(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製された半導体発光デバイスであって、発光のための活性領域の基板側に配置されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を有しており、当該活性領域はＩｎＧａＮ量子ドットまたはＩｎＧａＮ量子細線を含んでおり、上記活性領域と上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層との間の距離は２５ｎｍ以下であり、
上記活性領域は、ＩｎＧａＮ量子ドットまたはＩｎＧａＮ量子細線を含んでいる活性層を２つ以上含んでおり、隣接し合う活性層の各対の間にはそれぞれキャップ層が設けられており、
上記活性領域の非基板側の上に設けられたさらなるキャップ層を含んでおり、
上記活性領域と上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層との間に配置された（Ｉｎ）ＧａＮ層をさらに含んでおり、
上記キャップ層の組成および上記（Ｉｎ）ＧａＮ層の組成が同一または近い半導体発光デバイス。
【請求項２】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は０．０５＜ｘ＜０．２を満たしている、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層はｎ型ドープされている、請求項１または２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項４】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は意図的にドープされていない、請求項１または２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項５】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層はＧａＮ層である、請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項６】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層は、０≦ｙ＜ｘを満たすＩｎｙＧａ１−ｙＮ層である、請求項２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項７】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層の厚さは１ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項８】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層の厚さは２ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項９】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層の厚さは２５ｎｍ以下である、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１０】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層の厚さは１０ｎｍ以下である、請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１１】
上記キャップ層は（Ｉｎ）ＧａＮ層である、請求項１〜１０の何れかに記載の半導体発光デバイス。
【請求項１２】
上記キャップ層はＧａＮ層である、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１３】
上記キャップ層は０≦ｙ＜ｘを満たすＩｎｙＧａ１−ｙＮ層である、請求項１１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１４】
基板をさらに含んでいる、請求項１〜１３の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１５】
上記基板は、ＧａＮ基板、サファイア基板、またはシリコン基板である、請求項１４に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１６】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さは５ｎｍより大きい、請求項１〜１５の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１７】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さは５０ｎｍ未満である、請求項１〜１６の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１８】
発光ダイオードを含んでいる、請求項１〜１６の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１９】
レーザダイオードを含んでいる、請求項１〜１６の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＮ材料系によって形成された発光デバイスに関し、特に、ＩｎＧａＮ量子ドットまたは量子細線を含む活性領域を有する発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体量子ドットは、全方向における寸法が通常は５０ｎｍ未満であり、周囲の母材とは異なる材料から成る、数多くの半導体材料の集合体である。サイズが微小であることによって、キャリア（電子またはホール、もしくは、電子およびホールの両方）を閉じ込めることができ、ひいては３次元全ての方向において量子サイズ効果が得られる。個々の量子ドットの観察、および、３次元全ての方向における量子閉じ込めに起因する特性（例えば、デバイスの出力や発光波長の温度安定性の変化）の確認によって、量子ドットを、量子閉じ込めが１次元のみである量子井戸と区別することができる。
【０００３】
今日、量子ドット発光デバイスをアルミニウムガリウムインジウム窒化物（すなわち（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ）材料系によって形成することに大きな関心が寄せられている。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ここで０＜ｘ＜１かつ０＜ｙ＜１）で表される材料を含んでいる。本願明細書においては、「ＡｌＧａＩｎＮ」は、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎの量がゼロではない（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系材料を表し、「ＩｎＧａＮ」は、Ａｌの量がゼロであってＩｎおよびＧａの量がゼロではない材料を表している。また、その他の種類の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系も同様に表している。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系は、電磁放射スペクトルの紫外領域、可視領域、および赤外領域の光を発することができる。量子ドットの使用には、量子井戸の使用よりも優れたいくつかの利点がある。図３ａから分かるように、３次元閉じ込めによって、デバイス特性の温度依存性が軽減される。図３ａは、従来の量子井戸活性領域を有する発光デバイスの出力フォトルミネセンス強度（正方形）、および量子ドット活性領域を有する発光デバイスの出力フォトルミネセンス強度（円形）を示している。さらには、３次元閉じ込めによって、量子ドット活性領域において非常に狭い状態密度を得ることができるため、利得スペクトルが狭くなり、これによってレーザダイオードの発振閾値電流が著しく低下する。非常に狭い状態密度を得るためには、デバイスの活性領域内の量子ドットにある程度の均一性を持たせる必要がある。
【０００４】
図１は、ＡｌＧａＩｎＮ材料系によって形成された量子ドット活性領域を有する、典型的な半導体発光ダイオードの概略断面図である。基板１上に、ｎ型ＧａＮバッファ層２が配置されている。バッファ層２上には、ＩｎＧａＮ量子ドット３ｃを含むＩｎＧａＮ量子ドット層３ａが配置されている。各量子ドット３ｃのｘ、ｙ、およびｚ方向における広がりは制限されている。ＩｎＧａＮ量子ドット層３ａ上には、ＧａＮキャップ層３ｂが配置されている。その後に、さらなる量子ドット層３ａおよびキャップ層３ｂを成長させて、ＩｎＧａＮ量子ドット層の積層構造を形成してもよい。最後の量子ドット層３ａ上または最後のキャップ層３ｂ上には、ＡｌＧａＮ電子ブロック層４を配置してもよく、配置しなくてもよい。最後の量子ドット層３ａ上、最後のキャップ層３ｂ上、あるいは、ＡｌＧａＮ層４が設けられている場合であればＡｌＧａＮ層４上に、ｐ型ＧａＮ層５を配置してもよい。上記デバイスは、ＩｎＧａＮ量子ドット活性領域によって、可視波長域全体にわたり、かつ電磁放射スペクトルの紫外領域および赤外領域にまで及ぶ光を発することができる。
【０００５】
発光ダイオードの活性領域として、自己組織化ＩｎＧａＮ量子ドットを形成することが知られている。例えば、Ｙ  Ｋ  Ｓｕらによる非特許文献１を参照されたい。非特許文献１は、ＩｎＧａＮ量子ドットＬＥＤについて述べたものである。
【０００６】
半導体量子細線は、２方向の寸法が典型的には５０ｎｍ未満であり、第３の方向における広がりはこれら２方向の寸法よりも大きく、また周囲の母材とは異なる材料から成る、数多くの半導体材料の集合体である。２方向のサイズが小さいことによって、２次元方向においてキャリア（電子またはホール、もしくは、電子およびホールの両方）が閉じ込められ、これによって２次元方向において量子サイズ効果が得られる。
【０００７】
Ｅｇａｗａらは、非特許文献２において、活性領域と基板との間に厚さ２０ｎｍのｎ−Ａｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ層が配置された発光ダイオード構造を開示している。このＡｌＧａＮ層は、２０組のＡｌＮ／ＧａＮ多層および厚さ０．２μｍのＧａＮ層によって、すなわち全厚さ７００ｎｍの層によって、活性層から分離されている。
【０００８】
特許文献１は、ＩｎＧａＮ活性層の下にＡｌＧａＮ層７を、これら２つの層の格子定数間における差が少なくとも＋３％となるように配置することを開示している。この格子定数差によって、歪みが生じ、３次元島状成長（island-shape growth）が起こり、その結果、複数の島（islands）または複数の量子ドットを含む活性層を容易に得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２１５０２９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１１６２１５Ａ１号
【特許文献３】特開平１１−１２６９４９号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０２４４００２号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Y K Su et al. Semicond. Sci. Technol. 19 (2004) 389-392
【非特許文献２】Egawa et al. “High Performance InGaN LEDs on (111) silicon substrates grown by MOCVD”, IEEE Electron Device Letters, Vol 26, No. 3, pp169-171 (2005)
【非特許文献３】Luo et al. 3.Elec.Mat. 30 (5) 2001, p459
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製された半導体発光デバイスであって、活性領域の基板側に配置されたＡｌＧａＮ層を有しており、当該活性領域はＩｎＧａＮ量子ドットまたはＩｎＧａＮ量子細線を含んでおり、上記活性領域と上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層との間の距離は２５ｎｍ以下である、半導体発光デバイスを提供する。
【００１２】
「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製された」とは、半導体層のうちの少なくとも１つが（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層であることを意味している。また、「基板側」とは、成長したデバイス構造内における活性領域の片側であって、基板に近い側を意味している。
【００１３】
ＩｎＧａＮ量子ドットまたは量子細線活性領域の基板側にＡｌＧａＮ層を設けることによって、光出力が大きくなることが分かっている。これは、活性領域内へのキャリア注入の改善によるものと考えられる。つまり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は、使用時に、活性領域へのキャリア注入を促進すると考えられる。このような光出力の改善は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と活性領域との間の距離が大きくなるにしたがって薄れるため、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は活性領域に近接していることが好ましい。また、光出力の大幅な改善を得るためには、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と活性領域との間の距離は２５ｎｍ以下でなければならないことが分かっている。
【００１４】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の格子定数と活性領域の格子定数との差は、３％以下であってもよい。これによって、デバイス内に生じる応力／歪みを最小限に止め、その結果としてデバイス性能および／または寿命へのいかなる悪影響も防止することができる。上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は、前述したように、活性領域へのキャリア注入を促進することによる（と考えられる）、デバイスの光出力の増大のために設けられるのであって、歪みを補償する目的で設けられるのではない。
【００１５】
上記ＡｌＧａＮ層の厚さは、５ｎｍより大きくてもよく、また、５０ｎｍより小さくてもよい。ＡｌＧａＮ層をこのような厚さとすることによって、デバイスの光出力を顕著に改善できることが分かっている。
【００１６】
上記活性領域は、例えばＧａＮバリア層等のキャップ（バリア）層によって分離された、複数のＩｎＧａＮ量子ドット層またはＩｎＧａＮ量子細線層を含んでいてもよい。あるいは、上記活性領域は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮバリア（ここでｘ＞ｙ）によって分離された、複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子ドット層またはＩｎｘＧａ１−ｘ量子細線層を含んでいてもよい。あるいは、上記活性領域は、量子ドット層を１つのみ、あるいは量子細線層を１つのみ含んでいてもよい。
【００１７】
上記ＩｎＧａＮ量子ドット層またはＩｎＧａＮ量子細線層、あるいは、活性領域が２つ以上の量子ドット層または量子細線層を含んでいる場合には１番目に成長させられたＩｎＧａＮ量子ドット層またはＩｎＧａＮ量子細線層は、ＡｌＧａＮ層の最上部に直接配置されていてもよい。あるいは、ＡｌＧａＮ層と（１番目の）ＩｎＧａＮ量子ドット層またはＩｎＧａＮ量子細線層との間に、（Ｉｎ）ＧａＮ層が配置されていてもよい。量子ドットまたは量子細線の形成は、その下に位置する層の格子定数および表面エネルギーに依存するため、１番目の量子ドットまたは量子細線の層を、複数の量子ドット層または量子細線層を分離しているバリア層と同一の組成から成る層上に成長させると有利である。従って、量子ドット層または量子細線層は全て、その下に位置する同一の層上に成長させられる。これによって、量子ドット層または量子細線層の均一性が最大となる。
【００１８】
全ての量子ドットまたは量子細線のサイズおよび組成を名目上（nominally）同一にすることによって、発光波長範囲を非常に狭くすることができる。これは、レーザダイオードにおいて閾値電流を低減するために重要である。
【００１９】
単層内のＩｎＧａＮ量子ドットまたは量子細線は、様々なサイズおよび／または組成から成っていてもよく、量子ドットのサイズは全次元（あるいは、量子細線の場合には２次元）において１ｎｍより大きく５０ｎｍ未満であり、ＩｎｘＧａ１−ｘＮの組成は０．０１＜ｘ＜０．９９であってもよい。あるいは、単層内の全ての量子ドットまたは量子細線は、同一のサイズおよび組成を有していてもよい。しかし、同一デバイス内の異なる量子ドット層間または異なる量子細線層間においては、サイズおよび組成は異なっていてもよい。これによって、１つのデバイスから多波長発光させることができ、フルカラーディスプレイまたは一般照明に適用することができる。発光スペクトルは、別々の複数の発光バンドから成っていてもよく、あるいは広域スペクトル発光であってもよい。
【００２０】
さらに、量子ドット活性領域を用いることによって、発光デバイスからの出力の温度安定性を向上することができる。
【００２１】
図３ｂは、量子井戸活性領域（黒丸）の代わりに量子ドット活性領域を用いた場合（白丸）における、発光ダイオードの波長の温度安定性の向上を示している。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＡｌＧａＩｎＮ材料系によって作製された典型的な量子ドット発光ダイオードの概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの概略断面図である。
【図３ａ】量子井戸活性領域と量子ドット活性領域とについての、フォトルミネセンス強度の温度安定性の比較を示す図である。
【図３ｂ】量子井戸発光ダイオードと比較した場合における、量子ドット発光ダイオードの波長の改善された温度安定性を示す図である。
【図４】量子ドット活性領域の下にＡｌＧａＮ層が配置されていることによるエレクトロルミネセンスの増加を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るレーザダイオードの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、本発明の好ましい実施形態についてより詳細に説明する。
【００２５】
本発明の発光デバイスは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）または有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）など、任意の適切な成長技術を用いて製造することができる。本発明は、特定の成長技術に限定されるものではない。本発明の作製には、任意の活性窒素源を用いることができる。このような活性窒素源は、ＮＨ３および窒素プラズマを含むが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態に係る発光デバイスの概略断面図である。本実施形態では、発光デバイスは発光ダイオード１２である。当該発光デバイスは、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系によって作製されている。
【００２７】
図２の発光ダイオード１２は、基板１を含んでいる。当該基板は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎの成長に適した格子定数を有する任意の材料から成るものとすることができる。当該基板は、ＧａＮ、サファイア、またはシリコンを含みうるが、これらに限定されるものではない。図２の発光ダイオード１２では、基板はサファイアから成っている。
【００２８】
図２の発光ダイオード１２は、基板層１上に配置されたバッファ層２を含むことができる。バッファ層２は、任意の配向のＧａＮとすることができる。図２の発光ダイオード１２では、バッファ層２は、サファイア基板の（０００１）面の上に成長させられた厚さ０．２５μｍのｎ型ＧａＮ層である。上記バッファ層は、活性窒素源としてＮＨ３を用いた分子線エピタキシーによって、９００℃の温度で成長させることができる。
【００２９】
図２の発光ダイオード１２は、バッファ層２の上に配置された、０＜ｘ＜１を満たすＡｌｘＧａ１−ｘＮ層６（すなわちＡｌＧａＮ層）をさらに含んでいる。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層６の組成は、０．０５＜ｘ＜０．２であることが好ましい。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層６の厚さは、５ｎｍと５０ｎｍとの間であることが好ましい。ＡｌＧａＮ層６は、意図的にドープされていなくてもよく、（例えばシリコンを用いて）ｎ型ドープされていてもよい。ＡｌＧａＮ層６は、活性窒素源としてＮＨ３を用いた分子線エピタキシーによって、５００℃以上の温度、好ましくは６００℃〜６５０の範囲内の温度で成長させることができる。ＡｌＧａＮ層６は、８００℃以上の温度、好ましくは８５０℃と９５０℃との間の温度でアニールすることができる。
【００３０】
本願明細書において用いられる場合、用語「（Ｉｎ）ＧａＮ」は、組成が０≦ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮの層を意味しており、従ってＩｎＧａＮに加えてＧａＮも含んでいる。用語「ＩｎＧａＮ」は、組成が０＜ｘ＜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮの層を意味している。
【００３１】
図２の発光ダイオード１２は、ＡｌＧａＮ層６上に配置された（Ｉｎ）ＧａＮ層７をさらに含んでいてもよい。（Ｉｎ）ＧａＮ層７の組成は、（以下に説明する）活性領域３の（複数の）キャップ層３ｂと同一であってもよく、バリア層３ｂと異なっていてもよい。（Ｉｎ）ＧａＮ層７は、意図的にドープされていなくてもよく、（例えばシリコンを用いて）ｎ型ドープされていてもよい。
【００３２】
（図２に示されている実施形態のように）活性領域が量子ドット層３ａを２つ以上含んでいるデバイスでは、２番目の量子ドット層（およびそれより後の任意の量子ドット層）は、キャップ層３ｂの上に配置される。キャップ層３ｂは、以下に説明するように、ＩｎＧａＮまたはＧａＮを含んでいる。（Ｉｎ）ＧａＮ層７を設けることによって、１番目の量子ドット層３ａもＩｎＧａＮまたはＧａＮ層の上に配置されるという効果が得られる。これによって、１番目の量子ドット層の特性と、２番目およびそれより後の量子ドット層の特性との間に、好ましくない顕著な差が生じる可能性を低減することができる。
【００３３】
（Ｉｎ）ＧａＮ層７の組成は、（複数の）キャップ層３ｂの組成と同一であるか、あるいは（複数の）キャップ層３ｂの組成に近いことが好ましい。これによって、ここでもまた、１番目の量子ドット層の特性と、２番目およびそれより後の量子ドット層の特性との間に、好ましくない顕著な差が生じる可能性を低減することができる。
【００３４】
図２の実施形態では、活性領域３とＡｌＧａＮ層６との間の間隔は、（Ｉｎ）ＧａＮ層７の厚さと等しい。従って、活性領域３とＡｌＧａＮ層６との間の間隔が２５ｎｍ以下となるように（Ｉｎ）ＧａＮ層７の厚さを２５ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００３５】
より詳細には、（Ｉｎ）ＧａＮ層７の厚さは、１ｎｍより大きい範囲内とすることができ、また、２５ｎｍ未満とすることができる。（Ｉｎ）ＧａＮ層７の厚さは、２ｎｍより大きいことが好ましく、また５ｎｍ未満または１０ｎｍ未満であることが好ましい。（Ｉｎ）ＧａＮ層７の厚さは、ＡｌＧａＮ層６を設けることによって（複数の）量子ドット層にもたらされる利益が顕著に軽減されてしまうほど大きくないことが好ましい。しかし、活性領域が２つ以上の活性層を有している一実施形態では、１番目の量子ドット層の特性と、２番目およびそれより後の量子ドット層の特性との間に顕著な差が確実に生じなくなるほど、（Ｉｎ）ＧａＮ層７の厚さが十分に大きいことが好ましい。（Ｉｎ）ＧａＮ層７の厚さを、１ｎｍ〜２５ｎｍの範囲内、好ましくは２ｎｍ〜５ｎｍの範囲内または２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内とすることによって、ＡｌＧａＮ層６を設けることによってもたらされる利益を顕著に軽減させることなく、１番目の量子ドット層の特性と２番目およびそれより後の量子ドット層の特性との間に顕著な差を確実に生じさせないようにできることが分かっている。
【００３６】
活性領域３が単一の活性層（例えば、単一の量子ドット層３ａ）のみを有している場合には、（Ｉｎ）ＧａＮ層７を省いてもよい。この場合、１番目の活性層（量子ドット層）の特性と、２番目およびそれより後の活性層（量子ドット層）の特性との差を最小限にする課題が生じることはないため、ＡｌＧａＮ層６を活性領域に直接隣接して設けることができる。
【００３７】
図２の発光ダイオード１２は、発光のための活性領域３を有しており、この活性領域３はＩｎＧａＮ量子ドット３ａを含む１つ以上の活性層を含んでおり、この活性層は、ＡｌＧａＮ層６上、あるいは設けられている場合であれば（Ｉｎ）ＧａＮ層７上に配置されている。従ってＡｌＧａＮ層６は、活性領域と基板との間に、かつ、活性領域の、基板と同じ側に配置されている。（複数の）ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子ドット層３ａの組成は、０．０１＜ｘ＜０．９９である。（複数の）ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子ドット層３ａの組成は、０．１５＜ｘ＜０．２５であることが好ましい。上記量子ドットは、３次元全ての方向におけるサイズが５０ｎｍ未満であってもよい。上記量子ドットのサイズは、高さが１０ｎｍ未満であってもよい。上記量子ドットのサイズは、高さが１ｎｍと３ｎｍとの間であってもよい。上記量子ドットは、意図的にドープされていなくてもよく、ｎ型ドープまたはｐ型ドープされていてもよい。上記量子ドットは、任意の適切な技術によって形成することができる。
【００３８】
デバイス構造内における応力／歪みを最低限に抑えるために、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層６の格子定数と活性領域の格子定数との差の大きさを、例えば３％以下あるいは２％以下（例えば３％の「大きさ」とは、上記の差が好ましくは３％と−３％との間であることを意味する）など、可能な限り低く保持することが好ましい。
【００３９】
図２の発光ダイオード１２の活性領域３は、それぞれのＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子ドット活性層３ａの上に各々が配置された１つ以上のＩｎｙＧａ１−ｙＮキャップ層３ｂを含みうる。（複数の）ＩｎｙＧａ１−ｙＮキャップ層の組成は、０≦ｙ＜ｘとすることができる。（複数の）キャップ層３ｂの厚さは、１ｎｍより大きくすることができ、また、５０ｎｍ未満とすることができる。キャップ層３ｂの厚さは、５ｎｍより大きくすることができ、また、１５ｎｍ未満とすることができる。キャップ層３ｂは、意図的にドープされていなくてもよく、ｎ型ドープまたはｐ型ドープされていてもよい。
【００４０】
ＩｎＧａＮ量子ドット活性層３ａおよび（Ｉｎ）ＧａＮキャップ層３ｂは、３ａ、３ｂ、３ａ、３ｂ、３ａ、３ｂ等の順番で繰り返し配置して、量子ドットの層を複数有する活性領域３を形成することができる。上記順番の繰り返し配置をさらに続けて、量子ドット３ａの層を４つ以上形成してもよい。あるいは、活性領域は、量子ドット３ａの層を１つのみ有していてもよい。
【００４１】
最後の量子ドット層３ａが、活性領域の上に成長させられたＡｌＧａＮ層４またはＧａＮ層５（これらについては後述する）と直接接触するように、最後の（Ｉｎ）ＧａＮキャップ層３ｂを省いてもよい。
【００４２】
ＩｎＧａＮ量子井戸発光デバイス内において、上部ＡｌＧａＮ層および下部ＡｌＧａＮ層を用いて活性領域を取り囲むことが知られている。例えば、特許文献２を参照されたい。本文献は、具体的には活性領域内における量子井戸の使用に関するものであり、活性領域内において上部ＡｌＧａＮ層および下部ＡｌＧａＮ層を用いて量子井戸内へのキャリア閉じ込めを改善する技術を開示している。本文献に記載されているキャリア閉じ込めの改善は、量子井戸の使用に限定されている。特許文献３は、さらに、ＩｎＧａＮ量子井戸発光デバイス内において、上部ＡｌＧａＮ層および下部ＡｌＧａＮ層が活性領域のいずれかの側に配置されたクラッド層として機能し、ＧａＮ光ガイド層が各クラッド層と活性領域との間に配置されている、デバイス構造を開示している。しかし、特許文献３では、下部ＡｌＧａＮ層と活性領域との間の距離が本発明に比べて相当に大きいため、本発明において得られる光出力の改善を得ることはできない。
【００４３】
本発明は、対照的に、活性領域内における量子ドットの使用と下部ＡｌＧａＮ層の使用とを組み合わせることに関し、この組み合わせによってエレクトロルミネセンスを改善するものである。下部ＡｌＧａＮ層は、活性領域３へのキャリア注入を改善すると考えられ、これによって出力が増大する。本発明において用いられる量子ドット活性層３ａ内へのキャリア閉じ込めは、既に優良である。これは、量子ドットが良好な閉じ込めを行い、下部ＡｌＧａＮ層は、（複数の）量子ドット活性層３ａ内へのキャリア閉じ込めに対していかなる顕著な影響も及ぼさないと考えられるからである。
【００４４】
下部ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の好ましい組成範囲０．０５＜ｘ＜０．２、および前述した好ましい成長条件を用いることによって、最大の光出力が得られることが分かっている。
【００４５】
Ｓ  Ｅ  Ｈｏｏｐｅｒらは、特許文献４において、アルミニウムを含有した窒化物半導体層をＩｎＧａＮ層の上に成長させて電子ガス領域を形成し、これによって量子井戸発光ダイオードからの出力を改善することを記述している。しかし、電子ガスを生成する本方法が、量子ドット活性領域を含むデバイスにおいて何らかの利点をもたらすであろうことについては示唆されていない。
【００４６】
Ｌｕｏらは、非特許文献３において、２ＤＥＧに結合されたＩｎＡｓ量子ドットからのフォトルミネセンス発光強度の改善を報告している。しかし、本文献には、ＡｌＧａＩｎＮ系内においてＩｎＧａＮ量子ドット活性領域とその下のＡｌＧａＮ層とを組み合わせることによって、エレクトロルミネセンスが増加するであろうことについては示唆されていない。
【００４７】
さらに、本発明に係るデバイスは、一見、特許文献１の構造と同様に見えるかもしれないが、根本的な技術的効果は全く異なる。本発明は、活性領域へのキャリア注入の改善を達成しているのに対し、特許文献１は、「３次元島状成長」を促進するために薄膜を設けるものである。
【００４８】
図４は、量子ドット活性領域の下に下部ＡｌＧａＮ層が設けられた場合に達成される、エレクトロルミネセンスの改善を示している。図から分かるように、ＡｌＧａＮ層を設けることによって、出力が約４倍増大する。図４の結果を得るために用いた２つの構造は、一方の構造にはＡｌＧａＮ層６が設けられており、他方の構造にはＡｌＧａＮ層６が設けられていない点を除いては、同一である。ＡｌＧａＮ層６を含む構造内では、ＡｌＧａＮ層と活性領域との間隔は２ｎｍであり、ＡｌＧａＮ層の厚さは２０ｎｍであった。量子ドット活性領域内への電子注入を改善する、量子ドット活性領域と下部ＡｌＧａＮ層との上記組み合わせによって、量子ドット活性領域の利点を活かしながらも良好な出力を達成することができる。
【００４９】
前述したように、ＡｌＧａＮ層と活性領域との間隔は２５ｎｍを超えないことが好ましい。図４の比較を、ＡｌＧａＮ層６と活性領域との間隔が２５ｎｍを超える構造においても行ったところ、デバイス出力にほぼあるいは全く改善が見られなかった。
【００５０】
ＩｎＧａＮ量子ドット層３および（Ｉｎ）ＧａＮキャップ層３ｂは、活性窒素源として窒素プラズマを用いた分子線エピタキシーによって、４００℃〜９００℃の範囲内の温度、好ましくは５５０℃〜７００℃の範囲内の温度で成長させることができる。
【００５１】
図２の発光ダイオード１２は、最後の量子ドット層３ａ上の、あるいは設けられている場合であれば最後のキャップ層３ｂ上の、活性領域の上に配置された、ＧａＮ層５を含みうる。ＧａＮ層５は、例えばマグネシウムによってｐ型ドープされたものとすることができる。ＧａＮ層５の厚さは、１ｎｍより大きく１μｍ未満とすることができ、好ましくは１００ｎｍより大きく２００ｎｍ未満である。ＧａＮ層５は、活性窒素源としてＮＨ３を用いた分子線エピタキシーによって、６００℃〜１１００℃の範囲内の温度、好ましくは７００℃〜１０００℃の範囲の温度で成長させることができる。
【００５２】
活性領域の最上層上、すなわち最後のＩｎＧａＮ量子ドット層３ａまたは最後の（Ｉｎ）ＧａＮキャップ層３ｂ（活性領域の何れか最後に成長された層）上に、上部ＡｌＧａＮ層４を配置して、電子ブロック層として機能させることができる。ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層４の組成は０＜ｚ＜０．５とすることができ、好ましくは０．１＜ｚ＜０．２５である。ＡｌＧａＮ層４は、活性窒素源としてＮＨ３を用いた分子線エピタキシーによって、６００℃〜１１００℃の範囲内の温度で成長させることができる。あるいは、上部ＡｌＧａＮ層４を省いてもよい。
【００５３】
本発明はまた、レーザダイオードに適用することができる。図５は、本発明の一実施形態に係るレーザダイオード１３の概略断面図である。図５のレーザデバイス１３の層１、２、６、７、３、３ａ、３ｂ、４、および５は、図２の発光ダイオード１２において説明した通りである。図５のレーザダイオード構造１３はさらに、バッファ層２上に配置された第１のＡｌＧａＮクラッド層８と、第１のＡｌＧａＮクラッド層８上に配置された第１のＧａＮ光ガイド層９と、活性領域３の上（最後の量子ドット層３ａ上、存在している場合には最後の量子ドットキャップ層３ｂ上、あるいは、存在している場合には上部ＡｌＧａＮ層４上）に配置された第２のＧａＮ光ガイド層１０と、第２のＧａＮ光ガイド層１０上に配置された第２のＡｌＧａＮクラッド層１１とを含みうる。
【００５４】
図５のレーザダイオード１３では、第１のＡｌＧａＮクラッド層８および第１のＧａＮ光ガイド層９は、例えばシリコンによって、ｎ型ドープされたものとすることができる。第２のＧａＮ光ガイド層１０および第２のＡｌＧａＮクラッド層１１は、例えばマグネシウムによって、ｐ型ドープされたものとすることができる。
【００５５】
図５のレーザダイオード１３では、第１のクラッド層８は、０．０１＜ｚ’＜０．５の組成を持つＡｌｚ’Ｇａ１−ｚ’Ｎ層とすることができる。第１のクラッド層８の厚さは、１００ｎｍより大きく２μｍ未満とすることができ、好ましくは約０．５μｍである。第２のクラッド層１１は、０．０１＜ｚ’＜０．５の組成を有するＡｌｚ’Ｇａ１−ｚ’Ｎ層とすることができる。第２のＡｌＧａＮクラッド層１１の厚さは、１００ｎｍより大きく２μｍ未満とすることができ、好ましくは約０．５μｍである。
【００５６】
図５のレーザダイオード１３では、第１のＧａＮ光ガイド層９の厚さは、１０ｎｍより大きく１μｍ未満とすることができ、好ましくは約１００ｎｍである。第２のＧａＮ光ガイド層１０の厚さは、１０ｎｍより大きく１μｍ未満とすることができ、好ましくは約３００ｎｍである。
【００５７】
図５のレーザダイオード１３の層８、９、１０、および１１は全て、活性窒素源としてＮＨ３を用いた分子線エピタキシーによって、６００℃より高く１１００℃より低い温度、好ましくは８５０℃より高く１０００℃より低い範囲内の温度で成長させることができる。上記成長温度は、層によって異なっていてもよい。
【００５８】
本発明について、量子ドット活性領域を有する実施形態を参照しながら説明した。しかし、量子細線活性領域を使用した場合においても、従来の量子井戸領域を使用した場合よりもキャリアの閉じ込めが増加するため、量子ドット活性領域の使用に伴う利点の一部が得られる。従って、本発明は、量子ドット活性層を含む活性領域を有するデバイスに限定されるものではなく、量子細線活性層を含む活性領域を有するデバイスにも適用することができる。従って、当業者であれば、量子細線活性領域の下にＡｌＧａＮ層を設けることによって、量子細線活性領域を有する半導体発光デバイスに本発明を適用し、当該発光デバイスからの出力を増加させることができる。
【図１】
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【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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