JP2004521495A - アンドープクラッド層を有するｉｉｉ族窒化物ｌｅｄ - Google Patents

Abstract

本発明は、電磁スペクトルの赤色部分から紫外部分の光を放出できる発光デバイスのための半導体構造である。該半導体構造は、第一ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層と第二ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層との間に配置されたＩＩＩ族窒化物活性層を含む。該第一及び第二のｎ型クラッド層の各バンドギャップは、該活性層のバンドギャップに比べて大きい。該半導体構造は、該第二ｎ型クラッド層が該ｐ型層と該活性層との間に存在するように、該半導体構造中に配置されるｐ型ＩＩＩ族窒化物層を更に含む。

Description

【発明の開示】
【０００１】
発明の分野
本発明は、発光デバイスの半導体構造、特に、電磁スペクトルの赤色部分から紫外部分の光を放出するＩＩＩ族窒化物から作製される発光ダイオード及びレーザーダイオードの半導体構造に関する。
【０００２】
発明の背景
光半導体デバイスには、３つのカテゴリー：すなわち、電気エネルギーを光放射へと転換するデバイス（例えば、発光ダイオード及びレーザーダイオード）；光信号を検出するデバイス（例えば、光検出器）；及び光放射を電気エネルギーへと転換するデバイス（例えば、光電池及び太陽電池）がある。これら３種類全てのデバイスには有用な用途があるが、様々な消費者製品及び用途で用いることができるという点で、発光ダイオードが最も一般的に知られている。
【０００３】
ＬＥＤと本明細書で呼称される発光デバイス（例えば、発光ダイオード及びレーザーダイオード）は、電力を発光へと転換する光ｐ−ｎ接合半導体デバイスである。おそらく最も一般的には、ＬＥＤは、様々な信号、インジケータ、計器、及び多くの消費者製品（例えば、オーディオシステム、自動車、家庭電化製品、及びコンピュータシステム）で用いられるディスプレー用の、電磁スペクトルの可視部分の光源を形成する。ＬＥＤは、その長寿命、低消費電力、及び高い信頼性のゆえに、光出力デバイスとして望ましい。
【０００４】
広範に使用されているにもかかわらず、所定のＬＥＤが生成できる色は、ＬＥＤ製造に用いられる半導体材料の性質によって制限されるので、ＬＥＤは、機能に関してやや制限される。この技術及び関連技術における当業者には公知のように、ＬＥＤによって生成される光は、「エレクトロルミネセンス」と呼称され、印加電圧下にある材料中を通過する電流によって光が発生することを意味している。エレクトロルミネセンス光を生成する任意の特有な組成物は、比較的狭帯域の波長でエレクトロルミネセンス光を生成する傾向がある。
【０００５】
所定のＬＥＤ材料によって発光され得る光の波長（すなわち、その色）は、材料の物理的性質によって、詳しくはそのバンドギャップエネルギーによって制限される。バンドギャップエネルギーとは、半導体において、より低いエネルギー価電子バンドとより高いエネルギー伝導バンドとを分離するエネルギー量である。バンドとは、キャリア（すなわち、電子又はホール）が、公知の量子力学の法則にしたがって存在できるエネルギー状態である。「バンドギャップ」とは、キャリアに対して禁止される、伝導バンドと価電子バンドとの間のエネルギーの範囲である（すなわち、キャリアはこれらのエネルギー状態において存在できない）。ある種の状況下では、電子及びホールが、バンドギャップを横断して再結合するとき、それらは、光の形態でエネルギーを放出する。言い換えれば、所定の半導体材料によって生成され得る電磁放射の周波数（すなわち、色）は、材料のバンドギャップエネルギーの関数である。
【０００６】
この点おいて、狭いバンドギャップは、低エネルギーで長波長の光子を生成する。逆に、広いバンドギャップ材料は、高エネルギーで短波長の光子を生成する。青色光は、短波長であるので、可視スペクトルにおけるほとんどの他の色にくらべて周波数が高い。而して、青色光は、緑色、黄色、オレンジ、又は赤色の光を生成する遷移に比べて、エネルギーがより大きい遷移から生成させなければならない。可視スペクトルの青色部分又は紫外部分の波長を有する光子を生成させるには、比較的大きなバンドギャップを有する半導体材料が必要である。
【０００７】
全可視スペクトルは、３９０ｎｍ又は約３９０ｎｍの紫色から約７８０ｎｍの赤色までであり、可視スペクトルの青色部分の波長は、約４２５ｎｍから約４８０ｎｍの間であると考えることができる。約４２５ｎｍ（紫近傍）及び約４８０ｎｍ（緑近傍）の波長は、それぞれ約２．９ｅＶ及び約２．６ｅＶのエネルギー遷移を示している。而して、少なくとも約２．６ｅＶのバンドギャップを有する材料のみが、青色光を生成することができる。
【０００８】
より短波長のデバイスは、色に加えて、数多くの利点を提供する。特に、ＣＤ−ＲＯＭ光ディスクのような光学的な記憶デバイス及びメモリデバイスで用いられる場合、短波長であると、有意により多くの情報をデバイスに保持できる。例えば、青色光を用いて情報を記憶している光学デバイスは、赤色光を用いるデバイスと同じスペースに実質的により多くの情報を保持できる。
【０００９】
発光ダイオードが動作する基本的なメカニズムは、当業において充分に理解されており、例えばSze，Physics of Semiconductor Devices，２d Edition （１９８１）p．６８１−７０３に記載されている。
【００１０】
本特許出願の同一譲受人は、青色スペクトルの光を発光し、且つ大量の商業的な生産量で市販された商業的に存立可能なＬＥＤの開発に成功した、この分野の先駆者であった。
これらのＬＥＤは、ワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素で作製された。前記青色ＬＥＤは、Edmondによる、それぞれ"Blue Light Emitting Diode Formed in Silicon Carbide．"という名称の米国特許第４，９１８，４９７号及び第５，０２７，１６８号に記載されている。ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ構造及びレーザー構造の他の例は、同一出願人による米国特許第５，５２３，５８９号；５，５９２，５０１； 及び５，７３９，５５４号に記載されている。
【００１１】
炭化珪素に加えて、青色発光デバイス用の候補材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）及びそれと関連のあるＩＩＩ族（すなわち、周期表のＩＩＩ族）窒化物化合物、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）である。これらの材料は、室温で約１．９ｅＶ 〜 約６．２ｅＶのバンドギャップを有する直接エネルギー遷移を提供する。例えば珪素、燐化ガリウム、又は砒化ガリウムのような通常の半導体材料は、それらのバンドギャップが約２．２６ｅＶ以下であり、また珪素の場合には、間接遷移形半導体であり、且つ非効率的な発光体であるので、青色光を発生させるのには不適当である。
【００１２】
ＬＥＤ及び電子遷移に精通している当業者には公知のように、価電子バンドの最大値と伝導バンドの最小値が同じ運動量状態を有するとき、直接遷移が半導体で起こる。このことは、結晶運動量は、遷移によって生成されるエネルギーが主として且つ効率的に光子に投入できるように（すなわち、熱ではなくて光を生成するように）電子とホールの再結合中に容易に保存されることを意味している。伝導バンドの最小値と価電子バンドの最大値が同じ運動量状態を有しないとき、フォノン（すなわち、振動エネルギーの量子）が、結晶運動量を保存するために必要とされ、その遷移は「間接」と呼称される。第三の粒子であるフォノンが必要であることから間接放射遷移が起こり難くなるので、デバイスの発光効率が低下する。
【００１３】
一般的に言って、直接バンドギャップ材料で形成されるＬＥＤは、間接バンドギャップ材料で形成されるＬＥＤに比べてより効率的に動作する。而して、ＩＩＩ族窒化物の直接遷移特性によって、炭化珪素のような間接遷移からの発光に比べて、より明るくより効率的な発光、而してより明るくより効率的なＬＥＤが作製される可能性が得られる。而して、この１０年間、窒化ガリウム及び関連のあるＩＩＩ族窒化物を用いて発光ダイオードを作製することについても多くの関心が寄せられてきている。
【００１４】
ＩＩＩ族窒化物は広範なバンドギャップエネルギー範囲にわたって直接遷移を提供するが、ＩＩＩ族窒化物には特有な技術的な製造問題がある。特に、その上に光デバイスが形成されると考えられる窒化ガリウムエピタキシャル層のための適当な基板として機能し得る窒化ガリウム（ＧａＮ）のバルク単結晶を製造するための商業的に存立可能な技術はまだない。
【００１５】
すべての半導体デバイスは、いく種類かの構造基板が必要である。典型的には、活性領域と同じ材料で作製される基板は、特に結晶成長及び格子整合において有意な利点を提供する。窒化ガリウムは、まだ上記したようなバルク結晶で形成させなければならないので、窒化ガリウム光デバイスは、非ＧａＮ基板上にエピタキシャル層にして作製しなければならない。
【００１６】
ＩＩＩ族窒化物基板の分野における最近の仕事としては、本発明の譲受人に譲渡された"Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride"という名称の米国特許第６，２９６，９５６号；"Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride from a Melt"という名称の第６，０６６，２０５号；"Growth of Bulk Single Crystals of Aluminum Nitride"という名称の第６，０４５，６１２号；及び"Simulated Diamond Gemstones Formed of Aluminum Nitride and Aluminum Nitride： Silicon Carbide Alloys．"という名称の第６，０４８，８１３号が挙げられる。
【００１７】
しかしながら、異なる基板を用いると、たいてい結晶格子整合の領域で、更なる問題が起こる。ほとんどすべての場合において、材料は異なる結晶格子パラメーターを有する。結果として、窒化ガリウムエピタキシャル層が異なる基板上で成長するとき、いくらかの結晶格子及び熱膨張率の不整合が起こる。得られるエピタキシャル層は、この不整合によって「歪んでいる（strained）」と言われる。結晶格子不整合、及び前記不整合が引き起こす歪みによって結晶欠陥が起こる可能性が生じる。次に、その結晶欠陥により、結晶及び接合の電子特性が影響を受け、それにより、光デバイスの性能が低下する傾向がある。これらの種類の欠陥は、高出力構造でははるかに大きな問題である。
【００１８】
初期のＩＩＩ族窒化物ＬＥＤでは、窒化ガリウムデバイス用の最も通常の基板は、サファイア（すなわち、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３）であった。ある種の現存のＩＩＩ族窒化物デバイスはサファイアを使用し続けている。
【００１９】
サファイアは、可視及び紫外の範囲で光学的に透明であるが、窒化ガリウムとの結晶格子不整合を約１6％有する。更に、サファイアは、導電性ではなく絶縁性であり、導電性ドーピングには不適である。而して、発光を発生させるためにＬＥＤ中を通過させなければならない電流を、サファイア基板中に指向できない。而して、ＬＥＤには他のタイプの接続を作らなければならない。
【００２０】
一般的に、垂直型ＬＥＤは、デバイスの両端（opposite end）にオーミックコンタクトを配置できるように、導電性基板を用いる。前記垂直型ＬＥＤは、非垂直型デバイスに比べて、製造し易く且つ最終使用デバイス中に簡便に組み込めるなどの多くの理由から好ましい。しかしながら、導電性基板がない場合は、垂直型デバイスを作製できない。
【００２１】
サファイアとは対照的に、窒化ガリウムは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との結晶格子不整合はほんの約２．４％であり、炭化珪素とのそれはほんの約３．５％である。炭化珪素の窒化アルミニウムとの不整合は、いくぶん小さく、ほんの約１％である。
【００２２】
三元及び四元のＩＩＩ族窒化物（例えば、窒化インジウムガリウム及び窒化アルミニウムインジウムガリウム）は、比較的広範なバンドギャップを有することも分かった。而して、前記ＩＩＩ族窒化物固体溶液も、青色及び紫外域の半導体レーザー及びＬＥＤを作製できる可能性を提供する。しかしながら、これらの化合物には、窒化ガリウムと同じ問題、すなわち同一の単結晶基板が無いという問題がある。而して、各化合物は、異なる基板上で成長されたエピタキシャル層の形態で典型的に用いられる。 このことにより、結晶欠陥及びそれと関連のある電子的問題が引き起こされる可能性がある。
【００２３】
而して、本発明の譲受人は、基板としてのサファイアの導電性の問題を解決する手段として、窒化ガリウムデバイス及び他のＩＩＩ族デバイスのための炭化珪素基板の使用を開発した。炭化珪素は導電性ドーピングすることができるので、垂直型ＬＥＤを作製できる。上記したように、垂直型構造により、ＬＥＤの製造と、回路及び最終使用デバイス中へのそれらの組み込みとが容易になる。
【００２４】
ＩＩＩ族窒化物に精通した当業者には公知のように、それらの特性は、本発明で使用するＩＩＩ族元素（例えば、ガリウム、アルミニウム、インジウム）の同定及びモル分率に基づいて異なってくる。例えば、アルミニウムのモル分率が増加すると、バンドギャップが増加する傾向があり、一方、アルミニウムの量が減少すると、屈折率が増大する傾向がある。同様に、インジウムの割合が大きくなると、材料のバンドギャップが減少するので、バンドギャップを調整又は「チューン」して、所望の周波数の光子を生成させる。溶液中のモル比を変えると、結晶格子面間隔も変化する。而して、この分野での多大な努力にもかかわらず、インジウム、アルミニウム、及びガリウムの割合が、ＩＩＩ族窒化物光デバイスの活性層、クラッド層、及びバッファ層において望ましく調整されるときに得られる特性を利用していて、且つ垂直配置を取り入れているデバイスに関するニーズが依然として存在している。
【００２５】
本発明の更なる目的は、非発光再結合が減少し且つ効率が改善される発光デバイスを提供することにある。
本発明の目的及び概要
而して、ＩＩＩ族窒化物の好ましい特性を利用して、ＩＩＩ族窒化物から発光ダイオード及びレーザーダイオードを作製することは本発明の目的である。
【００２６】
本発明は、第一ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層と第二ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層との間に配置されたＩＩＩ族窒化物活性層を含む半導体構造によって、これらの目的を達成する。活性層は、第一及び第二のｎ型クラッド層の各バンドギャップに比べて小さいバンドギャップを有する。半導体構造は、第二ｎ型クラッド層がｐ型層と活性層との間に存在しているような半導体構造に配置されるｐ型ＩＩＩ族窒化物層を更に含む。
【００２７】
別の態様では、第二ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層は、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層との接合部において、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層に対して実質的に格子整合されるような勾配組成を有する。
【００２８】
もう一つ別の態様では、半導体構造は、第二ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層とｐ型ＩＩＩ族窒化物層との間に配置された第三ｎ型ＩＩＩ族窒化物層を含む。好ましくは、その第三ｎ型ＩＩＩ族窒化物層は、ｐ−ｎホモ接合が第三ｎ型ＩＩＩ族窒化物層とｐ型ＩＩＩ族窒化物層との間に形成されているような、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層と同じ材料構造を含む。
【００２９】
本発明の上記のならびに他の目的と利点、及びそれらが達成される方法を、以下の詳細な説明及び添付の図面によって更に詳細に説明する。
詳細な説明
本発明は、電磁スペクトルの赤から紫外部分の光を放射できる発光デバイスのための半導体構造である。その構造は、第一ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層と第二ｎ型ＩＩＩ族窒化物クラッド層との間に配置されたＩＩＩ族窒化物活性層を含む。第二ｎ型クラッド層の特徴は、実質的にマグネシウムが存在していない点である（すなわち、マグネシウムは存在していてもよいが、半導体デバイスに機能効果を有しない程度に少量でのみ存在していてもよい）。半導体構造それ自体の更なる特徴は、第二ｎ型クラッド層がｐ型層と活性層との間に配置されている半導体構造中に配置されるｐ型ＩＩＩ族窒化物層である。更に、活性層は、第一及び第二のｎ型クラッド層の各バンドギャップに比べて、小さいバンドギャップを有する。本発明で用いている「層」という用語は、一般的に、単結晶エピタキシャル層を意味している。
【００３０】
特有な導電型（すなわち、ｎ型又はｐ型）は、意図的ではないかもしれないが、より普通に、適当なドナー原子及びアクセプター原子を用いてＩＩＩ族窒化物を特にドープした結果である。デバイス中にｐ−ｎ接合を形成させるために、逆の導電型の層を含むことが望ましい。順方向電圧バイアス下で、ｐ−ｎ接合を横断するように注入された少数キャリアは、再結合して所望の発光放射を生成する。ＩＩＩ族窒化物の適当なドーピングは、当業では理解されており、本発明を説明するために必要である場合以外は、本明細書で更に考察しない。
【００３１】
一般的に、活性層及びクラッド層は、ＩＩＩ族窒化物化合物を含む。前記化合物におけるＩＩＩ族元素は、アルミニウム、インジウム、ガリウム、又は２種以上の前記元素の組合せであってもよい。
【００３２】
当業者には公知のように、活性層、第一ｎ型クラッド層、及び第二ｎ型クラッド層におけるアルミニウム、インジウム、及びガリウムのモル分率は、式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）によって一般的に表すことができる。その場合、アルミニウム、インジウム、及びガリウムの相対濃度は、各層で変化させることができる。しかしながら、ＩｎＮはすべての可能な組合せの中で最低のバンドギャップを有しているので、クラッド層は窒化インジウム（すなわち、ｙ＝１）であることができず、また、ＡｌＮはすべての可能な組合せの中で最高のバンドギャップを有しているので、活性層は窒化アルミニウム（すなわち、ｘ＝１）であることができない。これらの態様では、クラッド層は、活性層に比べて、より大きなエネルギーを有することが理解される。
【００３３】
本発明は、本発明によるＬＥＤのための半導体構造に関する断面概略図である図１を参照することによって理解できる。一般的に番号１０で示されている半導体構造は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される第一ｎ型クラッド層１１を含む。
【００３４】
また、半導体構造１０は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される第二ｎ型クラッド層、又は更に特定の態様では、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）で表されるインジウム無含有の窒化アルミニウムガリウムのｎ型クラッド層１２も含む。その場合、アルミニウム及びガリウムの両方（すなわち、アルミニウムとガリウムとの合金）が存在する必要があるとき、変数ｘの範囲が０及び１の両方を含むことは当業者に理解される。上記したように、第二ｎ型クラッド層１２は、特にマグネシウムを含み、ドープ又はアンドープであることができる。クラッド層は、無意図的にはｎ型、すなわちアンドープであることができる。
【００３５】
式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ＜１及び０≦ｙ≦１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）を有するｎ型活性層１３は、第一ｎ型クラッド層と第二ｎ型クラッド層１２との間に配置される。更に特定の態様では、活性層１３は、アルミニウム無含有であり、式Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（式中、０＜ｙ＜１である）を有する窒化インジウムガリウムから実質的に成っている。その場合、インジウム及びガリウムの両方（すなわち、インジウムとガリウムとの合金）が存在する必要があるとき、変数ｙの範囲が０及び１の両方を含むことは当業者に理解される。
【００３６】
半導体構造の更なる特徴は、上記したように、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層１８が、第二ｎ型クラッド層１２がｐ型層１８と活性層１３との間に存在しているような半導体構造中に配置される点である。好ましい態様では、ｐ型層は、窒化ガリウム（好ましくは、マグネシウムドープト窒化ガリウム）；窒化インジウム；又は式Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）で表される窒化インジウムガリウムから作製される。
【００３７】
ｐ型層１８がマグネシウムドープト窒化ガリウムから作製される態様では、第二ｎ型クラッド層１２は、ｐ型層１８から活性層１３へのマグネシウムの移行を阻止するのに充分に厚くあるべきであるが、活性層１３において電子とホールとが再結合するのを容易にする程には充分に薄くあるべきであることに留意されたい。そのようにすることは活性層１３からの発光を最大にするのに役立つ。更に、ｐ−ｎ接合がＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間の界面で形成されないので、すなわちＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮｐ−ｎ接合が回避されるので、前記界面は、低い界面準位密度を有しているべきである。界面準位の低下により、活性層におけるキャリアの再結合がより効率的に起こり、それに対応して総デバイス効率が増大する。
【００３８】
別の態様では、ｐ型層は、窒化ガリウム；窒化インジウム；及び式Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）で表される窒化インジウムガリウムから成る群より選択される選択的にドープされたｐ型ＩＩＩ族窒化物層から形成されたｐ型超格子を含む。特に、前記超格子は、これらのＩＩＩ族窒化物層の任意の２つから成る交互層から最も良好に形成される。そのような超格子では、窒化ガリウムと窒化インジウムガリウムとの交互層が最も好ましい。
【００３９】
活性層１３はドープ又はアンドープであることができる。ＩＩＩ族窒化物の特性に精通している当業者には公知のように、アンドープ材料は、一般的に、無意図的にはｎ型であり、第二ｎ型クラッド層１２に適する。特に、第一ｎ型クラッド層１１及び第二ｎ型クラッド層１２のバンドギャップは、それぞれ、活性層１３のそれに比べて大きい。
【００４０】
ＩＩＩ族モル分率を選択することにより、これらの特性を提供することができる。例えば、図２では、バンドギャップエネルギー対格子パラメーターが理論的に説明されている。図２の三角領域は、アルミニウム、インジウム、及びガリウムのＩＩＩ族窒化物に関して利用可能なバンドギャップエネルギーの範囲を表している。図２は、任意の特有な格子パラメーターに関して、ガリウムを排除すると、バンドギャップエネルギーが最大になることを示している（すなわち、窒化アルミニウムインジウムガリウムに関するバンドギャップは、ＡｌＮ−ＩｎＮ部分によって規定される）。
【００４１】
半導体構造、特にレーザー構造に精通している当業者には公知のように、活性層は、隣接しているｎ型クラッド層に比べて、低いバンドギャップを有していなければなず、また、隣接クラッド層に比べて高い屈折率を有していなければならない。前記の構造により、レーザー可能出力に関して重要な２つの利点が得られる。第一に、活性層が最低のバンドギャップを有する場合、そこにキャリアが落下する傾向がある量子井戸を形成することができる。その量子井戸は、デバイス効率を増強するのに役立つ。第二に、構造において最大の屈折率を有する材料中で導波が起こる。而して、活性層のバンドギャップが隣接層のそれを下回っていて、また、活性層の屈折率が隣接層のそれに比べて大きいとき、デバイスのレーザー可能出力は増強される。
【００４２】
更に、当業者には公知のように、三元及び四元のＩＩＩ族窒化物の組成物は、屈折率及びバンドギャップの双方に影響を及ぼす。一般的に言えば、アルミニウムの割合が大きくなると、バンドギャップが増加し、屈折率が低下する。而して、好ましい態様では、クラッド層１１及び１２が、活性層１３に比べて大きなバンドギャップを有し、また活性層１３に比べて小さい屈折率を有するためには、好ましくは、クラッド層１１及び１２は、活性層１３と比較して、アルミニウム又はガリウムをより高い分率で有する。クラッド層１１及び１２のバンドギャップが大きくなると、活性層１３中へのキャリアの閉じ込めが促進されて、デバイスの効率が増加する。同様に、ヘテロ構造１１及び１２の屈折率が低下すると、光は、ますます活性層１３に沿って更に好ましく導かれる（すなわち、活性層１３に閉じ込められる）。
【００４３】
上記したように、列挙した変数（例えば、ｘ及びｙ）は、構造的な層について言及している。すなわち、１つの層に関する変数の値は、別の層に関する変数の値とは無関係である。例えば、半導体構造を説明する場合、変数ｘは、第一ｎ型クラッド層１１に関して一つの値を有することができ、また、第二ｎ型クラッド層１２に関してもう一つ別の値、また、説明している活性層１３に関して更にもう一つ別の値を有することができる。更にまた当業者に理解されるように、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおける制限０≦（ｘ＋ｙ）≦１は、単に、ＩＩＩ族元素及び窒化物がモル比１：１で存在することを要求しているだけである。
【００４４】
好ましい態様では、活性層１３は、約０．０５ 〜 ０．５５のモル分率でインジウムを有するＩｎＧａＮを含む。図１及び図３を参照されたい。好ましくは、層１２は、約０．１４ 〜 ０．２４のモル分率でアルミニウムを有するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層であり、好ましくは、層１１は、約０ 〜 ０．１５のモル分率でアルミニウムを有するＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層である。図３を参照されたい。好ましくは、層１９は、約０ 〜 ０．１５のモル分率でアルミニウムを有するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層である。
【００４５】
本明細書で用いている、１つの層が、２つの他の層の「間に」存在するという概念は、３つの層が隣接している（密接に接触している）ことを必ずしも意味していないことは、当業者には理解される。むしろ、本明細書で用いている、１つの層が、２つの他の層の間に存在するという概念は、半導体構造内における層の相対的な位置を説明することを意図している。同様に、本明細書で用いている、第一層が、第二層と接触していて、第三層とは「反対側にある」という概念は、単に、半導体構造内における第一層及び第二層の相対的な位置を説明しているだけである。
【００４６】
ともあれ半導体構造の好ましい態様では、活性層１３は、第一ｎ型クラッド層１１に隣接して第一表面１４と、第二ｎ型クラッド層１２に隣接して第二表面１５とを有する。言い換えれば、前記態様では、活性層１３は、第一ｎ型クラッド層１１と第二ｎ型クラッド層１２との間に直接サンドイッチされていて、この３層アイソタイプヘテロ構造（すなわち、材料のすべてが同じ導電型を有するヘテロ構造）を、一つの追加の層も邪魔をしていない。前記ヘテロ構造はブランケット１６と呼称している。別の好ましい態様では、ｐ型層１８は、該第二ｎ型クラッド層１２と接触していて、該活性層１３とは反対側の位置にある。
【００４７】
「ヘテロ構造」という構造名称は、当業で充分に理解される。これらの構造の面は、例えば、Sze，Physics of Semiconductor Devices，Second Edition （１９８１）ｐ．７０８−７１０で考察されている。Szeは、考察の中でレーザーについて言及しているが、ホモ構造、シングルヘテロ構造、及びダブルヘテロ構造のデバイスの性質及びそれらの区別を説明している。アイソタイプヘテロ構造は、Hartman ら に与えられた米国特許４，３１３，１２５号で考察されている。
【００４８】
半導体デバイスは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）の追加のｎ型層を含むこともできる。図３に記載した一つの態様では、第三ｎ型層１９は、第二ｎ型クラッド層１２とｐ型層１８との間に配置される。好ましくは、第三ｎ型層１９は、ｐ型層１８と接触している第一表面と、第二ｎ型クラッド層１２と接触している第二表面とを有する。
【００４９】
第三ｎ型層１９は、ｐ型層１８と格子整合させる。好ましくは、第三ｎ型層１９は、ｐ型層１８とｐ−ｎホモ接合を形成する。ｐ−ｎホモ接合を有すると、接合における界面準位の数が減少する。そのような準位の場合は、非発光再結合となり得るので、界面準位の数を減少させると、再結合効率が向上し、而して、総デバイス効率が向上する。
【００５０】
半導体デバイス１０は、更に、第一ｎ型クラッド層１１と同じ導電型を有する炭化珪素基板１７（すなわち、ｎ型炭化珪素基板）を含むことができる。好ましくは、炭化珪素基板１７は、３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ又は１５Ｒのポリタイプを有する。第一ｎ型クラッド層１１は、炭化珪素基板１７と活性層１３との間に配置される。本発明の一つの態様では、炭化珪素基板１７は、第一ｎ型クラッド層１１と接触していて、活性層１３とは反対側にある（すなわち、炭化珪素基板１７と第一ｎ型クラッド層１１との間には介在層は存在していない）。
【００５１】
最も好ましくは、炭化珪素基板１７は単結晶である。当業者には充分に理解されるように、高品質の単結晶基板は、性能及び寿命に関して有意な利点を提供する。炭化珪素基板１７は、米国特許第４，８６６，００５号（米国再発行特許第３４，８６１号）で説明されている方法によって作製できる。好ましくは、炭化珪素基板１７及び第一クラッド層１１はｎ型である。
【００５２】
図４に記載した好ましい態様では、第一ｎ型クラッド層１１は、炭化珪素基板１７と接触している第一表面２１と、活性層１３と接触している第二表面２２とを有する。特に、第一ｎ型クラッド層１１の組成は、その第一表面２１における結晶格子が炭化珪素基板１７の結晶格子とより密接に整合し、且つその第二表面２２における結晶格子が活性層１３の結晶格子とより密接に整合するように、連続的に勾配付ける。インジウムの充分なモル分率を第一ｎ型クラッド層１１中に存在させることにより、炭化珪素基板１７に隣接している第一表面２１における導電性を確実に維持するべきである。
【００５３】
当業者によって理解されるように、連続的な勾配付けとしては、逐次勾配付け（step grading）及び線形勾配付け（linear grading）の両方が挙げられる。而して、本明細書で用いている、各結晶格子をより密接に整合させるという概念は、完全な整合という意味ではなく、層界面における結晶格子が隣接層の結晶格子とより適合性（compatible）であるように、層の組成を連続的且つ組成的に勾配付けたという意味である。デバイスを製造するとき、多くの考慮事項のバランスを取らなければならない。その一つは格子整合である。他のファクターがより重要である場合には、完全な又は密接な格子整合は、あまり重要ではないかもしれず、またその逆もある。
【００５４】
その場合、ｎ型クラッド層、特に窒化アルミニウムインジウムガリウムｎ型クラッド層を、ガリウム含有活性層、特に窒化ガリウム活性層及び窒化インジウムガリウム活性層に対して選択的に格子整合させて、歪み及び欠陥を減少させることができる。特に、窒化アルミニウムインジウムは、より低いバンドギャップを有する他のＩＩＩ族窒化物に対して格子整合させることができるので、クラッド層材料として有用である。図２を参照されたい。
【００５５】
当業者によって理解されるように、クラッド層と活性層との格子整合は、片側格子整合であることができ（すなわち、格子整合が活性層の片側で起きる場合）又は両側格子整合であることができる（すなわち、格子整合が活性層の両側で起こる場合）。
【００５６】
図５に記載した別の態様では、半導体構造は、更に、炭化珪素基板１７と第一ｎ型クラッド層１１との間に配置された導電性バッファ層２３を含む。この態様の変更形態では、導電性バッファ層２３は、炭化珪素基板１７と第一ｎ型クラッド層１１との間にサンドイッチされ、介在層は存在しない。好ましくは、導電性バッファ層２３は、式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）を有する窒化アルミニウムガリウムから実質的に成る。 又は、第一ｎ型クラッド層１１が式Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）を有する窒化アルミニウムインジウムから実質的に成っているとき、好ましくは、導電性バッファ層２３は、式Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）を有する窒化アルミニウムインジウムから実質的に成る。他の許容可能なバッファ及びバッファ構造としては、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第５，５２３，５８９；第５，３９３，９９３号；及び第５，５９２，５０１号に記載されているものが挙げられる。
【００５７】
第一ｎ型クラッド層１１と導電性バッファ層２３との間の遷移を容易にするために、半導体構造は、更に、導電性バッファ層２３と第一ｎ型クラッド層１１との間に配置される好ましくは窒化ガリウムから形成されるＩＩＩ族窒化物遷移層２４を含む。図６を参照されたい。遷移層２４は、第一ｎ型クラッド層１１と同じ導電型を有する（すなわち、ｎ型遷移層）。
【００５８】
又は、図７に記載してあるように、導電性バッファ層２３及び遷移層２４は、その内容を本明細書に完全に引用したものとする、本願と同一の譲受人に譲渡された"Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure，" という名称の米国特許第６，２０１，２６２号において更に完全に開示されている不連続結晶部分（discrete crystal portion）２８で置換することができる。
【００５９】
もう一つ別の態様では、半導体構造１０は、更に、第一オーミックコンタクト２５及び第二オーミックコンタクト２６を含む。図１に示してあるように、第一オーミックコンタクト２５は、炭化珪素基板１７が第一オーミックコンタクト２５と第一ｎ型クラッド層１１との間に存在している半導体構造中に配置される。第二オーミックコンタクト２６は、ｐ型層１８が第二オーミックコンタクト２６と第二ｎ型クラッド層１２との間に存在している半導体構造中に配置される。
【００６０】
好ましくは、第一オーミックコンタクト２５は、炭化珪素基板１７上に直接配置され、第一ｎ型クラッド層１１とは反対側に（又は、特有な構造的態様にしたがって、導電性バッファ層２３又は不連続結晶部分２８とは反対側に）存在し、且つ第二オーミックコンタクト２６は、ｐ型層１８上に直接配置され、第二ｎ型クラッド層１２とは反対側にある。この態様の変更態様では、ｐ型層１８は、第二オーミックコンタクト２６と第二ｐ型層（図示されていない）との間にサンドイッチされる。
【００６１】
当業者によって認められるように、導電性バッファ層２３は、炭化珪素基板１７と第一ｎ型クラッド層１１との間に物理的及び電子的な遷移を提供する。多くの状況下で、導電性バッファ層２３の存在は、炭化珪素基板１７と第一ｎ型クラッド層１１との間の格子差から生じ得る物理的歪みを緩和するのに役立つ。更に、デバイスの垂直機能（vertical function）を保存するために、導電性バッファ層２３は、半導体デバイス１０を動作させる所望の又は必要な電流を流すのに充分に導電性でなければならない。同様に、遷移層２４は、同様な物理的及び電子的な遷移に役立つ。
【００６２】
本発明の有利な垂直構造を完成させるオーミックコンタクト２５及び２６は、好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、バナジウム（Ｖ）、それらの合金又は配合物、又はそれらの金属の２種以上から成る連続層から形成されるが、前記オーミックコンタクトが、オーミック特性を示し、且つ発光デバイス１０の構造又は機能を妨害しないという条件下で、当業者に公知の他のオーミックコンタクト材料から形成されてもよい。
【００６３】
第一オーミックコンタクト２５が炭化珪素基板１７に対して形成される限りにおいて、本発明は、サファイアを用いるデバイスと区別される。サファイアは、導電性となることができないので、オーミックコンタクトに対して接続できない。而して、サファイアベースのデバイスは、ＬＥＤにとって最も好ましい垂直型構造にすることができない。
【００６４】
而して、一つの好ましい態様では、本発明は、３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ又は１５Ｒポリタイプのｎ型単結晶炭化珪素基板１７；窒化ガリウム（好ましくは、マグネシウムドープ窒化ガリウム）、窒化インジウム、及び式Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）を有する窒化インジウムガリウムから成る群より選択される少なくとも１種類のＩＩＩ族窒化物から作製されたｐ型層１８；Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ＜１及び０≦ｙ≦１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）のアンドープ活性層；Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）の第一ｎ型クラッド層１１；及びＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）の第二ｎ型クラッド層１２を含む発光デバイス用の半導体構造である。最も好ましくは、ｐ型層１８は、上記ＩＩＩ族窒化物の任意の２種類の交互層から形成された超格子を含む。
【００６５】
既に開示したように、第一ｎ型クラッド層１１及び第二ｎ型クラッド層１２は、それぞれ、活性層１３に比べて大きいバンドギャップを有する。更に、第一ｎ型クラッド層１１は、炭化珪素基板１７と活性層１３との間に配置され、第二ｎ型クラッド層１２は、活性層１３とｐ型層１８との間に配置され、また活性層１３は、第一ｎ型クラッド層１１と第二ｎ型クラッド層１２との間に配置される。
【００６６】
第一ｎ型クラッド層１１の組成は、その第一表面２１における結晶格子が炭化珪素基板１７の結晶格子とより密接に整合し、且つその第二表面２２における結晶格子が活性層１３の結晶格子とより密接に整合するように、連続的に勾配付けることができる。 同様に、第二ｎ型クラッド層１２の組成は、その第二表面における結晶格子がｐ型層１８の結晶格子とより密接に整合するように、連続的に勾配付けることができる。既に説明したように、エピタキシャル層を横断して連続的に勾配付ける方法としては、逐次勾配付け及び連続勾配付け（段階無し）の両方が挙げられる。ｎ型クラッド層１２を、ｐ型層１８に対して実質的に格子整合させると、層の間で形成されるｐ−ｎ接合における界面準位数が減少する。前記準位により非発光再結合が起こり得るので、界面準位数が減少すると、再結合効率が向上し、而して活性層１３における総デバイス効率が向上する。
【００６７】
更に、既に記載した説明にしたがって、この好ましい構造は、以下の層、すなわち第三ｎ型クラッド層１９、導電性バッファ層２３、ＩＩＩ族窒化物遷移層２４、不連続結晶部分２８、及びオーミックコンタクト２５及び２６の１つ以上を含むこともできる。その場合、最も好ましくは、導電性バッファ層２３は、式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１である）を有する窒化アルミニウムガリウムである。
【００６８】
図８，９，１０，１１及び１２は、本発明の態様を含む様々な構造のバンドギャップ図である。バンドギャップ図８ 〜 １２のすべては、順方向バイアス下でのバンドギャップ（すなわち、「フラットバンド」状態）を示している。バンドギャップ図８ 〜 １２は、概略図であり、必ずしも一定の比率に合わせて描かれていない。このバンドギャップ図は、本発明の重要な面を図示しているが、実際のバンド構造は、図とはわずかに異なっているかもしれないことが理解される。図８ 〜 １２では、可能な場合には、同じ番号は、図の同じ部分を指している。
【００６９】
図８は、ｎ型窒化ガリウムクラッド層３０、窒化インジウムガリウム活性層３１、及びｐ型窒化アルミニウムガリウム層３２を示している従来技術デバイスのバンドギャップ図である。前記デバイスにおいて、ｐ−ｎ接合は、破線３３で示してある。
【００７０】
デバイスの物理的構造と層間の界面品質とに関して、同じ材料間の界面は、高品質にするには最も容易である。ＩＩＩ族窒化物の中で、窒化ガリウムと窒化ガリウムとの間の界面は高品質にするのが最も容易であり、窒化ガリウムと窒化アルミニウムガリウムとの間の界面は難しいが、ほとんどの他のＩＩＩ族窒化物と比べたらより容易である。最悪に近い界面は、窒化ガリウムと窒化インジウムガリウムとの界面であり、最も悪い界面品質は、典型的には、窒化インジウムガリウムと窒化アルミニウムガリウムとの間の界面である。
【００７１】
更に、窒化インジウムガリウムの解離温度は、一般的に、すべての他のＩＩＩ族窒化物のそれを下回っている。而して、いったんＩｎＧａＮ活性層が成長したら、残留層のための成長温度は、窒化インジウムガリウム層の望ましくない解離又は分解を防止する温度に限定しなければならない。言い換えれば、ＩｎＧａＮ活性層が存在しない場合、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層は、これらの材料のより高品質のエピタキシャル層にとってより好適であるより高い温度（すべての他のファクターは等しい）で成長させることができる。
【００７２】
結果として、窒化インジウムガリウム層を保護するのに必要とされる窒化アルミニウムガリウム層を成長させるために用いられるより低い成長温度では、得られる窒化アルミニウムガリウム層の品質は、前記層をより高い温度で成長させることができる場合に比べて、いくぶん低品質である。
【００７３】
而して、ＡｌＧａＮ−ＡｌＧａＮ界面は通常は良好なホモ接合を作ると考えられるが、本発明の所望の窒化インジウムガリウム活性層を保護するのに必要とされる低い成長温度下では、窒化アルミニウムガリウム層の品質は悪く、特にｐ型窒化アルミニウムガリウム層の品質は悪い。結果として、窒化インジウムガリウム活性層を組み込むデバイスに関して、ｐ型窒化アルミニウムガリウム層とｎ型窒化アルミニウムガリウムとの間の界面及び接合の品質は一般的に非常に低い。而して、本発明において、そのような接合を回避することは、直感で分かるものではなく、予期外により良好なデバイスが製造される。言い換えれば、図８の構造を組み込んでいる従来技術のデバイスでは、高品質となるように形成することが困難なＩＩＩ族窒化物間界面が必要である。
【００７４】
図９には、別の従来技術デバイスに関するバンドギャップ図が示してある。図８に示してあるように、ｎ型窒化ガリウム層は３０で、窒化インジウムガリウム活性層は３１で、ｐ−ｎ接合は３３で、ｐ型窒化アルミニウムガリウム３２で示してある。しかしながら、図９のデバイスは、窒化インジウムガリウム活性層３１に対して、わずかにより良好な界面を提供する追加のｎ型窒化ガリウムクラッド層３４も含む；すなわち、隣接ＧａＮ−ＩｎＧａＮ層は、隣接ＡｌＧａＮ−ＩｎＧａＮ層に比べて、より高品質の界面を提供する傾向がある。また、図９には、第二窒化ガリウム層３４とｐ型窒化アルミニウムガリウム層３２との間にｎ型窒化アルミニウムガリウム層３５も図示してある。最後に、図９は、上部コンタクト層として追加のｐ型窒化ガリウム層３６を含む。このデバイスは、窒化アルミニウムガリウムの隣接層の間に形成されたｐ−ｎ接合３３を有するという利点を提供し、また、同様に、ＧａＮ層３４は、図８のＡｌＧａＮ層３２に比べてわずかにより良好な界面を、窒化インジウムガリウム活性層３１にも提供する。
【００７５】
図１０は、図１に図示してある本発明の態様のバンドギャップ関係が示してあり、ｎ型窒化ガリウム層３０（図１では１１）が窒化インジウムガリウム活性層３１（図１では１３）のためのクラッド層である。反対側にあるクラッド層３５は、ｎ型窒化アルミニウムガリウムから形成されていて、デバイスは、ｎ型窒化ＡｌＧａＮ層３５とｐ型窒化ガリウム層３６との間にｐ−ｎ接合３３を画成するｐ型窒化ガリウム層３６によって完成される。それにより、ｎ型窒化アルミニウムガリウム３５とｐ型窒化ガリウム層３６との間の界面においてｐ−ｎ接合を有するという利点が提供される。上記したように、ＧａＮ−ＧａＮ接合以外に、ＡｌＧａＮ−ＧａＮ接合は、性能の良いデバイスに要求される品質を有する最も容易に形成される接合である。
【００７６】
図１１には、第一クラッド層がｎ型窒化ガリウム層３０であり、活性層が窒化インジウムガリウム３１であり、また第二クラッド層がｎ型窒化アルミニウムガリウム３５である本発明の別の態様が図示してある。しかしながら、この態様は、ｎ型窒化アルミニウムガリウム層３５に隣接しているｎ型窒化ガリウム３７の追加の層を含む。結果として、ｐ−ｎ接合は、ｎ型窒化ガリウム３７とｐ型窒化ガリウム３６との間に形成され、構造的な観点から最高品質を提供するＧａＮ−ＧａＮ界面を与える。
【００７７】
図１２には、ｎ型窒化ガリウム層３０が、窒化インジウムガリウム活性層３１のための１つのクラッド層を形成する別の好ましい態様が図示してある。同様に、上部コンタクト層は、図１０及び１１のように、ｐ型窒化ガリウム層３６である。クラッド層及び遷移層として、図１２は、ＩｎＧａＮ活性層３１の界面に存在するｎ型窒化アルミニウムガリウムと、ｐ型窒化ガリウム層３６の界面に存在する実質的に完全なｎ型窒化ガリウムとの間において、連続的に組成的に勾配付けられた部分４０を含む。結果として、ｐ−ｎ接合３３は、勾配層４０のｎ−ＧａＮ部分と、ｐ−ＧａＮ層３６との間に、ホモ接合として再び作製される。
【００７８】
活性層とｐ−ｎ接合との間にある層（単数又は複数）の厚さは、デバイスの機能性に影響を及ぼす。層が薄過ぎると、適当な閉じ込めを提供できないが、層が厚過ぎると、所望の活性層ではなく、厚い層で非常に多くの再結合が起こる。而して、図１に記載してある態様に関して、クラッド層１２の厚さは約３０ 〜 ７０Åであるべきである。図３に記載してある態様に関して、クラッド層１２の厚さは約２０ 〜 ５０Åであるべきであり、また、層１９は約３０ 〜 ５０Åであるべきである。層１２と１９の全体の厚は、好ましくは、約１００Å以下であるべきである。デバイスの効率に関して、一つの目標は、非発光再結合電流（Ｊ_ｎｒ）を最小にし、発光再結合電流（Ｊ_ｒ）を最大にすることである。この点に関して、図８の構造は、最大（すなわち、最も望ましくない）非発光再結合電流を有する。図９のデバイスの非発光再結合電流は、図８のそれに比べていくぶん小さいが、図１０，１１又は１２のより好ましく小さい非発光再結合電流と比べると依然として大きい。
【００７９】
図面及び明細書において、本発明の典型的な態様を開示した。特定の用語は、一般的且つ記述的な意味でのみ用いており、限定することを目的としていない。発明の範囲は、以下の請求の範囲に記載してある。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による発光デバイスのための半導体構造の面に関する断面概略図である。
【図２】アルミニウム、インジウム、及びガリウムのＩＩＩ族窒化物合金に関する、バンドギャップエネルギー対格子パラメーターのプロットである（線形補間している）。
【図３】半導体構造の一つの態様に関する断面概略図である。
【図４】半導体構造の一つの態様に関する断面概略図である。
【図５】半導体構造の一つの態様に関する断面概略図である。
【図６】半導体構造の一つの態様に関する断面概略図である。
【図７】半導体構造の一つの態様に関する断面概略図である。
【図８】ある種の従来技術デバイスに対応しているバンドギャップ図である。
【図９】ある種の従来技術デバイスに対応しているバンドギャップ図である。
【図１０】本発明によるデバイスに関するバンドギャップ図である。
【図１１】本発明によるデバイスに関するバンドギャップ図である。
【図１２】本発明によるデバイスに関するバンドギャップ図である。

Claims (32)

1. Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される第一ｎ型クラッド層；
   マグネシウムが実質的に存在していないことを特徴とする、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される第二ｎ型クラッド層；
   ｎ型であって、且つ該第一ｎ型クラッド層と該第二ｎ型クラッド層との間に配置される、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ＜１及び０≦ｙ≦１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される活性層；及び
   該第二ｎ型クラッド層がＩＩＩ族窒化物のｐ型層と該活性層との間に配置される、ＩＩＩ族窒化物のｐ型層
   を含み；且つ
   該第一及び第二ｎ型クラッド層は、該活性層のバンドギャップに比べてそれぞれ大きい各バンドギャップを有する、
   電磁スペクトルの赤色部分から紫外部分の光を放出できる発光デバイスのための半導体構造。
2. 該活性層が第一表面と第二表面とを有し、該活性層の該第一表面が該第一ｎ型クラッド層と接触していて、且つ該活性層の該第二表面が該第二ｎ型クラッド層と接触している請求項１記載の半導体構造。
3. 該第二ｎ型クラッド層が、第一表面及び第二表面を有し、該第二ｎ型クラッド層の該第一表面が該活性層と接触していて、且つ該第二ｎ型クラッド層の該第二表面が該ｐ型層と接触していて、その場合、該第二ｎ型クラッド層の該第一表面における結晶格子が該活性層の結晶格子とより密接に整合し、且つ第二ｎ型クラッド層の該第二表面における結晶格子が該ｐ型層の結晶格子とより密接に整合するように、該第二ｎ型クラッド層の組成が連続的に勾配付けられている請求項１記載の半導体構造。
4. 該ｐ型層が、該第二ｎ型クラッド層と接触していて、該活性層の反対側にある請求項１記載の半導体構造。
5. 該第二ｎ型クラッド層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）から実質的に成る請求項１記載の半導体構造。
6. 該活性層が、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（式中、０＜ｙ＜１である）から実質的に成る請求項１記載の半導体構造。
7. 該ｐ型層が、マグネシウムドープ窒化ガリウムである請求項１記載の半導体構造。
8. 該第二ｎ型クラッド層が、該ｐ型層から該活性層へのマグネシウムの移行を阻止するのに充分に厚く、該活性層における再結合を容易にする程には充分に薄い請求項７記載の半導体構造。
9. 該ｐ型層が、窒化インジウムである請求項１記載の半導体構造。
10. 該ｐ型層が、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）である請求項１記載の半導体構造。
11. 該ｐ型層が、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）から成る群より選択される複数のＩＩＩ族窒化物層から形成された超格子を含む請求項１記載の半導体構造。
12. 該超格子が、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）から成る群より選択される２種類のＩＩＩ族窒化物層の交互層から形成される請求項１１記載の半導体構造。
13. Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）の第三ｎ型層を更に含み、その場合、該第三ｎ型層が、該第二ｎ型クラッド層と該ｐ型層との間に配置される請求項１記載の半導体構造。
14. 該第三ｎ型層が、第一表面及び第二表面を有し、該第三ｎ型層の該第一表面が該ｐ型層と接触していて、該第三ｎ型層の該第二表面が該第二ｎ型クラッド層と接触している請求項１３記載の半導体構造。
15. ｎ型炭化珪素基板を更に含み、その場合、該第一ｎ型クラッド層が、該炭化珪素基板と該活性層との間に配置される請求項１記載の半導体構造。
16. 窒化ガリウム及び窒化インジウムガリウムから成る群より選択される不連続結晶部分を更に含み、該不連続結晶部分が該第一ｎ型クラッド層と該炭化珪素基板との間に配置され、該不連続結晶部分が、該第一ｎ型クラッド層と該炭化珪素基板との間のバリアを低下させるのに充分な量であるが、該炭化珪素基板上に形成される任意の得られる発光デバイスの機能に悪影響を及ぼすと考えられる量を下回る量で存在する請求項１５記載の半導体構造。
17. ｎ型炭化珪素基板；及び
    該炭化珪素基板と該第一ｎ型クラッド層との間に配置された導電性バッファ層
    を更に含む請求項１記載の半導体構造。
18. 該導電性バッファ層が第一表面と第二表面とを有し、該導電性バッファ層の該第一表面が該炭化珪素基板と接触していて、且つ該導電性バッファ層の該第二表面が該第一ｎ型クラッド層と接触している請求項１７記載の半導体構造。
19. 該導電性バッファ層が、式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）を有する窒化アルミニウムガリウムから実質的に成る請求項１７記載の半導体構造。
20. ＩＩＩ族窒化物のｎ型遷移層を更に含み、該遷移層が、該導電性バッファ層と該第一ｎ型クラッド層との間に配置される請求項１７記載の半導体構造。
21. 窒化ガリウム及び窒化インジウムガリウムから成る群より選択される不連続結晶部分を更に含み、該不連続結晶部分が該導電性バッファ層と該炭化珪素基板との間に配置され、該不連続結晶部分が、該導電性バッファ層と該炭化珪素基板との間のバリアを低下させるのに充分な量であるが、該炭化珪素基板上に形成される任意の得られる発光デバイスの機能に悪影響を及ぼすと考えられる量を下回る量で存在する請求項１７記載の半導体構造。
22. ３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ及び１５Ｒから成る群より選択されるポリタイプのｎ型単結晶炭化珪素基板；
    窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）から成る群より選択される少なくとも１種類のＩＩＩ族窒化物から形成されるｐ型層；
    ｎ型であり、且つ該炭化珪素基板と該ｐ型層との間に配置される、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ＜１及び０≦ｙ≦１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される活性層；
    該炭化珪素基板と該活性層との間に配置される、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される第一ｎ型クラッド層；
    該活性層と該ｐ型層との間に配置される、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）で表される第二ｎ型クラッド層
    を含み；且つ
    該第一及び第二ｎ型クラッド層は、該活性層のバンドギャップに比べてそれぞれ大きい各バンドギャップを有する、
    電磁スペクトルの赤色部分から紫外部分の光を放出できる発光デバイスのための半導体構造。
23. 該第一ｎ型クラッド層が、第一表面及び第二表面を有し、該第一ｎ型クラッド層の該第一表面が該炭化珪素基板と接触していて、且つ該第一ｎ型クラッド層の該第二表面が該活性層と接触していて、その場合、該第一ｎ型クラッド層の該第一表面における結晶格子が該炭化珪素の結晶格子とより密接に整合し、且つ第一ｎ型クラッド層の該第二表面における結晶格子が該活性層の結晶格子とより密接に整合するように、該第一ｎ型クラッド層の組成が連続的に勾配付けられている請求項２２記載の半導体構造。
24. 該第二ｎ型クラッド層が、第一表面及び第二表面を有し、該第二ｎ型クラッド層の該第一表面が該活性層と接触していて、且つ該第二ｎ型クラッド層の該第二表面が該ｐ型層と接触していて、その場合、該第二ｎ型クラッド層の該第一表面における結晶格子が該活性層の結晶格子とより密接に整合し、且つ第二ｎ型クラッド層の該第二表面における結晶格子が該ｐ型層の結晶格子とより密接に整合するように、該第二ｎ型クラッド層の組成が連続的に勾配付けられている請求項２２記載の半導体構造。
25. 該ｐ型層が、マグネシウムドープ窒化ガリウムである請求項２２記載の半導体構造。
26. 該第二ｎ型クラッド層が、該ｐ型層から該活性層へのマグネシウムの移行を阻止するのに充分に厚く、該活性層における再結合を容易にする程には充分に薄い請求項２５記載の半導体構造。
27. 該ｐ型層が、窒化ガリウム、窒化インジウム、及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０＜ｘ＜１である）から成る群より選択される２種類のＩＩＩ族窒化物層の交互層から形成される超格子を含む請求項２２記載の半導体構造。
28. Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（式中、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ＜１及び（ｘ＋ｙ）≦１である）の第三ｎ型層を更に含み、その場合、該第三ｎ型層が、該第二ｎ型クラッド層と該ｐ型層との間に配置される請求項２２記載の半導体構造。
29. 該第三ｎ型層が、第一表面及び第二表面を有し、該第三ｎ型層の該第一表面が該ｐ型層と接触していて、且つ該第三ｎ型層の該第二表面が該第二ｎ型クラッド層と接触している請求項２２記載の半導体構造。
30. 式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦１である）を有する窒化アルミニウムガリウムから実質的に成る導電性バッファ層を更に含み、該導電性バッファ層が、該炭化珪素基板と該第一ｎ型クラッド層との間に配置される請求項２２記載の半導体デバイス。
31. ＩＩＩ族窒化物のｎ型遷移層を更に含み、該遷移層が、該導電性バッファ層と該第一ｎ型クラッド層との間に配置され、且つ該第一ｎ型クラッド層と同じ導電型を有する請求項３０記載の半導体構造。
32. 窒化ガリウム及び窒化インジウムガリウムから成る群より選択される不連続結晶部分を更に含み、該不連続結晶部分が該第一ｎ型クラッド層と該炭化珪素基板との間に配置され、該不連続結晶部分が、該第一ｎ型クラッド層と該炭化珪素基板との間のバリアさせるのに充分な量であるが、該炭化珪素基板上に形成される任意の得られる発光デバイスの機能に悪影響を及ぼすと考えられる量を下回る量で存在する請求項２２記載の半導体構造。

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