(57)【要約】２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲の放射波長（λｐｅａｋ）を伴う、高出力および高効率発光デバイスを製造する。新しいデバイス構造は、無極性または半極性バルクＧａＮ基板上に成長させられる、無極性または半極性ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮ合金を使用する。一実施形態において、光電子デバイスは、無極性または半極性ＧａＮ基板上に成長させられる、少なくとも、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、および窒素（Ｎ）を含有する１つ以上の発光層を備える光電子デバイスであって、該発光層は、無極性または半極性層である。
2012507874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子デバイスであって、該光電子デバイスは、無極性または半極性ＧａＮ基板上に成長させられる、少なくとも、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、および窒素（Ｎ）を含有する１つ以上の発光層を備え、該発光層は、無極性または半極性層である、光電子デバイス。
【請求項２】
前記無極性または半極性ＧａＮ基板に密接に格子整合される、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、前記密接に格子整合したＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層は、ｎ型伝導性のためにシリコン（Ｓｉ）でドープされている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記発光活性層上に、ｐ型伝導性のためにＭｇでドープされる、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層をさらに備える、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記発光活性層、前記密接に格子整合したＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層、および前記ｐ型ドープＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層は、１つ以上のヘテロ構造を形成する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、前記ｐ型ドープＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層は、マグネシウムでドープされるｐ型クラッド層である、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、前記格子整合したＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層は、シリコンＳｉでドープされるｎ型クラッド層である、請求項２に記載のデバイス。
【請求項８】
前記デバイスは、発光ダイオードまたはレーザダイオードである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記発光層は、１０％から３０％の範囲のインジウム組成を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記発光活性層は、１つ以上の量子井戸ヘテロ構造を形成する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記デバイスは発光デバイスであり、該発光デバイスは、
（ａ）前記無極性または半極性ＧａＮ基板上の、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づくｎ型クラッド層と、
（ｂ）該ｎ型クラッド層上の、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づく単一量子井戸または多重量子井戸を備える、前記発光層と、
（ｃ）該量子井戸上の、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づく電子阻止層と、
（ｄ）該電子阻止層上の、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づくｐ型クラッド層と
をさらに備え、
（ｅ）該ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は、無極性または半極性であり、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスは、２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲のピーク放射波長を有する発光デバイスである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
（ａ）第１の導電型を有する、第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層と、
（ｂ）第２の導電型を有する、第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層と、
（ｃ）第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸障壁層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられる、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸層と、該（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられる、第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸障壁層とを備える、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造と
を備え、
（１）該量子井戸構造は、該（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造が、該第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層と該第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層との間にあるように、該第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられ、
（２）該量子井戸は、３６０ｎｍ未満のピーク波長を有するエレクトロルミネセンスを放射する、厚さおよび（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ組成を有する、
光電子デバイス。
【請求項１４】
（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層上にエピタキシャルに成長させられる、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造をさらに備え、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層は、ＧａＮ上にエピタキシャルに成長させられ、かつ該ＧａＮに密接に格子整合される（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の転位密度を有する、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記転位密度は、１０６ｃｍ−２未満であり、前記（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層は、横方向エピタキシャル過成長を含まない、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記デバイスは、発光デバイスであり、
（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられる（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造と、
十分に低い該（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の転位密度と
をさらに備え、該無極性または半極性面および該転位密度は、１５％よりも大きい該発光デバイスの内部量子効率、および１％よりも大きい該発光デバイスの外部量子効率を達成する、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１７】
深紫外線発光デバイスを製造する方法であって、無極性または半極性ＧａＮ基板上に、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層を成長させるステップを含み、該ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層は、無極性または半極性であり、該ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの少なくとも１つは、少なくともＡｌ、Ｉｎ、およびＮを含有する発光層である、方法。
【請求項１８】
ＡｌｘＩｎ１−ｘＮおよびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層が、無極性または半極性ＧａＮ基板に密接に格子整合されるように、該ＡｌｘＩｎ１−ｘＮおよびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つ以上を、該無極性または半極性ＧａＮ基板上にエピタキシャルに成長させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
１０％から３０％の範囲のインジウム組成を伴う、前記発光活性層を成長させるステップさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層が、前記ＧａＮ基板に密接に格子整合されるように、該ＧａＮ基板の無極性または半極性面上に、第１の導電型を有する第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップと、
該第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層の無極性または半極性面上に、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つを、エピタキシャルに成長させるステップと、
該第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層の無極性または半極性面上に、かつ３６０ｎｍ未満のピーク波長を有するエレクトロルミネセンスを放射する厚さおよび（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ組成に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップと、
該ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層の無極性または半極性面上に、第２のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップであって、それによって、該第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層と、該第２のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層との間に、該ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層を備える量子井戸構造を形成する、ステップと、
第２の導電型を有する第２のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層として、該量子井戸構造上に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップであって、前記発光活性層は、該量子井戸層を備える、ステップと
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国特許法１１９条（ｅ）に基づき、同時係属中の同一人に譲渡された米国仮出願第６１／１１０，４４９号（２００８年１０月３１日出願、Ｒｏｙ  Ｂ．Ｃｈｕｎｇ，Ｚｈｅｎ  Ｃｈｅｎ，Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、「ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＤＥＶＩＣＥ  ＢＡＳＥＤ  ＯＮ  ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＡＮＤ  ＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲ  ＡＬＵＭＩＮＵＭ  ＩＮＤＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＡＮＤ  ＡＬＵＭＩＮＵＭ  ＩＮＤＩＵＭ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＡＬＬＯＹＳ，」、代理人事件番号３０７９４．２９４−ＵＳ−Ｐ１（２００９−２５８））の利益を主張する。該仮出願は参照により本明細書に引用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、窒化物に基づく光電子デバイスおよびそれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（注：本出願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［ｘ］によって多数の異なる出版物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる出版物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの出版物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる。）
窒化物に基づく光電子部品は、可視光および紫外線（ＵＶ）発光デバイスの製造について広く研究されてきた。これらのデバイスは、典型的に３元合金（ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＡｌＩｎＮ）または４元合金（ＡｌＩｎＧａＮ）の１つ以上の層を有する。窒化物に基づく光電子デバイスの継続的な開発は、特に可視スペクトルにおいて、高出力および高効率発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）をもたらした。しかしながら、スペクトルの深ＵＶ（ＤＵＶ）領域（約３６０ｎｍ未満の波長を伴う発光）における高出力および高効率ＬＥＤおよびＬＤは、成長の難しさ、したがって不十分な材料品質、およびバルク窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板が存在しないことに起因して、達成されなかった。
【０００４】
３６０ｎｍ未満のピーク放射波長（λｐｅａｋ）を伴う窒化物に基づくＵＶ発光デバイスの場合、従来のＬＥＤおよびＬＥＤは、複数のＡｌＧａＮ層と、１つのＡｌＮ緩衝層とを備え、これらは通常、サファイアまたは６Ｈ−ＳｉＣ基板上に成長させられる。このヘテロエピタキシャル成長のため、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮ緩衝層は、約１０１０ｃｍ−２の転位密度を有し、転位は、後続の層を通して伝搬し、不十分な材料品質をもたらす。
【０００５】
ＩｎＧａＮ等のインジウム含有合金の場合、一般に、インジウムのクラスタ化が、担体のための高効率な放射再結合場所を提供し、したがって、デバイスの性能は、転位の影響をあまり受けないことが認知されている。対照的に、ＡｌＧａＮに基づくデバイスは、インジウムのクラスタ化が存在しないため、転位密度の影響を受け易く、したがって、ＡｌＧａＮに基づくデバイスの性能は、転位の数によって直接的に影響を受ける。
【０００６】
転位密度を低減するために、種々の構造および成長技術が研究されてきた。例えば、超格子構造は、緩衝層とクラッド層との間で成長させられ、超格子は、緩衝層から伝搬する転位をフィルタ処理して除去し、該構造はまた、格子不整合から構築される歪みを軽減することが公知である。この構造は、ＵＶ  ＬＥＤのデバイス性能を向上させた。ＮＨ３流れ変調ＡｌＮ成長等の有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）で使用される成長技術は、ＡｌＮ緩衝層の品質を成功裏に向上させた。バルクＡｌＮ結晶は、ハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）および物理的蒸気輸送（ＰＶＴ）によって達成された。参考文献［１−４］を参照のこと。
【０００７】
高品質のＡｌＮ緩衝層またはバルクＡｌＮ基板を伴っていても、ＡｌＧａＮに基づくデバイスは、それでも、デバイスが、強い自発分極が存在するｃ方向に沿って成長させられる限りは、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を受ける。層の間の格子不整合は、圧電分極を誘発し、分極の程度を高め得る。分極からの強い内蔵電場は、電子と正孔との間の空間的分離を引き起こし、その結果、制限された担体再結合効率、低減された発振器強度、および赤方偏移した放射を生じさせる。内蔵電場は、Ａｌ組成が高くなるにつれて強くなる。
【０００８】
要約すると、従来のＡｌＧａＮに基づくＵＶ発光デバイスは、バルクＡｌＮ基板が存在しないことに起因する高い転位密度、および放射再結合効率を低減するＱＣＳＥを受ける。
【０００９】
転位の問題を回避するために、ＵＶ発光デバイスには、４元合金のＡｌＩｎＧａＮが導入され、インジウムのクラスタ化は、デバイス性能を向上させると期待されている。ＡｌＩｎＧａＮに基づくＬＥＤのフォトルミネセンス（ＰＬ）発光強度は、ＡｌＧａＮに基づくＬＥＤよりもほぼ１桁から２桁高いことが分かっている。［５］しかしながら、ＡｌＩｎＧａＮに基づくＬＥＤの内部量子効率（ＩＱＥ）は、まだ約１５％であり、ＩｎＧａＮ（５０％−７０％）よりもかなり低い。外部量子効率が依然として低過ぎて（約１％）、商業的に可能なＵＶ発光デバイスを実現することはできない［５］。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述の従来技術の制限を克服するために、また、本発明を読み取って理解することで明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲のピーク放射波長（λｐｅａｋ）を伴う、高出力および高効率の発光デバイスを製造するための方法を説明する。本発明はまた、無極性または半極性バルク（自立型）ＧａＮ基板上に成長させられる無極性または半極性ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮ合金を使用する、新しいデバイス構造を紹介する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態において、本発明は、無極性または半極性ＧａＮ基板上に成長させられる、または製造される、少なくとも、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）および、窒素（Ｎ）を含有する１つ以上の発光層を備える、光電子デバイス（例えば、ＬＥＤまたはＬＤ）であって、発光層は、無極性または半極性層である、光電子デバイスである。
【００１２】
光電子デバイスはさらに、無極性または半極性ＧａＮ基板に密接に格子整合される、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層を備え得る。密接に格子整合した層は、ｎ型伝導性のためにシリコン（Ｓｉ）でドープされる、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層（例えば、Ｓｉでドープされる、ｎ型クラッド層）であり得る。デバイスはさらに、発光活性層上に、ｐ型伝導性のためにＭｇでドープされる、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層（例えば、マグネシウムでドープされる、ｐ型クラッド層）を備え得る。複数のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層、および発光活性層は、１つ以上のヘテロ構造を形成してもよく、発光活性層は、１つ以上の量子井戸ヘテロ構造を形成し得る。前述したものでは、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である。
【００１３】
ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層（典型的に活性層）のうちの１つ以上のインジウム組成は、１０％から３０％の範囲であり得る。
【００１４】
例えば、発光デバイスは、（ａ）無極性または半極性ＧａＮ基板上の、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づくｎ型クラッド層と、（ｂ）ｎ型クラッド層上の、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づく単一量子井戸（ＳＱＷ）または多重量子井戸（ＭＱＷ）を備える、１つ以上の発光層と、（ｃ）量子井戸層上の、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づく電子阻止層と、（ｄ）電子阻止層上の、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づくｐ型クラッド層と、を備え、（ｅ）ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層は、無極性または半極性である。
【００１５】
別の実施例において、光電子デバイスは、（ａ）第１の導電型を有する、第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層と、（ｂ）第２の導電型を有する、第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層と、（ｃ）第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸障壁層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられる、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸層と、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられる、第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸障壁層とを備える、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造とを備え、（１）量子井戸構造は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造が、第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層と第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層との間にあるように、第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられ、（２）量子井戸は、３６０ナノメートル（ｎｍ）未満のピーク波長を有するエレクトロルミネセンスを放射する、厚さおよび（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ組成を有する。例えば、発光デバイスは、２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲のピーク放射波長を有し得る。
【００１６】
（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層上にエピタキシャルに成長させられ、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層は、ＧａＮ上にエピタキシャルに成長させられ、かつそれに密接に格子整合される（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の転位密度を有する。例えば、転位密度は、１０６ｃｍ−２未満であり得、これは、下側にあるＧａＮ基板から予期される転位密度であり、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層は、横方向エピタキシャル過成長を含まない。例えば、「密接に格子整合した」とは、成長した厚さにおいていかなる膜の緩和もないこととほぼ同じである。いかなる緩和もないことは、基板からの転位以外に他の転位がないことを意味する。
【００１７】
発光デバイスは、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の無極性または半極性面上にエピタキシャルに成長させられる、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造と、十分に低い（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の転位密度とを備え、無極性または半極性面および転位密度は、１５％よりも大きい発光デバイスの内部量子効率、および１％よりも大きい発光デバイスの外部量子効率を達成する。
【００１８】
本発明はさらに、無極性または半極性ＧａＮ基板上に、深紫外線発光デバイスを製造する方法であって、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層を製造するステップを含み、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層は、無極性または半極性である、方法を開示する。方法はさらに、典型的に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮおよびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層が、無極性または半極性ＧａＮ基板に密接に格子整合されるように、無極性または半極性ＧａＮ基板上に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮおよびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つ以上をエピタキシャルに成長させるステップを含む。方法はさらに、１０％から３０％の範囲のインジウム組成を伴う発光活性層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮおよびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうち少なくとも１つを成長させるステップを含み得る。
【００１９】
例えば、方法は、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層が、ＧａＮ基板に密接に格子整合されるように、ＧａＮ基板の無極性または半極性面上に、第１の導電型を有する第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップと、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層の無極性または半極性面上に、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップと、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層の無極性または半極性面上に、かつ３６０ｎｍ未満のピーク波長を有するエレクトロルミネセンスを放射する厚さおよび（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ組成に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップと、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層の無極性または半極性面上に、第２のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップであって、それによって、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層と、第２のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層との間に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層を備える量子井戸構造を形成する、ステップと、第２の導電型を有する第２のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層として、量子井戸構造上に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップとを含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
以下、同じ参照符号が対応する要素を示す、複数の図面を参照する。
【図１】図１は、本発明の方法を示すフローチャートである。
【図２】図２（ａ）、２（ｂ）および（２ｃ）は、無極性および半極性発光デバイス用の可能な３つのＭＱＷ構造（４周期分）を示す、概略断面図である。
【図３】図３は、２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲の放射波長を伴い、クラッド層がＧａＮ基板に密接に格子整合された、無極性または半極性ＵＶ  ＬＥＤの最終的な構造の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の発明を実施するための形態において、本明細書の一部を形成し、かつ本発明が実施され得る特定の実施形態を例示目的で示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われ得ることを理解されたい。
【００２２】
（概要）
本発明は、無極性または半極性ＧａＮ上に成長させられる無極性または半極性ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮを使用して、２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲の波長で、高出力および高効率のＬＥＤおよびＬＤに利用することができる、デバイス構造を説明する。本構造の顕著な特徴は、ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮクラッド層をＧａＮに密接に格子整合することができるので、圧電場が低減されることである。新しい構造では、無極性または半極性結晶配向で成長させることによって、自発分極も最小化される。比較的に幅の広いバンドギャップ、ならびに自発および圧電分極効果によって、従来のＡｌＧａＮに基づく発光デバイスを、効率的な無極性または半極性ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮに基づく発光デバイスに置換することができる。
【００２３】
本発明は、例えば、２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲の波長で発光する光電子デバイスを製造するために使用することができる。本発明によって生成される深ＵＶ  ＬＥＤは、水および空気の浄化、ならびに殺菌および生医学用計装システムに有用であり得る。ＵＶ領域のＬＤを実現することができ、これは、光記憶デバイスの容量を増大する。約３５０ｎｍ以下の領域で放射するＬＥＤによって、蛍光被覆を伴う高出力および高効率の白色ＬＥＤも生成され得る。
【００２４】
（用語）
「（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ」またはＩＩＩ族窒化物という用語は、本明細書で使用する場合、それぞれの単一の種Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎの窒化物、ならびにそのようなＩＩＩ族金属種の２元、３元、および４元組成を含むことを意図する。故に、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎという用語は、そのような用語に含まれる種として、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮ、３元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、ならびに４元化合物ＡｌＧａＩｎＮを包括する。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）構成種のうちの２つ以上が存在する時、化学量論的割合ならびに「非化学量論的」割合（組成の中に存在する（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）構成種のそれぞれの相対モル分率に対する）を含む、全ての可能な組成を、本発明の広い範囲内で採用することができる。故に、ＧａＮ材料に関する以下の本発明の議論は、種々の他の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料種の形成に適用することができることを理解されるであろう。さらに、本発明の範囲内の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料はさらに、少量のドーパントおよび／もしくは他の不純物、または包含材料を含み得る。
【００２５】
ＩＩＩ族窒化物光電子デバイスの自発および圧電分極効果を排除する１つのアプローチは、結晶の無極性面上に（例えば、無極性結晶に沿って、ＩＩＩ族窒化物のａ軸またはｍ軸に沿って）、デバイスを成長させることである。例えば、ＧａＮ結晶において、このような面は、等しい数のＧａおよびＮ原子を含有し、電荷中立である。さらに、後続の無極性層は、相互に等価であるので、バルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。ＧａＮの対称等価の無極性面の２つのそのような系統は、ａ面として集合的に公知である｛１１−２０｝系統、およびｍ面として集合的に公知である｛１０−１０｝系統である。
【００２６】
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎデバイスの分極効果および正孔の有効質量を低減する別のアプローチは、デバイスを結晶の半極性面上に成長させることである。「半極性面」という用語は、ｃ面、ａ面、またはｍ面として分類することができない、あらゆる面を指すために使用することができる。結晶学用語において、半極性面とは、少なくとも２つの非ゼロのｈ、ｉ、ｋミラー指数、および非ゼロのｌミラー係数を有する任意の面である。いくつかの一般に観察される半極性面の例には、｛１１−２２｝、｛１０−１１｝、および｛１０−１３｝面が挙げられる。ウルツ鉱型結晶構造の半極性面の他の例には、｛１０−１２｝、｛２０−２１｝、および｛１０−１４｝が挙げられるが、これらに限定されない。窒化物結晶の分極ベクトルは、そのような面内には存在せず、またはそのような面に対して垂直ではなく、むしろ該面の表面垂線に対してある角度で存在する。例えば、｛１０−１１｝および｛１０−１３｝面は、ｃ面に対してそれぞれ、６２．９８°および３２．０６°である。
【００２７】
（技術的説明）
本発明は、ＵＶ発光デバイスのための新しいデバイス構造を説明する。無極性または半極性ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤを介して、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１、０≦ｙ’≦１、０≦ｚ’≦１、および０≦ｙ’＋ｚ’≦１である、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮ、ＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ、またはＡｌｙ’Ｉｎｚ’Ｇａ１−ｙ’−ｚ’Ｎ層を備えるデバイスを成長させる。
【００２８】
図１は、本発明の方法を示すフローチャートである。
【００２９】
ブロック１００は、基板を反応器に装填するステップを表す。発光デバイス構造の成長の場合、バルク無極性または半極性ＧａＮ基板を、ＭＯＣＶＤ反応器に装填し、反応器の圧力を、５トールから７６０トールの間の値に設定する。
【００３０】
ブロック１０２は、基板上にＧａＮ層を成長させるステップを表す。反応器の加熱器をオンにして、水素および／または窒素下で、設定点温度まで逓増させる。温度が設定点に到達した時点で、１μｍから３μｍの厚さの無作為にドープした（ＵＩＤ））ＧａＮまたはＳｉドープＧａＮを（ジシラン（Ｓｉ２Ｈ４）を反応器の中に流すことによって）成長させる。
【００３１】
次いで、ブロック１０４に現されるように、６００℃から１０００℃の間の値に温度を設定し、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、およびアンモニア（ＮＨ３）を、反応器の中に導入して、ブロック１０２のＧａＮ層上にｎ型ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮクラッド層を成長させる。所望の層が４元合金である場合は、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）またはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を使用する。ｎ型ドーピングの場合、ジシランも反応器の中に流す。全ての源の流れは、クラッド層厚さが最低で２００ｎｍに到達するまで、一定レベルに保つ。重要な条件は、歪みを最小化するように、クラッド層の格子定数を、ＧａＮ基板の格子定数に密接に整合させなければならないことである。
【００３２】
したがって、ブロック１０４は、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層が、無極性または半極性ＧａＮ基板に密接に格子整合するように、ＧａＮ基板の無極性または半極性面上に、例えば第１の導電型を有する第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させる、実施例を示す。
【００３３】
ブロック１０６は、ブロック１０４のｎ型クラッド層上のＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮ活性領域の成長を表す。所望のｎ型ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮのクラッド厚さを達成した時点で、より多くのインジウムをウェル領域に取り込むように、反応器の温度設定点を１０℃から８０℃だけ減少させる。温度が設定点に到達した時点で、ＡｌＩｎＧａＮ障壁層を成長させる。所望の厚さを達成した時点で、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮ活性層の所望の組成を得るように、第ＩＩＩ族源の流速またはＮＨ３の流速を増大または減少させることができる。活性層（例えば、井戸層）を所望の厚さに成長させた後、通常は３ｎｍから１０ｎｍである障壁を頂部に成長させる。これは、ＳＱＷを形成する。例えば、ＡｌＩｎＮ（活性井戸層）／ＡｌＩｎＧａＮ（障壁）またはＡｌＩｎＧａＮ（活性層）／ＡｌＩｎＧａＮ（障壁）を成長させてもよく、また、ＭＱＷを形成するようにこの構造を繰り返すことができる。インジウム組成は、所望のλｐｅａｋを達成するように、１０％から３０％の範囲であり得る。可能なＭＱＷ構造を図２に示す。
【００３４】
図２（ａ）、２（ｂ）、および２（ｃ）は、ブロック１０４で成長させた第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層の無極性または半極性面上に、第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層２００として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップと；第１のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層２００の無極性または半極性面２０４上に、かつ３６０ｎｍ未満のピーク波長を有するエレクトロルミネセンスを放射する厚さ２０６および（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ組成に、ＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮまたはＡｌｘＩｎ１−ｘＮ量子井戸層２０２として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップと；ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層２０２の無極性または半極性面２１０上に、第２のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸障壁層２０８として、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つをエピタキシャルに成長させるステップであって、それによって、第１のＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮまたはＡｌｘＩｎ１−ｘＮ量子井戸障壁層２００と、第２のＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮまたはＡｌｘＩｎ１−ｘＮ量子井戸障壁層２０８との間に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ量子井戸層２０２を備える量子井戸構造を形成する、ステップを示す。図２（ａ）−（ｃ）において、構造は、４周期を有するＭＱＷを形成するように繰り返される。
【００３５】
図２（ａ）の実施例において、第１の量子井戸障壁層２００および第２の量子井戸障壁層２０８はどちらも、ＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮであり、量子井戸２０２は、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮである。図２（ｂ）の実施例において、第１の量子井戸障壁層２００および第２の量子井戸障壁層２０８はどちらも、ＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮであり、量子井戸２０２は、障壁層２００、２０８とは異なる組成（例えば、Ａｌｙ’Ｉｎｚ’Ｇａ１−ｙ’−ｚ’Ｎ）を伴う、ＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮである。図２（ｃ）の実施例において、第１の量子井戸障壁層２００および第２の量子井戸障壁層２０８はどちらも、ＡｌｙＧａ１−ｙＮであり、量子井戸２０２は、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮである。例えば、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮおよびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層２０２のうちの少なくとも１つを、１０％から３０％の範囲のインジウム組成を伴う発光デバイスとして成長させてもよい。
【００３６】
ブロック１０８は、ブロック１０６で成長させた活性領域上に、電子阻止層（ＥＢＬ）を成長させるステップであって、ＥＢＬの中の第ＩＩＩ族種の組成は、ＥＢＬと障壁との間で所望の伝導体オフセットを得るように調整される、ステップを表す。
【００３７】
ブロック１１０は、ブロック１０８で成長させたＥＢＬ層上に、ｐ型ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮクラッド層を成長させるステップを表す。所望のＥＢＬ厚さを達成した時点で、反応器の設定点温度を１０℃から８０℃だけ増大させる。次いで、ｐ型ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮ層を達成するように、Ｃｐ２Ｍｇを反応器の中に導入する。ｐ型合金の組成は、ｎ型合金の組成と同じである。したがって、ブロック１１０は、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つを、第２の導電型を有するＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層として、ブロック１０８のＥＢＬおよびブロック１０６の量子井戸構造上にエピタキシャルに成長させる実施例を示す。
【００３８】
次いで、ブロック１１２に表されるように、ブロック１１０で成長させたｐ型クラッド層上に、ｐ型ＧａＮ接触層を成長させる。例えば、接触層を形成するように、薄くかつ高度にマグネシウム（Ｍｇ）ドープしたｐ型ＧａＮ層を頂部に成長させてもよい。
【００３９】
反応器を冷却した時点で、ブロック１１４に表されるように、ブロック１１２で成長させたｐ型ＧａＮ接触層（Ｍｇドープ層）を活性化するために、窒化物デバイス（ブロック１１０−１１２で形成される）を備えるエピタキシャルウエハを除去して、７００℃で１５分間、水素欠乏雰囲気の中で焼鈍する。
【００４０】
次のステップでは、デバイスを製造する。ここでは、ＵＶ  ＬＥＤのためのプロセスを実施例として説明する。エピタキシャルウエハを焼鈍した時点で、ブロック１１６（ブロック１１４で活性化したｐ−ＧａＮ層上に、ｐ型接触層をパターン化する）に表されるように、ｐ型接触（ｐ−接触）をウエハ上にパターン化するために、フォトリソグラフィ技術を使用する。次いで、ブロック１１８（ｐ−接触金属を、ブロック１１６でパターン化したパターン化ｐ型ＧａＮ層上に蒸着して合金化する）に表されるように、金属合金を形成するように、ｐ接触金属（２０Å〜１００ÅのＮｉ／Ａｕ）を、電子ビーム蒸着器によって蒸着して、１〜１０分間、Ｎ２またはＮ２／Ｏ２雰囲気下で焼鈍する。次いで、ブロック１２０（ブロック１１４−１１８の結果によって生じるｐ型ＧａＮ接触層を部分的に除去する）に表されるように、ｐ−ＧａＮ接触層を、ドライエッチング技術によって少なくとも部分的に除去する。ブロック１２０のステップでは、図３に示されるように、ブロック１１４−１１８の結果によって生じる光吸収ＧａＮ層を除去し、ブロック１１０で成長させたｐ型クラッド層を露出させる。このステップの後、ブロック１２２に表されるように、ドライエッチングによって、ブロック１００−１２０の結果として生じる構造の中にメサを形成し、エッチングでブロック１０４のｎ型クラッド層を露出させる。次いで、ブロック１２４（ｎ型接触金属を、ブロック１０４で成長させ。ブロック１２２で露出させたｎ型クラッド層上に蒸着して合金化する）に表されるように、金属合金を形成するように、ｎ型接触金属（Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）を蒸着して、１〜１０分間、Ｎ２またはＮ２／Ｏ２雰囲気下で焼鈍する。次いで、ブロック１２６（ブロック１１８の合金化ｐ−接触金属およびブロック１２４の合金化ｎ−接触金属上に、それぞれ、接触パッド用の金属を蒸着する）によって表されるように、接触パッド用の金属を、電子ビーム蒸着器を使用して蒸着する。
【００４１】
次いで、ブロック１２８（基板を除去する）によって表されるように、典型的に、ブロック１００の基板を除去する。最後に、典型的に、フリップチップパッケージングを実施し、典型的に、鏡面反射器を、ブロック１２８の基板除去によって露出したデバイス側に蒸着する。
【００４２】
図３は、無極性または半極性ＧａＮ基板３１０上に製造した（例えば、成長させた）、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、および０≦ｙ＋ｚ≦１である、１つ以上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層３０２、３０４、３０６、および３０８を備える（例えば、ブロック１０４、１０６、１０８、および１１０で示される）、前述のステップを実施した後に得られる、最終的な光電子デバイス３００（例えば、ＬＥＤまたはＬＤ）の構造の実施例を示し、図中、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層３０２、３０４、３０６、および３０８は、無極性または半極性である（すなわち、層３０２、３０４、３０６、および３０８の成長表面が、ＩＩＩ族窒化物の無極性面（例えば、ｍ面またはａ面）または半極性面であるように、無極性または半極性方向に成長させる）。
【００４３】
全ての層３０２、３０４、３０６、および３０８は、少なくともいくらかのインジウムを含有する。ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層３０２、３０４、３０６、および３０８は、例えば、少なくともＡｌ、Ｉｎ、およびＮを含み得る。
【００４４】
例えば、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つ以上は、無極性または半極性ＧａＮ基板３１０に密接に格子整合され（例えば、無極性または半極性ＧａＮ基板３１０上のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づくｎ型クラッド層３０２）、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つ以上は、ｎ型伝導性のためにＳｉでドープされ（例えば、シリコンでドープされる、ｎ型クラッド層３０２）、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層のうちの１つ以上は、ｐ型伝導性のためにＭｇでドープされ（Ｍｇでドープされる、ｐ型クラッド層３０８）、複数のＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層３０２、３０４、３０６、および３０８は、１つ以上のヘテロ構造または１つ以上の量子井戸ヘテロ構造３０４（例えば、ｎ型クラッド層３０２上の、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ基づくＳＱＷまたはＭＱＷ３０４）を形成する。一実施例において、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ層３０４のうちの１つ以上のインジウム組成は、１０％から３０％の範囲である。
【００４５】
図３のデバイス３００はさらに、量子井戸層３０４上に、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づく電子阻止層（ＥＢＬ）３０６を備える。ＡｌｘＩｎ１−ｘＮまたはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮに基づくｐ型クラッド層３０８は、１つ以上のＥＢＬ３０６上にある。また、ｐ型クラッド層３０８上のｐ＋＋ＧａＮ接触層３１２、ｐ＋＋ＧａＮ接触層３１２に対する金属接触３１４、およびｎ型クラッド層３０２に対する金属接触３１６も示される。
【００４６】
層３０２は、典型的に、基板に密接に格子整合される。「密接に格子整合した」とは、成長した厚さにおいていかなる膜の緩和もないこととほぼ同じである。いかなる緩和もないことは、基板３１０からの転位以外の他の転位がないことを意味する。
【００４７】
したがって、図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、および３は、無極性または半極性ＧａＮ基板３１０上に成長させられる、少なくともＡｌ、Ｉｎ、およびＮを含有する１つ以上の発光層２０２、３０４を備える、光電子デバイス３００を示し、図中、発光層２０２、３０４は、無極性または半極性層である。
【００４８】
図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、および３はまた、第１の導電型（例えば、ｎ型であるが、これに限定されない）を有する第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２；第２の導電型（例えば、ｐ型であるが、これに限定されない）を有する第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０８；および、第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸障壁層２００の無極性または半極性面２０４上にエピタキシャルに成長させられる、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸層２０２と、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸層２０２の無極性または半極性面２１０上にエピタキシャルに成長させられる、第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸障壁層２０８とを備える、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造３０４を示し、（１）図中、量子井戸構造３０４は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造３０４が、第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２と第２の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０８との間にあるように、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層（例えば、第１の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２）の無極性または半極性面３１８上にエピタキシャルに成長させられ、量子井戸２０２は、３６０ｎｍ未満のピーク波長を有するエレクトロルミネセンスを放射する、厚さ２０６および（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ組成を有する。例えば、デバイス３００は、２８０ｎｍから３６０ｎｍの範囲のピーク放射波長を有する、発光デバイスであり得る。
【００４９】
（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２は、典型的に、基板３１０の無極性または半極性面３２０上に成長させられる。続いて基板３１０が除去された後であっても（例えば、図１のブロック１２８を参照のこと）、層３０２は、ＧａＮ上のエピタキシャル成長と関連する転位密度を保持する。その結果、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸構造３０４は、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２上にエピタキシャルに成長させられ、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２は、基板３１０が除去された後であっても、ＧａＮ（例えば、基板３１０）上にエピタキシャルに成長させられ、かつそれに密接に格子整合される、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層の低転位密度を有する。（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２は、１０６ｃｍ−２未満の転位密度を有し得、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層３０２（および／または層３０２と基板３１０との間の層、および／または層３０４、３０６、および３０８）は、横方向エピタキシャル過成長を含まない。
【００５０】
（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎの十分に低い転位密度および比較的に高いインジウム組成により、活性領域（発光領域）３０４は、１５％を超える発光デバイス３００のＩＱＥを達成することができ、これは、１０％未満のインジウム含有量（ｙ）を伴うＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ合金によって得られる値であった。したがって、１％を超える発光デバイス３００の外部量子効率を達成することが可能である。
【００５１】
概して、エッジ型転位および螺旋型転位等の転位は、非放射再結合場所を提供するトラップであることが公知である。転位が多くなることは、非放射再結合が多くなり、したがってＩＱＥが低くなることを意味する。したがって、外部量子効率は、低下する（外部量子効率＝ＩＱＥ×抽出効率）。
【００５２】
製造プロセスの詳細は、レーザダイオード等の他のＵＶ放出デバイスのために改良する必要がある。
【００５３】
本発明の有用性を高めるために、デバイスを、最小の可能な転位を有するバルクＧａＮ基板上に成長させることが重要である。バルクＧａＮ基板は、本質的に、自立型である厚いＧａＮである。一実施例は、サファイア上に成長させられる厚い（約３００μｍ）ＧａＮであり、次いで、サファイア基板からリフトオフされる。
【００５４】
しかしながら、ＧａＮ基板は、３６０ｎｍより低い放射波長に対する吸収層である。したがって、ブロック１２８に表されるように、光抽出を向上させるように、ＧａＮ基板を除去することが必要である。ＧａＮ基板は、ラッピング、研摩、およびドライエッチングプロセスによって除去することができる。よって、鏡面反射器を伴うフリップチップパッケージング（ブロック１３０に表される）は、前述のＬＥＤ等の発光デバイスからの光抽出を最大化することができる。
【００５５】
（可能な変形例）
前述のデバイスに対する成長仕様は、ＭＯＣＶＤによる無極性および半極性ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮ層のヘテロエピタキシャル成長を利用したが、本発明は、あらゆる成長技術を使用することができる。例えば、無極性および半極性ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮはまた、適切な成長条件を伴う分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）によって成長させられ得る。
【００５６】
ＧａＮ基板を除去するために、ドライエッチング技術を使用する代わりに、ｎ型クラッド層の成長の前に、非常に薄いＩｎＧａＮ層を蒸着することができる。デバイスを成長させた後、ＩｎＧａＮ層は、ＵＶ光源を使用する光電気化学（ＰＥＣ）エッチングによってエッチングで除去することができる。
【００５７】
前述の成長プロセスは、単に事前の実験に基づく１つの一組の可能な成長条件に過ぎない。無極性および半極性ＡｌＩｎＮおよびＡｌＩｎＧａＮ層を成長させるために、ガス流、成長圧力、および成長温度等の成長条件をさらに調査することができる。ＡｌＩｎＮの成長に関するさらなる情報は、［６］に見出すことができる。
【００５８】
（利点および改良点）
既存の実行法は、表面がＧａ（Ａｌ）面またはかＮ面である、ｃ面サファイアまたはＳｉＣ基板上に、ＡｌＧａＮに基づくＵＶ放出デバイスを成長させるものである。ｃ方向に垂直な面は、大きい電気陰性度差のため、自発分極を有する。したがって、異なる分極の多層間の界面は、本質的に分極電荷を構築して、内部電場をもたらす。この電場は、活性層等の薄い層に対してかなり大きくなる可能性があり、エネルギー帯構造を変化させる。基板と後続の層（ＡｌＮおよびＡｌＧａＮ）との間の格子不整合は、圧電分極を導入し、帯域構造をさらに変化させ得る。
【００５９】
本発明は、自発および圧電の両方の分極を最小化したデバイス構造を説明する。自発分極は、無極性または半極性結晶配向のデバイスを成長させることによって減少する。さらに重要なことに、圧電分極の低減は、ＧａＮ基板に密接に格子整合されるＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮクラッド層を成長させることによって達成される。量子井戸層だけが、わずかに圧縮歪みを受ける。格子整合状態はまた、クラッド層と基板との間の界面から生じるいかなる付加的な転位もないことを意味する。したがって、ＱＣＳＥ効果および転位密度の両方の低減は、より高いＩＱＥをもたらす。改良された結晶品質はまた、ＵＶ領域における高出力および高効率のＬＤを実現できることを意味する。無極性および半極性バルクＧａＮ基板が、高い結晶品質で利用可能であるので、本発明で説明される新しい構造は、現在利用可能である最先端技術のＵＶ放出デバイスよりも効率的であることが予期される。
【００６０】
【化１】
2012507874.tif 000003
【００６１】
【化２】
2012507874.tif 000004
（結論）
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。本記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。
【図１】
2012507874.tif 000005
【図２】
2012507874.tif 000006
【図３】
2012507874.tif 000007
【国際調査報告】
2012507874.tif 000008