＰＥ等）は、理想よりも劣っている可能性がある。したがって、デバイス効率を更に最適化する、ＵＶ発光デバイスのために最適化されたエピタキシャルデバイス構造に対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の様々な実施形態において、窒化物発光デバイス構造は、金属コンタクトに対する電気的接触を得るためのドープ（例えばｐドープ）キャップ層、及び、圧電分極によってキャリア（例えば正孔）を発生させるためキャップ層の下に配置された傾斜層（ｇｒａｄｅｄ  ｌａｙｅｒ）を特徴としている。驚くべきことに、傾斜層の下に配置された層（例えば電子ブロック層）に対する及び／又は傾斜層の上のキャップ層に対する傾斜層の一端又は両端（すなわち上部及び／又は下部）において組成不連続性（又は「オフセット」）を組み込むことにより、発光デバイスの性能が向上する。従来、そのような組成オフセットと、これに伴う傾斜層と傾斜層の上及び／又は下の１又は複数の層との間の格子不整合の増大は、発光デバイスにおける欠陥密度を上昇させ、したがってそのようなデバイスの効率及び性能に有害な影響を及ぼすと考えられ得る。本発明の実施形態によれば、各組成オフセットの結果として、これに近接して２次元正孔ガス（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｈｏｌｅ  ｇａｓ）が形成され、デバイス内の垂直方向の（すなわちデバイス表面に対して実質的に垂直な方向の）キャリア注入効率、及び／又は水平方向の（すなわち層及び層間の界面に対して平行な面内の）電流拡散が改善され、これによってデバイス性能が向上する。このため、発光デバイスの発光効率は、そのような傾斜層及び組成オフセットが存在しないデバイスに比べて向上する。
【００１０】
２次元正孔ガス（２ＤＨＧ）という用語は、本明細書において、半導体デバイス構造内の界面付近における正孔濃度の局所的な上昇を、デバイス表面からの距離（ｚ）の関数として示すために用いられる。（同様に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ：ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇａｓ）という用語は電子についての同等の構造である。２次元キャリアガスという用語は、２ＤＨＧ又は２ＤＥＧを表すため使用され得る。）本発明の実施形態によれば、２ＤＨＧの形成は、少なくとも部分的に、例えばＡｌ１−ｘＧａｘＮ合金の成長中のＡｌ濃度の急激な変化のような、デバイス構造における急激な組成変化のために生じる。２ＤＨＧにおける正孔濃度の上昇は、特定の距離Δｚ（例えば、約０．５ｎｍから約１５ｎｍ、又は約０．５ｎｍから約１０ｎｍ、又は約１ｎｍから約１０ｎｍの距離）にわたって拡散する。Δｚが充分に小さいならば、ｚ方向において許容正孔波動関数の量子化が見られる。しかしながら、波動関数のこの量子化は、本発明の実施形態に従った効率向上には必須でない場合がある。２ＤＨＧにおける正孔濃度の上昇は、組成オフセットと同様にΔｚにも関連している。様々な実施形態において、この上昇は、Δｚを１０ｎｍよりも小さくすること、いくつかの実施形態では３ｎｍよりも小さくすることによって増大され得る。オフセットを調整すると共に、傾斜層（例えば傾斜の形状及び／又は傾斜率）を調節してΔｚを制御することにより、Δｚは１ｎｍよりも小さくなり得る。様々な実施形態において、傾斜層の傾斜（すなわち組成の勾配）は、例えば線形、ほぼ線形（ｓｕｂｌｉｎｅａｒ）、又は超線形であり得る。
【００１１】
関連して、本発明の実施形態は、分極ドーピングを利用することで、従来の不純物ドーピングのみを使用して達成され得るよりもはるかに高いキャリア（例えば正孔）濃度を達成できる。したがって本発明の実施形態では、不純物拡散が存在しないためにキャリア移動度が向上し、キャリア（例えば正孔）濃度の温度依存性が低減し得る。本発明の実施形態における高いキャリア（例えば正孔）濃度は、不純物ドーピングを行わない場合に又は不純物ドーピングに追加して達成され得る。
【００１２】
本明細書において、ＡｌＧａＮ又はＡｌ１−ａＧａａＮ合金及び層に対する言及（ａは、本明細書でＡｌＧａＮに言及する際に与えられ得る任意の下付き文字である）は、対象の合金又は層が実質的にＩｎ（インジウム）を含まないと具体的に記載されている場合を除いて、任意選択的にインジウム（Ｉｎ）を含むものと理解される。したがって、本明細書におけるＡｌＧａＮ又はＡｌ１−ａＧａａＮに対する言及は、特に他の規定がない限り、ＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌ１−ａ−ｂＧａａＩｎｂＮと同等であると理解される。本明細書で用いる場合、層又は合金が「実質的にＩｎを含まない」とは、その層又は合金が、化学的分析によって検出可能であり得るが層又は合金のバンドギャップ又は他の特性に１％超（又は、いくつかの実施形態では０．５％超又は０．１％超）の影響を及ぼさない微量のＩｎを含むことを意味する。
【００１３】
一態様において、本発明の実施形態は、基板と、基板の上に配置された活性発光デバイス構造と、活性発光デバイス構造の上に配置された電子ブロック層と、電子ブロック層の上に配置された傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層と、傾斜層の上に配置されたｐドープＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層と、ＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層の上に配置された金属コンタクトと、を含むか、本質的にそれらから成るか、又はそれらから成る紫外線（ＵＶ）発光デバイスを特徴とする。基板は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ上面を有し、０≦ｕ≦１．０であるか、又は０．４≦ｕ≦１．０である。発光デバイス構造は、多重量子井戸層を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。多重量子井戸層は、各々に上方の障壁層及び下方の障壁層がある１つ以上の量子井戸を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。例えば多重量子層は、各々がひずみＡｌｘＧａ１−ｘＮ障壁とひずみＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸とを含む複数の周期を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができ、ｘ及びｙは、多重量子井戸層における電荷キャリア（すなわち電子及び／又は正孔）の閉じ込めを容易にする量だけ異なる。電子ブロック層は、ＡｌｖＧａ１−ｖＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成り、ｖ＞ｙ及び／又はｖ＞ｘである。傾斜層の組成は、Ａｌ濃度ｚが発光デバイス構造から離れる方向において低下するようにＡｌ濃度ｚが傾斜している。キャップ層において、０≦ｗ≦０．４であるか、又は０≦ｗ≦０．２である。金属コンタクトは、少なくとも１つの金属を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。傾斜層と電子ブロック層との界面において、傾斜層のＡｌ濃度ｚは電子ブロック層のＡｌ濃度ｖよりも０．０３（又は０．０５、又は０．１、又は０．１５、又は０．２、又は０．２５、又は０．３）以上の量、かつ０．８５（又は０．８、又は０．７５、又は０．７、又は０．６５、又は０．６、又は０．５５、又は０．５、又は０．４５）以下の量だけ小さい。傾斜層とキャップ層との界面において、キャップ層のＡｌ濃度ｗは傾斜層のＡｌ濃度ｚよりも０．０３（又は０．０５、又は０．１、又は０．１５、又は０．２、又は０．２５、又は０．３）以上の量、かつ０．８５（又は０．８、又は０．７５、又は０．７、又は０．６５、又は０．６、又は０．５５、又は０．５、又は０．４５）以下の量だけ小さい。
【００１４】
本発明の実施形態は、以下のうち１つ以上を多種多様な組み合わせのいずれかで含み得る。傾斜層はアンドープであり得る（すなわち、意図的にドーピングされていない、及び／又はドーパント濃度及び／又はキャリア濃度が１０１３ｃｍ−３未満、１０１２ｃｍ−３未満、１０１１ｃｍ−３未満、又は１０１０ｃｍ−３未満である）。傾斜層はｎ型ドープ又はｐ型ドープであり得る。キャップ層のＡｌ濃度ｗは、０〜０．２の間、０〜０．１５の間、０〜０．１の間、０〜０．０５の間、又は約０であり得る。キャップ層のＡｌ濃度ｗは、０．０５以上又は０．１以上、及び０．３以下、０．２５以下、０．２以下、又は０．１５以下であり得る。基板は、ドープＡｌＮ及び／又はアンドープＡｌＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。基板は単結晶であり得る。基板は、上に配置された１つ以上のエピタキシャル層を有し得る。１つ以上のそのようなエピタキシャル層は、発光デバイス構造の下方に配置され得る。発光デバイスは、発光ダイオード（例えばベアダイ発光ダイオードもしくは発光ダイオードチップ）、又はレーザ（例えばベアダイレーザもしくはレーザチップ）を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。キャップ層の厚さは、１ｎｍ以上、２ｎｍ以上、５ｎｍ以上、又は１０ｎｍ以上であり得る。キャップ層の厚さは、５０ｎｍ以下、４５ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、３５ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２５ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１５ｎｍ以下であり得る。
【００１５】
デバイスは、基板と多重量子井戸層との間に配置されたｎドープＡｌｎＧａ１−ｎＮ下部コンタクト層を含み得る。下部コンタクト層において、ｙはｎよりも小さい及び／又はｎはｘよりも小さい可能性がある。デバイスは、キャップ層の少なくとも一部の上に配置された反射層を含み得る。反射層は、発光デバイス構造によって放出される光（例えばＵＶ及び／又は可視光）に対する反射率が、発光デバイス構造によって放出される光に対する金属コンタクトの反射率よりも大きい可能性がある。反射層は、Ａｌ及び／又はポリテトラフルオロエチレンを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。デバイスは、反射層の少なくとも一部とキャップ層との間に配置された透過層を含み得る。透過層は、発光構造によって放出される光に対する透過率が、発光構造によって放出される光に対する金属コンタクトの透過率よりも大きい可能性がある。透過層は、酸化物及び／又は窒化物の層を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。透過層は電気的に絶縁性であり得る。透過層は、金属コンタクト及び／又は反射層よりも電気的伝導性が低い可能性がある。透過層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化ガリウムを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。
【００１６】
別の態様において、本発明の実施形態は、基板と、基板の上に配置された活性発光デバイス構造と、活性発光デバイス構造の上に配置された電子ブロック層と、電子ブロック層の上に配置された傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層と、傾斜層の上に配置されたｐドープＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層と、ＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層の上に配置された金属コンタクトと、を含むか、本質的にそれらから成るか、又はそれらから成る紫外線（ＵＶ）発光デバイスを特徴とする。基板は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ上面を有し、０≦ｕ≦１．０であるか、又は０．４≦ｕ≦１．０である。発光デバイス構造は、多重量子井戸層を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。多重量子井戸層は、各々に上方の障壁層及び下方の障壁層がある１つ以上の量子井戸を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。例えば多重量子層は、各々がひずみＡｌｘＧａ１−ｘＮ障壁とひずみＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸とを含む複数の周期を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができ、ｘ及びｙは、多重量子井戸層における電荷キャリア（すなわち電子及び／又は正孔）の閉じ込めを容易にする量だけ異なる。電子ブロック層は、ＡｌｖＧａ１−ｖＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成り、ｖ＞ｙ及び／又はｖ＞ｘである。傾斜層の組成は、Ａｌ濃度ｚが発光デバイス構造から離れる方向において低下するようにＡｌ濃度ｚが傾斜している。キャップ層において、０≦ｗ≦０．４であるか、又は０≦ｗ≦０．２である。金属コンタクトは、少なくとも１つの金属を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。傾斜層と電子ブロック層との界面において、傾斜層のＡｌ濃度ｚは電子ブロック層のＡｌ濃度ｖよりも０．０３（又は０．０５、又は０．１、又は０．１５、又は０．２、又は０．２５、又は０．３）以上の量、かつ０．８５（又は０．８、又は０．７５、又は０．７、又は０．６５、又は０．６、又は０．５５、又は０．５、又は０．４５）以下の量だけ小さい。
【００１７】
本発明の実施形態は、以下のうち１つ以上を多種多様な組み合わせのいずれかで含み得る。傾斜層はアンドープであり得る（すなわち、意図的にドーピングされていない、及び／又はドーパント濃度及び／又はキャリア濃度が１０１３ｃｍ−３未満、１０１２ｃｍ−３未満、１０１１ｃｍ−３未満、又は１０１０ｃｍ−３未満である）。傾斜層はｎ型ドープ又はｐ型ドープであり得る。傾斜層とキャップ層との界面における傾斜層のＡｌ濃度ｚは、キャップ層のＡｌ濃度ｗにほぼ等しい可能性がある。キャップ層のＡｌ濃度ｗは、０〜０．２の間、０〜０．１５の間、０〜０．１の間、０〜０．０５の間、又は約０であり得る。キャップ層のＡｌ濃度ｗは、０．０５以上又は０．１以上、及び０．３以下、０．２５以下、０．２以下、又は０．１５以下であり得る。基板は、ドープＡｌＮ及び／又はアンドープＡｌＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。基板は単結晶であり得る。基板は、上に配置された１つ以上のエピタキシャル層を有し得る。１つ以上のそのようなエピタキシャル層は、発光デバイス構造の下方に配置され得る。発光デバイスは、発光ダイオード（例えばベアダイ発光ダイオードもしくは発光ダイオードチップ）、又はレーザ（例えばベアダイレーザもしくはレーザチップ）を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。キャップ層の厚さは、１ｎｍ以上、２ｎｍ以上、５ｎｍ以上、又は１０ｎｍ以上であり得る。キャップ層の厚さは、５０ｎｍ以下、４５ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、３５ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２５ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１５ｎｍ以下であり得る。
【００１８】
デバイスは、基板と多重量子井戸層との間に配置されたｎドープＡｌｎＧａ１−ｎＮ下部コンタクト層を含み得る。下部コンタクト層において、ｙはｎよりも小さい及び／又はｎはｘよりも小さい可能性がある。デバイスは、キャップ層の少なくとも一部の上に配置された反射層を含み得る。反射層は、発光デバイス構造によって放出される光（例えばＵＶ及び／又は可視光）に対する反射率が、発光デバイス構造によって放出される光に対する金属コンタクトの反射率よりも大きい可能性がある。反射層は、Ａｌ及び／又はポリテトラフルオロエチレンを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。デバイスは、反射層の少なくとも一部とキャップ層との間に配置された透過層を含み得る。透過層は、発光構造によって放出される光に対する透過率が、発光構造によって放出される光に対する金属コンタクトの透過率よりも大きい可能性がある。透過層は、酸化物及び／又は窒化物の層を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。透過層は電気的に絶縁性であり得る。透過層は、金属コンタクト及び／又は反射層よりも電気的伝導性が低い可能性がある。透過層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化ガリウムを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。
【００１９】
更に別の態様において、本発明の実施形態は、基板と、基板の上に配置された活性発光デバイス構造と、発光デバイス構造の上に配置された傾斜ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層と、傾斜層の上に配置されたｐドープＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層と、ＡｌｗＧａ１−ｗＮキャップ層の上に配置された金属コンタクトと、を含むか、本質的にそれらから成るか、又はそれらから成る紫外線（ＵＶ）発光デバイスを特徴とする。基板は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ上面を有し、０≦ｕ≦１．０であるか、又は０．４≦ｕ≦１．０である。発光デバイス構造は、多重量子井戸層を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。多重量子井戸層は、各々に上方の障壁層及び下方の障壁層がある１つ以上の量子井戸を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。例えば多重量子層は、各々がひずみＡｌｘＧａ１−ｘＮ障壁とひずみＡｌｙＧａ１−ｙＮ量子井戸とを含む複数の周期を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができ、ｘ及びｙは、多重量子井戸層における電荷キャリア（すなわち電子及び／又は正孔）の閉じ込めを容易にする量だけ異なる。傾斜層の組成は、Ａｌ濃度ｚが発光デバイス構造から離れる方向において低下するようにＡｌ濃度ｚが傾斜している。キャップ層において、０≦ｗ≦０．４であるか、又は０≦ｗ≦０．２である。金属コンタクトは、少なくとも１つの金属を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。傾斜層とキャップ層との界面において、キャップ層のＡｌ濃度ｗは傾斜層のＡｌ濃度ｚよりも０．０３（又は０．０５、又は０．１、又は０．１５、又は０．２、又は０．２５、又は０．３）以上の量、かつ０．８５（又は０．８、又は０．７５、又は０．７、又は０．６５、又は０．６、又は０．５５、又は０．５、又は０．４５）以下の量だけ小さい。
【００２０】
本発明の実施形態は、以下のうち１つ以上を多種多様な組み合わせのいずれかで含み得る。傾斜層はアンドープであり得る（すなわち、意図的にドーピングされていない、及び／又はドーパント濃度及び／又はキャリア濃度が１０１３ｃｍ−３未満、１０１２ｃｍ−３未満、１０１１ｃｍ−３未満、又は１０１０ｃｍ−３未満である）。傾斜層はｎ型ドープ又はｐ型ドープであり得る。デバイスは、発光デバイス構造及び／又は多重量子井戸層と傾斜層との間に配置された電子ブロック層を含み得る。電子ブロック層は、ＡｌｖＧａ１−ｖＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。電子ブロック層において、ｖはｙよりも大きい及び／又はｖはｘよりも大きい可能性がある。傾斜層と電子ブロック層との界面における傾斜層のＡｌ濃度ｚは、電子ブロック層のＡｌ濃度ｖにほぼ等しい可能性がある。キャップ層のＡｌ濃度ｗは、０〜０．２の間、０〜０．１５の間、０〜０．１の間、０〜０．０５の間、又は約０であり得る。キャップ層のＡｌ濃度ｗは、０．０５以上又は０．１以上、及び０．３以下、０．２５以下、０．２以下、又は０．１５以下であり得る。基板は、ドープＡｌＮ及び／又はアンドープＡｌＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。基板は単結晶であり得る。基板は、上に配置された１つ以上のエピタキシャル層を有し得る。１つ以上のそのようなエピタキシャル層は、発光デバイス構造の下方に配置され得る。発光デバイスは、発光ダイオード（例えばベアダイ発光ダイオードもしくは発光ダイオードチップ）、又はレーザ（例えばベアダイレーザもしくはレーザチップ）を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。キャップ層の厚さは、１ｎｍ以上、２ｎｍ以上、５ｎｍ以上、又は１０ｎｍ以上であり得る。キャップ層の厚さは、５０ｎｍ以下、４５ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、３５ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２５ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１５ｎｍ以下であり得る。
【００２１】
デバイスは、基板と多重量子井戸層との間に配置されたｎドープＡｌｎＧａ１−ｎＮ下部コンタクト層を含み得る。下部コンタクト層において、ｙはｎよりも小さい及び／又はｎはｘよりも小さい可能性がある。デバイスは、キャップ層の少なくとも一部の上に配置された反射層を含み得る。反射層は、発光デバイス構造によって放出される光（例えばＵＶ及び／又は可視光）に対する反射率が、発光デバイス構造によって放出される光に対する金属コンタクトの反射率よりも大きい可能性がある。反射層は、Ａｌ及び／又はポリテトラフルオロエチレンを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。デバイスは、反射層の少なくとも一部とキャップ層との間に配置された透過層を含み得る。透過層は、発光構造によって放出される光に対する透過率が、発光構造によって放出される光に対する金属コンタクトの透過率よりも大きい可能性がある。透過層は、酸化物及び／又は窒化物の層を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。透過層は電気的に絶縁性であり得る。透過層は、金属コンタクト及び／又は反射層よりも電気的伝導性が低い可能性がある。透過層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化ガリウムを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。
【００２２】
これらの目的及び他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点及び特徴と共に、以下の説明、添付図面、及び特許請求の範囲を参照することによって、いっそう明らかになるはずである。更に、本明細書に記載される様々な実施形態の特徴は相互に排他的ではなく、様々な組み合わせ及び並べ替え（ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ）で存在し得ることは理解されよう。本明細書で用いられる場合、「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」、及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、±１０％を意味し、いくつかの実施形態では±５％を意味する。本明細書において規定される全ての数値範囲は、特に他の規定がない限り、それらの終点を含む。「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｓ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という用語は、本明細書で特に他の規定がない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それにもかかわらず、そのような他の材料は集合的に又は個別に微量存在し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
図面において、同様の参照符号は様々な図を通して概ね同一の部分を指し示す。また、図面は必ずしも一定の縮尺通りでなく、概して本発明の原理を説明することに重点が置かれている。以下の記載では、本発明の様々な実施形態について以下の図面を参照して説明する。
【００２４】
【図１】本発明の様々な実施形態に従った発光デバイス構造の概略断面図である。
【図２】本発明の様々な実施形態に従った窒化物ベースの発光デバイス構造について、表面からの深さの関数としてアルミニウム濃度を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の様々な実施形態に従った、電極層及び反射層を組み込んだ発光デバイス構造の概略平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの発光デバイス構造の概略断面図である。
【図４】本発明の様々な実施形態に従った、電極層及び反射層を組み込んだ発光デバイス構造の概略断面図である。
【図５】本発明の様々な実施形態に従った、電極層及び反射層を組み込んだ発光デバイス構造の概略断面図である。
【図６】本発明の様々な実施形態に従った、電極層、反射層、及び透過層を組み込んだ発光デバイス構造の概略断面図である。
【図７】本発明の様々な実施形態に従った、電極層、反射層、及び透過層を組み込んだ発光デバイス構造の概略断面図である。
【図８】本発明の様々な実施形態に従った、２つの上部コンタクトを有する発光デバイス構造の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明に従った発光デバイス構造１００を概略的に示す。本発明の実施形態に従った発光デバイス構造１００は、例えば発光ダイオード又はレーザを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る可能性がある。図示のようにデバイス構造１００は、様々な実施形態において、半導体基板を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る基板１０５を含む。様々な実施形態において、基板１０５の上面（すなわち、デバイス構造１００の他の層が上に配置されている表面）は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮであり、ここでｕ≧０．４（かつｕ≦１．０）である。基板１０５の全て又は一部は、アンドープ（すなわち意図的にドーピングされていない）か、又は１つ以上のドーパント種で意図的にドーピングされている可能性がある。基板１０５は実質的に全体がＡｌｕＧａ１−ｕＮ材料（例えばＡｌＮ）で構成されているか、又は基板１０５は、異なる材料（例えば炭化ケイ素、シリコン、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、アルミナ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、及び／又はサファイア）を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成り、その上にＡｌｕＧａ１−ｕＮ材料が例えばエピタキシャル成長によって形成されている可能性がある。そのような材料は、実質的に完全に格子緩和され、例えば少なくとも１μｍの厚さを有し得る。
【００２６】
様々な実施形態において、基板１０５は、デバイス製造中に部分的に又は実質的に除去され得るので、デバイス構造１００が発する放射（例えばＵＶ放射）に対して透明である必要はない。半導体基板１０５は、そのｃ軸と表面法線との角度が約０度から約４度であるようにミスカット（ｍｉｓｃｕｔ）され得る。様々な実施形態において、基板１０５の表面の方位差（ｍｉｓｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）は、例えば意図的に又は制御可能にミスカットされていない基板１０５では、約０．３度未満である。他の実施形態において、基板１０５の表面の方位差は、例えば意図的に又は制御可能にミスカットされている基板１０５では、約０．３度よりも大きい。様々な実施形態において、ミスカットの方向はａ軸へ向かう方向である。基板１０５の表面はＩＩＩ族（例えばＡｌ）極性を有し、例えば化学機械研磨によって平坦化され得る。基板１０５のＲＭＳ表面粗さは、好ましくは１０μｍ×１０μｍの面積で約０．５ｎｍ未満である。いくつかの実施形態では、原子間力顕微鏡でプローブした場合に表面上で原子レベルの段差を検出できる。基板１０５の貫通転位密度（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ  ｄｅｎｓｉｔｙ）は、例えば、４５０℃で５分間ＫＯＨ−ＮａＯＨ共晶エッチングを行った後にエッチピッチ密度測定を用いて測定され得る。様々な実施形態において、貫通転位密度は約２×１０３ｃｍ−２未満である。いくつかの実施形態では、基板１０５は更に低い貫通転位密度を有する。基板１０５は、例えばＡｌＮのような、基板１０５内又は基板１０５上に存在する同一の材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成るホモエピタキシャル層（図示せず）で覆うことができる。
【００２７】
基板１０５の上に配置されたデバイス構造１００の様々な層は、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）等の化学気相堆積（ＣＶＤ）法のようなエピタキシャル成長技法等、多種多様な異なる技法のいずれかによって形成され得る。
【００２８】
デバイス構造１００は、基板１０５の上に配置された下部コンタクト層１１０も含む。様々な実施形態において、下部コンタクト層１１０はｎ型ドープであり、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、及び／又はＳｉ等の不純物でドーピングされている。下部コンタクト層１１０は、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成り、アルミニウム濃度ｘは、基板１０５内の対応するアルミニウム含有量とほぼ同一であるか又は異なる可能性がある。一実施形態では、基板１０５の上であってかつ下部コンタクト層１１０の下に、任意選択的な傾斜バッファ層（図示せず）が配置されている。傾斜バッファ層は、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮのような１つ以上の半導体材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る可能性がある。様々な実施形態において、傾斜バッファ層は、２次元の成長を促進すると共に有害なアイランド形成を回避するため（そのようなアイランド形成は、傾斜バッファ層及びこの後に成長させる層において望ましくない弾性ひずみ緩和及び／又は表面粗さを生じ得る）、基板１０５との界面において基板１０５とほぼ等しい組成を有する。下部コンタクト層１１０との界面における傾斜バッファ層の組成は、デバイスの所望の活性領域に近い（例えば、ほぼ等しい）ように選択され得る（例えば、発光デバイスから所望の波長の放出を生じるＡｌｘＧａ１−ｘＮ濃度）。一実施形態において、傾斜バッファ層は、約１００％のＡｌ濃度ｘから約６０％のＡｌ濃度ｘまで傾斜させた、ドープ又はアンドープのＡｌｘＧａ１−ｘＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。
【００２９】
下部コンタクト層１１０は、デバイス製造後の電流集中（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｒｏｗｄｉｎｇ）を防止する及び／又はコンタクトを製造するエッチング中に停止するのに充分な厚さを有し得る。例えば、下部コンタクト層１１０の厚さは、約１００ｎｍから約５００ｎｍ、又は約１００ｎｍから約２μｍの範囲内であり得る。下部コンタクト層１１０を利用する場合、最終的な発光デバイスは裏面コンタクトを用いて製造され得る。様々な実施形態において、下部コンタクト層１１０は、層が擬似格子整合である場合に維持される低い欠陥密度のため、小さい厚さであっても高い電気伝導率を有する。本明細書で用いる場合、擬似格子整合膜とは、この膜とその下にある層又は基板との界面に平行なひずみが、膜内の格子をゆがませて基板（又は基板の上であってかつ擬似格子整合膜の下にある緩和層すなわち実質的にひずみがない層）の格子と合致させるために必要なひずみとほぼ等しいものである。したがって、擬似格子整合膜における平行なひずみは、界面に平行なひずみのない基板と界面に平行なひずみのないエピタキシャル層との間の格子パラメータの差に概ね又はほぼ等しい。
【００３０】
図１に示すように、デバイス構造は、下部コンタクト層１１０の上に配置された活性発光デバイス構造（すなわち、電圧印加に応答して発光するように構成された１つ以上の層（例えば量子井戸））も含む。例えば活性発光デバイス構造は、下部コンタクト層１１０の上に配置された多重量子井戸（「ＭＱＷ」）層１１５を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る可能性がある。様々な実施形態において、ＭＱＷ層１１５は下部コンタクト層１１０の上に直接配置されている。他の実施形態では、下部コンタクト層１１０とＭＱＷ層１１５との間に、任意選択的な層（例えば、ＡｌＧａＮのようなアンドープ半導体材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成るアンドープ層）が配置され得る。ＭＱＷ層１１５は、下部コンタクト層１１０と同じドーピング極性でドーピングすることができ、例えばｎ型ドープであり得る。ＭＱＷ層１１５は、障壁で分離された（又は障壁で両側を囲まれた）１つ以上の量子井戸を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。例えば、ＭＱＷ層１１５の各周期は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ障壁（ｘ及びｙは異なる）を特徴として有し得る。典型的に、ｙは、３００ｎｍ未満の波長の光を発するように設計された発光デバイスでは０．４よりも大きく、より短い波長の発光装置（ｅｍｉｔｔｅｒ）では０．７よりも大きい可能性がある。これは、２５０ｎｍよりも短い波長で発光するように設計されたデバイスでは、０．９よりも大きい場合がある。ｘの値は、少なくとも部分的にデバイスの発光波長を決定する。２８０ｎｍよりも長い発光波長では、ｘは０．２まで小さくなり得る。２５０ｎｍ〜２８０ｎｍの間の波長では、ｘは０．２〜０．７の間で変動し得る。２５０ｎｍよりも短い波長では、ｘは０．６よりも大きい場合がある。様々な実施形態において、ｘとｙとの差は、活性領域における電子及び正孔の良好な閉じ込めを得るのに充分な大きさであり、これによって非発光再結合に対する発光再結合の高い比を可能とする。一実施形態において、ｘとｙとの差は約０．２５であり、例えばｘが約０．５であると共にｙが約０．７５である。ＭＱＷ層１１５は複数のそのような周期を含み、合計の厚さは、２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であるか又は約５０ｎｍ未満であり得る。
【００３１】
本発明の様々な実施形態において、デバイス構造１００の活性発光デバイス構造の上に電子ブロック層１２０を配置する（例えばＭＱＷ層１１５の上に配置する）ことができる。電子ブロック層１２０は典型的に、ＭＱＷ層１１５内のバンドギャップ（例えばその内部の障壁層のバンドギャップ）よりも広いバンドギャップを有する。様々な実施形態において、電子ブロック層１２０は、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができ、電子ブロック層１２０はドーピングされ得る。例えば電子ブロック層１２０は、下部コンタクト層１１０及び／又はＭＱＷ層１１５と同じドーピング極性でドーピングされ得る（例えばｎ型ドープ）。様々な実施形態において、電子ブロック層１２０のｘの値は、ＭＱＷ層１１５で用いられる障壁層のＡｌモル分率の値よりも大きい。発光波長が３００ｎｍよりも大きい長波長デバイスでは、ｘは０．４まで小さくなる可能性があり、短波長デバイスでは０．７よりも大きい可能性がある。これは、２５０ｎｍよりも短い波長で発光するように設計されたデバイスでは０．９よりも大きい可能性がある。電子ブロック層１２０は、例えば約１０ｎｍ〜約５０ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲内の厚さを有し得る。本発明の様々な実施形態において、電子ブロック層１２０は、電子ブロック層１２０を通るキャリア（例えば正孔）のトンネリングを容易にするように、充分に薄い（例えば約３０ｎｍ未満、又は約２０ｎｍ未満の厚さ）。本発明の様々な実施形態において、電子ブロック層１２０はデバイス構造１００から省略される。
【００３２】
図１に示すように、デバイス構造１００は、電子ブロック層１２０の上に（又は、電子ブロック層１２０が省略された実施形態では活性発光デバイス構造の上に）配置された傾斜層１２５も含み得る。傾斜層１２５の上にキャップ層１３０が配置され得る。キャップ層１３０は、下部コンタクト層１１０とは反対のドーピング極性でドーピングすることができ、例えば、Ｍｇ、Ｂｅ、及び／又はＺｎ等の１つ以上のドーパントによるｐ型ドープであり得る。他の実施形態では、キャリア（例えば正孔）が電極から、キャップ層１３０と傾斜層１２５との界面に配置された２次元キャリアガス内に注入され得るので、キャップ層１３０はアンドープである可能性がある。（本明細書に記載される例示的な実施形態では、キャップ層１３０はｐ型にドーピングされると共に下部コンタクト層１１０はｎ型にドーピングされているが、これらの層のドーピング極性を取り換えた実施形態は本発明の範囲内である。そのような実施形態では、当業者に理解されるように、電子ブロック層１２０が存在する場合、これは「正孔ブロック層」であると考えられる。）キャップ層１３０は、例えば約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、又は約１ｎｍ〜約５０ｎｍ、又は約１ｎｍ〜約２０ｎｍの範囲内の厚さを有し得る。様々な実施形態において、キャップ層１３０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。様々な実施形態において、アルミニウム濃度ｘは、ゼロ（すなわち純粋なＧａＮ）から約０．２までの範囲であり得る。
【００３３】
傾斜層１２５の分析は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、エネルギ分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ：ｅｎｅｒｇｙ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、Ｘ線蛍光分析（ＸＲＦ：Ｘ−ｒａｙ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ：ａｕｇｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｉｏｎ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、電子エネルギ損失スペクトル（ＥＥＬＳ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｏｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）、及び／又は原子プローブ（ＡＰ：ａｔｏｍ  ｐｒｏｂｅ）等、様々な分析法を用いて実行され得る。例えば傾斜層１２５は、１つ以上のそのような分析技法の測定精度を超える組成の勾配を示し得る。
【００３４】
また、デバイス構造１００は、デバイスに対する電気的接触を容易にする金属コンタクトも組み込むことができる。例えば金属コンタクトは、キャップ層１３０の上方に又はキャップ層１３０上に配置された電極層１３５を含むか又は本質的にそれから成ることができる。キャリア（例えば正孔）のキャップ層１３０への注入を可能とする限り、電極層１３５の組成及び／又は形状は特に限定されない。ｐ型ドープの窒化物ベース半導体キャップ層１３０に正孔が注入される実施形態において、電極層１３５は、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、及び／又はＰｄ、これらの金属のうち２つ以上の合金もしくは混合物、又は酸化物ベース材料及び／又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明電極材料のような、仕事関数の大きい１つ以上の金属を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。本発明の実施形態に従った電極層１３５は、これらの材料に限定されない。電極層１３５の厚さは、例えば約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜約５０ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜約３０ｎｍ、又は約２５ｎｍ〜約４０ｎｍであり得る。
【００３５】
上述のように、本発明の実施形態は、キャップ層１３０と電子ブロック層１２０（又は、電子ブロック層１２０が省略された実施形態ではＭＱＷ層１１５）との間に配置された傾斜層１２５を特徴とする。傾斜層１２５は典型的に、例えばＧａ、Ｉｎ、及び／又はＡＬとＮとの混合物又は合金のような窒化物半導体を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る。傾斜層１２５内の組成勾配は、実質的に連続的であるが又は段階的であり得る。傾斜層１２５内の傾斜率は、傾斜層１２５の厚さ内で実質的に一定であるか、又は１度以上変化し得る。傾斜層１２５はアンドープであり得る。他の実施形態において、傾斜層１２５は、例えばＣ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、及び／又はＳｉのような１つ以上のドーパントでｎ型又はｐ形にドーピングされている。傾斜層１２５の厚さは、例えば約５ｎｍ〜約１００ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜約５０ｎｍ、又は約２０ｎｍ〜約４０ｎｍであり得る。様々な実施形態において、デバイス構造１００の様々な層を形成するため使用されるエピタキシャル成長プロセスは、傾斜層１２５の成長とその下にある層及び／又は上にある層の成長との間で一時的に停止され得る。様々な実施形態において、傾斜層１２５は、その下にある層のうち１つ以上に対して擬似格子整合的にひずませる。
【００３６】
一般に、傾斜層１２５の厚さの関数としての組成は、下にある層（例えば電子ブロック層１２０又はＭＱＷ層１１５）から上にある層（例えばキャップ層１３０）の方へ傾いている。しかしながら、様々な実施形態において、傾斜層１２５の電子ブロック層１２０との界面における組成は電子ブロック層１２０のものと一致せず、及び／又は傾斜層１２５のキャップ層１３０との界面における組成はキャップ層１３０のものと一致しない。図２は、深さの関数として例示的なデバイス構造１００の様々な層内のアルミニウム濃度の（縮尺通りでない）図を示し、デバイスの上面は図の右側である。図２に示すように、デバイス構造１００は、デバイス動作中に傾斜層１２５の界面の一方又は双方における２次元正孔ガスの形成を促進するため、界面の一方又は双方において組成の「ジャンプ（ｊｕｍｐ）」すなわち組成のオフセット又は不連続性を組み込むことができる。傾斜層１２５と電子ブロック層１２０及び／又はキャップ層１３０との間の組成の１又は複数の差は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギ分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）、Ｘ線蛍光分析（ＸＲＦ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、及び／又は電子エネルギ損失スペクトル（ＥＥＬＳ）等、多種多様な分析法のうち１つ以上によって分析され得る。
【００３７】
図２に示すように、様々な層が異なる量のアルミニウムを含有する例示的なデバイス構造１００において、デバイス構造１００は、アルミニウム濃度の組成オフセット２００を組み込むことができる。すなわち、傾斜層１２５の初期下部における（例えば、傾斜層１２５とその下にある層との界面における）アルミニウム濃度は、電子ブロック層１２０及び／又はＭＱＷ層１１５よりも低い可能性がある。この組成の差２００は、少なくとも０．０５、又は少なくとも０．１、又は少なくとも０．２であり、本発明の様々な実施形態では、０．５５、又は０．７５もしくは０．８５まで大きくなり得る。例示的なデバイス構造１００は、これに加えて又はこの代わりに、アルミニウム濃度の組成オフセット２０５を組み込むことができる。すなわち、傾斜層１２５の最終上部における（例えば、傾斜層１２５とその上にある層との界面における）アルミニウム濃度は、キャップ層１３０よりも高い可能性がある。この組成の差２０５は、少なくとも０．０５、又は少なくとも０．１、又は少なくとも０．２であり、本発明の様々な実施形態では、０．５５、又は０．７５もしくは０．８５まで大きくなり得る。活性領域（例えばＭＱＷ層１１５）への正孔注入は組成オフセット２００によって増強され、活性領域とキャップ層１３０及び／又はその上の電極との間の正孔注入（及び／又はキャップ層１３０内に拡散するキャリア及び／又は電流）は、組成オフセット２０５によって増強され得る。したがって、発光デバイスの動作中に組成オフセット２００、２０５に近接して２次元キャリアガス（例えば２次元正孔ガス）が有利に形成され得る。傾斜層１２５とキャップ層１３０との間に組成オフセット２０５を組み込んでいる本発明の様々な実施形態では、組成オフセット２０５に近接した２次元正孔ガス内のキャリアの応答性を高めるため、キャップ層は、約２０ｎｍ以下の厚さを有し得る（例えば、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、約１ｎｍ〜約１０ｎｍ、約５ｎｍ〜約１５ｎｍ、又は約５ｎｍ〜約１０ｎｍ）。より厚いキャップ層１３０では、２次元正孔ガスによって与えられる利点の少なくとも一部が失われる可能性がある。
【００３８】
不純物ドーピングなしで（例えば実質的にドーピング不純物なしで）、分極ドーピングによって、傾斜層１２５内の約２×１０１９ｃｍ−３以上、又は３×１０１９ｃｍ−３以上という正孔濃度が達成され得る。これは、ＳＴＲ  Ｇｒｏｕｐ，  Ｉｎｃ．（バージニア州リッチモンド）から入手可能なＳｉＬＥＮＳｅソフトウェアを用いてモデル化されている。一般に、分極ドーピングは、金属原子と窒素原子との間の電気陰性度の差による窒化物材料の分極によって可能となる。この結果、ウルツ鉱結晶構造内で非対称方向に沿って分極フィールドが生じる。更に、層内のひずみによって追加の圧電分極フィールドが生じ、このため追加の分極ドーピングが生じ得る。これらのフィールドは、急峻な界面（例えば２次元シート）又は傾斜組成層（例えば３次元ボリューム）において固定電荷を生成し、この結果、逆の符号の可動キャリアが生じる。全電荷の大きさは、例えば、傾斜層内のＡｌ組成の差によって、すなわち出発組成と最終組成との差によって規定され得る。キャリアの濃度は、全電荷を傾斜層の厚さで除算した値によって規定される。小さい厚さにおける大きい組成変化によって極めて高いキャリア濃度が達成され得る一方で、小さい組成変化又は大きい傾斜厚さでは典型的に低いキャリア濃度となる。しかしながら、所与の組成変化では、全キャリア数はほぼ一定であり得る。
【００３９】
電子ブロック層１２０と傾斜層１２５との間に組成オフセット２００を有する例示的なデバイス構造１００では、ＭＱＷ層１１５の上に、ＡＬ０．８Ｇａ０．２Ｎ又はＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ｎを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る電子ブロック層１２０が形成されている。ＧａＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成るキャップ層１３０を形成する前に、電子ブロック層１２０の上に傾斜層１２５が形成される。傾斜層１２５は、例えば約３０ｎｍの厚さにわたってＡｌ０．７５Ｇａ０．２５ＮからＧａＮまで組成が傾斜し得る。傾斜層１２５は、例えばＭＯＣＶＤによって形成することができ、この実施形態では、約２４分間にわたって、ＴＭＡ及びＴＭＧの流れを徐々に変化させて（各バブラを通る水素の流れを徐々に変化させて）、電子ブロック層１２０よりも低いＡｌモル分率の層を形成するため利用される条件から、それぞれ０ｓｃｃｍ（標準立法センチメートル／分）及び６．４ｓｃｃｍまで変化させることで形成し、Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５ＮからＧａＮまでの単調な傾斜を得る（他の成長条件は全て実質的に固定されている）。この例示的な実施形態における傾斜層１２５の厚さは約３０ｎｍである。この特定の実施形態は例示的であり、本発明の実施形態は、様々な組成エンドポイント（すなわち、下にある層及び／又は上にある層との界面における様々な組成）及び組成オフセット２００及び／又は２０５を有する傾斜層１２５を特徴とすることを強調しておく。
【００４０】
本発明の様々な実施形態において、デバイス構造１００の層のうち１つ以上（又は全て）は、２００８年１月２５日に出願された米国特許出願第１２／０２０，００６号、２０１０年４月２１日に出願された米国特許出願第１２／７６４，５８４号、及び２０１４年３月１３日に出願された米国特許出願第１４／２０８，３７９号（これらの各々の開示全体は参照により本願にも含まれる）に記載されているデバイス層と同様に、擬似格子整合的にひずませることができる。このため、本明細書に詳述するように、様々な実施形態において、デバイス構造１００の層のうち１つ以上は擬似格子整合であり、（例えばマクスウェル−ブレイクスリー理論（Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ  ｔｈｅｏｒｙ）による）予測臨界膜厚よりも大きい厚さを有し得る。更に、デバイス構造１００の全体的な層構造は、一括して検討される層についての予測臨界膜厚よりも大きい全厚を有し得る（すなわち、多層構造では、個々の層が単独で検討される予測臨界膜厚より薄い場合であっても、構造全体は予測臨界膜厚を有する）。他の実施形態では、デバイス構造１００の１つ以上の層を擬似整合的にひずませ、キャップ層１３０は部分的に又は実質的に完全に緩和されている。例えば、キャップ層１３０と基板１０５及び／又はＭＱＷ層１１５との間の格子不整合は、約１％超、約２％超、又は約３％超であり得る。例示的な実施形態において、キャップ層１３０はアンドープ又はドープのＧａＮを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成り、基板１０５はドープ又はアンドープのＡｌＮ（例えば単結晶ＡｌＮ）を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成り、ＭＱＷ層１１５は、Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ障壁層と交互に配置された多数のＡｌ０．５５Ｇａ０．４５Ｎ量子井戸を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成り、キャップ層１３０は約２．４％格子不整合である。キャップ層１３０は実質的に緩和されている、すなわち、理論的にひずみのない格子定数とほぼ等しい格子パラメータを有する可能性がある。部分的に又は実質的に緩和されたキャップ層１３０は、キャップ層１３０の表面に貫通したセグメントを有するひずみ緩和転位を含み得る（そのような転位を「貫通転位」と呼ぶことができる）。緩和されたキャップ層１３０の貫通転位密度は、基板１０５及び／又はキャップ層１３０の下にある層よりも、例えば１桁、２桁、又は３桁、又はそれ以上、大きい可能性がある。
【００４１】
本発明の実施形態は、デバイス構造１００によって発生した光の少なくとも一部を（例えば、基板１０５の方へ又はコンタクト層１１０の方へ）反射する反射層を組み込み得る。様々な実施形態において、電極層１３５は、キャップ層１３０に対する良好なオーミックコンタクトを形成し得るが、デバイス構造１００の活性デバイス構造（例えばＭＱＷ層１１５）内で発生した光（例えばＵＶ光）に対して反射性でない可能性がある。例えば電極層１３５は、ＵＶ光に対して反射性でないＮｉ／Ａｕを含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成る場合がある。例示的な実施形態において、キャップ層１３０に対する電極層１３５の接触抵抗は、約１．０ｍΩ・ｃｍ２未満、又は約０．５ｍΩ・ｃｍ２未満である。様々な金属ベースの層（例えば電極層１３５及び／又は反射層）とこれらが接触する半導体ベースの層（例えばキャップ層１３０）との間の接触抵抗は、例えば、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｖｏｌ．  ２５，  Ｎｏ．  ２、９１〜９４ページに記載されているような伝送線路測定（ＴＬＭ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）法によって決定され得る。
【００４２】
したがって、様々な実施形態において、電極層１３５は、デバイス構造１００の活性デバイス構造内で発生した光を反射する反射層と共に利用され得る。例えば図３Ａ及び図３Ｂに示すように、デバイス構造１００が放出する光に対して少なくとも部分的に反射性である反射層は、少なくとも部分的に電極層１３５を取り囲む（又は、いくつかの実施形態では少なくとも部分的に重なる）ことができる。デバイス構造１００が発する光の波長に応じて、反射層３００は、例えばＡｇ、Ｒｈ、及び／又はＡｌ、多層誘電膜、又は１つ以上のフッ素プラスチック（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができるが、本発明の実施形態はそのような材料に限定されない。例えば、Ａｇは可視光の様々な波長に対して実質的に反射性であるが、ＡｌはＵＶ光の様々な波長に対して実質的に反射性である（例えば、約２６５ｎｍの波長を有する光に対して反射率は＞９０％）。図示されているように、電極層１３５はキャップ層１３０の少なくとも一部と接触しており、反射層３００がキャップ層１３０に対する良好なオーミックコンタクトを形成しない場合であっても、デバイス構造１００に対する良好なオーミックコンタクトを可能とする。
【００４３】
本発明の実施形態内で、電極層１３５及び／又は反射層３００の様々な異なる構成が可能である。例えば図４に示すように、反射層３００は電極層１３５の全体を覆うことができる。そのような実施形態において、反射層３００はデバイス構造１００の上面の実質的に全てを覆うことができるが、これは必須ではない。図５に示すように、本発明の実施形態では、反射層３００の一部（又は別個のエリア）をキャップ層１３０の直接上に配置することができ、電極層１３５の一部が反射層３００のそのような部分に重なると共に、電極層１３５の一部がキャップ層１３０と直接接触することができる。
【００４４】
本発明の実施形態では、図６に示すように、デバイス構造は、電極層１３５及び／又は反射層３００と共に透過層６００も組み込み得る。透過層６００は、デバイス構造１００が放出する光に対して透過率を上昇させた材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができ、いくつかの実施形態では、そのような光に対して実質的に透明であり得る。例えば透過層６００は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、及び／又は酸化ガリウム等、絶縁材料及び／又は酸化物及び／又は窒化物を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。図６に示すように、透過層６００は反射層３００とキャップ層１３０との間に配置することができ、反射層３００のどの部分もキャップ層と直接接触していない。あるいは、図７に示すように、反射層３００の少なくとも一部はキャップ層１３０に接触することができ、透過層６００は反射層３００の他の部分とキャップ層１３０との間に配置されている。
【００４５】
本発明の様々な実施形態において、デバイス構造１００に対する電気的接触は、デバイス構造の上に配置された電極層１３５によって、及びデバイス構造１００の裏側に配置されたコンタクトによって行うことができる。例えば、基板１０５の裏側に裏面コンタクトを配置するか、又は、デバイス構造の他の層の製造後に基板１０５が除去される実施形態では、裏面コンタクト層１１０の裏側に裏面コンタクトを配置することができる。あるいは図８に示すように、１つ以上の領域において、デバイス構造１００の様々な上層を（例えば化学エッチング又はドライ／プラズマエッチングによって）除去し、裏面コンタクト層１１０の上に又は裏面コンタクト層１１０の除去されていない部分の上に裏面コンタクト８００を配置することができる。裏面コンタクト８００は、例えば、電極層１３５について本明細書に記載した材料のうち１つ以上を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成ることができる。
【００４６】
本発明の実施形態は、０９３号出願に記載された光子抽出技法を利用し得る。そのような技法には、表面処理（例えば粗化、テクスチャリング（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）、及び／又はパターニング）、基板の薄化、基板の除去、及び／又は薄い中間カプセル材料層と共に剛性レンズを使用することが含まれる。例示的な基板除去技法には、「Ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ＬＥＤｓ  ｆｏｒ  ｇｅｎｅｒａｌ  ｌｉｇｈｔｉｎｇ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  ｎｅｗ  Ｔｈｉｎ  ＧａＮ（商標）−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ｖ．  Ｈａｅｒｌｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｙｓ．  Ｓｔａｔ．  Ｓｏｌ  （ａ）  ２０１，  ２７３６（２００４）に記載されているようなレーザリフトオフが含まれる。この開示全体は参照により本願にも含まれる。
【００４７】
デバイス基板が薄化又は除去される実施形態では、例えば６００〜１８００グリットホイールで基板の裏面を研削することができる。基板又はその上のデバイス層の損傷を回避するため、このステップの除去速度は低いレベル（約０．３〜０．４μｍ／秒）に意図的に維持され得る。任意選択的な研削ステップの後、裏面を研磨スラリで研摩することができ、例えば、ＫＯＨ及び水の緩衝溶液中で、等量の蒸留水と市販のシリカのコロイド懸濁液の溶液が用いられる。このステップの除去速度は約１０μｍ／分〜約１５μｍ／分で変動し得る。基板は、約２００μｍ〜約２５０μｍの厚さまで、又は約２０μ〜約５０μｍの厚さまで薄化され得るが、本発明の範囲はこの範囲によって限定されない。他の実施形態において、基板は約２０μｍ以下まで薄化されるか、又は実質的に完全に除去される。この薄化ステップの後、好ましくは、例えば１以上の有機溶剤中でウェーハ洗浄を行う。本発明の一実施形態において、洗浄ステップは、沸騰アセトン中に約１０分間基板を含浸させた後、沸騰メタノール中に約１０分間含浸させることを含む。
【００４８】
実施例
実施例１
図１に示すものと同様の３つの異なるデバイス構造を製造して、本発明の実施形態に従った組成オフセットが内部デバイス効率に及ぼす効果を調査した。デバイス構造Ａには、組成オフセット２００、２０５が存在せず、したがって２次元正孔ガスは存在しなかった。具体的には、デバイス構造Ａは、Ａｌ含有量が８５％であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロック層を組み込み、その上の傾斜層は、電子ブロック層との界面におけるＡｌ含有量が８５％であった。デバイス構造Ｂには、本発明の実施形態に従った組成オフセット２００を組み込んだ。具体的には、デバイス構造Ｂは、Ａｌ含有量が８５％であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロック層を組み込み、その上の傾斜層は、電子ブロック層との界面におけるＡｌ含有量が７５％であった。デバイス構造Ｃには、電子ブロック層とその上の傾斜層との間に組成オフセットを組み込んだが、その方向は図２に示すものとは反対とした。すなわち、傾斜層の開始におけるＡｌモル分率はその下の層よりも大きかった。具体的には、デバイス構造Ｃは、Ａｌ含有量が８５％であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロック層を組み込み、その上の傾斜層は、電子ブロック層との界面におけるＡｌ含有量が９５％であった。
【００４９】
これら３つの異なるデバイス構造から発光デバイスを製造した。本発明の実施形態に従った組成オフセット２００は、デバイス構造Ａに比べて、著しいデバイス効率（例えば平均内部効率）の増大を達成した。デバイスＢの平均内部効率は約４０％であり、デバイス構造Ａの平均内部効率（約２０％であった）の２倍であった。これに対し、デバイス構造Ｃにおける逆方向の組成オフセットは、組成オフセットが存在しないデバイスと比較しても、デバイス性能の著しい低下を生じ、平均内部効率は５％未満であった。この例において用いられる内部効率は、基板の薄化の前後の所定及び一定の抽出効率及び測定出力パワーを用いた内部量子効率と注入効率の積の計算推定値である。具体的には、内部効率ＩＥは以下のように計算した。
【数１】
2018532265.tif 000003
ここで、Ｌは出力パワーであり、αは基板の吸収係数であり、ｔは基板の厚さであり、Ｅλはピーク発光のバンドギャップであり、Ｉは入力電流である。定数０．０４７は、ピーク発光の波長λにおけるＡｌＮに適切な屈折率を用いた、平滑な平面状基板から脱出する光の算出部分である（この値は、より小さい屈折率の基板では増大する）。
【００５０】
実施例２
ｎ型ＡｌＧａｎ裏面コンタクト層、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、多重量子井戸からｐ型ＧａＮキャップ層の方へ連続的にＡｌ組成を８５％から２０％まで傾斜させたＡｌＧａＮ傾斜層、及びｐ型ＧａＮキャップ層（１０ｎｍの厚さを有する）を、順番にＡｌＮ基板上に堆積した。したがって、傾斜層とキャップ層との界面では、２０％のＡｌ含有量の組成オフセットが存在した。塩素ベースのガスを用いて層構造の一部をドライエッチングして、ｎ型ＡｌＧａＮ裏面コンタクト層の一部を露出させた。次いで、露出させたｎ型ＡｌＧａＮ裏面コンタクト層の上に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、及びＡｕの合金で構成されたｎ型電極を配置した。ｐ型ＧａＮキャップ層の一部の上に、Ｎｉ及びＡｕの合金で構成されたコンタクト電極を配置し、ｐ型ＧａＮキャップ層の露出部分及びコンタクト電極の上に、Ａｌで構成された反射層を配置し、これによって本発明の実施形態に従った発光デバイスを得た。ｎ型電極とコンタクト電極との間に電流を流した場合、１００ｍＡの電流によって、２７５ｎｍの波長と３．２ｍＷのパワーを有する発光が得られた。
【００５１】
実施例３
ｎ型ＡｌＧａｎ裏面コンタクト層、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、多重量子井戸からｐ型ＧａＮキャップ層の方へ連続的にＡｌ組成を８５％から２０％まで傾斜させたＡｌＧａＮ傾斜層、及びｐ型ＧａＮキャップ層（１０ｎｍの厚さを有する）を、順番にＡｌＮ基板上に堆積した。したがって、傾斜層とキャップ層との界面では、２０％のＡｌ含有量の組成オフセットが存在した。塩素ベースのガスを用いて層構造の一部をドライエッチングして、ｎ型ＡｌＧａＮ裏面コンタクト層の一部を露出させた。次いで、露出させたｎ型ＡｌＧａＮ裏面コンタクト層の上に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、及びＡｕの合金で構成されたｎ型電極を配置した。ｐ型ＧａＮキャップ層の一部の上に、Ｎｉ及びＡｕの合金で構成されたコンタクト電極を配置し、これによって本発明の実施形態に従った発光デバイスを得た。ｎ型電極とコンタクト電極との間に電流を流した場合、１００ｍＡの電流によって、２７５ｎｍの波長と２．７ｍＷのパワーを有する発光が得られた。
【００５２】
比較例
ｎ型ＡｌＧａｎ裏面コンタクト層、ＡｌＧａＮ多重量子井戸、多重量子井戸からｐ型ＧａＮキャップ層の方へ連続的にＡｌ組成を８５％から０％まで傾斜させたＡｌＧａＮ傾斜層、及びｐ型ＧａＮキャップ層（１０ｎｍの厚さを有する）を、順番にＡｌＮ基板上に堆積した。したがって、傾斜層とキャップ層との界面では、Ａｌ含有量の組成オフセットは存在しなかった。塩素ベースのガスを用いて層構造の一部をドライエッチングして、ｎ型ＡｌＧａＮ裏面コンタクト層の一部を露出させた。次いで、露出させたｎ型ＡｌＧａＮ裏面コンタクト層の上に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、及びＡｕの合金で構成されたｎ型電極を配置した。ｐ型ＧａＮキャップ層の一部の上に、Ｎｉ及びＡｕの合金で構成されたコンタクト電極を配置し、これによって発光デバイスを得た。ｎ型電極とコンタクト電極との間に電流を流した場合、１００ｍＡの電流によって、２７５ｎｍの波長と２．０ｍＷのパワーを有する発光が得られた。実施例２及び実施例３と比較して、このデバイスにより示された低い発光パワーは、本発明の実施形態に従ったデバイスの１つの利点を実証している。
【００５３】
本明細書において与えられる実施例は、本発明の様々な実施形態の有効性を実証するため、単にデバイス構造を比較するように設計されたものであり、最先端の出力パワーを生成するよう更に最適化されたデバイスを表すものではないことに留意すべきである。例えば、実施例３に記載した構造は、製造後にＡｌＮ基板を２００ミクロンまで薄化して基板吸収を低減させ、良好な熱伝導率（〜１０Ｋ／Ｗ）を有する標準的な表面実装設計（ＳＭＤ）パッケージに梱包されたデバイスにおいて利用されている。約２７０ｎｍのピーク波長で４００ｍＡの入力電流で動作させた場合、３８ｍＷよりも大きいデバイス出力パワーが得られた。実施例２に記載した反射層を追加することによって、更に大きいパワーが期待される。
【００５４】
本明細書で用いられる用語及び表現は、限定でなく説明のために用いられる。そのような用語及び表現の使用にあたっては、図示及び記載される特徴又はその一部の均等物を除外する意図は全くなく、特許請求される本発明の範囲内で様々な変更が可能であることは認められよう。
【図１】
2018532265.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図８】
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【国際調査報告】
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