JP2002314129A - Iii族窒化物デバイスのための窒化ガリウムインジウム平滑構造 - Google Patents
Iii族窒化物デバイスのための窒化ガリウムインジウム平滑構造Info
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Abstract
I族窒化物発光デバイスの基板と活性領域の間に、イン
ジウムを含む平滑構造を形成する。 【解決手段】 いくつかの実施形態において、平滑構造
は、典型的にはインジウムを含有しないスペーサ層によ
って活性領域から分離された単一の層である。平滑層
は、活性領域より低いインジウム組成を含み、典型的に
は、活性領域より高い温度で沈積される。スペーサ層
は、典型的には、反応器内の温度を平滑層沈積温度から
活性領域沈積温度へ低下させる間に沈積される。他の実
施形態においては、表面特性を向上させるために、勾配
がつけられた平滑領域が用いられる。平滑領域は、勾配
がつけられた組成、勾配がつけられたドープ剤濃度、及
びその両方を有することができる。
Description
在のところ利用できる最も効果的な光源の一つである。
可視スペクトルの全域にわたって作動可能な高輝度の製
品において現在関心を呼んでいる材料系は、III−V族
半導体、特に、III族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウ
ム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の2元、3元
及び4元合金である。典型的には、III族窒化物層は、
サファイア、炭化ケイ素、或いは窒化ガリウム基板上に
エピタキシアル成長される。サファイア基板は、サファ
イアの広い利用可能性、六方晶の対称性、及び取り扱い
と成長前の洗浄の容易さのために、III族窒化物層との
構造的及び熱的適合性が不十分であるにもかかわらず、
しばしば用いられている。例えば、S.Strite、
H.Morkoc著、1992年7月/8月発行「A
review、J.Vac.Sci.Technol.
B10(4)」1237ページの「GaN、AlN、
and InN」を参照されたい。
高い信頼性のデバイスのような良好な性能を保証するた
めに、層界面の特性を注意深く考慮しなければならな
い。活性領域の下及び活性領域内の層界面は、特に重要
である。層界面の品質は、次々に層が被着される成長面
の条件によって制御される。成長面のよくない品質につ
ながる条件には、基板表面の清浄度、基板表面の誤配
向、不十分な成長条件、及び不純物がある。
を達成するための一つの方法は、GaNの厚い層を、高
温(約1100℃)及び高いV族対III族のモル濃度気
体位相濃度比で成長させることである。このような方法
で成長されるGaN層は、GaN層が粗い面を成長させ
すぎる標準の成長条件の下で成長されるGaN層と比べ
て、高い横方向−垂直方向成長率比を有し、また、該G
aN層上で成長される後に続くデバイス層の成長のため
の平滑面を提供する。しかしながら、平坦で平面の表面
を達成するためには、この方法で成長されるGaN層
は、厚くなければならず、長い成長時間を必要とする。
さらに、LED又はレーザーダイオード内のIn含有の
活性領域は、上述の方法によって提供されることができ
る条件とは異なる、表面平滑度条件を必要とする場合が
ある。
域での成長に備える、インジウム含有平滑構造が、III
族窒化物発光デバイスの基板と活性領域との間に形成さ
れる。いくつかの実施形態において、平滑構造は、スペ
ーサ層によって活性領域から分離されており、また、該
平滑構造は、少なくとも200オングストロームの厚さ
で、活性領域の0.5ミクロン以内である。第1の実施
形態において、平滑構造は、スペーサ層より高濃度にド
ープされた単一の層である。第2の実施形態において、
スペーサ層は、デバイスの活性領域内の障壁層より薄
い。第3の実施形態において、平滑層は、誤配向された
基板と協働して使用される。本発明の平滑構造は、平滑
構造の上に成長される層、特に活性領域の表面特性を向
上させることができる。
む平滑構造が、望ましい表面特性を有するIII族窒化物
エピタキシアル層を成長させるために、III族窒化物デ
バイスに組み込まれる。いくつかの実施形態において、
スペーサ層が平滑構造を活性領域から分離する。ここで
用いられているようなIII族窒化物半導体層は、 という一般式で表される化合物を指し、該化合物は、ホ
ウ素及びタリウムのようなIII族元素をさらに含むこと
ができ、また、該化合物の窒素の一部をリン、ヒ素、ア
ンチモン或いはビスマスに置き換えることができる。
I族窒化物LEDの断面を示す。n型領域12が、サフ
ァイアのような基板11の上に形成される。平滑層14
は、n型領域12の上に形成される。基板が最下層にな
る方向にLEDを見ると、平滑層は、典型的には、活性
領域の下方、該活性領域の5000オングストロームの
範囲内に配置されるn型層である。平滑層は、約200
オングストロームから数ミクロンまでの範囲にわたる厚
さを有することができる。平滑層14は、活性領域16
よりも低いインジウム組成を有する。典型的には、平滑
層14は、2から12%までの範囲のインジウムを含む
InGaN層である。好ましい実施形態において、平滑
層は、2から6%のインジウムを含む。
14から分離する。スペーサ層15は、典型的には、I
nを含まず、例えばGaN又はAlGaNとすることが
できる。活性領域16は、典型的には、5から50%の
間のインジウム組成と、0から50%の間のアルミニウ
ム組成とを有するAlInGaN又はInGaNの多重
量子井戸構造である。p型領域17が活性領域の上に形
成される。pコンタクト19がp型領域17の上面上に
形成され、nコンタクト18がn型領域12の露出部分
上に形成される。或いは、図2に示すように、nコンタ
クト18は、平滑層14の露出部分上に形成される。
帯端エネルギーの相対的な位置を示す。図3に示すよう
に、平滑層14がインジウムを含むので、n型領域12
及びスペーサ層15より小さいバンドギャップを有す
る。平滑層14のバンドギャップは、活性領域16のバ
ンドギャップより大きい。スペーサ層15の高いバンド
ギャップと小さい厚さは、活性領域から発せられる光の
スペーサ層における吸収を最小限にする。活性領域より
高い平滑層14のバンドギャップは、活性領域から発せ
られる光の該平滑層における吸収を減少させる。
は、スペーサ層よりずっと高濃度にドープされる。平滑
層は、例えば2e17cm-3と2e19cm-3の間の濃
度までSiがドープされる。第1の実施形態において、
スペーサ層はn型であり、例えば無ドープと2e18c
m-3の間の濃度までSiがドープされる。第1の実施形
態において、スペーサ層は、約10オングストロームか
ら1ミクロンの範囲にわたる厚さを有し、典型的な厚さ
は150から200オングストロームである。スペーサ
層の成長は、例えば温度のような成長条件が、平滑層の
成長条件から活性領域の成長条件まで調整されるのを可
能にする。スペーサ層の厚さは、活性領域の成長のため
の製造中に成長条件を安定させるために十分厚く、ま
た、平滑層の上に成長される半導体層の表面特性につい
ての該平滑層の有益な効果を減少させないために十分薄
くするように最適化される。
12よりも低いドープ剤濃度を有し、したがって、該ス
ペーサ層は、活性領域内に電流が均一に広がるのを助け
ることができる、より抵抗性のある層であり、電流がn
コンタクトとpコンタクトの間の最短経路内に過密にな
るのを防ぐ。スペーサ層の厚さは、該スペーサ層がデバ
イスの順電圧を著しく増加させないように、該スペーサ
層のドープ剤濃度に基づいて選択される。
域、スペーサ層及び平滑層を示す。デバイスの活性領域
16は、典型的には、2つ又はそれ以上の井戸層50を
分離している、少なくとも1つの障壁層51を有する多
重量子井戸構造である。4つの井戸及び3つの障壁が示
されているが、活性領域は、より多くの、或いはより少
ない井戸層及び障壁層を有することができ、或いは、単
一の量子井戸活性領域とすることができる。第2の実施
形態において、スペーサ層15は、障壁層の厚さよりも
薄い。障壁層51は、厚さ25オングストロームから1
ミクロンの範囲にわたることができ、典型的には、約1
00から150オングストロームの厚さである。したが
って、第2の実施形態において、スペーサ層は、典型的
には、約100から約150オングストロームまでの範
囲にわたる厚さを有する。スペーサ層が厚くなるに従
い、該スペーサ層の下にある平滑層が、該平滑層の上に
成長する層の表面特性に対して与えることができる影響
が小さくなるので、活性領域内の障壁層より薄いスペー
サ層を形成することは有益である。
スカットされた基板上で成長されるデバイスに組み込ま
れる。このようなデバイスは、デバイス性能において、
一層の向上を示す場合がある。ミスカットされた基板
は、成長を開始する第1面が、例えばサファイアの(0
001)c平面のような主要な結晶面から小さな角度だ
け配向がそれるように方位付けられる。ミスカット基板
は、III族窒化物を含むいくつかの材料系において、種
々の目的で用いられてきた。しかしながら、本発明によ
れば、図13に示すように、平滑層とミスカット基板の
組み合わせは、どちらか単独の場合よりも、デバイス性
能の大きな向上に結びつくことがある。平滑層とミスカ
ット基板の組み合わせが行われた場合、ミスカットの大
きさは重要である。一般に、平滑層の厚さ、組成、及び
n型領域のドープ剤濃度に依存する最適なミスカット角
度があると予想される。また、最適なミスカット角度は
また、成長条件にも依存する場合がある。原則として、
ミスカット基板と平滑層の組み合わせは、サファイア、
炭化ケイ素及びGaNを含む全ての基板に対して有効で
ある。サファイアの(0001)c平面から0.2から
2度の範囲だけ外れてミスカットされたサファイア基板
上に成長されるデバイスにおいて、向上したデバイス性
能が観察された。
れる。第4の実施形態において、平滑構造は、勾配平滑
領域60である。勾配平滑領域60は、インジウム組成
又はアルミニウム組成のような組成に勾配を付けるこ
と、ドープ剤濃度に勾配を付けること、或いは組成勾配
とドープ剤濃度勾配の両方を有するものとすることがで
きる。勾配平滑領域60を組み込むデバイスは、勾配平
滑領域と活性領域の間に一定の組成及び一定のドープ剤
濃度のスペーサ層を含んでもよく、或いは含まなくても
よい。勾配平滑領域との組み合わせにおいて、スペーサ
層は、例えば、GaN、AlGaN、InGaN又はA
lInGaNをドープすることができ、或いは無ドープ
とすることができる。典型的には、勾配平滑領域の或る
部分は、インジウムを含む。
は、組成及び/又はドーパンント濃度の単一段階以外の
組成及び/又はドープ剤濃度の変化を度のような形でで
も達成する、あらゆる構造を含む意味で用いられる。一
つの例において、勾配平滑領域は、層の堆積であり、各
々の層は、隣接するいずれの層とも異なる組成及び/又
はドープ剤濃度を有する。層が分解可能な厚さである場
合、勾配平滑領域は、階段勾配領域又は割り当て勾配領
域として知られる。それぞれの層の厚さがゼロに近づく
限界において、勾配平滑領域は、連続的勾配領域として
知られる。勾配平滑領域を構成している層を、限定的で
はないが、直線勾配、放物線勾配、及び累乗法則勾配を
含む、組成及び/又はドープ剤の濃度対厚さに関して種
々の形状を形成するように配置することができる。ま
た、勾配平滑領域は、ただ一つの勾配形状に限定される
ものではなく、種々の勾配形状を有する部分、及びほぼ
一定の組成及び/又はドープ剤濃度領域を有する1つ又
はそれ以上の部分を含むことができる。
の層、及び、図5の勾配平滑領域60においてインジウ
ム組成勾配を有する5つのデバイスの層におけるインジ
ウム組成を示す。デバイスAは、図1及び図2に示すデ
バイスである。デバイスAにおいて、n型領域12はイ
ンジウムを有さず、平滑層14はいくらのインジウムを
含み、スペーサ層15はインジウムを有さず、活性領域
はインジウムの豊富ないくつかの井戸層を有する。
内の勾配インジウム組成、及び勾配平滑領域を活性領域
から分離する一定の組成のスペーサ層を有する。デバイ
スBにおいて、n型領域12はインジウムを含まない。
勾配平滑領域60において、インジウム組成は、該平滑
領域60にわたって徐々に増加される。例えば、成長中
のインジウム含有先駆気体の流量とガリウム含有先駆気
体の流量との比を徐々に増加させることによって、或い
は、インジウム及びガリウム含有先駆気体の流量比を一
定に維持しながら成長温度を徐々に低くすることによっ
て、インジウム組成を増加させることができる。デバイ
スCにおいて、インジウム組成は、初めに急に増加し、
次いで、勾配平滑領域60を通って徐々に減少する。例
えば、成長中に、インジウム含有先駆気体の流量とガリ
ウム含有先駆駆気体の流量との比を徐々に減らすことに
よって、及び/又は成長温度を徐々に上げることによっ
て、インジウム組成を減少させることができる。インジ
ウム組成は、デバイスB及びCにおいて、例えば0%か
ら約12%まで変化することができる。スペーサ層15
は、活性領域に隣接し、インジウムをほとんど或いは全
く含まない。デバイスDにおいて、インジウム組成は、
勾配平滑領域60の第1の部分において増加し、それか
ら、勾配平滑領域の第2の部分を通って一定に保たれ
る。
る、一定の組成及びドープ剤濃度のスペーサ層を有さな
い。スペーサ層を組み込まないデバイスは、必ずしもス
ペーサ層を組み込むデバイスより厚い勾配平滑領域を有
しない。デバイスEにおいて、勾配平滑領域60の低い
部分は、一定のインジウム組成を有する。次いで、平滑
領域の高い方の部分におけるインジウム組成は、例え
ば、勾配平滑領域の低い部分において約12%から、活
性領域に隣接する平滑領域の部分において0%まで減少
する。上述のように、成長中にインジウム含有先駆気体
の流量とガリウム含有先駆気体の流量との比を減らすこ
とによって、及び/又は成長中の温度を上げることによ
って、勾配平滑領域におけるインジウム組成は減少され
る。デバイスFにおいて、勾配平滑領域の第1の部分
は、増加するインジウム組成を有し、第2の部分は、一
定のインジウム組成を有し、第3の部分は、減少するイ
ンジウムの組成を有する。
平滑領域60における可能な組成勾配の例にすぎず、こ
れらの層の組成に勾配をつけることができる、本発明に
よる全ての方法を表すことを意図したものではない。当
業者には明らかなように、他の多くの組成勾配の構成が
可能である。例えば、組成勾配は、直線状である必要は
なく、例えば放物線状であってもよい。さらに、スペー
サ層を有し、或いは有さないで、かつ、ドープ剤濃度勾
配、又はインジウム以外のIII族元素の組成勾配を有し
或いは有さないで、上述したあらゆる組成勾配の構成を
実現することができる。
配により、いくつかの利点を提供することができる。勾
配組成領域を、勾配バンドギャップ及び隣接する層の間
の圧電電荷の双方によって、デバイスのバンド構造を設
計するように用いることができる。反応器の温度及び先
駆気体流量のような工程条件を、勾配領域を通って徐々
に調整することができるので、勾配組成領域はまた、隣
接する層の間の工程条件を変えるための、成長中断の必
要性も排除する。成長中断は、不純物の蓄積、結晶性欠
陥の形成、及び、層の間の界面における表面腐食を引き
起こす可能性があり、勾配領域による成長中断の除去
は、成長工程を単純化するだけでなく、界面での問題を
排除することによって、キャリアの制限を減少し、効率
的にキャリアを捕らえるデバイスの性能を向上させる。
組成的に勾配をつけられた平滑領域は、活性領域によっ
て発せられた光の吸収を最小限にするために設計される
べきである。平滑領域内の最小のバンドギャップエネル
ギーは、活性領域から発せられる光の光子エネルギーよ
り大きいことが好ましい。
に、平滑領域60のドープ剤濃度に勾配を付けることが
できる。図6Bは、ドープ剤濃度の勾配を有しない1つ
のデバイス、及び、ドープ剤濃度の勾配を有する5つの
デバイスを示す。デバイスAは、第1の実施形態におい
て説明されたようなデバイスである。n型領域12は、
高濃度にドープされ、平滑層14は、n型領域12より
低濃度にドープされ、スペーサ層15は、平滑層14よ
り低濃度にドープされる。各々のn型領域12、平滑層
14及びスペーサ層15は、ほぼ均一なドープ剤濃度を
有する。
一なドープ剤濃度を有し、それからドープ剤濃度は、勾
配平滑領域60を通って徐々に減少する。デバイスB
は、勾配平滑領域60と活性領域(図示せず)の間に、
一定のドープ剤濃度を有するスペーサ層を含む。デバイ
スC、D、E及びFにおいて、勾配平滑領域60を活性
領域(図示せず)から分離するスペーサ層はない。デバ
イスCにおいては、ドープ剤濃度は、急に減少し、次い
で、勾配平滑領域60において徐々に増加する。デバイ
スDにおいては、ドープ剤濃度は、初めに平滑領域の第
1の部分で徐々に減少し、次いで、活性領域に隣接する
勾配平滑領域の第2の部分において一定に保たれる。デ
バイスEにおいて、ドープ剤濃度は、初めに急に減少
し、次いで、平滑領域の第1の部分にわたり一定に保た
れ、次いで、活性領域に隣接する平滑領域の第2の部分
にわたって徐々に増加する。デバイスFにおいて、平滑
領域の第1の部分において徐々に減少し、次いで、平滑
領域の第2の部分において一定に保たれ、次いで、活性
領域に隣接する平滑領域の第3の部分において徐々に増
加する。
滑領域60において可能なドープ剤濃度勾配の例にすぎ
ず、これらの層のドープ剤濃度に勾配をつけることがで
きる、本発明による全ての方法を示すことが意図されて
いるものではない。例えば、ドープ剤濃度は、図6Bに
示すように直線状である必要はない。また、上述したあ
らゆるドープ剤濃度の勾配構成を、スペーサ層を有して
或いはスペーサ層を有さないで、及び、組成勾配を有し
て或いは有さないで、実現することができる。勾配平滑
層60のドープ剤濃度に勾配をつけることで、LED又
はレーザーダイオードの順電圧を減少させるために、工
程の簡略化或いは圧電電荷の補償のような利点を提供す
ることができる。
示す。図6A及び6Bに示す勾配形状は、図6Cにおけ
る勾配形状Aに示されるように、直線状である必要はな
い。また、勾配形状は、勾配形状Bにおいて示されるよ
うな放物線状の輪郭、或いは勾配形状Cにおいて示され
るような階段状の形状のような非線形の単調な形状とす
ることもできる。
びFにおいて示されるように、単調ではない超格子構造
とすることができる。勾配超格子においては、勾配平滑
領域を構成する層は、層の移動平均組成及び/又はドー
プ剤濃度が、非超格子領域について上述したのと同様に
勾配平滑領域の厚さに沿って変化するような形態で、体
系的に交互に配される。超格子勾配形状E及びFは、組
成の勾配に適しており、形状D、E及びFは、ドープ剤
濃度の勾配に適している。超格子D、E及びFにおいて
は、異なる勾配形状を有する複数の組の層が交互に配さ
れる。勾配形状D、E及びFにおけるこの層の組を、任
意に「1」及び「2」と名付ける。形状Dにおいては、
ドープ剤濃度は、第1の組の層(「1」と標記された)
において増加する。第1の組の層は、一定のドープ剤濃
度を有する第2の組の層(「2」と標記された)と交互
に配される。形状Eにおいては、ドープ剤濃度又はイン
ジウム組成は、第1及び第2の層双方において増加す
る。しかしながら、第1の組の層は、第2の組の層と異
なる組成又はドープ剤濃度の範囲にわたって増加してお
り、このように、全体の構造は単調でない。輪郭Fにお
いて、ドープ剤濃度又はインジウム組成は、第1の組の
層において減少し、第2の組の層においては増加する。
造は、合成の超格子、すなわち、異なる組成を有するG
aNベースの材料からなる薄い層の一つ置きの堆積であ
る。図7は、第5の実施形態による平滑超格子を示す。
超格子は、高インジウム組成材料及び低インジウム組成
材料の交互の層14a及び14bからできている。高I
n組成層14aは、例えば、約10から約30オングス
トロームの厚さであり、約3から12%までの間のイン
ジウム組成を有する。低In組成層14bは、例えば、
約30から約100オングストロームの厚さであり、0
から6%の間のインジウム組成を有する。
平滑度を達成するために、デバイスに、いくつかの平滑
層を組み入れることができる。図8は、図1、図2及び
図5のn型領域12の一例をより詳細に示す。n型領域
12は、基板11の上に形成される核生成層12aを含
むことができる。約0.5μmの厚さを有する無ドープ
のGaN層12bが、核生成層12aの上に重なる。ド
ープされたGaN層12c及び12dは、無ドープ層1
2bの上に重なる。層12cは、約1μmの厚さ及び約
1e18cm-3のn型ドープ剤濃度を有する、適度にド
ープされたGaN層である。層12dは、約2μmの厚
さ及び約1e19cm-3のドープ剤濃度を有する、より
高濃度にドープされた層のコンタクト層である。付加的
なインジウム含有平滑構造を、層12aと12bの間、
層12bと12cの間、及び層12cと12dの間に、
或いはいずれの層の中に配置することができる。デバイ
スの層の間の界面に、或いはデバイスの層の中に、多数
の平滑層を組み込んでいる実施形態において、少なくと
も100オングストロームのIII族窒化物材料が、平滑
層を分離するのが好ましい。
いは他のあらゆる適当な基板のような基板11の片側或
いは両側を研磨し、次に、この基板を種々の清掃を伴っ
て成長のため準備することによって、図1に示されるデ
バイスを製造することができる。そして、GaNベース
の半導体層12、14、15、16及び17は、金属−
有機化学蒸着、分子ビームエピタキシー、或いは他のエ
ピタキシアル技術によって、基板11上にエピタキシア
ル成長される。この基板は、反応器内に配置され、トリ
メチルガリウム及びアンモニアのような、基板の表面で
反応してGaNを形成する先駆気体が導入される。初め
に、AlN、GaN或いはInGaNのようなIII族窒
化物核生成層を、基板11の上で成長させることができ
る。そして、例えば、Si、Ge、又はOをドープされ
たn型領域12が、核生成層の上で製造される。n型領
域12は、典型的には、約1050℃で形成される。
排除し、次いで、トリメチルインジウム、トリエチルガ
リウム及びアンモニアを反応器へ導入することによっ
て、第1、第2或いは第3の実施形態による平滑層14
を形成することができる。平滑層14は、n型領域(約
1050℃で成長する)より低い温度で、また、活性領
域(700から900℃の間で成長する)より高い温
度、例えば960℃で成長する。活性領域よりも高い温
度における平滑層の形成は、典型的には、平滑層に、そ
の結果、該平滑層の上に成長される層に、より良い表面
特性を生じさせる。平滑層の成長が終わった後、インジ
ウム含有気体は排除され、GaN又はAlGaNスペー
サ層15が形成される。スペーサ層15の第1の部分
は、平滑層の成長温度から活性領域の成長温度、通常
は、700から900℃の間まで、温度が下がる間に形
成される。スペーサ層15の第2の部分は、活性領域の
成長温度で製造され、活性領域の成長のための成長温度
を安定させる。
領域は、図6A及び図6Bに関して説明されるように、
上述の工程条件を変えることによって成長する。例え
ば、インジウム組成の勾配平滑領域を、温度、及び/又
は成長中の、インジウム含有先駆気体対ガリウム含有先
駆気体の流量比を徐々に変えることによって、成長させ
ることができる。ドープ剤濃度の勾配領域を、成長中
の、ドープ剤含有気体の流量対III族含有気体の流量比
を徐々に変えることによって、成長させることができ
る。スペーサ層が成長を終えると、インジウム及びガリ
ウム含有先駆気体は、活性領域16の井戸及び障壁層を
形成するように調整される。層の組成を、インジウム及
びガリウム含有先駆気体の流量比のような他の工程条件
によって制御することができるが、成長温度は、どれだ
けの量のインジウムが層に組み込まれるかということに
影響を及ぼす。一般的には、温度が高くなるほど、イン
ジウムが組み込まれる量が少なくなる。典型的には、平
滑層14及び活性領域16は両方ともインジウムを含む
ので、デバイスがスペーサ層を含まない場合は、適当な
インジウム組成で活性領域16を形成するため、平滑層
14の形成の後、反応器を冷却するために成長を停止さ
せなければならない。反応器を冷却するために成長を停
止することによって、平滑層の表面で不純物の累積或い
は表面腐食が生じる場合があり、平滑層及びその後に続
く層の表面特性とデバイス性能を損なう可能性がある。
が追加され、及び/又は取り除かれて、例えばMgがド
ープされたAlGaN又はGaNのp型領域17が形成
される。導電性又はオーム接触の形成を最適化すること
ができるp型層を、p型領域17内に形成することがで
きる。後からpコンタクトを形成することになるp金属
化層が、半導体層の上に堆積される。デバイスは、パタ
ーン付けされ、p金属化層、p型半導体層、活性領域及
びn型半導体層は、エッチングにより除去されて、n型
領域12の一部が露出する。次いで、nコンタクトが、
露出したn型領域の露出された部分の上に堆積する。図
2に示す別の実施形態においては、エッチングはn型領
域12を貫通せず、むしろ、n型平滑層14の一部を露
出する。この実施形態において、nコンタクトは、平滑
層14の上に形成される。n及びpコンタクトは、例え
ば、Au、Ni、Al、Pt、Co、Ag、Ti、P
d、Rh、Ru、Re及びW、或いはそれらの合金であ
ってもよい。
は、いくつかの利点を提供することができる。第1に、
平滑構造を用いることによって、望ましくない三次元の
島状成長が始まった後でさえ、平滑半導体表面の二次元
のステップ−フロー型成長を回復することができる。三
次元の島状成長は、基板表面の大きな誤配向、不十分な
表面処理、又は、ケイ素注入のような結晶性転位の密度
を減少させるように設計された成長開始段階によって引
き起こされる可能性がある。上述のように、表面の形態
は、デバイスの性能に影響を有し、よって、平滑構造
は、III族窒化物LEDの効率と信頼性の両方を高める
ことができる。
から2度)を有する誤配向された基板上に成長され、ま
た、平滑層を有し及び平滑層有さずに成長されるLED
の外部量子効率を示す。サファイアの(0001)面上
で成長されるGaNが、他の表面のサファイア上で成長
されるGaNに対して優れた結晶性を示すので、GaN
ベースの半導体層は、典型的には、サファイアの(00
01)c平面上で成長される。もし、サファイア基板の
GaN成長面が、(0001)面から著しく誤配向さ
れ、かつ、デバイスが平滑層を有さない場合、エピタキ
シアル成長されるGaN層の表面特性、及びデバイスの
性能は、劣るものとなる可能性がある。図9は、誤配向
された基板上の成長に起因する、不十分なデバイス性能
を排除するための平滑層の能力を示す。平滑層を有して
成長されるデバイスは、平滑層を有さずに成長されるデ
バイスよりずっと効率がよい。
を有することは、結果物であるデバイスの輝度を増加さ
せる。図10は、InGaN平滑層を有し及び平滑層を
有さずに製造されるデバイスの相対的効率を示す。三角
は、InGaN平滑層を有するデバイスを示し、円は、
InGaN平滑層を有さないデバイスを示す。図10に
示すように、InGaN平滑層を有することによって、
InGaN平滑層を有さない同じ色のデバイスの約2倍
効率的なデバイスが製造される。
復する平滑層の能力は、ケイ素注入上の平滑層の効果を
示す図11A及び図11Bによって示される。ケイ素注
入は、GaN層における広範な構造的欠陥を減少させる
方法として、提案されてきた。成長中、GaN層は、S
iNとしてGaNの表面上堆積することができるシラン
にさらされる。成長が再び始まると、結果物であるGa
Nは、ほんの少しの転位しか有しない。しかしながら、
ケイ素注入は、三次元の島状成長に通じる可能性があ
る。図11A及び図11Bは、LED多重量子井戸(M
QW)構造に対し原子間力顕微鏡測定から得られた顕微
鏡写真である。両方の場合において、活性領域の下の表
面は、ケイ素注入にさらされていた。図11Bは、平滑
層を有さないMQW活性領域を示す。ケイ素注入は、非
常に粗い面を生じさせることになる三次元の島状成長を
引き起こしてきた。図11Aは、類似しているがSi注
入層とMQWの間に平滑層を有するMQW構造を示す。
MQWの下の平滑層は、低温のIII族窒化物の平坦な二
次元成長を回復させてきた。このように、本発明による
平滑構造は平滑界面を提供するので、Si注入技術によ
って達成されたような欠陥密度の減少の利益を、LED
構造のために利用することができる。Siが注入された
2つのMQW構造のルミネセンス効率は、表1に示され
る。表1
で成長する平滑層を含む。第1の構造は、明るいルミネ
センスを示す。第1の構造の光強度が、100パーセン
トまで正規化された。第2の構造は、Si注入されてお
り、平滑層を含まなかった。ルミネセンス効率は、激し
く減少している。
るIII族窒化物層が成長可能な温度範囲を広げることが
できる。通常は、高温の場合は一般的に望ましくない六
方晶の表面特徴に結びつき、低温の場合はくぼみの形成
がなされるので、GaN又はAlGaNのMOCVD成
長は、狭い温度領域に制限される。最後に、平滑層は、
デバイスの製造を非常に複雑にすることなくIII族窒化
物層の成長を可能にする。
EDは、画素要素として赤色、緑色及び青色LEDを使
用するカラーディスプレイに特に適している。このよう
なディスプレイは周知であり、図12に示される。周知
の回路によって選択的に照らされて画像を表示する表示
パネルは、赤色、緑色及び青色LEDの列をそれぞれ有
する。図12において、簡略にするために3つの画素だ
けが示されている。一つの実施形態において、各々の原
色は、縦列状に配列される。他の実施形態において、各
々の原色は、三角形のような他のパターンで配列され
る。LEDを、LEDディスプレイを背面から照らすた
めに使用することができる。さらに、本発明によって形
成される青色又はUVを発するLEDを、種々の蛍光物
質と組み合わせて使用し、白色光を生成することができ
る。
きたが、その広い態様において本発明から逸脱すること
なく変更及び修正を加えることができること、よって、
添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神と範囲に入
る全てのこのような変更と修正をその範囲に含ませるべ
きであることが、当業者には明らかであろう。例えば、
本発明の平滑構造は、発光装置(例えば、LED及びレ
ーザーダイオード)に限定されるものではなく、光検出
器、電子装置、バイポーラトランジスタ、及び、高電子
移動電流効果トランジスタのような、界面品質が重大な
デバイスに適用することができる。
を有するLEDを示す。
EDを示す。
を示す。
層、及び平滑層を示す。
す。
デバイスのインジウム組成を示す。
有さないデバイスのドープ剤濃度を示す。
な外部量子効率を示す。
的な外部量子効率を示す。
の多重量子井戸活性領域の表面顕微鏡写真を示す。
の多重量子井戸活性領域の表面顕微鏡写真を示す。
いるディスプレイを示す。
を有するデバイスの相対的な外側量子効率を示す。
Claims (27)
- 【請求項1】 基板と、 前記基板の上に重なるn型領域と、 前記n型領域の上に重なる活性領域と、 少なくとも200オングストロームの厚さであり、前記
基板と前記活性領域との間に配置される、インジウムを
含む平滑層と、 前記平滑層と前記活性領域との間に配置されるスペーサ
層と、を備え、 前記平滑層が、前記スペーサ層より高いドープ剤濃度を
含み、前記平滑層の表面が、前記活性領域の表面から1
ミクロンの半分未満の位置に配置されることを特徴とす
るIII族窒化物発光デバイス。 - 【請求項2】 前記平滑層に結合されるnコンタクトを
さらに含むことを特徴とする請求項1に記載の発光デバ
イス。 - 【請求項3】 前記スペーサ層が、無ドープから約2e
18cm-3までの範囲にわたるn型ドープ剤濃度を有す
ることを特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 - 【請求項4】 前記平滑層が、約2e17cm-3から約
2e19cm-3までの範囲にわたるn型ドープ剤濃度を
有することを特徴とする請求項1に記載の発光デバイ
ス。 - 【請求項5】 前記平滑層が、約2から約12パーセン
トまでの間のIn組成を有するInGaNであることを
特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 - 【請求項6】 前記平滑層にSiがドープされることを
特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 - 【請求項7】 前記スペーサ層が、約10オングストロ
ームからおよそ1ミクロンの半分までの厚さを有するこ
とを特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 - 【請求項8】 前記平滑層が、約200オングストロー
ムから約4ミクロンまでの厚さを有することを特徴とす
る請求項1に記載の発光デバイス。 - 【請求項9】 前記平滑層が前記スペーサ層に隣接する
ことを特徴とする請求項1に記載の発光デバイス。 - 【請求項10】 前記スペーサ層がGaN又はAlGa
Nであることを特徴とする請求項1に記載の発光デバイ
ス。 - 【請求項11】 基板と、 前記基板の上に重なるn型領域と、 少なくとも1つの井戸層と少なくとも1つの障壁層を含
み、前記n型領域の上に重なる活性領域と、 インジウムを含み、少なくとも200オングストローム
の厚さであり、前記基板と前記活性領域との間に配置さ
れる平滑層と、 前記障壁層より薄く、前記平滑層と前記活性領域との間
に配置されるスペーサ層と、を備え、 前記平滑層の表面が、前記活性領域の表面から1ミクロ
ンの半分未満の位置に配置されることを特徴とするIII
族窒化物発光デバイス。 - 【請求項12】 前記平滑層に結合されるnコンタクト
をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の発光
デバイス。 - 【請求項13】 前記スペーサ層が、無ドープから約2
e18cm-3の範囲にわたるn型ドープ剤濃度を有する
ことを特徴とする請求項11に記載の発光デバイス。 - 【請求項14】 前記平滑層が、約2e17cm-3から
約2e19cm-3の範囲にわたるn型ドープ剤濃度を有
することを特徴とする請求項11に記載の発光デバイ
ス。 - 【請求項15】 前記平滑層が、約2から約12パーセ
ントの間のIn組成を有するInGaNであることを特
徴とする請求項11に記載の発光デバイス。 - 【請求項16】 前記平滑層にSiがドープされること
を特徴とする請求項11に記載の発光デバイス。 - 【請求項17】 前記スペーサ層が、約10オングスト
ロームからおよそ1ミクロンの半分の厚さを有すること
を特徴とする請求項11に記載の発光デバイス。 - 【請求項18】 前記平滑層が、約200オングストロ
ームから約4ミクロンまでの厚さを有することを特徴と
する請求項11に記載の発光デバイス。 - 【請求項19】 前記平滑層が前記スペーサ層に隣接す
ることを特徴とする請求項11に記載の発光デバイス。 - 【請求項20】 前記スペーサ層がGaN又はAlGa
Nであることを特徴とする請求項11に記載の発光デバ
イス。 - 【請求項21】 成長面を有する基板と、 前記基板の前記成長面の上に重なるn型領域と、 前記n型領域の上に重なる活性領域と、 前記基板と前記活性領域との間に配置され、インジウム
を含む平滑層と、を備え、 前記成長面が前記基板の結晶平面から誤配向されること
を特徴とするIII族窒化物発光デバイス。 - 【請求項22】 前記基板がサファイアであり、前記結
晶平面がc平面であることを特徴とする請求項21に記
載の発光デバイス。 - 【請求項23】 前記成長面が前記結晶平面から約0.
2°から約2°までの間で誤配向されることを特徴とす
る請求項21に記載の発光デバイス。 - 【請求項24】 III族窒化物発光デバイスを形成する
方法であって、 基板の上に重なるn型領域を成長させ、 前記n型領域の上に重なる活性領域を成長させ、 前記活性領域と前記基板との間で、インジウムを含む平
滑層を成長させ、 前記平滑層を第1のドープ剤濃度までドープし、 前記平滑層を前記活性領域との間のスペーサ層を成長さ
せ、 前記スペーサ層を第2のドープ剤濃度までドープし、 前記第1のドープ剤濃度が前記第2のドープ剤濃度より
大きく、前記平滑層が少なくとも200オングストロー
ムの厚さであり、該平滑層の表面が前記活性領域の表面
から1ミクロンの半分未満の位置に設置される、ように
することを特徴とする方法。 - 【請求項25】 平滑層を成長させることが、第1の温
度でInGaN層を沈積させることを含み、 活性領域を成長させることが、前記第1の温度より低い
第2の温度でInGaN層を沈積させることを含み、 スペーサ層を成長させることが、反応器の温度を前記第
1の温度から前記第2の温度へ低下させる間にGaN層
を沈積させることを含む、ことを特徴とする請求項24
に記載の方法。 - 【請求項26】 n型領域を成長させることが、第1の
温度でn型GaN層を沈積させることを含み、 活性領域を成長させることが、第2の温度でInGaN
層を沈積させることを含み、 平滑層を成長させることが、前記第2の温度より大き
く、かつ、前記第1の温度より低い第3の温度でInG
aN層を沈積することを含む、ことを特徴とする請求項
24に記載の方法。 - 【請求項27】 少なくとも1つの青色の光を発するデ
バイスと、 少なくとも1つの緑色の光を発するデバイスと、 少なくとも1つの赤色の光を発するデバイスと、を含
み、 前記青色の光を発するデバイス、緑色の光を発するデバ
イス、及び赤色の光を発するデバイスの少なくとも一つ
が、 基板と、 前記基板の上に重なるn型領域と、 前記n型領域の上に重なる活性領域と、 インジウムを含み、前記基板と前記活性領域との間に配
置される平滑層と、 前記平滑層と前記活性領域との間に配置されるスペーサ
層と、を含み、 前記平滑層が、前記スペーサ層より大きいドープ剤濃度
を含み、前記第1の平滑層の表面が、前記活性領域の表
面から、1ミクロンの半分未満までの位置に配置され
る、ことを特徴とするディスプレイデバイス。
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