JP2005136407A

JP2005136407A - 半導体発光デバイス

Info

Publication number: JP2005136407A
Application number: JP2004304941A
Authority: JP
Inventors: Stewart Hooper; フーパースチュワート; Valerie Bousquet; ブーズケットバレリー; Katherine L Johnson; エルジョンソンキャサリーン; Jonathan Heffernan; ヘファナンジョナサン
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2005-05-26
Also published as: KR20050040796A; GB0325100D0; TWI277221B; TW200527714A; US7375367B2; US20050116215A1; KR100618504B1; CN1619852A; GB2407702A

Abstract

【課題】青色発光パワー出力を増加することができる、窒化物材料系で製造された半導体発光デバイスを提供すること。
【解決手段】窒化物材料系で製造された半導体発光デバイスは、基板（１）上に配置された活性領域（５）を有する。この活性領域（５）は、活性領域の最下部層を形成する第１アルミニウム含有層（１２）、活性領域の最下部層を形成する第２アルミニウム含有層（１４）、および第１アルミニウム含有層（１２）と第２アルミニウム含有層（１４）との間に配置された少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１３）を備える。アルミニウム含有層（１２、１４）は、活性層（５）におけるキャリア閉じ込めを向上するので、デバイスの出力光パワーが増加する。本発明は、発光ダイオード（１１）またはレーザダイオードに適用され得る。
【選択図】図２

Description

（発明の分野）
本発明は、半導体発光デバイスに関し、特に、例えば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系等の窒化物材料系で製造された半導体発光デバイスに関する。本発明は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ）に応用され得る。

（発明の背景）
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１である）を有する材料を含む。この実例では、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムのモル比が非ゼロの（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系のメンバーは、ＡｌＧａＩｎＮと呼ばれ、アルミニウムのモル比がゼロであるが、ガリウムおよびインジウムのモル比が非ゼロであるメンバーはＩｎＧａＮと呼ばれ、インジウムのモル比がゼロであるが、ガリウムおよびアルミニウムのモル比が非ゼロのメンバーは、ＡｌＧａＮと呼ばれる、等である。現在、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系で半導体発光デバイスを製造することへの関心が高まっている。なぜなら、この材料系で製造されたデバイスは、青色波長範囲のスペクトルの光を発し得るからである。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系で製造された半導体発光デバイスは、例えば、特許文献１に記載される。

図１は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系で製造された典型的な半導体レーザデバイス（またはレーザダイオード「ＬＤ」）の模式図である。このデバイスは、青色波長範囲の光を発することができる。

図１のレーザデバイス１０を基板１上に成長させる。図１のレーザダイオード１０において、基板１はサファイア基板である。バッファ層２、第１クラッド層３、および第１光ガイド層４を、この順序で基板上に成長させる。図１の実施形態では、バッファ層２はｎ型ＧａＮ層であり、第１クラッド層３はｎ型ＡｌＧａＮ層であり、第１光ガイド層４はｎ型ＧａＮ層である。

活性領域５が、第１光ガイド層４上に成長させられる。

第２光ガイド層７、第２クラッド層８、およびキャップ層９を、この順序で活性領域５上に成長させる。第２光ガイド層７および第２クラッド層８は、第１光ガイド層４および第１クラッド層３とは反対の導電型であり、従って、図１のレーザデバイス１０では、第１光ガイド層４および第１クラッド層３はｎ型であり、第２光ガイド層７および第２クラッド層８はｐ型層である。図１のレーザデバイスでは、第２光ガイド層７はｐ型ＧａＮ層であり、第２クラッド層８はｐ型ＡｌＧａＮ層であり、キャップ層９はｐ型ＧａＮ層である。

レーザデバイス１０の活性領域５の構造は、図１には詳細に示されていない。しかし、一般に、活性領域５は、第１バリア層と第２バリア層との間に配置された１つの量子井戸層を有する単一量子井戸（ＳＱＷ）活性領域か、または２つのバリア層間に量子井戸がそれぞれ配置された２つ以上の量子井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域である。量子井戸層（単数または複数）は、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮの層であり得る。

（従来技術の確認）
薄いドープＡｌＧａＮ層６を活性領域５上に直接配置することが知られている。ＡｌＧａＮ層６は、第２光ガイド層７および第２クラッド領域８と同じ導電型を有するようにドーピングされ、従って、図１のデバイスではｐ型ドーピングされる。ＡｌＧａＮ層６は電子ブロック層として機能し、活性領域５からの電子のオーバーフローを防ぐ。ＡｌＧａＮ層６はまた、成長プロセスの間、第２光ガイド層７、第２クラッド層８、およびキャップ層９を堆積する際に用いられる高い成長温度から活性領域を保護する。このような薄いｐ型ドープＡｌＧａＮ層を設けることは、例えば、非特許文献１に開示される。

特許文献２は、発光層が、第１ＡｌＧａＮ層、第２ＡｌＧａＮ層、および第１ＡｌＧａＮ層と第２ＡｌＧａＮ層との間に設けられた１つ以上の量子井戸層を備える発光デバイスを開示する。２つ以上の量子井戸層が設けられた場合、ＡｌＧａＮバリア層は、各２つの量子井戸ＩｎＧａＮ層間に設けられる。

特許文献３は、多重量子井戸活性領域の上または下のいずれかに多重量子井戸を設け、キャリア閉じ込めを向上して、デバイスの歪みを最小化する工程に関する。この文献は、活性領域の構造には特に関係がないが、開示された活性領域が、少なくとも２つの量子井戸層を備え、各２つの隣接し合う量子井戸層間にはＡｌＧａＮバリア層が設けられる。

特許文献４は、ＩｎＧａＮ量子井戸層およびＩｎＧａＮバリア層が交互に積層された活性領域を有する窒化物半導体レーザに関する。活性領域は、意図的にアルミニウムを含む層を含まない。活性領域はＧａＮ光ガイド層間に挟まれ、ＧａＮ光ガイド層はさらにＡｌＧａＮクラッド層間に挟まれる。
米国特許第５７７７３５０号国際公開ＷＯ０２／０３５１７号米国特許出願公開第２００１／００３０３１７号特開１１−７４６２２号公開Ｍ．Ｈａｎｓｅｎら、「ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．８１、Ｎｏ．２２、４２７５〜４２７７ページ（２００２年）

（発明の要旨）
本発明は、窒化物材料系で製造され、かつ、基板上に配置された活性領域を有する半導体発光デバイスを設け、この活性領域は、活性領域の最下部層を形成する第１アルミニウム含有層と、活性領域の最上部層を形成する第２アルミニウム含有層と、第１アルミニウム含有層と第２アルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層と、第１アルミニウム含有層と第２アルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのアルミニウム非含有バリア層とを備える。

本明細書中で用いられる「アルミニウム非含有（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ−ｆｒｅｅ）」層という用語は、意図的にはアルミニウムを含まない層を示す。

活性領域の最下部層および最上部層としてＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ層を活性層内に設けることによって、デバイスの光パワー出力が著しく増加することが分かってきた。

本明細書中で用いられる「最下部」および「最上部」という用語は、デバイスの基板に最も近い、およびデバイスの基板から最も遠い活性領域の層をそれぞれ示す。

第１アルミニウム含有層は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎの層であり得、第２アルミニウム含有層は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの層であり得る。

活性領域は、第１アルミニウム含有層と少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層との間に配置された第１アルミニウム非含有バリア層を備え得る。活性領域は、少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層と第２アルミニウム含有層との間に配置された第２アルミニウム非含有バリア層を備え得る。

活性領域は、少なくとも２つのＩｎＧａＮ量子井戸層を備え得、各隣接し合う２つのＩｎＧａＮ量子井戸層は、アルミニウム非含有バリア層によって分離され得る。あるいは、活性領域は、ただ１つの量子井戸層を備え得る。

バリア層は、ＩｎＧａＮ層であり得る。

第１アルミニウム含有層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮであり得、ここで、０＜ｘ≦０．４である。この層は、５０ｎｍ以下の厚さを有し得、かつ約２０ｎｍの厚さを有し得る。

第２アルミニウム含有層は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮであり得、ここで、０＜ｙ≦０．４である。この層は、１５ｎｍ以下の厚さを有し、かつ約５ｎｍの厚さを有し得る。

第１アルミニウム含有層は、意図的にはドーピングされなくてよい。第２アルミニウム含有層は、意図的にはドーピングされなくてよい。あるいは、アルミニウム含有層のいずれか、または両方が意図的にドーピングされ得る。

ＩｎＧａＮ量子井戸層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮであり得、ここで、０＜ｚ≦０．３である。これは、３８０〜４５０ｎｍの波長範囲の発光波長のデバイスを提供する。特に、本発明は、３９０ｎｍ〜４１０ｎｍの発光波長を有するデバイスに適用され得る。３９０ｎｍ〜４１０ｎｍからの発光波長範囲は、商業的に重要である。なぜなら、Ｂｌｕ−ＲａｙＤｉｇｉｔａｌＶｉｄｅｏＤｉｓｃ（ＤＶＤ）規格が、この範囲の発光波長を有するからである。

本発明の半導体発光デバイスは、窒化物材料系で製造され、かつ基板（１）上に配置された活性領域（５）を有する半導体発光デバイスであって、該活性領域（５）は、該活性領域の最下部層を形成する第１アルミニウム含有層（１２）と、該活性領域の最上部層を形成する第２アルミニウム含有層（１４）と、該第１アルミニウム含有層と該第２アルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６、１６’）と、該第１アルミニウム含有層と該第２アルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのアルミニウム非含有バリア層（１５、１５’、１７）とを備え、これにより、上記目的が達成される。

前記第１アルミニウム含有層（１２）は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの層でよい。

前記第２アルミニウム含有層（１４）は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの層でよい。

前記活性領域（５）は、前記アルミニウム含有層（１２）と前記少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６）との間に配置された第１アルミニウム非含有バリア層（１５）を備えてもよい。

前記活性領域（５）は、前記少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６）と前記第２アルミニウム含有層（１４）との間に配置された第２アルミニウム非含有バリア層（１７）を備えてもよい。

前記活性領域（５）は、少なくとも２つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６、１６’）を備え、各隣接し合う２つのＩｎＧａＮ量子井戸層は、アルミニウム非含有バリア層（１５’）によって分離されてもよい。

前記バリア層（１５、１５’、１７）は、ＩｎＧａＮ層でよい。

前記第１アルミニウム含有層（１２）は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ＸＮの層であり、ここで０＜ｘ≦０．４でよい。

前記第１アルミニウム含有層（１２）は、５０ｎｍ以下の厚さを有してもよい。

前記第１アルミニウム含有層（１２）は、約２０ｎｍの厚さを有してもよい。

前記第２アルミニウム含有層（１４）は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの層であり、ここで０＜ｙ≦０．４でよい。

前記第２アルミニウム含有層（１４）は、１５ｎｍ以下の厚さを有してもよい。

前記第２アルミニウム含有層（１４）は、約５ｎｍの厚さを有してもよい。前記第１アルミニウム含有層（１２）は、意図的にはドーピングされなくてもよい。

前記第２アルミニウム含有層（１４）は、意図的にはドーピングされなくてもよい。

前記ＩｎＧａＮ量子井戸層（１３）は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層であり、ここで０＜ｚ≦０．３でよい。

本発明の半導体発光デバイスによれば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系等の窒化物材料で製造された発光デバイスの活性領域の最下部層および最上部層は、例えば、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの層等の薄いアルミニウム含有層である。他の活性領域は、意図的にはアルミニウムを含まない。その結果、従来の発光デバイスと比較して、青色発光パワー出力を増加することができる。

次に、本発明の好ましい特徴が添付の図を参照して例示的に記載される。

図面全体にわたって、同じ符号は同じコンポーネントを示す。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明によると、例えば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系等の窒化物材料で製造された発光デバイスの活性領域の最下部層および最上部層は、例えば、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの層等の薄いアルミニウム含有層である。本発明の好ましい実施形態では、他の活性領域は、意図的にはアルミニウムを含まない。

外側のアルミニウム含有層間に配置された活性領域の層は、１つ以上の量子井戸（ＱＷ）層および１つ以上のアルミニウム非含有バリア層を備える。単一量子井戸層を有する活性領域の場合、バリア層は、下部アルミニウム含有層と量子井戸層との間および／または上部アルミニウム含有層と量子井戸層との間に設けられ得る。すなわち、本発明のＳＱＷ活性領域は、以下の構造
（Ａ１）
アルミニウム含有層
バリア層
ＱＷ層
バリア層
アルミニウム含有層
または
（Ｂ１）
アルミニウム含有層
バリア層
ＱＷ層
アルミニウム含有層
または
（Ｃ１）
アルミニウム含有層
ＱＷ層
バリア層
アルミニウム含有層
のいずれかを有し得る。

（Ａ１）の場合、いずれのアルミニウム含有層もバリア層として機能しない。（Ｂ１）の場合、下部アルミニウム含有層のみがバリア層として機能し、（Ｃ１）の場合、上部アルミニウム含有層のみがバリア層として機能する。

２つ以上の量子井戸層を有する活性領域の場合、バリア層は、各隣接し合う２つの量子井戸層間に設けられる。外側のアルミニウム含有層もまた、バリア層として機能し得、あるいはバリア層が下部アルミニウム含有層と最下部量子井戸層との間および／または上部アルミニウム含有層と上部量子井戸層との間に設けられ得る。すなわち、２つの量子井戸層を有する本発明のＭＱＷ活性領域は、以下の構造
（Ａ２）
アルミニウム含有層
バリア層
ＱＷ層
バリア層
ＱＷ層
バリア層
アルミニウム含有層
または
（Ｂ２）
アルミニウム含有層
ＱＷ層
バリア層
ＱＷ層
アルミニウム含有層
または
（Ｃ２）
アルミニウム含有層
バリア層
ＱＷ層
バリア層
ＱＷ層
アルミニウム含有層
または
（Ｄ２）
アルミニウム含有層
ＱＷ層
バリア層
ＱＷ層
バリア層
アルミニウム含有層
のいずれかを有し得る。

３つ以上の量子井戸層を有するＭＱＷ活性領域についても類似の構造が存在する。

図２（ａ）は、本発明による、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系で製造された発光ダイオードの模式的部分図である。図２（ａ）のＬＥＤ１１は、基板１を備え、バッファ層２が基板１上に配置される。図２のＬＥＤ１１において、基板１はサファイア基板であり、バッファ層２は基板の（０００１）面上に成長した４μｍ厚さのｎ型ＧａＮ層である。

光が発生する活性領域５は、バッファ層２の上に配置される。キャップ層９は、活性領域５の上に配置され、この実施例では、キャップ層９は、３００ｎｍ厚さのｐ型ＧａＮ層である。

活性領域５は、複数の層を備える。活性領域５の最下部層１２および最上部層１４は、アルミニウム含有層であり、この実施例では、ＡｌＧａＮの層である。活性領域５の他の層は、意図的にはアルミニウムを含まない。

活性領域５は、活性領域５の最下部ＡｌＧａＮ層１２と最上部ＡｌＧａＮ層１４との間に設けられた１つ以上の量子井戸層をさらに備える。量子井戸層（単数および複数）は、図２（ａ）において模式的に１３で示される。上述のように、活性領域が単一の量子井戸層を備える場合、この活性領域は、上記（Ａ１）〜（Ｃ１）のいずれかに示される構造を有し得る。すなわち、最下部ＡｌＧａＮ層１２および最上部ＡｌＧａＮ層１４は、量子井戸層のバリア層として機能し得、あるいは別個のバリア層が、下部ＡｌＧａＮ層と量子井戸層との間および／または上部ＡｌＧａＮ層と量子井戸層との間に設けられ得る。

活性領域が２つ以上の量子井戸層を備える場合、バリア層は、各隣接し合う２つの量子井戸間の活性領域に設けられる。上部ＡｌＧａＮ層１４は、最上部量子井戸層に対する上部バリア層として機能し得、下部ＡｌＧａＮ層１２は、最下部量子井戸層に対する下部バリア層として機能し得る。あるいは、別個のバリア層が下部ＡｌＧａＮ層１２と最下部量子井戸層との間および／または上部ＡｌＧａＩｎＮ層と最上部量子井戸層との間に設けられ得る。活性領域がちょうど２つの量子井戸層を備える場合、この活性領域は、上記（Ａ２）〜（Ｄ２）に示される構造のいずれかを有し得る。活性領域が２つより多くの量子井戸層を備える場合、この活性領域は、上記（Ａ２）〜（Ｄ２）のいずれかに類似の構造を有し得る。

図２（ａ）のＬＥＤでは、上部ＡｌＧａＮ層１４は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの層であり、ここで、０＜ｙ≦０．４であることが好ましい。上部ＡｌＧａＮ層１４の厚さは、１ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内であることが好ましい。なぜなら、この範囲の厚さの上部ＡｌＧａＮ層１４は、図３（ｂ）に示されるように、光パワー出力が増加されるからである。上部ＡｌＧａＮ層１４の厚さは、図２（ａ）に示されるように、約５ｎｍであることが特に好ましい。なぜなら、この厚さは、光出力パワーが最大となるからである。

図２（ａ）のＬＥＤにおいて、下部ＡｌＧａＮ層１２は、好ましくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの層であり、ここで０＜ｘ≦０．４である。下部ＡｌＧａＮ層１２の厚さは、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内であることが好ましい。なぜなら、この範囲の厚さの下部ＡｌＧａＮ層１２は、図３（ａ）に示されるように、光パワー出力が増加されるからである。下部ＡｌＧａＮ層１２の厚さは、図２（ａ）に示されるように、約２０ｎｍ厚さであることが特に好ましい。なぜなら、この厚さは、光出力パワー最大となるからである。

図２（ａ）における下部ＡｌＧａＮ１２および上部ＡｌＧａＮ層１４の一方または両方が意図的にドーピングされ得、あるいは両方の層１２、１４が、意図的にはドーピングされなくてもよい。層がドーピングされた場合、下部層は、バッファ層２と同じ導電型（この実施例ではｎ型）を有するようにドーピングされることが好ましく、上部層は、キャップ層９と同じ導電型（この実施例ではｐ型）を有するようにドーピングされることが好ましい。

図２（ａ）のＬＥＤでは、活性領域５の量子井戸層は、ＩｎＧａＮ層であることが好ましく、かつ特に好ましくはＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層であり、ここで０＜ｚ≦０．３である。活性領域が２つ以上の量子井戸層を有するデバイスでは、中間バリア層（単数または複数）はＩｎＧａＮ（量子井戸層のＩｎモル比とは異なったＩｎモル比を有する）またはＧａＮの層であることが好ましい。（「中間」バリア層とは、活性領域の隣接し合う２つの量子井戸間に配置されたバリア層、またはアルミニウム含有層と量子井戸層との間に配置されたバリア層を示す。）
図２（ｂ）は、本発明による半導体レーザデバイスを示す。図２（ｂ）のレーザデバイス１５は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系で製造される。

レーザデバイス１５を基板１上に成長させる。図１では、基板１はサファイア基板である。バッファ層２、第１クラッド層３、および第１光ガイド層４を、この順序で、基板１の（０００１）面上に成長させる。図２（ｂ）の実施形態では、バッファ層２は４μｍ厚さのｎ型ＧａＮ層であり、第１クラッド層３は０．５μｍ厚さのｎ型ＡｌＧａＮ層であり、かつ第１光ガイド層４は１００ｎｍ厚さのｎ型ＧａＮ層である。

活性領域５を第１光ガイド層４上に成長させる。

第２光ガイド層７、第２クラッド層８、およびキャップ層９を、この順序で、活性領域５上に成長させる。第２光ガイド層７および第２クラッド層８は、第１光ガイド層４および第１クラッド層３とは反対の導電型を有する。図２（ｂ）のレーザダイオード１５では、第２光ガイド層７は１００ｎｍ厚さのｐ型ＧａＮ層であり、第２クラッド層８は０．５μｍ厚さのｐ型ＡｌＧａＮ層であり、かつキャップ層９は３００ｎｍ厚さのｐ型ＧａＮ層である。

レーザデバイス１５の活性領域５は、複数の層を備える。活性領域５の最下部層１２および最上部層１４は、アルミニウム含有層であり、この実施例では、ＡｌＧａＮの層である。活性領域５の他の層は、意図的にはアルミニウムを含まない。

活性層５は、活性領域５の最下部ＡｌＧａＮ層１２と最上部ＡｌＧａＮ層１４との間に設けられた１つ以上の量子井戸層をさらに備える。量子井戸層（単数または複数）は、図２（ａ）において模式的に1３で示される。

図２（ｂ）のレーザデバイスの活性領域５は、図２（ａ）のＬＥＤについて上記された構造のいずれかを有し得る。図２（ｂ）のレーザの活性領域５の層の組成、厚さおよびドーピングは、図２（ａ）のＬＥＤについて上記されたとおりであることが好ましい。

図２（ｂ）に示される一般構造を有するレーザデバイス、または図２（ａ）に示される一般構造を有するＬＥＤは、３８０ｎｍ〜４５０ｎｍの紫青色の波長範囲の光を発することができ、特に３９０ｎｍ〜４１０ｎｍの範囲の発光波長を有し得る。

図５（ａ）〜図５（ｄ）は、本発明のデバイスのいくつかの可能な活性領域の模式図である。

図５（ａ）に示される活性領域５は、その最下部層として第１ＡｌＧａＮ層１２を有し、かつ最上部層として第２ＡｌＧａＮ層１４を有する。例えば、ＩｎＧａＮ層等の単一量子井戸層１６は、第１ＡｌＧａＮ層１２と第２ＡｌＧａＮ層１４との間に配置される。第１バリア層１５は第１ＡｌＧａＮ層１２と量子井戸層１６との間に配置され、第２バリア層１７は第２ＡｌＧａＮ層１４と量子井戸層１６との間に配置される。バリア層は、例えば、ＩｎＧａＮまたはＧａＮの層であり得る。従って、図５（ａ）の活性領域は、上記の構造「Ａ１」に対応する。

図５（ａ）の活性領域は、図２（ａ）に示されるＬＥＤ構造か、または図２（ｂ）に示されるレーザダイオード構造に適用され得る。第１バリア層１５、量子井戸層１６、および第２バリア層１７は、共に図２（ａ）または図２（ｂ）において模式的に「１３」で示される層を構成する。

図５（ｂ）に示される活性領域は、図５（ａ）の第１バリア層１５が図５（ｂ）の活性領域に存在しないことを除いて、一般に図５（ａ）に示される活性領域に対応する。図５（ｂ）の活性領域において、量子井戸層１６は下部ＡｌＧａＮ層１２と直接に隣接する。図５（ｂ）の活性領域は、上記の構造「Ｂ１」に対応する。

図５（ｃ）に示される活性領域は、図５（ａ）の第２バリア層１７が図５（ｃ）の活性領域に存在しないことを除いて、一般に図５（ａ）に示される活性領域に対応する。図５（ｃ）の活性領域において、量子井戸層１６は上部ＡｌＧａＮ層１４に直接に隣接する。図５（ｂ）の活性領域は、上記の構造「Ｃ１」に対応する。

図５（ｄ）は、１つより多くの量子井戸層を含む活性領域の例を示す。図５（ｄ）に示される活性領域５は、最下部層として第１ＡｌＧａＮ層１２を有し、最上部層として第２ＡｌＧａＮ層１４を有する。２つの量子井戸層１６、１６’は、第１ＡｌＧａＮ層１２と第２ＡｌＧａＮ層１４との間に配置される。第１バリア層１５は、第１ＡｌＧａＮ層１２と第１量子井戸層１６との間に配置される。第２バリア層１７は、第２ＡｌＧａＮ層１４と第２量子井戸層１６’との間に配置される。さらなるバリア層１５’は、第１量子井戸層１６と第２量子井戸層１６’との間に配置される。従って、図５（ａ）の活性領域は、上記の構造「Ａ２」に対応する。

図５（ｂ）〜図５（ｄ）の活性領域は、図２（ａ）に示されるＬＥＤ構造または図２（ｂ）に示されるレーザダイオード構造に適用され得る。バリア層（単数または複数）１５、１５’、１７および量子井戸層（単数または複数）１６、１６’は、共に図２（ａ）または図２（ｂ）において模式的に「１３」で示される層を構成する。量子井戸層１６、１６’は、例えば、ＩｎＧａＮ層であり得、バリア層１５、１５’、１７は、例えば、ＩｎＧａＮまたはＧａＮの層であり得る。

図３（ａ）は、本発明の、活性領域の最下部層および最上部層がＡｌＧａＮ層である活性領域を有するＬＥＤについて得られた出力光パワーを任意の単位で示す。図３（ａ）は、下部ＡｌＧａＮ層が存在しない構造に対するデータポイント（これは、ゼロ厚さのデータポイントである）を含む、活性領域の下部ＡｌＧａＮ層１２の様々な厚さに対する出力光パワーを示す。これらの結果は、上部ＡｌＧａＮ層１４が２．５ｎｍの厚さを有する活性領域を用いて取得された。

下部ＡｌＧａＮ層が約１ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の厚さを有する場合、活性領域の最下部層がアルミニウム含有層でないデバイスの光出力パワーと比べて、増加した光出力パワーが得られることが分かる。最大出力光パワーは、下部ＡｌＧａＮ層１２が約２０〜２５ｎｍの厚さを有する活性領域に対して得られる。下部ＡｌＧａＮ層１２を設けることによって、デバイスの出力光パワーが１０倍以上増加し得る。

図３（ｂ）は、本発明の、活性領域の最下部および最上部層がＡｌＧａＮ層である活性領域を有するＬＥＤについて得られた出力光パワーを任意の単位で示す。図３（ｂ）は、活性領域の上部ＡｌＧａＮ層１４の様々な厚さに対する出力光パワーを示す。

これらの結果は、活性領域の下部ＡｌＧａＮ層１２が２０ｎｍの厚さを有するＬＥＤを用いて得られた。図３（ｂ）の垂直方向の目盛りは、図３（ａ）の垂直方向の目盛りと同じである。

上部ＡｌＧａＮ層が約１ｎｍ〜約１５ｎｍの範囲の厚さを有する場合、活性領域の最上部層がアルミニウム含有層でないデバイスの光出力パワーと比べて、増加した光出力パワーが得られることが分かる。上部ＡｌＧａＮ層１４が約５〜８ｎｍの厚さを有する活性領域の場合に最大出力光パワーが得られる。上部ＡｌＧａＮ１４を設けることによってもまた、デバイスの出力光パワーが実質的に増加し得る。図３（ｂ）において、上部ＡｌＧａＮ層のゼロ厚さでのデータポイントはないが、活性領域が上部ＡｌＧａＮ層１４を有さないＬＥＤの出力パワーは、０．１ａｕ未満であることが予測される。

本発明の発光デバイスでは、上部ＡｌＧａ層１４および下部ＡｌＧａ層１２は、デバイスの活性領域５の一部分を形成する。ある層が特定の動作条件（特定の駆動電流および温度等）の場合にデバイスが発した光の強度および／または波長に影響を及ぼすならば、この層は、発光デバイスの活性領域の一部分を形成する。上部ＡｌＧａＮ層１２および下部ＡｌＧａＮ層１４が活性領域の一部分を形成することが図４から得る。

図４は、２つの活性領域に対するフォトルミネッセンススペクトルを任意の単位で示す。活性領域は、完全なデバイスには含まれないが、ＧａＮ基板上に設けられ、フォトルミネッセンスを測定できるようにする。

一方の活性領域は、本発明の活性領域であり、この活性領域の最上部および最下部層はアルミニウム含有層（ここではＡｌＧａＮ層）である。他方の活性領域は、従来の活性領域であり、この活性領域の最上部層および最下部層がＧａＮ層である。活性領域の最上部層と最下部層との差異を除いて、２つの活性領域は同じである。

図４において、トレース（ａ）は、最上部層および最下部層としてのＧａＮ層を有する従来の活性領域のフォトルミネッセンススペクトルであり、トレース（ｂ）は、最上部層および最下部層としてのＡｌＧａＮ層を有する本発明の活性領域のフォトルミネッセンススペクトルである。トレース（ｂ）では、約４００ｎｍの波長でのフォトルミネッセンス強度のピーク（このピークは、活性領域の目的の発光波長に対応する）は、この波長でのトレース（ａ）におけるピークの最大フォトルミネッセンス強度よりも約３倍の大きさの最大値を有することが分かる。最も外側の層としてのＡｌＧａＮ層を有する活性領域の増加したＰＬ効率によって、ＡｌＧａＮ層が活性領域の構成要素であることが確認される。ＡｌＧａＮ層は、活性領域におけるキャリアの閉じ込めをより効率的にする。対照的に、図１の従来のレーザデバイス１０におけるＡｌＧａＮ電子ブロック層６は、レーザデバイス１０の活性領域５の一部分を形成しない。

図４における約３６０ｎｍでのピークは、下に位置するＧａＮ基板からのフォトルミネッセンスを表す。このフォトルミネッセンスのピークは、従来の活性領域のほうが、本発明の活性領域の場合よりもはるかに高い強度を有することが分かる。これは、多くのキャリアが従来の活性領域から下層の基板に逃げるので、基板のフォトルミネッセンス強度が高くなるからである。これとは対照的に、本発明の活性領域は、より良好にキャリア閉じ込めるので、下層の基板に逃げるキャリアがより少なく、これに対応して、下層の基板のフォトルミネッセンス強度が低減される。

本発明の発光デバイスは、例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）またはＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）等の任意の適切な半導体成長技術を用いて製作され得る。デバイスをＭＢＥを用いて成長させる場合、英国特許出願第０２１９７２８．３号に記載の技術が使用され得る。

成長プロセスにおいて、ＡｌＧａＮ層１２、１４を成長させた直後に、これらの成長温度よりも高い温度でアニールすることが好ましい。この成長法が使用される場合、バッファ層２および下部アルミニウム含有層１２（図２（ａ）のＬＥＤの場合）、またはバッファ層２、下部クラッド層３、下部光ガイド領域４、および下部アルミニウム含有層１２（図２（ｂ）のレーザの場合）を、最初に成長させる。その後、材料の堆積を停止し、成長チャンバ内の温度を上昇させて、成長温度よりも高いアニール温度で下部アルミニウム含有層１２をアニールする。

一旦バリア層１５がアニールされると、材料の堆積を再開し、量子井戸層１３および上部アルミニウム含有層１４を成長させて、活性領域５を完成させる。その後、材料の堆積を再び停止し、成長チャンバ内の温度を上昇させて、成長温度よりも高いアニール温度で上部アルミニウム含有層１４をアニールする。その後、ＬＥＤ構造またはレーザ構造の残りの部分を成長させる。

この成長プロセスおよびその利点は同時係属中の英国特許出願第０３２５０９９．０号により詳細に記載される。

上記の実施形態において、活性領域の最下部アルミニウム含有層１２および最上部アルミニウム含有層１４は、ＡｌＧａＮ層である。本発明は、これに限定されない。あるいは、活性領域の最下部アルミニウム含有層１２および最上部アルミニウム含有層１４がＡｌＧａＩｎＮ層であってもよい。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系で製造された半導体レーザデバイスの模式的部分図である。本発明によるＬＥＤの模式図(ａ)および本発明によるレーザダイオードの模式図（ｂ）である。本発明による発光デバイスの増加した光パワー出力を示す図である。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系で製造された従来の半導体レーザデバイス、および本発明のレーザデバイスのフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。本発明のデバイスの可能な活性領域の例を示す図である。

符号の説明

１基板
２バッファ層
５活性領域
９キャップ層
１１ＬＥＤ
１２最下部ＡｌＧａＮ層
１３量子井戸層
１４最上部ＡｌＧａＮ層

Claims

窒化物材料系で製造され、かつ基板（１）上に配置された活性領域（５）を有する半導体発光デバイスであって、該活性領域（５）は、該活性領域の最下部層を形成する第１アルミニウム含有層（１２）と、該活性領域の最上部層を形成する第２アルミニウム含有層（１４）と、該第１アルミニウム含有層と該第２アルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６、１６’）と、該第１アルミニウム含有層と該第２アルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのアルミニウム非含有バリア層（１５、１５’、１７）とを備える、半導体発光デバイス。
前記第１アルミニウム含有層（１２）は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの層である、請求項１に記載のデバイス。
前記第２アルミニウム含有層（１４）は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの層である、請求項１に記載のデバイス。
前記活性領域（５）は、前記第１アルミニウム含有層（１２）と前記少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６）との間に配置された第１アルミニウム非含有バリア層（１５）を備える、請求項１、２または３に記載のデバイス。
前記活性領域（５）は、前記少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６）と前記第２アルミニウム含有層（１４）との間に配置された第２アルミニウム非含有バリア層（１７）を備える、請求項１、２、３または４に記載のデバイス。
前記活性領域（５）は、少なくとも２つのＩｎＧａＮ量子井戸層（１６、１６’）を備え、各隣接し合う２つのＩｎＧａＮ量子井戸層は、アルミニウム非含有バリア層（１５’）によって分離される、請求項１〜５のいずれかに記載のデバイス。
前記バリア層（１５、１５’、１７）は、ＩｎＧａＮ層である、請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。
前記第１アルミニウム含有層（１２）は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの層であり、ここで０＜ｘ≦０．４である、請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
前記第１アルミニウム含有層（１２）は、５０ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１〜８のいずれかに記載のデバイス。
前記第１アルミニウム含有層（１２）は、約２０ｎｍの厚さを有する、請求項９に記載のデバイス。
前記第２アルミニウム含有層（１４）は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの層であり、ここで０＜ｙ≦０．４である、請求項１〜１０のいずれかに記載のデバイス。
前記第２アルミニウム含有層（１４）は、１５ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１〜１１のいずれかに記載のデバイス。
前記第２アルミニウム含有層（１４）は、約５ｎｍの厚さを有する、請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。
前記第１アルミニウム含有層（１２）は、意図的にはドーピングされない、請求項１〜１３のいずれかに記載のデバイス。
前記第２アルミニウム含有層（１４）は、意図的にはドーピングされない、請求項１〜１４のいずれかに記載のデバイス。
前記ＩｎＧａＮ量子井戸層（１３）は、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層であり、ここで０＜ｚ≦０．３である、請求項１〜１５のいずれかに記載のデバイス。