(57)【要約】【課題】光出力が増大した発光デバイスを提供する。【解決手段】（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は、ＩｎＧａＮ量子ドットまたはＩｎＧａＮ量子細線を含む、発光のための活性領域３を有している。上記活性領域の基板側には、ＡｌＧａＮ層６が設けられている。これによって、上記発光デバイスの光出力が増大する。この光出力の増大は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が、使用時に、上記活性領域へのキャリア注入を促進する役割を果たすことによると考えられる。【選択図】図２
2009170921.tif 000002
【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以下である、半導体発光デバイス。
【請求項２】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の格子定数と上記活性領域の格子定数との差の大きさは３％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３】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は０．０５＜ｘ＜０．２を満たしている、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ｎ型ドープされている、請求項１、２、または３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項５】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層は意図的にドープされていない、請求項１、２、３、または４に記載の半導体発光デバイス。
【請求項６】
上記活性領域と上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層との間に配置された（Ｉｎ）ＧａＮ層をさらに含んでいる、請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項７】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層はＧａＮ層である、請求項６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項８】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層は、０≦ｙ＜ｘを満たすＩｎｙＧａ１−ｙＮ層である、請求項３を引用する場合の請求項６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１ｎｍ以上である、請求項６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２ｎｍ以上である、請求項６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１１】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層の厚さは２５ｎｍ以下である、請求項６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１２】
上記（Ｉｎ）ＧａＮ層の厚さは１０ｎｍ以下である、請求項６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１３】
上記活性領域は、ＩｎＧａＮ量子ドットまたはＩｎＧａＮ量子細線をそれぞれが含む２つ以上の活性層を含んでおり、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いる、請求項１〜１２の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１４】
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いる、請求項１３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１５】
上記活性領域は、ＩｎＧａＮ量子ドットまたはＩｎＧａＮ量子細線を含む単一の活性層を含んでいる、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１６】
上記活性領域の非基板側の上に設けられたキャップ層をさらに含んでいる、請求項１５に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１７】
上記キャップ層（キャップ層が１つしかない場合）または各キャップ層（キャップ層が複数存在する場合）は（Ｉｎ）ＧａＮ層である、請求項１３、１４、または１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１８】
上記キャップ層（キャップ層が１つしかない場合）または各キャップ層（キャップ層が複数存在する場合）はＧａＮ層である、請求項１７に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１９】
上記キャップ層（キャップ層が１つしかない場合）または各キャップ層（キャップ層が複数存在する場合）は０≦ｙ＜ｘを満たすＩｎｙＧａ１−ｙＮ層である、請求項１７に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２０】
基板をさらに含んでいる、請求項１〜１９の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２１】
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２０に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２２】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さは５ｎｍより大きい、請求項１〜２１の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２３】
上記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さは５０ｎｍ未満である、請求項１〜２２の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２４】
発光ダイオードを含んでいる、請求項１〜２３の何れか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２５】
レーザダイオードを含んでいる、請求項１〜２３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】
2009170921.tif 000003
【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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【外国語明細書】
{Title of Invention}
AlInGaN LIGHT-EMITTING DEVICE
{Technical Field}
The invention relates to light emitting devices fabricated in the AlGaInN material system and, in particular, to such light-emitting devices having an active region that includes InGaN quantum dots or quantum wires.
{Background Art}
A semiconductor quantum dot is a volume of semiconductor material different from that of the surrounding matrix with a dimension of typically less than 50nm in all directions.  The small size results in the confinement of carriers (electrons or holes, or both electrons and holes), and therefore the presence of quantum size effects, in all three dimensions.  The observation of individual quantum dots, and the behaviour due to the quantum confinement in all three dimensions (such as changes in the temperature stability of the output power and the emission wavelength of devices) allows quantum dots to be distinguished from quantum wells, where quantum confinement only occurs in one dimension.
There is currently considerable interest in fabricating quantum dot light emitting devices in the aluminium gallium indium nitride (or (Al,Ga,In)N ) material system.  The (Al,Ga,In)N material system includes materials having the general formula AlxGayIn1-x-yN where 0<x<1 and 0<y<1. In this specification, “AlGaInN” denotes a member of the (Al,Ga,In)N system having non-zero amounts of Al, Ga and In, “InGaN” denotes a member having zero Al content and non-zero amounts of In and Ga, etc.  The (Al,Ga,In)N material system can emit light in the ultra-violet, visible, and infrared parts of the electromagnetic spectrum.  The use of quantum dots has several advantages over the use of quantum wells.  The 3D confinement results in a weaker dependence of device characteristics with temperature as can be seen from Figure 3a.  Figure 3a shows the output photoluminescence intensity of a light-emitting device having a conventional quantum well active region (squares) and a light-emitting device having a quantum dot active region (circles).  In addition the very narrow density of states obtainable with a quantum dot active region owing to the 3D confinement results in a narrow gain spectra leading to significantly lower threshold currents for laser diodes.  Obtaining a very narrow density of states requires a degree of uniformity of the quantum dots in the active region of the device.
Figure 1 is a schematic sectional view of a typical semiconductor light emitting diode with a quantum dot active region fabricated in the AlGaInN material system.  A n-type GaN buffer layer 2 is disposed on a substrate 1.  An InGaN quantum dot layer 3a comprising InGaN quantum dots 3c is disposed on the buffer layer 2.  Each quantum dot 3c has a limited extent in the x-, y- and z- directions.  A GaN capping layer 3b is disposed on the InGaN quantum dot layer 3a.  Further quantum dot layers 3a and capping layers 3b may then be grown to form a stack of InGaN quantum dot layers.  An AlGaN electron-blocking layer 4 may be disposed on the final quantum dot layer 3a or the final capping layer 3b, or the AlGaN layer 4 may be omitted.  A p-type GaN layer 5 may be disposed on the final quantum dot layer 3a, the final capping layer 3b or, if present, the AlGaN layer 4.  With an InGaN quantum dot active region the device is able to emit light throughout the visible wavelength range and into the ultraviolet and infrared regions of the electromagnetic spectrum.
It is known to form self-assembled InGaN quantum dots as the active region of a light emitting diode.  See for example Y K Su et al. Semicond. Sci. Technol. 19 (2004) 389-392.  This document refers to an InGaN quantum dot LED.
A semiconductor quantum wire is a volume of semiconductor material different from that of the surrounding matrix with a dimension of typically less than 50nm in two directions and a greater extent in the third direction.  The small size in two directions results in the confinement of carriers (electrons or holes, or both electrons and holes), and therefore the presence of quantum size effects, in two dimensions.
Egawa et al disclose, in “High Performance InGaN LEDs on (111) silicon substrates grown by MOCVD”, IEEE Electron Device Letters, Vol 26, No. 3, pp169-171 (2005), a light-emitting diode structure having a 20 nm thick n-Al0.27Ga0.73N layer disposed between the active region and the substrate.  The AlGaN layer is separated from the active layer by a 20-pair AlN/GaN multilayer and a 0.2 μm thick GaN layer - that is, by a total of 700 nm.
JP-10 215 029, discloses providing an AlGaN layer 7 below an InGaN active layer such that there is a difference of at least + 3% between the lattice constants of the two layers.  This difference in lattice constant generates strain, and leads to three-dimensional island-shape growth such that an active layer containing islands or quantum dots can be achieved easily.
{Summary of Invention}
The present invention provides a semiconductor light emitting device fabricated in the (Al,Ga,In)N material system having an AlGaN layer located on a substrate side of an active region containing InGaN quantum dots or quantum wires; wherein the distance between the active region and the AlxGa1-xN layer is no more than 25nm.
By ‘fabricated in the (Al,Ga,In)N materials system’ is meant that at least one of the semiconductor layers is an (Al,Ga,In)N layer.  By “substrate side” is meant that side of the active region closer to the substrate in the grown device structure.
It has been found that providing the AlGaN layer on the substrate side of an InGaN quantum dot or quantum wire active region provides a greater optical power output.  This is believed to result from improved injection of carriers into the active region; that is, the AlxGa1-xN layer serves, in use, to promote the injection of carriers into the active region.  The improvement in optical power output decreases as the separation between the AlxGa1-xN layer and the active region increases, so that the AlxGa1-xN layer is preferably close to the active region.  It has been found that the separation between the AlxGa1-xN layer and the active region should be not more that 25nm to obtain a significant increase in optical power output.
A difference between the lattice constant of the AlxGa1-xN layer and the lattice constant of the active region may be not more than 3%.  This minimises the stress/strain introduced into the device, and so prevents any adverse effect on the device performance and/or lifetime.  As explained above, the AlxGa1-xN layer is provided to increase the optical power output of the device by, it is believed, promoting injection of carriers into the active region - the AlxGa1-xN layer is not provided for strain compensation purposes.
The AlGaN layer may have a thickness greater than 5nm, and it may have a thickness less than 50nm.  It has been found that this thickness range for the AlGaN layer provides significant improvement in the optical power output of the device.
The active region may comprise multiple InGaN quantum dot layers or quantum wire layers separated by capping (barrier) layers such as, for example, GaN barrier layers.  Alternatively, the active region may comprise multiple InxGa1-xN quantum dot layers or quantum wire layers separated by InyGa1-yN barriers where x>y.  Alternatively, the active region may contain only one quantum dot layer or only one quantum wire layer.
The InGaN quantum dot layer or quantum wire layer, or the first grown InGaN quantum dot layer or quantum wire layer if the active region contains two or more quantum dot layers or quantum wire layers, may be directly on top of the AlGaN layer.  Alternatively, there may be a (In)GaN layer between the AlGaN layer and the (first) InGaN quantum dot layer or quantum wire layer.  Since the formation of quantum dots or quantum wires is dependant on the lattice parameter and the surface energy of the underlying layer, it may be advantageous to grow the first layer of quantum dots or quantum wires on a layer of the same composition as the barrier layer separating the multiple quantum dot layers or quantum wire layers.  Therefore all quantum dot layers or quantum wire layers would be grown on identical underlying layers. This may maximise the uniformity of the quantum dot layers or quantum wire layers.
The quantum dots or quantum wires may all be nominally the same size and composition resulting in a very narrow emission wavelength range.  This is important in the laser diodes in order to reduce the threshold current.
The InGaN quantum dots or quantum wires within a single layer may consist of varying size and/or composition, where the size of the quantum dots is greater than 1nm and less than 50nm in all dimensions (or in two dimensions in the case of quantum wires) and the composition of the InxGa1-xN is such that 0.01<x<0.99.  Alternatively all the quantum dots or quantum wires within a single layer may be the same size and composition, but the size and composition may vary between different quantum dot layers or quantum wire layers in the same device.  This allows multiple wavelength emission from a single device, which has applications for full colour displays or general illumination.  The emission spectrum may consist of separate emission bands or may be broad-spectrum emission.
Use of a quantum dot active region also improves the temperature stability of the output from a light-emitting device.
Figure 3b shows the improvement in temperature stability of the wavelength of a light emitting diode when a quantum dot active region is used (open circles) instead of a quantum well active region (filled circles).
Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the attached drawings.
{Brief Description of Drawings}
{Figure 1}
Figure 1 is a schematic sectional view of a typical quantum dot light emitting diode in the AlGaInN material system.
{Figure 2}
Figure 2 is a schematic sectional view of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
{Figure 3a}
Figure 3a is a comparison of temperature stability of photoluminescence intensity for a quantum well active region and a quantum dot active region.
{Figure 3b}
Figure 3b illustrates the improved stability of temperature with wavelength for a quantum dot light emitting diode compared with a quantum well light emitting diode; 
{Figure 4}
Figure 4 is an illustration of the increase in electroluminescence owing to the inclusion of a AlGaN layer below a quantum dot active region; and
{Figure 5}
Figure 5 is a schematic sectional view of a laser diode according to an embodiment of the present invention.
{Description of Embodiments}
In the following, preferred embodiments of the invention are described in more detail.
A light-emitting device of the present invention may be manufactured using any suitable growth technique such as molecular beam epitaxy (MBE) or metal-organic vapour phase epitaxy (MOVPE).  The invention is not limited to any specific growth technique.  Any source of active nitrogen may be used in fabricating the present invention; this includes, but is not limited to NH3 and a nitrogen plasma.
Figure 2 is a schematic sectional view of a light-emitting device according to an embodiment of the invention.  In this embodiment the light-emitting device is a light-emitting diode 12.  The light-emitting device is fabricated in the (Al,Ga,In)N materials system.
The light emitting diode 12 of Figure 2 comprises a substrate 1.  The substrate may consist of any material with a suitable lattice parameter for growth of (Al,Ga,In)N.  The substrate may comprise, but is not limited to, GaN, sapphire or silicon.  In the light emitting diode 12 of Figure 2 the substrate consists of sapphire.
The light emitting diode 12 of Figure 2 may contain a buffer layer 2 disposed on the substrate layer 1.  The buffer layer 2 may be of any orientation of GaN.  In the light emitting diode 12 of Figure 2 the buffer layer 2 is a 0.25μm thick n-type GaN layer grown over a (0001) face of the sapphire substrate.  The buffer layer may be grown by molecular beam epitaxy using NH3 as a source of active nitrogen at a temperature of 900℃. 
The light emitting diode 12 of Figure 2 further contains an AlxGa1-xN layer 6 with 0 < x < 1 (ie, an AlGaN layer) disposed over the buffer layer 2.  The AlxGa1-xN layer 6 preferably has a composition wherein 0.05 < x < 0.2.  The AlxGa1-xN layer 6 preferably has a thickness of between 5nm and 50nm.  The AlGaN layer 6 may be not intentionally doped, or alternatively the AlGaN layer 6 may be n-type doped, using for example silicon.  The AlGaN layer 6 may be grown by molecular beam epitaxy using NH3 as a source of active nitrogen at a temperature of at least 500℃, and preferably in the range 600-650℃.  The AlGaN layer 6 may be annealed to a temperature of at least 800℃ and preferably between 850℃ and 950℃.
As used herein the term (In)GaN refers to a layer of InxGa1-xN with a composition of 0 ≦ x < 1, and hence includes GaN as well as InGaN.  The term InGaN refers to a layer of InxGa1-xN with a composition of 0 < x < 1.
The light emitting diode 12 of Figure 2 may further contain an (In)GaN layer 7 disposed on the AlGaN layer 6.  The (In)GaN layer 7 may have the same composition as the capping layer(s) 3b of the active region 3 (to be described below), or the (In)GaN layer 7 may have a different composition to the barrier layers 3b.  The (In)GaN layer 7 may be not intentionally doped or it may be n-type doped with, for example, silicon.
In a device in which the active region comprises two or more quantum dot layers 3a (as in the embodiment shown in figure 2), the second quantum dot layer (and any subsequent quantum dot layer) will be disposed over a capping layer 3b which, as is described below, comprises InGaN or GaN.  Providing the (In)GaN layer 7 has the effect that the first quantum dot layer 3a is also disposed over an InGaN or GaN layer.  This should reduce the likelihood of there being significant unwanted differences between the properties of the first quantum dot layer and the properties of the second and subsequent quantum dot layers.
Preferably the composition of the (In)GaN layer 7 is the same as, or close to, the compositions of the capping layer(s) 3b, as this should again reduce the likelihood of there being significant unwanted differences between the properties of the first quantum dot layer and the properties of the second and subsequent quantum dot layers.
In the embodiment of figure 2 the spacing between the active region 3 and the AlGaN layer 6 is equal to the thickness of the (In)GaN layer 7.  The thickness of the (In)GaN layer 7 is therefore preferably not more than 25nm so that the spacing between the active region 3 and the AlGaN layer 6 is not more than 25nm.
In more detail, the (In)GaN layer 7 may have a thickness in the range greater than 1nm, and may have a thickness of less than 25nm.  It preferably has a thickness of greater than 2nm, and preferably has a thickness of less than 5nm or less than 10nm.  The thickness of the (In)GaN layer 7 is preferably not so great that the benefit on the quantum dot layer(s) of providing the AlGaN layer 6 is reduced significantly but, in an embodiment in which the active region has two or more active layers, is preferably sufficiently large to ensure that there is no significant difference between the properties of the first quantum dot layer and the properties of the second and subsequent quantum dot layers.  It has been found that a thickness of the (In)GaN layer 7 in the range of 1-25nm, and preferably in the range of 2-5nm or 2-10nm, ensures that that there is no significant undesired difference between the properties of the first quantum dot layer and the properties of the second and subsequent quantum dot layers without significantly reducing the benefit of providing the AlGaN layer 6.
The (In)GaN  layer 7 may be omitted if the active region 3 has only a single active layer (eg a single quantum dot layer 3a).  In this case the issue of minimising the difference between the properties of the first active layer (quantum dot layer) and the properties of the second and subsequent active layers (quantum dot layers) does not arise, and the AlGaN layer 6 may be provided directly adjacent to the active region.
The light emitting diode 12 of Figure 2 has an active region 3 for light-emission containing one or more active layers containing InGaN quantum dots 3a disposed on the AlGaN layer 6, or on the (In)GaN layer 7 if present.  The AlGaN layer 6 is thus disposed on the same side of the active region as the substrate, between the active region and the substrate.  The InxGa1-xN quantum dot layer(s) 3a may have a composition wherein 0.01<x<0.99.  The InxGa1-xN quantum dot layer(s) 3a may preferably have a composition wherein 0.15<x<0.25.  The quantum dots may have a size wherein all three dimensions are less than 50nm. The quantum dots may have a size wherein the height is less than 10nm.  The quantum dots may have a size wherein the height is between 1nm and 3nm.  The quantum dots may be not intentionally doped, or alternatively the quantum dots may be doped either n-type or p-type.  The quantum dots may be formed by any suitable technique.
In order to minimise stress/strain in the device structure, the magnitude of the difference between the lattice constant of the AlxGa1-xN layer 6 and the lattice constant of the active region is preferably kept as low as possible, for example is not more than 3% or even not more that 2% (by referring to a “magnitude” of 3% is meant that the difference is preferably between 3% and -3%, etc).
The active region 3 of the light emitting diode 12 of Figure 2 may contain one or more InyGa1-yN capping layer(s) 3b, each disposed over a respective InxGa1-xN quantum dot active layer 3a.  The InyGa1-yN capping layer(s) may have a composition wherein 0 ≦ y < x.  The capping layer(s) 3b may have a thickness of greater than 1nm, and may have a thickness of less than 50nm.  The capping layers 3b may have a thickness of greater than 5nm, and may have a thickness of less than 15nm.  The capping layers 3b may be not intentionally doped, or alternatively may be doped n-type or p-type.
The InGaN quantum dot active layer 3a and the (In)GaN capping layer 3b may be repeated in the sequence 3a, 3b, 3a, 3b, 3a, 3b etc to form an active region 3 with multiple layers of quantum dots.  This sequence may be continued to form more than three layers of quantum dots 3a. Alternatively, the active region may include only a single layer of quantum dots 3a.
The final (In)GaN capping layer 3b may be omitted, such that the final quantum dot layer 3a is in direct contact with the AlGaN layer 4 or GaN layer 5 grown over the active region (these are described below).
It is known to use upper and lower AlGaN layers to surround the active region in an InGaN quantum well light emitting device - see for example, US2005/0116215A1.  This document relates specifically to the use of quantum wells in the active region and discloses the use of lower and upper AlGaN layers in the active region to provide better carrier confinement in the quantum wells.  The improvement in carrier confinement described in this document is specific to the use of quantum wells.  JP 11-126949 also discloses a device structure in which upper and lower AlGaN layers acts as cladding layers disposed on either side of the active region in an InGaN quantum well light emitting device, with a GaN guiding layer disposed between the each cladding layer and the active region.  However, the separation between the lower AlGaN layer and the active region is considerably greater in JP 11-126949 than in the present invention so that the improved optical output power obtained in the invention does not occur in  JP 11-126949.
The present invention, in contrast, relates to the combination of the use of quantum dots in the active region with a lower AlGaN layer, which improves the electroluminescence.  The lower AlGaN layer is believed to provide better injection of carriers into the active region 3, and thus increased output power.  Carrier confinement in a quantum dot active layer 3a as used in the present invention is already good, since quantum dots provide good confinement, and the lower AlGaN layer is not believed to have any significant effect on the carrier confinement in the quantum dot active layer(s) 3a.
The preferred composition range 0.05 < x < 0.2 for the lower AlxGa1-xN layer, and the preferred growth conditions given above, have been found to give the greatest optical output power.
S E Hooper et al describe, in US 2006/0244002, growing an aluminium-containing nitride semiconductor layer over an InGaN layer to form an electron gas region and thereby improve the output power from a quantum well light emitting diode.  There is no indication that this method of creating an electron gas would be of any benefit in a device containing a quantum dot active region.
Luo et al report in 3.Elec.Mat. 30 (5) 2001, p459 an improvement in photoluminescence emission intensity from InAs quantum dots coupled to a 2DEG. There is no indication from this publication that the combination of an AlGaN layer below an InGaN quantum dot active region in the AlGaInN system would result in an increase of electroluminescence.
Moreover, while devices of the invention may appear superficially similar to the structure of JP-10 215 029 (above), the underlying technical effect is quite different.  The present invention achieves improved injection of carriers into the active region, whereas JP-10 215 029 provides a thin film in order to promote “three-dimensional island-shape growth”.
Figure 4 shows the improvement in electroluminescence that is achieved when a lower AlGaN layer is provided below a quantum dot active region.  As can be seen, providing the AlGaN layer increases the output power by a factor of approximately 4.  The two structures used to obtain the results of figure 4 were identical apart from the provision of the AlGaN layer 6 in one structure but not in the other.  In the structure that contained the AlGaN layer 6, the spacing between the AlGaN layer and the active region was 2nm, and the thickness of the AlGaN layer was 20nm.  This combination of a quantum dot active region and a lower AlGaN layer, which improves the injection of electrons into the quantum dot active region, allows the advantages of a quantum dot active region to be exploited while still achieving a good output power.
As noted above, the spacing between the AlGaN layer and the active region should preferably not exceed 25nm.  When the comparison of figure 4 was repeated with a structure having an AlGaN layer 6 spaced more than 25nm from the active region, it was found that there was little or no improvement in the output power of the device.
The InGaN quantum dot layer 3a and (In)GaN capping layer 3b may be grown by molecular beam epitaxy using a nitrogen plasma as an active nitrogen source at a temperature in the range 400℃ to 900℃ and preferably in the range 550℃ to 700℃.
The light emitting diode 12 of Figure 2 may contain a GaN layer 5 disposed over the active region on the final quantum dot layer 3a or on the final capping layer 3b if present.  The GaN layer 5 may be doped p-type with, for example, magnesium.  The GaN layer 5 may have a thickness of greater than 1nm and less than 1μm, and preferably a thickness of greater than 100nm and less than 200nm.  A GaN layer 5 may be grown by molecular beam epitaxy using NH3 as an active nitrogen source at a temperature in the range 600℃ to 1100℃ and preferably in the temperature range 700℃ to 1000℃.
An upper AlGaN layer 4 may be disposed on the uppermost layer of the active region - that is, on the final InGaN quantum dot layer 3a or the final (In)GaN capping layer 3b, whichever is the finally-grown layer of the active region - to act as an electron blocking layer.  The AlzGa1-zN layer 4 may have a composition wherein 0<z<0.5, and preferably may have a composition wherein 0.1<z<0.25.  The AlGaN layer 4 may be grown by molecular beam epitaxy using NH3as an active nitrogen source at a temperature in the range 600℃ to 1100℃.  Alternatively the upper AlGaN layer 4 may be omitted.
The present invention may also be applied to a laser diode.   Figure 5 is a schematic sectional view of a laser diode 13 according to an embodiment of the invention.  Layers 1, 2, 6, 7, 3, 3a, 3b, 4, and 5 of the laser device 13 of Figure 5 are as already described for the light emitting diode 12 of Figure 2.  In addition the laser diode structure 13 of Figure 5 may contain a first AlGaN cladding layer 8 disposed on the buffer layer 2, a first GaN optical guiding layer 9 disposed on the first AlGaN cladding layer 8, a second GaN optical guiding layer 10 disposed over the active region 3 (on the final quantum dot layer 3a, on the final quantum dot capping layer 3b if present, or on the upper AlGaN layer 4 if present) and a second AlGaN cladding layer 11 disposed on the second GaN optical guiding layer 10.
In the laser diode 13 of Figure 5, the first AlGaN cladding layer 8 and first GaN optical guiding layer 9 may be doped n-type with, for example, silicon.  The second GaN optical guiding layer 10 and second AlGaN cladding layer 11 may be doped p-type with, for example, magnesium.
In the laser diode 13 of Figure 5, the first cladding layer 8 may be an Alz’Ga1-z’N layer with a composition wherein 0.01<z’<0.5.  The first cladding layer 8 may have a thickness greater than 100nm and less than 2μm and preferably has a thickness of approximately 0.5μm.  The second cladding layer 11, may also be an Alz’Ga1-z’N layer with a composition wherein 0.01<z’<0.5.  The second AlGaN cladding layer 11 may have a thickness greater than 100nm and less than 2μm and preferably has a thickness of approximately 0.5μm.
In the laser diode 13 of Figure 5, the first GaN optical guiding layer 9 may have a thickness greater than 10nm and less than 1μm, and preferably has a thickness of approximately 100nm.  The second GaN optical guiding layer 10 may have a thickness greater than 10nm and less than 1μm, and preferably has thickness of approximately 300nm.
Layers 8,9,10 and 11 of the laser diode 13 in Figure 5 may all be grown by molecular beam epitaxy using NH3 as the active nitrogen source at a temperature greater than 600℃ and less than 1100℃ and preferably in the range greater than 850℃ and less than 1000℃.  The growth temperatures may be different for the different layers.
The invention has been described with reference to embodiments having a quantum dot active region.  However, the use of a quantum wire active region will also provide an increase in the confinement of carriers compared with a conventional quantum well region and therefore provide some of the benefits associated with the use of a quantum dot active region.  The invention is therefore not limited to a device having an active region including quantum dot active layers but may also be applied to devices having an active region including quantum wire active layers.  One skilled in the art may therefore apply the invention to a semiconductor light-emitting device having a quantum wire active region, by providing an AlGaN layer below the quantum wire active region, to obtain an increase in output power from the light-emitting device.
{Claim 1}
A semiconductor light-emitting device fabricated in the (Al,Ga,In)N materials system, and having an AlxGa1-xN layer located on a substrate side of an active region for light emission, the active region comprising InGaN quantum dots or InGaN quantum wires; wherein the distance between the active region and the AlxGa1-xN layer is no more than 25nm.
{Claim 2}
A device as claimed in claim 1 wherein a magnitude of a difference between the lattice constant of the AlxGa1-xN layer and the lattice constant of the active region is not more than 3%.
{Claim 3}
A device as claimed in claim 1 or 2 wherein the AlxGa1-xN layer has 0.05 < x < 0.2.
{Claim 4}
A device as claimed in claim 1, 2 or 3 wherein the AlxGa1-xN layer is doped n-type.
{Claim 5}
A device as claimed in claim 1, 2, 3 or 4 wherein the AlxGa1-xN layer is not intentionally doped.
{Claim 6}
A device as claimed in any preceding claim and further comprising an (In)GaN layer disposed between the active region and the AlxGa1-xN layer.
{Claim 7}
A device as claimed in claim 6 wherein the (In)GaN layer is a GaN layer.
{Claim 8}
A device as claimed in claim 6 when dependent from claim 3 wherein the (In)GaN layer is an InyGa1-yN layer where 0 ≦ y < x.
{Claim 9}
A device as claimed in claim 6 wherein the (In)GaN layer has thickness of at least 1nm.
{Claim 10}
A device as claimed in claim 6 wherein the (In)GaN layer has a thickness of at least 2nm.
{Claim 11}
A device as claimed in claim 6 wherein the (In)GaN layer has a thickness of no more than 25nm.
{Claim 12}
A device as claimed in claim 6 wherein the (In)GaN layer has thickness of no more than 10nm.
{Claim 13}
A device as claimed in any preceding claim wherein the active region comprises two or more active layers, each active layer containing InGaN quantum dots or InGaN quantum wires, and wherein a respective capping layer is provided between each pair of neighbouring active layers.
{Claim 14}
A device as claimed in claim 13 and comprising a further capping layer provided over the non-substrate side of the active region.
{Claim 15}
A device as claimed in any of claims 1 to 13 wherein the active region comprises a single active layer, the active layer containing InGaN quantum dots or InGaN quantum wires.
{Claim 16}
A device as claimed in claim 15 and further comprising a capping layer provided over the non-substrate side of the active region.
{Claim 17}
A device as claimed in claim 13, 14 or 16 wherein the or each capping layer is an (In)GaN layer.
{Claim 18}
A device as claimed in claim 17 wherein the or each capping layer is a GaN layer.
{Claim 19}
A device as claimed in claim 17 wherein the or each capping layer is an InyGa1-yN layer where 0 ≦ y < x.
{Claim 20}
A device as claimed in any preceding claim and further comprising a substrate.
{Claim 21}
A device as claimed in claim 20 wherein the substrate is a GaN substrate, a sapphire substrate, or a silicon substrate.
{Claim 22}
A device as claimed in any preceding claim wherein the AlxGa1-xN layer has a thickness greater than 5nm.
{Claim 23}
A device as claimed in any preceding claim wherein the AlxGa1-xN layer has a thickness less than 50nm.
{Claim 24}
A device as claimed in any preceding claim and comprising a light-emitting diode.
{Claim 25}
A device as claimed in any of claims 1 to 23 and comprising a laser diode.
{Abstract}
A semiconductor light-emitting device fabricated in the (Al,Ga,In)N materials system has an active region for light emission 3 comprising InGaN quantum dots or InGaN quantum wires.  An AlGaN layer 6 is provided on a substrate side of the active region.  This increases the optical output of the light-emitting device.  This increased optical output is believed to result from the AlxGa1-xN layer serving, in use, to promote the injection of carriers into the active region.
{REPRESENTATIVE DRAWING} Figure 2
【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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