(57)【要約】【課題】  低コスト、高発光効率、及び上述した従来技術の欠点の全てを排除するための実施の容易さを確保できる、半導体発光デバイスを提供する。【解決手段】  発光ダイオード４０は、基板４１，バッファ層４２，ｎ型半導体層４３，コンフォーメーション活性層４４及びｐ型半導体層４５を有する。ｎ型半導体層４３は第１の面及び第２の面を有し、第１の面はバッファ層４２に直接に接する。第２の面は複数のリセス４３１を有し、コンフォーメーション活性層４４が第２の面上で複数のリセス４３１内に形成される。ｐ型電極４６がｐ型半導体層４５上に形成されて、ｎ型電極４７がｎ型半導体層４３上に形成される。したがって、ｎ型半導体層４３とコンフォーメーション活性層４４の間の応力はリセス４３１によって解放され得る。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、
第１の面及び第２の面を有する第１の型の半導体層であって、前記第１の面が前記基板に接し、前記第２の面が複数のリセスを有し、前記第１の面と表裏をなす、第１の型の半導体層、
前記複数のリセス内で前記第２の面上に形成されたコンフォーメーション活性層、及び
前記コンフォーメーション活性層上に形成された第２の型の半導体層、
を有することを特徴とするIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項２】
前記基板と前記第１の型の半導体層の間に配置されたバッファ層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項３】
前記基板の材料がサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＭｇＯまたはＧａＡｓであることを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項４】
前記リセスの深さが、前記活性層の単一量子井戸の深さより大きく、前記第１の型の半導体層の厚さより小さいことを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項５】
前記リセスの上部の幅が０.１μｍから１０μｍの範囲にあり、前記リセスの上部の幅が前記リセスの下部の幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項６】
前記複数のリセスが相異なる寸法を有し、前記複数のリセスの分布が実質的に一様であるかまたは非一様であることを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項７】
前記コンフォーメーション活性層が単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項８】
前記多重量子井戸構造が２〜３０の発光層及びバリア層を有し、前記発光層及びバリア層の材料がＩｎＧａＮ及びＧａＮであることを特徴とする請求項７に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項９】
前記多重量子井戸構造が２〜３０の発光層及びバリア層を有し、前記発光層がＡｌＸＩｎＹＧａ１-Ｘ-ＹＮでつくられ、前記バリア層がＡｌＩＩｎＪＧａ１-Ｉ-ＪＮでつくられ、ここで０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ＜１，Ｘ＋Ｙ＜１，０≦Ｉ＜１，０≦J＜１，Ｉ＋Ｊ＜１であり、Ｘ，Ｙ，Ｉ，Ｊ＞０であるときに、Ｘ≠Ｉ及びＹ≠Ｊであることを特徴とする請求項７に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項１０】
前記第１の型の半導体層がｎ型III族元素窒化物半導体層であり、前記第２の型の半導体層がｐ型半導体層であることを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項１１】
前記第１の型の半導体層がｎ型ＳｉドープＧａＮ層であり、前記第２の型の半導体層がＭｇドープＧａＮとＩｎＧａＮの多重層であるかまたはＭｇドープＡｌＧａＮ/ＧａＮとＭｇドープＧａＮ層の超格子構造として形成されることを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項１２】
第１の型の電極及び第２の型の電極をさらに有し、前記第１の型の電極が前記第１の型の半導体層上に配置され、前記第２の型の電極が前記第２の型の半導体層上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のIII族元素窒化物半導体発光デバイス。
【請求項１３】
III族元素窒化物半導体発光デバイスを作成する方法において、
基板を提供する工程、
前記基板上に第１の型の半導体層を形成する工程であって、前記第１の型の半導体層は第１の面及び第２の面を有し、前記第１の面は前記基板に接して配置され、前記第２の面は前記第１の面と表裏をなし、複数のリセスを有する工程、
前記第１の型の半導体層上にコンフォーメーション活性層を形成する工程、及び
前記コンフォーメーション活性層上に第２の型の半導体層を形成する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記複数のリセスが前記第１の型の半導体層の前記第２の面をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のリセスが前記第１の型の半導体層の形成に適用される供給ガスまたは有機金属の流量を制御することによって前記第２の面上に形成されるキャビティであり、前記供給ガスが、窒素、アンモニア、水素、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、またはＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板上に少なくとも１つのバッファ層を直接に形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記リセスの上部の幅が０.１μｍから１０μｍの範囲にあり、前記リセスの深さが、前記コンフォーメーション活性層の単一量子井戸の深さより大きく、前記第１の型の半導体層の厚さより小さいことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記コンフォーメーション活性層が単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有するように形成されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の型の半導体層がｎ型半導体層であり、前記第２の型の半導体層がｐ型半導体層であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の型の半導体層がｎ型ＳｉドープＧａＮ層であり、前記第２の型の半導体層がＭｇドープＧａＮとＩｎＧａＮの多重層であるかまたはＭｇドープＡｌＧａＮ/ＧａＮとＭｇドープＧａＮ層の超格子構造として形成されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族元素窒化物半導体発光デバイス及びその作成方法に関し、さらに詳しくは、コンフォーメーション活性層とｎ型半導体層の間の応力を解放するためのIII族元素窒化物半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は様々な製品に広く使われており、最近は青色ＬＥＤ作成のために光電半導体材料における重要な研究主題になっている。青色ＬＥＤに現在用いられる材料には、ＺｎＳｅ，ＳｉＣ及びＩｎＧａＮがあり、これらはバンドギャップエネルギーがほぼ２.６ｅＶをこえるバンドギャップ特性を示す半導体材料である。ＧａＮ系列の発光材料は直接遷移特性を有するから、高輝度光を発生することができ、ＺｎＳｅのような、他の同様な直接遷移材料に比較して長寿命であるという利点を有する。
【０００３】
一般に、青色ＬＥＤの構造にはＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸構造の活性層が含まれる。量子井戸構造はｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層の間に形成される。インジウム濃度が高いＩｎＧａＮをＧａＮ上に成長させると、ＧａＮとＩｎＧａＮ層の間に格子不整合が生じ、よって物理的応力がそれぞれの層の間に誘起される。したがって、応力に応答して圧電効果をおこすために電圧が発生し、この結果、活性層の発光効率の低下が生じる。
【０００４】
図１は特許文献１に開示されている発光ダイオードの断面図である。発光ダイオード１０は、基板１１，バッファ層１２，ｎ型ＩｎＧａＮ層１３，活性層１４，第１のｐ型III−Ｖ族窒化物層１５，第２のｐ型III−Ｖ族窒化物層１６，ｐ型電極１７及びｎ型電極１８を有する。活性層１４の格子定数はｎ型ＩｎＧａＮ層１３の格子定数と整合し、よってこれらの２つの層の間の応力は解放される。しかし、ｎ型ＩｎＧａＮ層１３は一般に低温で形成され、これは従来技術のＧａＮ層と比較してエピタキシャル層の品質に悪影響を及ぼす。
【０００５】
図２は特許文献２に開示されている発光ダイオードを示す断面図である。発光ダイオード２０は、基板２１，ｎ型ＡｌＧａＮ層２２，活性層２３，ｐ型ＡｌＧａＮ層２４及びＧａまたはＡｌの小滴２５を有する。ｎ型ＡｌＧａＮ層２２上に形成された小滴により、バンドギャップが狭い場所においてより良く発光するように、バンドギャップの空間変動がつくられる。この結果、転移が存在する場合であっても発光光率が高くなり得る。特許文献２は空間変動が格子不整合によってつくられ、したがってこの方法が格子不整合の解決には適していないことを開示している。
【０００６】
図３は特許文献３に開示されている発光ダイオードを示す断面図である。発光ダイオード３０は、サファイア基板３１，ＡｌＮバッファ層２２，ｎ型クラッド層３３，ＡｌＮ不均一層３４，活性層３５，ｐ型クラッド層３６，コンタクト層３７，透明電極３８，ｐ型電極３９１及びｎ型電極３９２を有する。ＡｌＮ不均一層３４上に活性層３５が形成される。したがって活性層３５の形成要件は簡易化され得る。しかし、ＡｌＮ不均一層３４は独特の熱処理によってｎ型クラッド層３３上に形成され、このことが基板上に形成されるエピタキシャル層に悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６３４５０６３号明細書
【特許文献２】米国特許第６８６１２７０号明細書
【特許文献３】米国特許第７１９０００１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
要約すれば、現在の市場は、低コスト、高発光効率、及び上述した従来技術の欠点の全てを排除するための実施の容易さを確保できる、半導体発光デバイスを必要としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、III族元素窒化物半導体発光デバイス及びエピタキシャル層間の応力を低減するためのIII族元素窒化物半導体発光デバイスの作成方法を提供することである。この結果、発光デバイスの発光効率が電子及び正孔の再結合速度に関する量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）により高くなり得る。
【００１０】
本発明の一態様にしたがう半導体発光デバイスは、基板、第１の面が基板に接して配置され、第２の面が複数のリセスを有し、第１の面と表裏をなす、第１の面及び第２の面を有する第１の型の半導体層、第２の面上で複数のリセス内に形成されたコンフォーメーション活性層であって、第１の型の半導体層とコンフォーメーション活性層の間の応力がリセスによって解放される、コンフォーメーション活性層、及びコンフォーメーション活性層上に形成された第２の型の半導体層を有する。
【００１１】
本発明のIII族元素窒化物半導体発光デバイスはさらに基板と第１の型の半導体層の間に配置されたバッファ層を有する。
【００１２】
リセスの深さはコンフォーメーション活性層の単一量子井戸の深さより大きく、第１の型の半導体層の厚さより小さい。リセス上部の幅は０.１μｍから１０μｍの範囲にある。複数のリセスの大きさは相異なる。複数のリセスの分布は実質的に一様であるかまたは非一様である。リセス上部の幅はリセス下部の幅より大きい。
【００１３】
活性層は単一量子井戸または多重量子井戸を有するように形成される。第１の型の半導体層はｎ型半導体層であって、第２の型の半導体層はｐ型半導体層である。
【００１４】
本発明はIII族元素窒化物半導体発光デバイスを作成する方法を開示する。本方法は、基板を提供する工程、第１の面が基板に接して配置され、第２の面が複数のリセスを有し、第１の面と表裏をなす、第１の面及び第２の面を有する第１の型の半導体層を基板上に形成する工程、第１の型の半導体層上にコンフォーメーション活性層を形成する工程、及びコンフォーメーション活性層上に第２の型の半導体層を形成する工程を含む。
【００１５】
複数のリセスは第１の型の半導体層の第２の面をエッチングする工程によって形成される。複数のリセスは、窒素、アンモニア、水素、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）または有機金属化合物の流量を制御することによって第２の面上に形成されたキャビティである。複数のリセスは有機金属化学的気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって形成される。本方法はさらに、基板上に少なくとも１つのバッファ層を直接に形成する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】特許文献１に開示される発光ダイオードを示す断面図である
【図２】特許文献２に開示される発光ダイオードを示す断面図である
【図３】特許文献３に開示される発光ダイオードを示す断面図である
【図４】本発明の発光ダイオードを示す断面図である
【図５Ａ】本発明の発光ダイオードを示す部分断面図である
【図５Ｂ】図５Ａの部分断面図の上面図である
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の目的及び利点は、以下の説明を読み、添付図面を参照すれば、明らかになるであろう。
【００１８】
図４は本発明の発光ダイオードを示す断面図である。発光ダイオード４０は、基板４１，バッファ層４２，ｎ型（すなわち第１の型の）半導体層４３，コンフォーメーション活性層４４及びｐ型（すなわち第２の型の）半導体層４５を有する。ｐ型電極４６がｐ型半導体層４５上に形成されて、ｎ型電極４７がｎ型半導体層４３上に形成される。
【００１９】
基板４１は、例えばサファイア（すなわちＡｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）またはヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）のような、既知であるかまたは今後開発される、いずれかの基板材料で形成することができる。続いて、半導体材料が基板４１を覆って被着される。基板４１と半導体材料の間に格子不整合がおこるから、基板４１上には少なくとも１つのバッファ層４２を形成する必要がある。バッファ層は一般に、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮまたは、アルミニウムを含む従来のバッファ層より硬度が低い、超格子構造でつくられる。次いでｎ型半導体層４３がバッファ層４２上に形成される。ｎ型半導体層４３は、バッファ層４２上にエピタキシャル成長させた、ｎ型ＳｉドープＧａＮ層として形成することができる。ｎ型半導体層４３の上面は不均一であり、複数のリセス４３１及び平坦領域４３２を有する。リセス４３１はＭＯＣＶＤ炉で形成される。厚さが１μｍから５μｍのｎ型半導体層４３が形成された後、窒素、アンモニア、水素、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）または有機金属化合物のような、供給ガスの流量が停止または低減される。したがって、ｎ型半導体層４３の上面は不均一に成長し、複数のリセス４３１が形成される。また、リセス４３１はｎ型半導体層４３の上面をエッチングすることで形成することができる。
【００２０】
続いてｎ型半導体層４３上に、正孔と電子が再結合して光を発する、コンフォーメーション活性層４４が形成される。コンフォーメーション活性層４４は単一量子井戸構造（ＳＱＷ）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）構造である。ＭＱＷ構造は２〜３０の発光層／バリア層からなる。好ましい実施形態において、コンフォーメーション活性層４４は６〜８層からなる。発光層はＡｌＸＩｎＹＧａ１-Ｘ-ＹＮでつくることができ、バリア層はＡｌＩＩｎＪＧａ１-Ｉ-ＪＮでつくることができ、ここで０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ＜１，Ｘ＋Ｙ＜１，０≦Ｉ＜１，０≦J＜１，Ｉ＋Ｊ＜１であり、Ｘ，Ｙ，Ｉ，Ｊ＞０であるときに、Ｘ≠Ｉ及びＹ≠Ｊである。また、発光層／バリア層はＩｎＧａＮ/ＧａＮでつくることもできる。本構造において、ｎ型半導体層４３とコンフォーメーション活性層４４の間の応力はリセス４３１によって解放され、したがって発光効率を高めることができる。さらに、リセス４３１はエピタキシャル層上への異なる材料の被着プロセスを用いずに、あるいは小滴の被着を用いずに、形成される。この結果、本方法では、エピタキシャル層の品質が犠牲にならず、格子定数の整合のためにエピタキシャル品質を犠牲にする、ｎ型半導体層４３としてのエピタキシャル層は必要ではない。
【００２１】
次いで少なくとも１つのｐ型半導体層４５がコンフォーメーション活性層４４上に形成される。ｐ型半導体層４５は、ＭｇドープＧａＮとＩｎＧａＮの多重層、ＭｇドープＡｌＧａＮ/ＧａＮとＭｇドープＧａＮ層の超格子構造またはその他の形態として形成することができる。次いでｐ側電極４６及びｎ側電極４７がそれぞれ、ｐ型半導体層４５及びｎ型半導体層４３への電流の印加を可能にするためにはたらく。
【００２２】
図５Ａは本発明の発光ダイオードを示す部分断面図である。バッファ層４２及びｎ型半導体層４３が基板４１上に順次に成長される。図５Ａを参照すれば、ｎ型半導体層４３の上面は不均一であり、複数のリセス４３１及び平坦領域４３２を有する。リセス４３１の深さは、単一量子井戸の深さより大きくし、またｎ型半導体層４３の厚さより小さくすることができる。さらに、リセス４３１の断面は実質的に逆台形であり、リセス上部の幅Ｗは０.１μｍから１０μｍの範囲にある。
【００２３】
図５Ｂは図５Ａの部分断面図の上面図である。図５Ｂを参照すれば、リセス４３１の幅Ｗまたは直径の寸法は一様ではなく、ｎ型半導体層４３上のリセス４３１の分布は実質的に一様であるかまたは非一様である。
【００２４】
本発明の上述した実施形態は説明のために示されているに過ぎない。当業者であれば以下の特許請求の範囲を逸脱しない数多くの別の実施形態を案出できる。
【符号の説明】
【００２５】
４０    発光ダイオード
４１    基板
４２    バッファ層
４３    ｎ型半導体層
４４    コンフォーメーション活性層
４５    ｐ型半導体層
４６    ｐ型電極
４７    ｎ型電極
４３１    リセス
４３２    平坦領域
【図１】
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【図２】
2009124149.tif 000004
【図３】
2009124149.tif 000005
【図４】
2009124149.tif 000006
【図５Ａ】
2009124149.tif 000007
【図５Ｂ】
2009124149.tif 000008
【外国語明細書】
2009124149000001.pdf