JP2003527745A

JP2003527745A - 分極誘導電荷を低減させた高効率光エミッタ

Info

Publication number: JP2003527745A
Application number: JP2001542396A
Authority: JP
Inventors: シビュールトブライアン; イベットソンジェイムズ
Original assignee: クリー・ライティング・カンパニー
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2003-09-16
Also published as: EP2365537A1; CN101692477B; CN101692477A; EP2362437A1; EP2362433A1; WO2001041224A2; EP2362434A1; EP2362435A1; EP2365536A1; AU1811001A; US6515313B1; KR100704588B1; EP2362437B1; MY123546A; WO2001041224A3; CA2393044A1; CN1433579A; JP5852945B2; CA2393044C; EP2362436A1

Abstract

(57)【要約】極性方向に沿って結晶層（２〜７）を成長させた半導体光エミッタ内の自然発生的な分極誘導電界が低減され、打ち消され、または反転されて、エミッタの動作効率およびキャリアの閉じ込めが改善される。これは、隣接する結晶層（２〜７）の材料組成の相違を低減し、分極誘導電荷を妨げる空間電荷および擬似電界を発生させるために１つまたは複数の層にグレードを付け、分極誘導電荷とは反対の電荷状態へとイオン化する様々な不純物を半導体内に取り込み、帯電した原子層の順序を逆転させ、デバイス内のｎ型層およびｐ型層の成長順序を逆転させ、均一な活性領域の代わりに多層放出系を使用し、かつ／または材料の面内格子定数を変化させることによって、実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（関連出願）本願は、１９９９年１２月２日に出願された仮特許出願第６０／１６８，４９
５号の利益を請求するものである。

【０００２】（発明の背景）発明の分野本発明は、極性表面上に成長させた光放出化合物半導体結晶に関し、より詳細
には、放出効率を改善するために、その自然発生的な分極誘導電荷を低減させま
たは打ち消すことに関する。

【０００３】関連技術の説明ほとんどの半導体光エミッタは、２層のクラッド層の間に成長させた活性層ま
たは発光層を含む、ダブルヘテロ構造を有する。ダブルヘテロ構造の様々な層は
、複数の材料から製作される。１つのクラッド層は、過剰な自由電子を含有する
ことを意味するｎ型であり、また１つのクラッド層は、過剰な正孔を含有するこ
とを意味するｐ型である。一般にクラッド層は、活性層よりも広いバンドギャッ
プを有する。このため、注入された電子と正孔は活性層内に閉じ込められ、自由
キャリアの再結合が、活性層内での空間的局在化を通して効率的に行われ、光が
生成される。さらに、レーザダイオード（ＬＤ）エミッタは、ダブルヘテロ構造
を取り囲んで一般にバンドギャップがさらに広い材料を具備する別の光閉じ込め
層も有する。ダブルヘテロ構造半導体デバイスは、Ｏ′Ｓｈｅａ他のＩｎｔｒｏ
ｄｕｃｔｉｏｎｔｏＬａｓｅｒｓａｎｄＴｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔ
ｉｏｎｓ、Ａｄｄｉｓｏｎ−ＷｅｓｌｅｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａ
ｎｙ、１９７８年１２月、１６６〜１８７頁を含めた多数の刊行物に記載されて
いる。

【０００４】このような構造では、材料組成がその基本結晶構造の極性方向に変化するとき
に、分極誘導電荷が生じる。極性方向は、結晶の分極ベクトル

【０００５】

【数１】

【０００６】と直交しない任意の結晶方向と定義される。これは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体やＩＩ
−ＶＩ族半導体など、結晶結合が元々方向性を持っておりわずかにイオン性でも
ある材料について、特に言えることである。このような電荷は、格子間不整合材
料の場合には歪に関係するものであり（圧電性）、種々の材料における結合のイ
オン強度の差に起因した組成に関係するものであり（自然発生的）、またはこれ
ら２つを組み合わせたものと考えられる。誘導電荷は、自由キャリアに対して外
部電界と同じ影響を及ぼす電界または電位勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ）を引き起こ
す。この現象は、Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ他の「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｐｏｌ
ａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ
ｓｏｆＩＩＩ−Ｖｎｉｔｒｉｄｅｓ」、ＡｍｅｒｉｃａｎＰｈｙｓｉｃ
ａｌＳｏｃｉｅｔｙＪｏｕｒｎａｌ、ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＢ、
Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．１６、１９９７、Ｒ１００２４〜Ｒ１００２７頁と、
Ｔａｋｅｕｃｈｉ他、「Ｑｕａｎｔｕｍ−ＣｏｎｆｉｎｅｄＳｔａｒｋＥｆ
ｆｅｃｔｄｕｅｔｏＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄｓｉｎ
ＧａＩｎＮＳｔｒａｉｎｅｄＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌｓ」、Ｊａｐａｎｅ
ｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３６
、パート２、Ｎｏ．４、１９９７、Ｌ３８２〜Ｌ３８５頁を含めたいくつかの刊
行物で論じられている。そのような電界の大きさは、結晶の極性表面上に成長さ
せた窒化物ヘテロ構造の場合、２．５×１０^６Ｖ／ｍ程度の大きさと推定されて
いる、Ｂｙｋｈｏｖｓｋｉ他、「Ｅｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎｒｅｌａｘａ
ｔｉｏｎａｎｄｐｉｅｚｏ−ｅｆｆｅｃｔｉｎＧａＮ−ＡｌＮ，Ｇａｎ
−ＡｌＧａＮａｎｄＧａＮ−ＩｎＧａＮｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ」、
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．８１、Ｎｏ
．９、１９９７、６３３２〜６３３８頁。

【０００７】結晶の極性表面上に成長させたヘテロ構造の電気特性を考えるとき、分極誘導
電荷を考慮に入れるべきである。ウルツ鉱ＧａＮ結晶の場合に０００１方向に沿
って成長させた結晶層、またはせん亜鉛鉱ＧａＡｓ結晶の場合に１１１方向に沿
って成長させた結晶層は、結晶極性表面の２つの例である。ウルツ鉱構造のブラ
ヴェ格子は六方晶系であり、六角形に垂直な軸は、通常、ｃ軸または０００１方
向と呼ばれる。この軸に沿って、この構造は、同じ元素（例えば全てガリウムで
ありまたは全て窒素である）の原子層が正六角形から積み重ねられて一連に並べ
られたものと考えることができる。この均一性に起因して、各層（または面）は
分極化して正電荷または負電荷のいずれかを有し、原子層の両端間に双極子を生
成する。各層の電荷状態は、その構成成分である原子によって異なる。様々な成
長方向を有する結晶面のその他の例は、ＳｔｒｅｅｔｍａｎのＳｏｌｉｄＳｔ
ａｔｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓ、第２版、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−
Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ．、１９８０年、１〜２４頁と、ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒ
ａ（中村修二）他の「ＴｈｅＢｌｕｅＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ，ＧａＮＢ
ａｓｅｄＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｅｒｓａｎｄＬａｓｅｒｓ」、Ｓｐｒｉ
ｎｇｅｒ、１９９７年、２１〜２４頁に見出すことができる。

【０００８】最近まで、光放出ヘテロ構造の活性領域およびクラッド領域に関連する内部分
極電界は、深刻な問題を呈示していなかった。その理由は、より確立されている
Ａｌ−Ｇａ−Ｉｎ−Ａｓ−Ｐ材料系をベースとした発光ダイオード（ＬＥＤ）を
、一般に、無極性結晶表面上に成長させていたからである（特に、００１せん亜
鉛鉱表面）。しかし最近、極性の高い表面であり主としてウルツ鉱結晶の０００
１方向に沿って成長させたＡｌ−Ｇａ−Ｉｎ−Ｎ（「窒化物」）材料系をベース
とする光エミッタについて、かなりの研究がなされている。それにも関わらず、
窒化物ダブルヘテロ構造は、従来の無極性設計に従っている。

【０００９】図１Ａは、極性方向に成長させた一般的な従来の窒化物ダブルヘテロ構造半導
体を概略的に示す断面図である。図示される基板層１は、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、および３Ｃを含む）
、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、およびＧａＮを含む、窒化物半導体を成
長させるのに適する任意の材料でよい。基板の厚さは、一般に１００μｍから１
ｍｍに及ぶ。基板１上のバッファ層２は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧ
ａＮなどで形成することができる。このバッファ層によって、基板１と、上に在
る導電性コンタクト層３と可能な格子不整合が、容易になる。しかし、バッファ
層２は、基板の格子定数が窒化物半導体の格子定数に等しい場合、省くことがで
きる。バッファ層２は、いくつかの窒化物成長技法では省くこともできる。材料
組成に応じて、バッファ層のエネルギー帯ギャップは２．１ｅＶから６．２ｅＶ
に及ぶものでよく、厚さは約０．５μｍから１０μｍでよい。

【００１０】ｎ型コンタクト層３も、一般の窒化物半導体から形成され、好ましくはＧａＮ
またはＩｎＧａＮから形成され、その厚さは０．５μｍから５．０μｍに及び、
バンドギャップはＧａＮの場合約３．４ｅＶであり、ＩｎＧａＮの場合はそれよ
りも小さい（インジウム濃度により異なる）。導電層３上に在る下部ｎ型または
アンドープ型クラッド層４は、従来ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、そのバン
ドギャップは、ＧａＮの場合３．４ｅＶであり、ＡｌＧａＮの場合はそれよりも
大きい（Ａｌ濃度により異なる）。その厚さは１ｎｍから１００ｎｍに及ぶもの
でよい。

【００１１】窒化物ダブルヘテロ構造は、下層のクラッド層上に在る活性層５として、一般
にＩｎＧａＮを使用し、その厚さは１ｎｍから１００ｎｍである。この層のバン
ドギャップは一般に２．０ｅＶであるが、インジウム濃度に応じて変化してよい
。活性領域上の上部ｐ型またはアンドープ型クラッド層６は、一般にＡｌＧａＮ
またはＧａＮからなり、その厚さおよびバンドギャップエネルギーは、下部ｎ型
クラッド層４の厚さおよびバンドギャップと同様である。クラッド層６上のｐ型
ＧａＮ導電性コンタクト層７のエネルギー帯ギャップは約３．４ｅＶであり、厚
さは約１０ｎｍから５００ｎｍである。一般に、この構造が０００１などの極性
方向に成長するならば、異なる構成材料が原因で、層と層との界面に分極誘導シ
ート電荷が生じる。光エミッタの動作で特に問題となるのは、活性領域５に隣接
する分極誘導電荷シートである。

【００１２】図１Ａに示す化合物半導体では、一般に、活性領域５と下部クラッド層４との
界面に負の分極誘導電荷シート密度σ１、すなわちその大きさが１０^１３電子／
ｃｍ^２程度であるσ１が形成される。活性領域５と上部クラッド層６との界面に
は、大きさが同様の正の電荷シート密度σ２が形成される。これらの電荷の極性
は、上述のように方向性がありわずかにイオン性である結晶層の結合によって異
なる。一般に、電荷シートの密度は、２層間の組成上の相違から生じる自然発生
的な要因と、層同士の格子不整合から生じる圧電性の歪との両方に左右されるこ
とになる。例えば、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ活性領域５とＧａＮクラッド層４の
間のσ１は、約８．３×１０^１２電子／ｃｍ^２である。これは、Ｉｎ_０．２Ｇａ _０．８Ｎ活性領域中のインジウム含量が２０％であるからであり（自然発生的な
分極）、かつその層には、その下に在るＧａＮ層との格子不整合よって歪が生じ
るからである（圧電性の分極）。

【００１３】活性領域の対向する面に沿った界面電荷シートは、その領域の両端間に双極子
を生成する。この双極子は、シート電荷σ１およびσ２の大きさによってその強
度が異なる電界に対応する。上記のような場合、８．３×１０^１２ｃｍ^−２の
シート電荷で１．５×１０^６Ｖ／ｃｍの電界が与えられる。そのような理由で、
本発明者等はこの電界を分極誘導電界と呼ぶ。双極子によって発生した静電ポテ
ンシャル低下の大きさは、双極子層の厚さに左右される。双極子層の厚さは、成
長方向でのその物理的な寸法を指し、σ１とσ２との距離でもある。この距離は
、２枚のコンデンサ極板間の距離から容量性ポテンシャル低下を決定するのと同
様の手法を用いて、静電ポテンシャル低下の大きさを決定するのに使用すること
ができる。上記のように電荷密度σ１とσ２との距離が１０ｎｍであるとき、活
性領域５の両端間の分極誘導ポテンシャル低下は約１．５Ｖになると考えられる
。活性領域の両端間の正味の電界も、周りを取り囲むクラッド層内のドーピング
濃度、ｐｎ接合間の内蔵電圧、および自由キャリアの遮蔽を含めたいくつかのパ
ラメータによって異なり、したがって一般に、分極誘導電界に等しくない。しか
し、その強度が原因で、分極誘導電界は正味の電界を決定するのに主要な役割を
果たす。

【００１４】結晶の０００１（極性）面上に成長させた窒化物エミッタは、約１％から１０
％という低い放出効率を有する。これは、その効率を制限する活性領域内または
活性領域に隣接して相当な分極電界が存在することに起因する可能性がある。図
１Ｂは、図１Ａのデバイス構造に対応するエネルギー帯を示す。デバイスが動作
すると、σ１およびσ２によって生じた自然発生的な分極電界により、その効率
はいくつかの方法で低下する。第１に、双極子によって、その領域内では電子と
正孔が空間的に分離する（反対方向に移動する）。図示するように、価電子帯Ｅ _ｖ内の正孔は、活性領域５の一端で負電荷シートσ１に引き付けられ、一方、伝
導帯Ｅ_ｃ内の電子は、その他方の端部で正電荷シートσ２に引き付けられる。こ
の自由キャリアの空間分離によって、放射性再結合の可能性が低下し、放出効率
が低下する。第２に、伝導帯および価電子帯の量子井戸のエネルギー障壁は、電
界に関連する量子化効率によって低くなる。このため、Ｅ_ｖより低いキャリアお
よびＥ_ｃより高いキャリアは、破線Ａにより示される経路を通って井戸から出て
いく。第３に、分極誘導電界が存在することによって、キャリアの軌道Ｂによっ
て示されるように、活性領域のσ１側にあるより高いＥ_ｃレベルからσ２側のよ
り低いＥ_ｃレベルまでと、活性領域のσ２側にあるより低いＥ_ｖレベルからσ１
側のより高いＥ_ｖレベルまで、キャリアのオーバーシュートも生じる。

【００１５】適用分野の技術者にとって、関連する別の問題とは、印加されるバイアスが増
大するときの放出波長の安定性である。強い分極誘導電界が存在する場合、放出
波長は、デバイスのバイアスが増大するにつれて青にシフトする。デバイスバイ
アスが増大するにつれ、より多くの自由キャリアが伝導帯および価電子帯の井戸
に蓄積される。自由キャリアは空間的に分離するので、キャリア自体が、内蔵分
極誘導電界を妨げまたは遮蔽する双極子を形成する。正味の電界が小さくなるに
つれて量子井戸の量子化状態が変化し、放出波長は青にシフトする。

【００１６】図１Ｃは、分極誘導電荷が無い状態で無極性表面上で動作する光エミッタの、
活性領域５とクラッド層４および６のエネルギー帯を示す。他の全ては等しく、
上記論じた３つの作用は存在しないかまたは大きく減じられているので、放出効
率はより高い。

【００１７】ＧａＮベースのＬＥＤの効率を高めるいくつかの手法が使用されてきた。いず
れもＮａｋａｍｕｒａ他に発行された米国特許第５，９５９，３０７号および第
５，５７８，８３９号は、自由キャリアがより効率的に閉じ込められるよう活性
領域の障壁の高さを増大させるため、クラッド層にアルミニウムを添加すること
について論じている。しかしこの添加によって、クラッド層の材料組成もＧａＮ
からＡｌＧａＮに変化し、それが、自然発生的分極電界および圧電性分極電界の
両方を増大させるよう作用する。Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎクラッド層内にア
ルミニウムが１５％存在すると、放出層の分極電界が倍になって約３×１０^６Ｖ
／ｃｍになると考えられる。そのような電界は、光エミッタのエネルギー帯を変
化させることによって、キャリアの閉じ込めを減少させかつ空間分離を増大させ
る可能性があり、それによって、その放射効率が低下する。

【００１８】（発明の概要）本発明は、キャリアの閉じ込めを改善するために結晶の自然発生的な分極誘導
電荷の作用を減じまたは打ち消し、それらの空間分離を減少させ、キャリアのオ
ーバーシュートを減少させることによって、極性方向に沿って層を成長させた化
合物半導体ＬＥＤの動作効率を改善しようとするものである。

【００１９】一実施形態では、これらの電荷は、活性領域に隣接する結晶層の材料組成の差
を小さくすることによって低減される。クラッド層は、元素の組合せ、すなわち
それぞれが他の元素の分極作用を打ち消す傾向を持つ元素の組合せから構成する
こともできる。

【００２０】活性領域内または活性領域の周りの１層または複数の層は、組成またはドーピ
ングにグレードを付けて、分極誘導電荷とは反対の空間電荷を発生させ、また分
極誘導電荷によって発生する分極誘導電界とは反対の擬似電界を発生させること
もできる。グレーディングは、連続的であっても不連続であってもよい。

【００２１】化合物半導体結晶は、放出効率を高めながら平均分極電界を小さくするために
、光放出層と非放出層が交互に配置されてなる多層放出系を有することもできる
。多層放出系の平均電界は全体として、これと同等の厚さである単一の均一な活
性領域に比べ、小さくなり、または打ち消される。

【００２２】様々な不純物を結晶に取り込むことができ、そのエネルギー準位に基づいて分
極誘導電荷とは反対の電荷状態にイオン化し、その作用を減じまたは打ち消す。
不純物は、第ＩＩ、ＩＶ、またはＶＩ族の元素を含むことが好ましい。

【００２３】分極誘導電荷の符号は、キャリアの効率的な閉じ込めを妨げるのではなく促進
させるために、反転させることもできる。このような電荷は、結晶層の原子層の
順序を逆にすることによって、反転する。分極誘導電荷を遮蔽するため、キャリ
アが注入される方向も、ｐ型層およびｎ型層の成長順序を逆にすることによって
反対にすることができる。活性領域の格子定数をより厳密に整合させるため、下
部バッファ層、コンタクト層、またはクラッド層の格子定数も、エピタキシャル
成長技法によって変化させることができる。このため、歪によって誘導された活
性領域内の圧電効果が減じられ、分極誘導電界が小さくなって、光放出がより効
率的に行われる。

【００２４】本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、以下の詳細な記述を添付図
面と併せて読むことによって、当業者に明らかにされよう。

【００２５】（発明の詳細な説明）本発明の様々な実施形態の以下の記述は、結晶層をその結晶の極性方向に垂直
に成長させたダブルヘテロ構造の構造体を有する窒化物放出系を対象とする。窒
化物エミッタは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを含む層であって、ただし０≦
ｘ≦１であり０≦ｙ≦１である層を備えたウルツ鉱結晶構造を有すると推定され
る。特に記述される場合を除き、結晶の最上面は、周期律表第ＩＩＩ族の極性を
有する０００１方向である。図１Ａに示す窒化物エミッタは、図１Ｂの対応する
バンド構造と共に、様々な実施形態に対する参照用として使用する。

【００２６】選択ドーピングこの実施形態では、半導体に様々なドーパントを取り込むことによって、分極
により誘導された悪影響を減じまたは打ち消す。ドーパント不純物は、その意図
される位置から拡散していかないタイプのものであるべきである。ドーパントは
、そのエネルギー準位に基づき、界面の分極誘導電荷状態とは反対の正電荷状態
または負電荷状態へとイオン化して、その影響を打ち消しまたは減じる。使用さ
れるドーパントのタイプは、目標とされる界面電荷（正または負）によって異な
る。正電荷には、負の電荷状態へとイオン化するドーパントが必要と考えられ、
負の界面電荷に対しては、その反対のものが必要と考えられる。

【００２７】図２Ａは、負の界面電荷密度σ１を低下させまたは打ち消すために、正電荷の
供給源として約１０^１３Ｓｉ原子／ｃｍ^３を取り込んだクラッド層／活性層／ク
ラッド層のバンド構造を示す。正電荷密度σ２を低下させまたは打ち消すには、
負電荷の供給源として、１０^１３原子／ｃｍ^３のＭｇを使用することができる。
ドーパント濃度のプロフィルは、一部、ドーパントイオン化エネルギーおよびド
ナー／アクセプタ準位によって決まることになる。例えば、σ２を減じるために
負電荷ドーパントの供給源として亜鉛（Ｚｎ）を使用した場合、より高いドーパ
ント濃度が必要になると考えられる。ドーパントの不純物プロフィルは、利益を
もたらすために、必ずしも分極誘導電荷に厳密に一致し／打ち消す必要はない。
その他のドーパント不純物は、第ＩＩ、ＩＶ、またはＶＩ族元素を含むことがで
きる。

【００２８】半導体に不純物を分布させる（または取り込む）ためには、いくつかの方法が
ある。材料組成が急激に変化して境界平面内に分極誘導電荷が生じる場合、不純
物プロフィルは、その平面にまたは平面付近にデルタドープされることが好まし
い。急激な変化は、所与の構成成分のモル分率の変化が単分子層、すなわち原子
の単一の結晶層全体にわたって１％よりも大きいものである。デルタドーピング
は、ドーパントを単一原子層に閉じ込めようとするものであり、ドーパントボリ
ュームではなくドーパントシートが生成される。不連続なステップでまたは連続
的にグレード組成が変化する場合、不純物プロフィルにもグレードが付けられる
ことが好ましい。図２Ｂは、デルタ６１、不連続ステップでグレードが付けされ
たプロフィル６２、および連続的にグレードが付けされたプロフィル６３を含め
た様々なタイプの不純物プロフィルを示す。

【００２９】中間組成障壁この実施形態は、ＧａＮクラッド層を有する光エミッタの放出効率を改善する
ことを対象とする。圧電性および自然発生的な界面分極誘導電荷の両方を低減し
または打ち消すために、一方または両方のクラッド層の材料組成は、それに隣接
する層の材料組成に対して中間的に作製される。例えば、約５％のインジウム（
Ｉｎ）を図１Ａの窒化物系のＧａＮクラッド層４に添加して、クラッド層の組成
をＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎに変化させることができる。このようにすると、
クラッド層の組成が、インジウムが２０％のＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ活性領
域５に対して、またインジウムが０％のＧａＮ導電層３に対して、中間的になる
と考えられる。図３Ａに示すように、インジウムは、隣接する２層の材料組成の
差を小さくし、活性層とクラッド層の間の界面分極誘導電荷シート密度σ１Ａを
２５％低下させて約０．７５×１０^１３電子／ｃｍ^２にする。σ１Ｂは、約０．
２５×１０^１３電子／ｃｍ^２である。ドナータイプのドーピングがσ１Ａまたは
σ１Ｂを含有する界面の１つまたは両方の近くに存在する場合、上記選択ドーピ
ングの実施形態で論じたように、圧電誘導電荷の一部は遮蔽されることになる。
σ１Ａおよびσ１ｂは共に組合せσ１Ａ＋σ１Ｂよりも小さいので、このデバイ
ス構造では、ドーパントを活性領域から離しながら、従来の構造に比べて圧電誘
導電荷の一部を選択的に遮蔽する能力が容易になる。これは、この電荷の全てが
効果的に遮蔽されるように、σ１Ｂを有する界面に対して高濃度のｎ型ドーピン
グを行うことによってなされる。このように、活性領域内の電界は、従来の構造
に対して２５％ほど低下し、放出効率が増大する。図３Ｂは、この場合のバンド
ダイアグラムを示す。ｎ型ドーピングがσ１Ａを含有する界面に向かって広がる
場合、さらなる低下が得られる。クラッド層にインジウムを多く使用するほど、
活性領域内の電界は小さくなる。しかし、インジウムを多く使用しすぎると、キ
ャリアの閉じ込めが損なわれる可能性がある。上部クラッド層に関しては、電荷
の遮蔽にｐ型ドーピングを使用するべきであること以外、同じ技法を利用するこ
とができる。

【００３０】一方または両方のクラッド層にインジウムを添加することによって、デバイス
動作中の活性領域内の分極誘導電界が低減し、エネルギー障壁が低くなるにも関
わらず放出効率が増大する。インジウムを含まないクラッド層に比べ、下部クラ
ッド層４にインジウムが約５％という低い含量で含まれるものを使用することに
より、４５０ｎｍから４７０ｎｍの範囲内でＬＥＤ効率が改善されたことが実証
された。

【００３１】四元障壁（ＱＵＡＲＴＥＲＮＡＲＹＢＡＲＲＩＥＲＳ）この実施形態は、三元（ｔｅｒｎａｒｙ）ＡｌＧａＮクラッド層を有する光エ
ミッタの放出効率を改善することを対象とする。当初のＧａＮクラッド層に窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）を添加することによって、三元ＡｌＧａＮ層が生成され
ることが知られている。この添加により、それらに隣接するコンタクト層および
活性層のバンドギャップよりも大きいクラッド層のバンドギャップが発生して、
より高いエネルギー障壁が活性領域の両側に生成され、それによって、キャリア
の閉じ込めが改善される。しかし、添加されたアルミニウムは材料組成のばらつ
きも増大させ、それによって界面分極誘導電荷が生成される。事実、自然発生的
な分極誘導電荷と圧電性の分極誘導電荷の両方は、ある層から次の層までのＮ結
合に対するＧａの極性を変化させることによって決定されるものであり、活性領
域／クラッド層の界面で実際に増大する。電荷の増大は、２種の材料における圧
電性の歪および自然発生的な分極の差の両方に起因する。その結果、デバイスの
活性領域には高電界が存在する。

【００３２】本発明の一態様では、それらの材料組成をより同様にすることによって、歪お
よび分極の差を低減させる。三元ＡｌＧａＮクラッド層の一方または両方に窒化
インジウム（ＩｎＮ）を添加して四元ＡｌＩｎＧａＮ層を生成するが、それによ
って、クラッド層および活性層の両方での結合の平均極性が同様になる。これら
の層にインジウムが含まれると、活性層／クラッド層の界面で界面圧電分極誘導
電荷が発生する際のアルミニウムの影響が打ち消される。すなわち、四元ＡｌＩ
ｎＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ活性領域との間には、三元ＡｌＧａＮクラッド
層とＩｎＧａＮ活性領域との間にあるよりも小さい電荷シートがある。活性領域
から除去された、この構造内のほとんどの分極誘導電荷は、クラッド層またはコ
ンタクト層内の高濃度にドープされた領域に閉じ込められ、効果的に遮蔽するこ
とができる。これらの層に添加されたインジウムの量は、一般に、層の厚さ、材
料組成、および成長制限によって異なることになる。例えば、Ｉｎ_０．０５Ｇａ _０．９５Ｎ活性層の隣のＡｌ_０．１２Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８５Ｎクラッド層は
、隣に同じ活性層があるＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層に比べ、界面圧電電荷密
度を約３０％低下させて０．７×１０^１３電子／ｃｍ^２にし、活性領域内の電界
を約３０％低下させる。

【００３３】四元クラッド層のインジウムおよびアルミニウム成分は、活性領域に関連する
エネルギー障壁に対する互いの影響を打ち消し合う傾向がある。ＡｌＧａＮクラ
ッド層にインジウムを添加すると活性領域のエネルギー障壁が低くなるが、分極
誘導電荷が低減されるので、閉じ込め効率は実際に増大する。

【００３４】クラッド層は、放出効率を改善するために同一の組成を有する必要がない。例
えば、放出波長３８０ｎｍで改善されたＬＥＤ効率が約２５％であることが、エ
ネルギー障壁が０．２６ｅＶＥ_ｃおよび０．０８ｅＶＥ_ｖである上部四元Ａ
ｌ_０．１５Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ｎクラッドのみを使用して実証された。下
部クラッド層の組成は、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎとして維持された。

【００３５】三元ＡｌＧａＮおよび四元ＡｌＩｎＧａＮ組成を有するクラッド層について、
ＬＥＤの作動近くでの（すなわち光放出に対する閾値近くでの）順方向バイアス
条件下の概略図を、図４Ａおよび図４Ｂにそれぞれ示す。これらの構造は両方と
も、クラッド層４および６が同じ濃度のアルミニウムを含有するが、三元構造に
はインジウムが含まれていない。これらの図では共に、活性領域５での線３０の
傾きが分極誘導電界を表している。その強度は、コンタクト３とコンタクト７の
間のバイアス、クラッド層４および６へのドーピング、界面分極電荷シート密度
の大きさによって異なる。両方の構造で使用されるバイアスは約２．６Ｖであり
、この場合、クラッド層４のｎ型（Ｓｉ）ドーパント濃度が約１×１０^１８／ｃ
ｍ^３であり、クラッド層６のｐ型（Ｍｇ）ドーパント濃度が約１×１０^１９／ｃ
ｍ^３である。三元ＡｌＧａＮクラッド層を備えた活性領域５の両端間に発生する
分極誘導電界の大きさは、約８．８×１０^５Ｖ／ｃｍである。

【００３６】図４Ａに示すように、この電界により、ＧａＮコンタクト層３および７から注
入された電子と正孔は、そのそれぞれの注入コンタクトから最も遠く離れた界面
３１付近にキャリアを閉じ込めることによって、空間的に分離する傾向がある。
この現象は、キャリアの放射性再結合の可能性を低下させる。図４Ｂに示す四元
ＡｌＩｎＧａＮクラッド層４および６は、活性領域５内に非常に低い分極誘導電
界を示す。Ａｌ_０．０５Ｉｎ_{０．０２５}Ｇａ_{０．９２５}Ｎ下部クラッド層４およ
びＡｌ_０．２０Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．７０Ｎ上部クラッド層６の場合、電界は約
４．６×１０^５Ｖ／ｃｍである。これらの層は、より低い量子化エネルギー３１
も示し、自由キャリアの空間分離が減少して放射性再結合が改善される。分極誘
導電荷の低減と、キャリアを最大限に閉じ込めるための高エネルギー障壁の維持
との間には兼ね合いがあり、これは経験的に決定することができるものである。

【００３７】グレード組成を有するクラッド層この実施形態では、クラッド層の一方または両方の組成にグレードが付けられ
て、クラッド層と活性領域との界面に、界面分極効果とは反対の空間電荷を発生
させる。このグレーディングは、極性方向での層の組成を様々に変えて、圧電性
の電荷を発生させる。グレーディングは、連続的であっても不連続であってもよ
い。分布した電荷の極性は、目標とされる界面分極電荷とは反対であるべきであ
る。極性は、グレード層の組成と、それに隣接する２層の組成によって決定され
る。例えば、図１Ａの下部ＧａＮコンタクト層３および下部ＡｌＧａＮクラッド
層４は、正の界面電荷シート密度を発生させる。この電荷は、この層のアルミニ
ウム含量を徐々に変化させることによって、クラッド層４のボリューム全体に分
布される。特に、下部クラッド層４は、アルミニウムが０％であるＧａＮ導電層
３付近のＧａＮ組成から、アルミニウムが１０％であるＩｎＧａＮ活性領域５付
近のＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎまで、グレードを付けることができる。発生し
た正の空間電荷は、部分的に、Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ／Ｉｎ_０．０５Ｇａ _０．９５Ｎの界面で０．７５×１０^１３電子／ｃｍ^２の負の電荷シート密度σ１
を相殺すると考えられる。

【００３８】上部ＧａＮコンタクト層７と上部ＡｌＧａＮクラッド層６の間に示される負の
界面電荷密度は、層６のボリューム上に、そのアルミニウム含量にグレードを付
けることによって分布させることができる。発生した負の空間電荷は正電荷密度
σ２を相殺して、その活性領域に対する影響を減じ、または打ち消すと考えられ
る。空間電荷の大きさは、グレードが生じる距離によって異なる。図５は、Ａｌ
ＧａＮクラッド層のグレード付けをグラフで示すものであり、０％のアルミニウ
ムから始めて単位時間当たりで結晶表面にアルミニウム原子を添加することによ
り示される（連続的に４１または不連続ステップ４２）。ガリウム原子および窒
素原子の添加濃度４０は、成長期間全体を通して均一に保たれる。適切なクラッ
ド層の厚さが達成されたらこのプロセスを停止する。組成グレードを作成するた
めに、２種の材料の可変周期超格子（ｖａｒｙｉｎｇｐｅｒｉｏｄｓｕｐｅ
ｒｌａｔｔｉｃｅ）も使用することができる。

【００３９】活性領域付近で自由キャリアを利用できることに起因する最適なデバイス性能
と、その内部にドーパントが拡散する悪影響との間には、兼ね合い（ｔｒａｄｅ
−ｏｆｆ）がある。クラッド層にグレードを付けることによって発生する空間電
荷により、ドーパント不純物はグレード層の外側に配置され（例えば導電層内の
み）、このときその自由キャリアは引き付けられる。グレード組成に関連する空
間電荷は、自然に、隣接する導電層からクラッド層へと自由ドーパントキャリア
を引き付ける。したがってドーピング不純物は、活性領域に自由キャリアが与え
られるように活性領域付近に存在する必要がなく、隣接するクラッド層から除去
しまたは減少させることができる。

【００４０】グレード組成または混合組成を有する活性領域半導体デバイスの組成変化が自由キャリアに及ぼす影響は、電界が与える影響
と同様であり、擬似電界と呼ばれる。ＨｅｒｂｅｒｔＫｒｏｅｍｅｒ、「Ｂａ
ｎｄＯｆｆｓｅｔｓａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＢｏｎｄｉｎｇ：Ｔｈｅ
ＢａｓｉｓｆｏｒＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎｓ」、ＴｈｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃａＳｃｒｉｐｔａ、Ｖ
ｏｌ．Ｔ６８、１０〜１６頁、１９９６年を参照されたい。本発明のこの実施形
態は、分極誘導電界が自由キャリアに及ぼす影響を打ち消すために、擬似電界を
使用する。この系内に電荷を少しも存在させることなく、活性領域内に擬似電界
を確立することが可能である。図６Ａは、真の電荷からではなく、エネルギー帯
内に勾配５１によって発生させた擬似電界を示す。これらの勾配は、活性領域５
の組成にグレードを付けることによって生成することができる。擬似電界では、
伝導帯内の電子が正電荷に向かってより低いエネルギー準位に移動し、価電子帯
内の正孔は、負電荷に向かってより高いエネルギーへと移動する。この電界内の
活性領域バンド構造は平行ではないことに留意されたい。これに対し、電界内の
エネルギー帯は、図１Ｂに示されるような平行な関係を示す。活性領域は、バン
ド構造に所望の勾配を発生させるよう組成的にグレードを付けることができ、そ
れによって、所望の擬似電界効果が得られる。しかし、得られる擬似電界は、少
なくとも１つのキャリアタイプに及ぼされる真の電界の効果を妨げる。活性領域
の材料組成には、そのインジウム含量を変化させることによって、グレードを付
けることができる（連続的にまたは不連続的に）。その領域の幅および所望のエ
ミッタ特性に応じ、低インジウム含量から高インジウム含量の、またはその逆の
、グレード組成を取り込むことができる。問題の特性には、一般に、放出波長と
動作電流が含まれる。

【００４１】図６Ｂおよび図６Ｃは、擬似電界が、活性領域５のエネルギー帯に及ぼす正味
の影響を示す。図６Ｂで、活性領域は、５％という低い濃度から１０％という高
い濃度まで連続的にグレードが付けられたインジウム濃度を有し、その勾配は約
１％／ｎｍである。インジウム濃度は、クラッド層４と活性領域５との界面で最
も低く、活性領域の反対側で最高濃度に増大する。この場合、擬似電界は、価電
子帯内の分極誘導電界を小さくする。反対方向にグレードを付けることによって
、伝導体内の電界が打ち消されることになる。図６Ｃでも、活性領域は、反対方
向ではあるが、やはり５％から１０％、平均勾配が１％／ｎｍという、インジウ
ム勾配および濃度を有する。次にキャリアタイプ、電子、または正孔の１つが広
がるので、キャリアのより良好な空間的重なり合いが存在し、放出効率が高まる
。

【００４２】電界補償障壁を有する多層放出図７Ａは、電界補償エネルギー障壁９３を有する多層放出系９０に関するエネ
ルギー帯を示す。この実施形態で、放出系９０は、活性領域９１（すなわち光放
出）とクラッド層９２（非放出）が交互に配された多層からなる。クラッド９２
のエネルギー障壁９３は、注入されたキャリアを活性領域９１に閉じ込め、その
分極誘導電界を妨げるという二重の機能を有する。発生した電界、および多層放
出系９０の全厚は、一般に、個々の活性領域９１およびクラッド層９２の数、厚
さ、および組成によって異なる。それぞれ２ｎｍの厚さである４つのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ活性領域９１と、それぞれ５ｎｍの厚さである３つのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎクラッド層９２を有する多層系９０は、その全厚が２３ｎｍであ
り、おおよその平均分極誘導電界強度が４．５×１０^５Ｖ／ｃｍと考えられる。
図７Ｂに示される、同等のボリュームを有する単一の活性領域１００のバンド構
造は、９×１０^５Ｖ／ｃｍという分極電界強度を示すと考えられる。多層放出系
を使用することによって、活性材料の全ボリュームが増大し、一方、活性領域内
の分極誘導電荷に起因する平均電界は、全体として、同等のボリュームの単一活
性領域を有する構造に比べて確実に小さくなる。

【００４３】反転分極この実施形態では、キャリアの閉じ込めを改善するために、化合物半導体の自
然発生的な分極誘導電荷を反転させる。ＧａＮ中の原子間結合は、ガリウム原子
がわずかに陽性であり窒素原子が陰性であるので元々イオン性であり、結合の両
端間に双極子が発生する。図８Ａは、結晶表面の極性方向に沿って成長させた個
々のガリウム原子層および窒素原子層を示す。図示する順序では、連続原子層は
、ＧａとＮが交互に配されてなり、各層の底面７０がガリウム原子の単原子層で
あり、最上面７１が窒素原子である。各ＧａＮ原子対の両端間の個々の双極子７
２は、結果的に、層の両端間において、表示される方向に、平均分極誘導電界７
３を発生させる。これが活性領域のエネルギー帯に及ぼす影響については、図１
Ｂに関連して既に述べた。

【００４４】この自然発生的な分極誘導電界７３の方向は、個々の原子双極子７２の方向を
反転させることによって、反転させることができる。これは、ガリウム原子層と
窒素原子層の成長順序を逆にすることにより実現される。図８Ｂで、原子層の逆
転成長順序は、窒素から始まって最上面のＧａ層７４に達するまで、ガリウム原
子層と窒素原子層が交互に配される。原子層の成長順序は、いくつかの方法で変
えることができる。まず、Ｎで終端するＧａＮまたはＡｌＧａＮ基板で始まる場
合、Ｎに相対する極性を難なく成長させることができる。しかし、ほとんどの成
長はサファイヤまたはＳｉＣ上で行われ、その成長は当然ながらＧａ極性のもの
にであることが望まれる。この極性を変える技法がある。１つの技法では、極性
を変えるため、Ｎに富む条件下でＭＢＥ成長を使用することを必要とする。第２
の技法は、おおよそ１層のマグネシウム単分子層を表面に堆積させ、その結果、
後続の層に関してＮ極性成長が行われる。第３の方法は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢ
Ｅによる原子層エピタキシを使用することであり、それによって、核形成を正し
い極性で行うよう試みる。

【００４５】個々の双極子７５は、図８Ａの電界７３とは逆の方向に、分極誘導電界７６を
発生させる。これが活性領域のエネルギー帯に及ぼす影響を、図８Ｃに示す。こ
の成長順序は、活性領域内に分極誘導電界が発生するまで続くが、この電界の双
極子は反転している。このため、注入されたキャリアによって、デバイスの作動
前に、すなわち自由キャリアが再結合し始める前に、分極誘導電荷密度σ１およ
びσ２を遮蔽（中和）することができる。クラッド層４から活性領域に向かって
注入された、Ｅ_ｃより高い電子は、クラッド／活性領域の界面でほぼσ２に蓄積
される。蓄積された、これら自由キャリアの電荷は、σ２を中和する。同様に、
クラッド層６から注入されたＥ_ｖより低い正孔は、活性領域／クラッドの界面付
近でσ１を中和する。デバイスが作動する前に、このプロセスは、図１Ｃに示す
場合と同様に活性領域エネルギー帯を「平坦にする（ｆｌａｔｔｅｎ）」。その
結果、デバイスの効率は、分極誘導電荷によって低下しない。このデバイス構造
の他の利益とは、従来の構造に比べ、経路Ａで示されるキャリアのオーバーシュ
ートが劇的に減少することである。また、電子および正孔の両キャリアの閉じ込
めも増大する。

【００４６】逆転構造従来のＬＥＤでは、ｐ型の前にｎ型層を成長させる。この実施形態では、この
成長順序が逆になる。図９Ａは、新たな成長順序で形成されたＬＥＤを概略的に
示す断面図であり、ｐ型コンタクトおよびクラッド層８３、８４を成長させた後
に、ｎ型クラッドおよびコンタクト層８６および８７を成長させている。この実
施形態の全ての層の厚さおよび材料組成は、図１Ａに関連して述べた窒化物エミ
ッタの場合と同様である。逆転層構造にも関わらず、界面分極誘導電荷シート密
度σ１およびσ２は、層同士の材料組成のばらつきにより依然として突出してい
る。これが活性領域のエネルギー帯に及ぼす影響を図９Ｂに示すが、これは本質
的に図１Ｂと同様である。しかし、ｐ型層とｎ型層の順序を逆にすることによっ
て、電子および正孔が注入される方向、すなわちそこから活性領域へと注入され
る方向も変化した。このように、ｎ型コンタクト層から常に注入される電子は、
活性領域８５の左側に示されるように、Ｅ_ｃより高いコンタクト層８７から活性
領域８５の左側に注入される。正孔は、右側から、Ｅ_ｖより低いｐ型コンタクト
層８３から注入される。この逆転層の順序により、キャリアは、層構造の代わり
に電界方向が反対であった前の実施形態と同様の手法で、デバイスが作動する前
に電荷密度を遮蔽することができる。この構造も、前の実施形態と同様の手法で
、キャリアのオーバーシュートを減少させ、キャリアの閉じ込めを増大させる。

【００４７】格子定数を変化させること図１０Ａおよび図１０Ｂは、構造内に分極電界を設計する別の方法を示す。活
性層に歪が生じないように、または歪の方向が逆になるように、活性領域１１３
の下の、構造の面内格子定数を変化させることによって、図１０Ｂのバンドダイ
アグラムに示されるように活性領域内の圧電分極誘導電界を小さくし、無くし、
または反転させることができる。下に在る格子定数は、いくつかの方法で変化さ
せることができる。第１に、バッファ層１１０は、バッファ層の面内格子定数が
ＩｎＧａＮ活性層の面内格子定数に近付くように、ＩｎＡｌＧａＮなどの異なる
材料組成で成長させることができる。ＩｎＡｌＧａＮバッファ層のバンドギャッ
プも、光吸収が無くなるように、ＩｎＧａＮ活性層のバンドギャップより大きく
なる。面内格子定数を変化させるための第２の方法では、従来のバッファ層を使
用するが、このバッファ層とは異なるＡｌＩｎＧａＮなどの材料組成でｎコンタ
クト層１１１の少なくとも一部を成長させて、その面内格子定数がバッファ層の
面内格子定数から変化して活性領域の面内格子定数に近付いた値になるようにす
ることである。このため、上述と同じ利益が実現される。第３の方法は、ｎコン
タクト層に関して述べたものと同じ方法で、下部クラッド層１１２内の格子定数
を変化させる。第４の方法では、歪が緩和されるように活性領域を十分厚く成長
させ、したがって、活性領域内の圧電誘導電界が取り除かれる。選択された方法
は、一般に、最小限の材料転位をもたらすものになり、上述のデバイス構造の利
点をもたらしながら材料の品質が保たれる。

【００４８】残留分極誘導電荷のほとんどをさらに低減させまたは打ち消すには、いくつか
の方法がある。上記論じた様々な実施形態は、混合しかつ合致させることができ
、また、発光または非発光の適切な層のいずれか１つまたは全てに利用すること
ができる。任意の所与の適用例に関し、特定の実施形態または実施形態の組合せ
はその適用例の性質に応じて異なると考えられ、経験的に決定することができる
。例えば、１つの可能性として、四元障壁に関連して述べたアルミニウムおよび
インジウムの打ち消し合う作用を持たせた状態でＡｌＧａＮクラッド層９２とＩ
ｎＧａＮ活性領域９１を組み合わせることが考えられる。他には、少なくとも１
つのクラッド層９２のアルミニウム含量にグレードを付けること、かつ／または
界面分極誘導電荷とは反対の電荷状態にイオン化する不純物を添加することが考
えられる。

【００４９】本発明のいくつかの例示的な実施形態について図示し記述してきたが、当業者
なら、多数の変形例および代替の実施形態を思い浮かべるであろう。例えば、こ
の記述は窒化物エミッタを対象としたが、その他の材料を具備する光エミッタの
分極誘導電荷の問題に対処するために、実施形態のいずれかまたは全てを使用す
ることができる。そのような変形例および代替の実施形態が企図され、上述の特
許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく作製す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】窒化物光エミッタに関する既知の構造の例示的な断面図である。

【図１Ｂ】極性表面上に成長させた図１Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図で
ある。

【図１Ｃ】無極性表面上に成長させた既知の光エミッタのエネルギー帯を示す図である。

【図２Ａ】様々な不純物を有する活性領域およびクラッド層のエネルギー帯を示す図であ
る。

【図２Ｂ】不純物プロフィルを示すグラフである。

【図３Ａ】本発明による、ＩｎＧａＮクラッド層を有する窒化物光エミッタの、例示的な
断面図である。

【図３Ｂ】図３Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図である。

【図４Ａ】三元ＡｌＧａＮクラッド層を有する窒化物半導体のエネルギー帯を示す図であ
る。

【図４Ｂ】四元ＡｌＩｎＧａＮクラッド層を有する窒化物半導体のエネルギー帯を示す図
である。

【図５】クラッドが成長する間の時間とそれに対応する原子の濃度との関係を示すグラ
フである。

【図６Ａ】擬似電界での活性領域のエネルギー帯を示す図である。

【図６Ｂ】連続的にグレードを付けた活性領域のエネルギー帯を示す図である。

【図６Ｃ】連続的にグレードを付けた活性領域のエネルギー帯を示す図である。

【図７Ａ】多層光放出系のエネルギー帯を示す図である。

【図７Ｂ】図７Ａの多層放出系と同等の幅を有する単一の活性領域のエネルギー帯を示す
図である。

【図８Ａ】図１Ａに示す構造の単一の層に対応する原子層構造を示す断面図である。

【図８Ｂ】単一半導体層の逆転原子層構造を示す断面図である。

【図８Ｃ】図８Ｂのデバイス構造に対応するクラッド層および放出層のエネルギー帯を示
す図である。

【図９Ａ】ｎ型の前にｐ型層を成長させた逆転窒化物光エミッタを示す断面図である。

【図９Ｂ】図９Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図である。

【図１０Ａ】活性領域に、より厳密に整合する格子定数を有する新しいバッファを有する、
窒化物光エミッタを示す断面図である。

【図１０Ｂ】図１０Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型およびｐ型コンタクト層（３、７）と、活性光放出領域
（５）を間に挟むクラッド層（４、６）とを有し、結晶の極性方向に沿って成長
させた、高効率ダブルヘテロ構造を具備し、前記高効率ヘテロ構造は、活性領域（５）の両端間に分極誘導電界を発生させ
る原子双極子を有する前記活性領域（５）と二元または三元のクラッド層（４、
６）とを有し、成長順序として前記ｎ型コンタクト層（３）が前記ｐ型コンタク
ト層（７）の前にあるベースヘテロ構造に対して、構造上の相違を有し、前記構造上の相違により、前記高効率ヘテロ構造の活性領域（５）の両端間の
分極誘導電界の効率低下作用を、前記ベースヘテロ構造の分極誘導電界に比べて
少なくとも部分的に緩和するようにしたことを特徴とする光エミッタ。
【請求項２】前記活性領域（５）はＩｎＧａＮを具備し、前記構造上の相
違は、前記クラッド層（４、６）の少なくとも１つがＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_１−ｘ− _ｙＮ、ただし０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１であるものを含むように、前記クラッ
ド層（４、６）の少なくとも１つにＩｎを添加することを具備することを特徴と
する請求項１に記載の光エミッタ。
【請求項３】前記構造上の相違は、前記クラッド層（４、６）の少なくと
も１つと活性領域（５）との界面での界面分極作用を妨げるための、前記クラッ
ド層（４、６）の少なくとも１つの組成における勾配を具備することを特徴とす
る請求項１に記載の光エミッタ。
【請求項４】前記構造上の相違は、前記分極誘導電界を妨げるための、前
記活性領域（５）の組成における勾配を具備することを特徴とする請求項１に記
載の光エミッタ。
【請求項５】前記構造上の相違は、前記クラッド層（４、６）の少なくと
も１つにドーパント不純物を添加することを具備し、それによって前記分極誘導
電界を低減させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光エミッタ。
【請求項６】前記構造上の相違は、前記活性領域の原子双極子（７２）の
反転を具備することを特徴とする請求項１に記載の光エミッタ。
【請求項７】前記構造上の相違は、成長順序において前記ｎ型コンタクト
層（８７）の前に前記ｐ型コンタクト層（８３）があることを具備することを特
徴とする請求項１に記載の光エミッタ。
【請求項８】前記構造上の相違は、クラッド層（９２）と交互に配した多
数の活性領域（９１）を具備することを特徴とする請求項１に記載の光エミッタ
。
【請求項９】前記構造上の相違は、歪を受けない活性領域材料（１１３）
の面内格子定数に近い値の面内格子定数を有する少なくとも部分的に歪が緩和さ
れた下部クラッド層（１１２）を具備することを特徴とする請求項１に記載の光
エミッタ。
【請求項１０】前記構造上の相違は、歪を受けない活性領域材料（１１３
）の面内格子定数に近い値の面内格子定数を有する少なくとも部分的に歪が緩和
されたｎ型コンタクト層（１１１）を具備することを特徴とする請求項１に記載
の光エミッタ。
【請求項１１】バッファ層（１１０）上に成長させた光エミッタであって
、前記構造上の相違は、少なくとも部分的に歪が緩和されかつ歪を受けない活性
領域材料（１１３）の面内格子定数に近い値の面内格子定数を有する前記バッフ
ァ層（１１０）を具備することを特徴とする請求項１に記載の光エミッタ。
【請求項１２】結晶の極性方向に垂直に成長させた化合物半導体デバイス
であって、材料組成は前記極性方向で変化する少なくとも３層の結晶層（２〜７）を具備
し、前記層（２〜７）の少なくとも１つは、隣接する２つの層の材料組成に対して
中間的な材料組成を有することを特徴とする化合物半導体デバイス。
【請求項１３】前記少なくとも１つの層（２〜７）はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_１ _−ｘ−ｙＮクラッド層、ただし０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１であることを特徴と
する請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】結晶の極性方向に垂直に成長させた化合物半導体デバイス
であって、材料組成が前記極性方向で変化する複数の結晶層（２〜７）であって、前記層
（２〜７）の少なくとも１つに少なくとも１つの分極誘導電荷濃度を発生させる
結晶層を具備し、前記層（２〜７）の少なくとも１つはクラッド層（４、６）を具備し、その組
成にはグレードが付けられて、前記グレードのボリューム全体に空間電荷が発生
するようになされ、それによって前記電荷濃度が妨げられるようにしたことを特
徴とするデバイス。
【請求項１５】前記グレード付きクラッド層（４、６）はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧ
ａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、ただし０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１を具備することを特徴とす
る請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】結晶の極性方向に沿って成長させた化合物半導体デバイス
であって、材料組成が前記極性方向で変化する複数の結晶層（２〜７）を具備し、前記層（４、６）の少なくとも１つの組成にはグレードが付けられて、前記グ
レードのボリューム全体に空間電荷を発生させ、それによってドーパント不純物
を隣接する層から引き戻すことが可能であるようにしたことを特徴とするデバイ
ス。
【請求項１７】前記グレード層はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、ただし
０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１を具備することを特徴とする請求項１６に記載のデ
バイス。
【請求項１８】結晶の極性方向に沿って成長させた化合物半導体デバイス
であって、材料組成が前記極性方向で変化する複数の結晶層（２〜７）であって、前記層
の少なくとも１つに分極誘導電界を発生させる複数の結晶層を具備し、前記層の１つは活性領域（５）を有し、その組成には、前記分極誘導電界を妨
げる擬似電界を発生させるためのグレードが付けられていることを特徴とするデ
バイス。
【請求項１９】前記グレード付けによって、前記擬似電界を生成するため
の前記活性領域（５）のエネルギー帯に勾配を発生させることを特徴とする請求
項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】前記活性領域（５）がＩｎ_ｙＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、た
だし０≦ｙ≦１および０≦ｘ≦１を具備することを特徴とする請求項１８に記載
のデバイス。
【請求項２１】結晶の極性方向に沿って成長させた化合物半導体デバイス
であって、材料組成が前記極性方向で変化する複数の結晶層（２〜７）であって、前記層
の少なくとも１つに分極誘導電荷濃度を発生させる複数の結晶層（２〜７）を具
備し、前記層（２〜７）の少なくとも１つは、前記電荷濃度の少なくとも１つとは反
対の電荷状態にイオン化するドーパント不純物を取り込むようにしたことを特徴
とするデバイス。
【請求項２２】極性方向を有する結晶と、材料組成が前記結晶の極性方向で変化する複数の結晶層（２〜７）であって、
前記層の少なくとも１つに分極誘導電界を発生させる複数の結晶層（２〜７）と
を具備し、前記層（２〜７）の少なくとも１つは、前記層の少なくとも１つにおける前記
分極誘導電界の方向を反転させる、極性が交互に替わる原子層配列を有すること
を特徴とする化合物半導体デバイス。
【請求項２３】極性方向を有する結晶と、材料組成が前記結晶の極性方向で変化する、ｐ型（８３、８４）およびｎ型結
晶層（８６、８７）のそれぞれの少なくとも１つであって、前記層の少なくとも
１つに分極誘導電荷濃度を発生させる層とを具備し、成長順序において前記ｎ型層（８６、８７）の前に前記ｐ型層（８３、８４）
を配することにより、前記電荷濃度が前記デバイスの性能に及ぼす影響が逆にな
ることを特徴とする化合物半導体デバイス。
【請求項２４】結晶の極性方向に垂直に成長させた化合物半導体デバイス
であって、材料組成が前記極性方向で変化する複数の結晶層であって、前記層の少なくと
も１つに分極誘導電界を発生させる複数の結晶層を具備し、前記層の１つは、光放出および非放出層（９１、９２）を交互に含んだ多層活
性領域を具備し、前記非放出層（９２）は、注入されたキャリアを前記放出層（
９１）に閉じ込めかつ前記電界を妨げるようにしたことを特徴とするデバイス。
【請求項２５】前記非放出層（９２）の少なくとも１つの材料組成には、
前記電界を妨げる擬似電界を生成するためのグレードが付けられることを特徴と
する請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】前記放出層（９１）の少なくとも１つの材料組成には、前
記電界を妨げる擬似電界を生成するためのグレードが付けられることを特徴とす
る請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２７】前記非放出層（９２）の少なくとも１つの材料組成には、
前記電界を妨げる擬似電界を生成するためのグレードが付けられることを特徴と
する請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】前記非放出層（９２）の少なくとも１つは、前記電界を妨
げることになる空間電荷を供給するためのドーパント不純物を含むことを特徴と
する請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２９】極性方向を有する結晶と、材料組成が前記極性方向で変化する複数の結晶層（２〜７）であって、前記層
の少なくとも１つに分極誘導電界を発生させる複数の結晶層（２〜７）とを具備
し、前記層（２〜７）の少なくとも１つは活性領域（５）であり、前記活性領域（５）の下の前記層（２〜４）の１つでは、活性領域（５）の下
の前記層の面内格子定数が前記活性領域（５）の歪を受けていない面内格子定数
に近付くように、少なくとも部分的に歪が緩和され、そのため、前記活性領域（
５）内の前記電界が低減され、排除され、または反転されるようにしたことを特
徴とする化合物半導体デバイス。
【請求項３０】極性方向を有する結晶と、材料組成が前記極性方向で変化する複数の結晶層（２〜７）であって、前記層
の少なくとも１つに分極誘導電界を発生させる複数の結晶層（２〜７）とを具備
し、前記層（２〜７）の少なくとも１つは活性領域（５）であり、前記デバイスの材料の歪が少なくとも部分的に緩和されるように前記活性領域
（５）が成長し、それによって、少なくとも前記活性領域（５）内の前記電界が
低減されるようにしたことを特徴とする化合物半導体デバイス。