JP2005217415A - 分極電界が減少されたｉｉｉ族窒化物発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 スペーサ層の有効分極と発光層の有効分極とを適合させ、ドーピングによりシート電荷を打ち消すことにより、前述の分極によって引き起こされる非効率を回避すること。
【解決手段】 半導体発光デバイスは、２つのスペーサ層間に挟持された発光層を含む。少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と発光層の有効分極との差は、ＧａＮスペーサ層のような通常のスペーサ層を有するデバイスより小さい。少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と発光層の有効分極との差は、約０．０２Ｃ／ｍ²より小さい。或る実施形態においては、少なくとも１つのスペーサ層は、アルミニウム、インジウム、ガリウム及び窒素の四元合金である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直キャビティレーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及び縁部発光レーザを含む半導体発光デバイスが、現在利用可能な中での最も効率の良い光源である。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度発光デバイスの製造において現在関心が寄せられている材料系には、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、及び窒素の二元、三元、及び四元合金がある。典型的には、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、異なる組成の半導体層のスタックをエピタキシャル成長させ、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によりサファイア、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基材上にドーパントを集中させることによって製造される。スタックは、例えばＳｉドープされ基材上に形成された１つ又はそれ以上のｎ型層と、ｎ型層上に形成された発光又は活性領域と、例えばＭｇドープされ活性領域上に形成された１つ又はそれ以上のｐ型層とを含む場合が多い。導電性基材上に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスは、デバイスの両側に形成されたｐ及びｎ接触部を有することができる。ＩＩＩ族窒化物デバイスは、両方の接触部がデバイスの同じ側に存在する状態で、サファイアのような絶縁性基材上に製造される場合が多い。こうしたデバイスは、光が接触部を通して（エピタキシ・アップ・デバイスとして知られている）、又は該接触部とは反対側のデバイスの表面を通して（フリップチップデバイスとして知られている）抽出されるようにマウントされる。

ＩＩＩ族窒化物デバイスの結晶層は、サファイアのような格子ずれ基材上に歪みウルツ鉱結晶として成長する場合が多い。こうした結晶は、２つのタイプの分極、すなわち異なる組成の層間の合金組成の差異によって生じる自発分極と、デバイスの層における歪みによって生じる圧電分極とを呈する。層における全体的な分極は、自発分極と圧電分極との合計である。

図１Ａは、米国特許第６，５１５，３１３号に記載された典型的な通常の歪みウルツ鉱窒化物二重異構造半導体を概略的に示す断面図である。米国特許第６，５１５，３１３号によれば、図示された基材層１は、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、及び３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ及びＧａＮを含む、窒化物半導体を成長させるのに適したあらゆる材料とすることができる。基材の厚さは、典型的には、１００μｍから１ｍｍまでの範囲である。基材１上のバッファ層２は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等から形成することができる。バッファ層は、基材１と、その上に重なる導電性接触層３との間の可能性のある格子ずれを促進する。しかしながら、バッファ層２は、基材が窒化物半導体とほぼ等しい格子定数を有する場合には省略することができる。バッファ層２はまた、幾つかの窒化物成長技術によって省略することができる。材料の組成に応じて、バッファ層のエネルギーバンドギャップは、厚さが約０．５μｍから１０μｍであるときに、２．１ｅＶから６．２ｅＶまでの範囲とすることができる。

ｎ型接触層３はまた、典型的には、０．５μｍから５．０μｍまでの厚さ範囲、及びＧａＮのときおよそ３．４ｅＶ、ＩｎＧａＮのときそれより小さい（インジウム濃度に応じて）バンドギャップの、好ましくはＧａＮ又はＩｎＧａＮである窒化物半導体から形成される。導電性層３上の下方のｎ型又は非ドープクラッド層４は、通常は、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを含み、ＧａＮのとき３．４ｅＶ、ＡｌＧａＮのとき（Ａｌ濃度に応じて）それより大きいバンドギャップを有する。その厚さは、１ｎｍから１００ｎｍまでの範囲とすることができる。

窒化物二重異構造は、典型的には、下方のクラッド層上の活性領域５として、厚さ１ｎｍから１００ｎｍのＩｎＧａＮを用いるものである。この層のバンドギャップは、典型的には青色発光のとき２．８ｅＶであるが、インジウム濃度に応じて変化させることができる。活性領域上の上部のｐ型又は非ドープクラッド層６は、通常は、ＡｌＧａＮ又はＧａＮからなり、厚さ及びバンドギャップエネルギーは、下方のｎ型クラッド層４と同様である。クラッド層６上のｐ型ＧａＮ導電性接触層７は、約３．４ｅＶのエネルギーバンドギャップと、約１０ｎｍから５００ｎｍまでの厚さとを有する。異なる構成材料に起因して、層間の界面に、分極により誘起されたシート電荷が生じる。発光体の動作に関する特定の関心事は、分極により誘起されたシート電荷が活性領域５に隣接していることである。

図１Ａに示された化合物半導体においては、１０¹³電子／ｃｍ²といった大きさをもつ陰極誘起シート電荷密度σ１が、典型的には、活性領域５と下方のクラッド層４との間の界面において形成される。同様の大きさの陽極シート電荷密度σ２が、活性領域５と上方のクラッド層６との間の界面において形成される。これらの電荷の極性は、結晶層の結合に依存する。一般に、シートの電荷密度は、２つの層間の組成的差異によって生じる自発的要因と、層間の格子ずれによって生じる圧電的歪みとの両方に依存することになる。例えば、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性領域５とＧａＮクラッド層４との間のσ１は、約８．３×１０¹²電子／ｃｍ²である。これは、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性領域（自発分極）における２０％インジウム含量と、下にあるＧａＮ層との格子ずれに起因する該層における歪み（圧電分極）によるものである。

図１Ｂは、図１Ａのデバイス構造体に対応するエネルギーバンドを示す。デバイスが動作しているときに、σ１及びσ２によって発生する自然発生分極電界は、多くの形で効率を低下させる。最初に、双極子が、該領域内での電子及び正孔の空間的分離（反対方向への移動）をもたらす。図示のように、価電子帯Ｅ_vにおける正孔が、活性領域５の一方の端において陰性のシート電荷σ１に引き寄せられ、伝導帯Ｅ_cにおける電子が、他方の端において陽性のシート電荷σ２に引き寄せられる。この自由キャリアの空間的分離は、放射再結合の確率を低下させ、発光効率を減少させる。第２に、伝導帯及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作用によって低下される。したがって、Ｅ_vより下の及びＥ_cより上のキャリアが、点線Ａによって示された経路を通って井戸を出て行く。第３に、分極誘起電界の存在はまた、活性領域のσ１側の高いＥ_cレベルからσ２側の低いＥ_cレベルまで、活性領域のσ２側の低いＥ_vレベルからσ１側の高いＥ_vレベルまでのキャリア軌道Ｂによって示されたキャリアのオーバーシュートをもたらす。

本発明の実施形態によれば、半導体発光デバイスは、２つのスペーサ層間に挟持された発光層を含む。少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と発光層の有効分極との差は、ＧａＮスペーサ層のような通常のスペーサ層を有するデバイスより小さい。少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と発光層の有効分極との差は、約０．０２Ｃ／ｍ²より小さい。或る実施形態においては、少なくとも１つのスペーサ層は、アルミニウム、インジウム、ガリウム及び窒素の四元合金である。

スペーサ層の有効分極と発光層の有効分極とが適合すると、分極により誘起されたシート電荷が、スペーサ層と発光層との界面から、ｐ及びｎ型領域とスペーサ層との界面まで移動する。シート電荷が発光層から離れると、或る実施形態においては、ｐ及びｎ型領域とスペーサ層との界面にドープされ、それにより発光層にわたる分極電界が減少される。したがって、スペーサ層の有効分極と発光層の有効分極とを適合させ、ドーピングによりシート電荷を打ち消すことにより、前述の分極によって引き起こされる非効率を回避することができる。

図２は、本発明のいくつかの実施形態に従う装置を示す。ｎ型領域２１は、普通はサファイア、ＳｉＣ、又はＧａＮである好適な基材２０上に形成される。活性領域２３は、２つのスペーサ層である、ｎ型スペーサ層２２とｐ型スペーサ層２４との間に挟持される。活性領域２３は、単一発光層であってもよく、又は障壁層によって分離された１以上の量子井戸層を含んでいてもよい。ｐ型領域２５は、ｐ型スペーサ層２４の上に形成される。ｐ接触部２６は、活性領域のｐ側に電気的接触を与え、ｎ接触部２７は、活性領域のｎ側に電気的接触を与える。ｐ及びｎ接触部の２つの可能な配置は、図７〜１０において以下で説明される。

本発明の一部の実施形態では、１以上のｐ型スペーサ層２４、ｎ型スペーサ層２２、及び多重量子井戸型活性領域において量子井戸を分離する障壁層は、アルミニウム、インジウム、ガリウム及び窒素の４元合金とすることができる。障壁層及び／又はスペーサ層２２及び２４におけるアルミニウム、インジウム、及びガリウムの組成は、活性領域２３の発光層内の有効分極に適合するように、又は活性領域の発光層とスペーサ層及び／又は障壁層との間の有効分極の差を最小限にするように選択される。各層の有効分極は、自然発生的な分極及び圧電分極の和である。障壁層及び／又はスペーサ層に必要とされる４元組成は、活性領域の構造と共に、活性領域が発光する光の色を決定する活性領域の組成に基づく。４元層は、大気圧成長又はパルスによる有機金属化学気相成長法（パルスによる原子層エピタキシとしても知られる）のような当該技術分野において既知の技術によって成長させることができる。パルスによる有機金属化学気相成長法に関しては、例えば、両方とも本明細書に参考として組み込まれる、Ｊ．Ｚｈａｎｇらの「４元ＡｌＩｎＧａＮ層のパルスによる原子層エピタキシ」、７９ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ．Ｌｅｔｔ．９２５（２００１）、及びＣ．Ｃｈｅｎらの「４元ＡｌＩｎＧａＮ層のパルスによる有機金属化学気相成長法及び紫外発光のための多重量子井戸」、４１ Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９２４（２００２）を参照のこと。

以下で記載される実施形態は、４元スペーサ層の特性を説明する。その同じ特性は、多重量子井戸型活性領域内に好適な４元障壁層を形成するために適用することができる。

第１の実施形態において、スペーサ層の組成は、活性領域の発光層と少なくとも１つのスペーサ層との間の有効分極差が０となるように選択される。活性領域の発光層と同一の有効分極を有するスペーサ層を使用することにより、スペーサ層と活性領域との界面におけるシート電荷（図１Ｂに示される）を有効に打ち消す。図３は、活性領域と同じ有効分極（Ｐ₁＝Ｐ₂）を有する４元スペーサ層と、わずかにドープされた、又は意図的ではなくドープされた活性領域とを有するデバイスのエネルギーバンド図の一部を示す。図３は、活性領域と両側のスペーサ層との界面におけるシート電荷（ｅ₁＝ｅ₂）の打ち消しを示す。図３はまた、シート電荷及びそれにより得られるエネルギーバンド図における曲線は完全に除かれていないが、活性領域とスペーサ層との界面から、スペーサ層とｐ及びｎ型領域との界面に移動されることを示す。

第２の実施形態において、スペーサ層の組成は、障壁高さが十分な障壁を与えるのに充分であるが、活性領域の発光層とスペーサ層との有効分極差が、ＧａＮスペーサ層のような従来のスペーサ層を有するデバイスよりも小さくなるように選択される。障壁高さは、スペーサ層のバンドギャップと、活性領域の発光層のバンドギャップとの差として定義される。一般に４元ＩＩＩ族窒化物層中のアルミニウム及びインジウムの組成が高くなるにつれ、高度な結晶の質を有する層を成長させるのがより困難になる。以下に示されるように、大部分のデバイスでは、第１の実施形態に従うスペーサ層は、高いアルミニウム及びインジウム組成を有する。第２の実施形態に従うデバイスは、スペーサ層と活性領域との界面のシート電荷を完全に打ち消さないが、これらのデバイスは、潜在的に、従来の障壁を備えたデバイスより小さいシート電荷を有し、第１の実施形態に従うデバイスより潜在的に良好な結晶の質のスペーサ層を有する。両方の効果は、第２の実施形態に従うデバイスの効率を増大させることができる。

図４は、活性領域の組成が所与である場合に、如何にして第１及び第２の実施形態のためのスペーサ層の適切な組成を決定するかを示す。図４は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮフィルムと、窒化アルミニウム組成及び窒化インジウム組成との分極及びバンドギャップの等高線プロットである。Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮフィルムは、ＧａＮ上に整然と成長されると想定される。実線の等高線はＣ／ｍ²単位の有効分極を表す。破線の等高線はｅＶ単位のバンドギャップを表す。図４は、順方向電圧をかけた時に青色光を発光できる１０％インジウムのＩｎＧａＮ活性層、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（「活性」と表記される）の例を示す。Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎは、約３．１ｅＶのバンドギャップ及び約０．０１Ｃ／ｍ²の有効分極を有する。図４に与えられた例では、最小の障壁高さは、適宜０．２ｅＶになるように選択される。他の実施形態において、最小障壁高さは、より大きくても、より小さくてもよく、例えば０．３ｅＶ又は０．１ｅＶであってもよい。

第１の実施形態に従うスペーサ層の組成範囲は、スペーサ層が活性領域と同じ有効分極を有する場合、インジウム組成が増大する方向及びアルミニウム組成が増大する方向に、少なくとも３．３のバンドギャップを有する組成に到達するまで、０．０１Ｃ／ｍ²の等高線をたどることによって決定することができ、およそＡｌ_0.20Ｉｎ_0.22Ｇａ_0.58Ｎである。この点又は０．０１Ｃ／ｍ²の等高線の上方に沿った（図４の「第１」と記された実線）スペーサ層の組成はいずれも、活性領域と同じ最終分極を有し、少なくとも０．２ｅＶの障壁高さを与える。

第２の実施形態に従うスペーサ層の組成範囲は、スペーサ層が最小障壁高さ、及び従来のスペーサ層よりも小さい有効分極を有する場合、図４の斜線領域「Ａ」として示される。この領域は、底部の右側にて、０．２ｅＶの最小障壁高さを示す等高線をたどる、およそＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎと、およそＡｌ_0.20Ｉｎ_0.22Ｇａ_0.58Ｎとの間の曲線を境とする。領域Ａは、上部の右側にて、第１の実施形態の組成範囲を示す、およそＡｌ_0.20Ｉｎ_0.22Ｇａ_0.58Ｎと、およそＡｌ_0.45Ｉｎ_0.34Ｇａ_0.21Ｎとの間の曲線を境とする。領域Ａは、左側にて、ＧａＮスペーサ層の有効分極を示す等高線（図４において「ＧａＮ」と表記される）をたどる、およそＧａＮと、およそＡｌ_0.45Ｉｎ_0.26Ｇａ_0.29Ｎとの間の曲線を境とする。この斜線領域内のスペーサ層の組成はいずれも、少なくとも０．２ｅＶの障壁を有し、ＧａＮスペーサ層よりも小さい最終分極を有する。領域Ａ内の実線は、ＧａＮスペーサ層と同じ障壁高さを有するが、ＧａＮスペーサ層よりも小さい有効分極を有するスペーサ層の組成を示す。

図５は、順方向電圧をかけた場合に緑色光を発光することのできる２０％インジウムのＩｎＧａＮ活性層、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの例を示す。Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性領域（「活性」と表記される）は、約０．０２１Ｃ／ｍ²の有効分極、及び約２．９ｅＶのバンドギャップを有する。図５に与えられた例において、最小障壁高さは、再び適宜０．２ｅＶとなるように選択される。

第１の実施形態に従うスペーサ層の組成範囲は、スペーサ層が活性領域と同一の有効分極を有する場合、バンドギャップの差が少なくとも０．２ｅＶである組成である、３．１ｅＶのバンドギャップを有するおよそＡｌ_0.17Ｉｎ_0.28Ｇａ_0.55Ｎの組成まで、０．０２１Ｃ／ｍ²の等高線をたどることによって決定される。この点又は０．０２１Ｃ／ｍ²の等高線の上方に沿った（図５において「第１」と表記される線）組成は、活性領域と同一の有効分極を有する十分高い障壁のスペーサ層を与える。

第２の実施形態に従うスペーサ層の組成範囲は、スペーサ層が最小障壁高さを有し、従来のＧａＮスペーサ層よりも小さい有効分極を有する場合、図５において斜線領域「Ｂ」として示される。この領域は、底部の右側で、０．２ｅＶの最小障壁高さを示す等高線をたどる、およそＩｎ_0.12Ｇａ_0.88Ｎと、およそＡｌ_0.17Ｉｎ_0.28Ｇａ_0.55Ｎとの間の曲線を境とする。領域Ｂは、上部の右側にて、およそＡｌ_0.17Ｉｎ_0.28Ｇａ_0.55Ｎと、第１の実施形態の組成範囲を示すおよそＡｌ_0.45Ｉｎ_0.40Ｇａ_0.15Ｎとの間の曲線を境とする。領域Ｂは、左側にて、ＧａＮスペーサ層の有効分極を示す等高線（「ＧａＮ」と表記される）をたどる、およそＧａＮと、およそＡｌ_0.45Ｉｎ_0.26Ｇａ_0.29Ｎとの間の曲線を境とする。この斜線領域内のスペーサ層の組成はいずれも、少なくとも０．２ｅＶの障壁を有し、ＧａＮスペーサ層より小さい有効分極を有する。領域Ｂ内の実線は、ＧａＮスペーサ層と同一の障壁高さを有するが、ＧａＮスペーサ層より小さい有効分極を有するスペーサ層の組成を示す。

図４及び５は、４５％の窒化アルミニウム及び窒化インジウム組成にて終わっているが、それより大きい窒化アルミニウム及び窒化インジウム組成を有する層も適切であることができる。図４及び５に示されるデータは、本発明を限定することを意味しない。図４及び５におけるデータは、次の材料パラメータを用いて当該技術分野において周知の技術を用いて計算された。図４及び５に示されるデータは、次の材料パラメータに関して異なる値を使用する場合には変化する場合がある。

図４及び５のデータは、次のように計算された。ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのａ−格子定数ａ_k及び弾性定数ｃ_ij,kが所与である場合、ＧａＮ上で成長した４元層のａ−格子定数ａ_AlInGaN及び歪ε_zzは、次の式に従って計算することができる：

ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのバンドギャップＥ_i、及び４元合金の各々の湾曲パラメータｂ_ijが所与である場合、自立４元層のバンドギャップは、次の式に従って計算することができる：

（図４及び５に破線の等高線で示される）ＧａＮ上に成長した歪４元層のバンドギャップは、（上記で計算された）層の歪ε_zz及び次の式に従う自立材料のバンドギャップに関連する：

ＡｌＮ、ＧａＮ、及びＩｎＮの自発分極Ｐ_sp,k及び圧電性定数ｅ_ij,kが所与である場合、ＧａＮ上に成長した４元層の自発分極Ｐ_sp及び圧電分極Ｐ_pzは、次の式に従って計算することができる：

ＧａＮ上に成長した４元層の有効分極は、次いで以下によって与えられる：

図３に示されるように、スペーサ層及び活性領域の有効分極を適合させることによって、スペーサ層と活性領域との界面にあるシート電荷を打ち消す。このようなシート電荷は、ｐ及びｎ型領域とスペーサ層との界面に移動し、そこでは界面を形成する層間の組成差が、界面の両側に異なる有効分極を生じる。シート電荷の活性領域からの移動は、活性領域におけるそれらの効果を完全には削除しない。図３に示される活性領域のエネルギーバンドの「傾き」は、スペーサ層とｐ及びｎ型領域との界面におけるシート電荷によって生じる。

シート電荷を除くために、米国特許第６，５１５，３１３号は、種々のドーパントを半導体に導入することを教示している。ドーパント不純物は、目的とする位置から離れて拡散しないような種類でなければならない。ドーパントは、エネルギー準位に基づいて、界面分極誘起電荷状態と反対の正又は負の電荷状態のいずれかにイオン化して、その効果を打ち消す又は減らす。米国特許第６，５１５，３１３号は、スペーサ層と活性領域との界面にドーパントを導入する。活性領域に非常に近いドーパント、特にＭｇの導入は、活性領域の結晶の質を悪化させることがある。

本発明の一部の実施形態において、シート電荷は、スペーサ層を十分に厚くして、ｐ及びｎ型領域とスペーサ層との界面のシート電荷から活性領域を「守り」、次いでシート電荷を中和するドーパントでシート電荷を有する界面をドープすることによって除かれる。厚いスペーサ層をもたない実施形態では、スペーサ層は、約５０オングストローム〜約２００オングストロームの厚さを有することが多い。厚いスペーサ層をもった実施形態では、スペーサ層は、約５００オングストロームから、クラックを生じたり、たるんだりすることなく成長できるスペーサ層の最大厚さとして定義されるスペーサ層の臨界厚さまでの厚さを有することができる。厚いスペーサ層は、普通、約２００オングストローム〜約１０００オングストロームの厚さを有する。一般に、厚いスペーサ層の厚さは、シート電荷を打ち消すドーピングから活性領域を遮蔽するのに十分厚く、かつ高度な結晶の質を有するスペーサ層を成長させるのに十分薄くなるように選択される。

ｎ型又はアンドープスペーサ層２２とｎ型領域２１との界面において、負のシート電荷が蓄積する。このシート電荷は、界面の可能な限り近くに、高度にｎ型ドープされた材料領域を導入することによって打ち消すことができる。高度にドープされた領域は、界面に隣接するｎ型領域２１又はスペーサ層２２の一部であることができる。例えば、厚さ１０オングストロームで約１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3のＳｉ濃度を有する領域は、ｎ型領域２１又はスペーサ層２２に、これら２つの層間の界面のすぐ近くにて導入されることができる。より好ましくは、高度にドープされた領域は、約５×１０¹⁹ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3のＳｉ濃度を有する。同様に、正のシート電荷は、ｐ型スペーサ層２４とｐ型領域２５との界面に蓄積する。このシート電荷は、高度にｐ型ドープされた材料領域を、界面に隣接するｐ型領域２５又はスペーサ層２４の一部に導入することによって打ち消されることができる。例えば、厚さ１０オングストロームで、約１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3のＭｇ濃度を有する領域は、ｐ型領域２５又はスペーサ層２４に、これら２つの層間の界面のすぐ近くにて導入されることができる。より好ましくは、高度にドープされた領域は、約５×１０¹⁹ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3のＭｇ濃度を有する。

スペーサ層とｐ及びｎ型領域との界面に必要とされるドーピング量は、デバイス中の層の組成に左右されるシート電荷の大きさに左右されることがある。一般に、厚さ及びドーパント濃度は、高度にドープされた領域のドーパント濃度と高度にドープされた領域の厚さを掛けたものが、界面におけるシート電荷にほぼ等しくなるように選択される。従って、高度にドープされた領域のドーパント濃度が高くなるにつれ、この領域はシート電荷を打ち消すために、より薄くなる必要がある。一部の実施形態では、シート電荷は、ｎ型及びｐ型領域又はスペーサ層に、厚さが大きくなるに従って、濃度の低いドーパントを導入することによって打ち消されることができる。さらに、活性領域のインジウムの組成が増大すれば、シート電荷の大きさも増大する。上記で与えられた例では、２０％のインジウム量子井戸を有するデバイスのシート電荷は、１０％のインジウム量子井戸を有するデバイスのシート電荷の大きさの２倍となる場合がある。

図６は、スペーサ層及び活性領域が同一の有効分極を有する場合、及びシート電荷が厚いスペーサ層及びシート電荷界面へのドーピングによって除かれている場合のデバイスのエネルギーバンド図である。図６に示されるように、層間の界面のエネルギーバンドの折れ曲がりと、活性領域のエネルギーバンドの傾きは両方とも除かれている。

図７は、小型接合デバイスの平面図である（すなわち、１平方ミリメートルより小さい面積）。図８は、図７に示されるデバイスの軸ＣＣに沿った断面図である。図７及び８は、図２に示され、上記で説明されたエピタキシャル構造３０のいずれかと共に使用できる接触部の配置を示す。図７及び８に示されるデバイスは、活性領域の下方のエピタキシャル構造３０のｎ型層に向かって下方にエッチングされた単一ビア２１を有する。ｎ接触部２７はビア２１に堆積される。ｎビア２１は、電流及び発光の均一性を与えるためにデバイスの中央に配置される。ｐ接触部２６は、エピタキシャル構造３０の活性領域のｐ側に電気的接触を与える。ｎ接触部２７は、１以上の誘電層３２によってｐ接触部２６と分離される。ｐサブマウント接続部３４、例えば、はんだに接続するためのぬれ性のある金属は、ｐ接触部２６に接続され、ｎサブマウント接続部３３はｎ接触部２７に接続される。

図７に示されるように、デバイスは、３つのサブマウント接続部である、２つのｐサブマウント接続部３４及び１つのｎサブマウント接続部３３によってサブマウントに接続される。ｎサブマウント接続部３３は、（絶縁層３２に囲まれた）ｎ接触部領域２７内のどこかに配置することができ、ビア３１上に直接配置する必要はない。同様に、ｐサブマウント接続部３４は、ｐ接触部２６のどこかに配置することができる。結果として、デバイスのサブマウントへの接続は、ｐ接触部２６及びｎ接触部２７の形状又は配置によって制限されない。

図９は、大型接合デバイスの平面図である（すなわち、１平方ミリメートル以上の面積）。図１０は、図９に示されるデバイスの、ＤＤ軸に沿った断面図である。図９及び１０はまた、図２に示され、上記で説明されたエピタキシャル構造３０のいずれかと共に使用できる接触部の配置を示す。エピタキシャル構造３０の活性領域は、ｎ接触部２７が形成される３つの溝によって分離された４つの領域に分けられる。各領域は、ｐ接触部２６に形成される４つのｐサブマウント接続部３４によってサブマウントに接続される。ｎ接触部２７は、４つの活性領域を囲む。ｎ接触部２７は、６つのｎサブマウント接続部３３によってサブマウントに接続される。ｎ及びｐ接触部は、絶縁層３２によって電気的に孤立させることができる。

図１１は、パッケージ型発光デバイスの分解図である。ヒートシンキングスラッグ１００は、インサート成形されたリードフレームに配置される。インサート成形されたリードフレームは、例えば、電気経路を与える金属フレーム１０６の周りに成形された充填プラスチック材料１０５である。スラッグ１００は、光学反射カップ１０２を含むことができる。上述のデバイスのいずれかである発光デバイスダイ１０４は、直接に、又は熱伝導性サブマウント１０３を介して間接的に、スラッグ１００に取り付けられる。光学レンズ１０８が付加されてもよい。

本発明の実施形態に従う活性領域における分極電界の効果を低減することには、いくつかの利点がある。第１に、キャリア再結合速度が増加し、デバイスの量子効率を増大させることができる。第２に、キャリア再結合寿命が短くなり、所与の電流密度でのキャリア密度が低減し、それにより大きな駆動電流下での量子効率を改善することができる。第３に、電子及び正孔注入効率が増大し、活性領域にキャリアをより均一に充填できるようになる。これらの効果の各々は、デバイスの効率を改善できる。
詳細に本発明を説明したが、当業者は、本開示を考慮すれば、本明細書に記載の発明概念の趣旨から逸脱することなく、本発明に対して変更が可能であることを理解する。そのため、本発明の範囲は、示され、説明された特定の実施形態に限定されることを意図しない。

米国特許第６，５１５，３１３号に記載された従来技術の発光デバイスの一部の断面図である。 米国特許第６，５１５，３１３号に記載された従来技術の発光デバイスの一部のエネルギーバンド図である。 本発明の実施形態に係るデバイスの断面図である。 スペーサ層及び活性領域が同じ有効分極を有するデバイスのエネルギーバンド図である。 バンドギャップエネルギー及び有効分極を示す等高線を含む、四元ＩＩＩ族窒化物層のアルミニウム組成物ｖｓ．インジウム組成物のプロットである。 バンドギャップエネルギー及び有効分極を示す等高線を含む、四元ＩＩＩ族窒化物層のアルミニウム組成物ｖｓ．インジウム組成物のプロットである。 スペーサ層及び活性領域が同じ有効分極を有し、シート電荷が厚いスペーサ層によって無くされ、シート電荷界面においてドープされるデバイスのエネルギーバンド図である。 小型接合発光デバイスの平面図である。 小型接合発光デバイスの断面図である。 大型接合発光デバイスの平面図である。 大型接合発光デバイスの断面図である。 パッケージされた発光デバイスの分解図である。

符号の説明

２０：基材
２１：ｎ型領域
２２：ｎ型スペーサ層
２３：活性領域
２４：ｐ型スペーサ層
２５：ｐ型領域
２６：ｐ接触部
２７：ｎ接触部

Claims (41)

1. 半導体発光デバイスであって、
   第１及び第２スペーサ層と、
   前記第１及び第２スペーサ層間に挟持された発光層と、
   を備え、少なくとも１つの前記スペーサ層の有効分極と前記発光層の有効分極との差は、ＧａＮの有効分極と発光層の有効分極との差より小さく、前記少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と前記発光層の有効分極との差は、０．０２Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とするデバイス。
2. 前記少なくとも１つのスペーサ層は、
   

   

   であるＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮを含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記発光層は、少なくとも１つのＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と前記発光層の有効分極との間の差が、０．０１Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
5. 前記少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と前記発光層の有効分極との間の差が、０．００５Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
6. 前記少なくとも１つのスペーサ層の有効分極と前記発光層の有効分極との間の差が、約０Ｃ／ｍ²であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
7. 前記少なくとも１つのスペーサ層のバンドギャップと前記発光層のバンドギャップとの差が、０．１ｅＶより大きいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
8. 前記少なくとも１つのスペーサ層のバンドギャップと前記発光層のバンドギャップとの差が、０．２ｅＶより大きいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
9. 前記発光層が、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ〜Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎの組成をもつ少なくとも１つのＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
10. 前記少なくとも１つのスペーサ層が、アルミニウム、インジウム、ガリウム、及び窒素の四元合金であり、前記四元合金スペーサ層中のアルミニウム組成が、２０％より大きいか又は２０％に等しいことを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
11. 前記四元合金スペーサ層中のインジウム組成が、２２％より大きいか又は２２％に等しいことを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記少なくとも１つのスペーサ層が、アルミニウム、インジウム、ガリウム、及び窒素の四元合金であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
13. 前記少なくとも１つのスペーサ層が、アルミニウム、インジウム、ガリウム、及び窒素の四元合金であり、
    前記四元合金スペーサ層中のアルミニウム組成が、ゼロより大きく、かつ２０％より小さいか又は２０％に等しく、
    前記四元合金スペーサ層中のインジウム組成が、ゼロより大きく、かつ２２％より小さいか又は２０％に等しい、
    ことを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
14. 前記発光層が、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ〜Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｎの組成をもつ少なくとも１つのＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
15. 前記少なくとも１つのスペーサ層が、アルミニウム、インジウム、ガリウム、及び窒素の四元合金であり、前記四元合金スペーサ層中のアルミニウム組成が、１７％より大きいか又は１７％に等しいことを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記四元合金スペーサ層中のインジウム組成が、２８％より大きいか又は２８％に等しいことを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記少なくとも１つのスペーサ層が、アルミニウム、インジウム、ガリウム、及び窒素の四元合金であることを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。
18. 前記少なくとも１つのスペーサ層が、アルミニウム、インジウム、ガリウム、及び窒素の四元合金であり、
    前記四元合金スペーサ層中のアルミニウム組成が、ゼロより大きく、かつ１７％より小さいか又は１７％に等しく、
    前記四元合金スペーサ層中のインジウム組成が、ゼロより大きく、かつ２８％より小さいか又は２８％に等しい、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。
19. 前記少なくとも１つのスペーサ層は、約２００オングストローム〜約１０００オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
20. 前記少なくとも１つのスペーサ層は、約２００オングストローム〜前記スペーサ層の臨界厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
21. 前記発光層の反対側の前記第１スペーサ層の表面に隣接するｎ型領域と、
    前記発光層の反対側の前記第２スペーサ層の表面に隣接するｐ型領域と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
22. 前記第１スペーサ層と前記ｎ型領域との間の界面に隣接するｎ型材料が高濃度でドープされた領域をさらに備え、前記ｎ型材料が高濃度でドープされた領域は、約１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜約１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント濃度と、約１０オングストローム〜約１００オングストロームの厚さとを有することを特徴とする請求項２１に記載のデバイス。
23. 前記ｎ型材料が高濃度でドープされた領域は、約５×１０¹⁹ｃｍ^-3〜約１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント濃度を有することを特徴とする請求項２２に記載のデバイス。
24. 前記ｎ型材料が高濃度でドープされた領域は、前記第１スペーサ層内に配置されることを特徴とする請求項２２に記載のデバイス。
25. 前記ｎ型材料が高濃度でドープされた領域は、前記ｎ型領域内に配置されることを特徴とする請求項２２に記載のデバイス。
26. 前記第２スペーサ層と前記ｐ型領域との間の界面に隣接するｐ型材料が高濃度でドープされた領域をさらに備え、前記ｐ型材料が高濃度でドープされた領域は、約１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜約１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント濃度と、約１０オングストローム〜約１００オングストロームの厚さとを有することを特徴とする請求項２１に記載のデバイス。
27. 前記ｐ型材料が高濃度でドープされた領域は、約５×１０¹⁹ｃｍ^-3〜約１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント濃度を有することを特徴とする請求項２６に記載のデバイス。
28. 前記ｐ型材料が高濃度でドープされた領域は、前記第２スペーサ層内に配置されることを特徴とする請求項２６に記載のデバイス。
29. 前記ｐ型材料が高濃度でドープされた領域は、前記ｐ型領域内に配置されることを特徴とする請求項２６に記載のデバイス。
30. 前記発光層が第１量子井戸であり、前記デバイスがさらに、第２量子井戸、及び前記第１量子井戸と前記第２量子井戸との間に配置された障壁層を備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
31. 前記障壁層は、
    

    

    であるＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮを含むことを特徴とする請求項３０に記載のデバイス。
32. 前記障壁層の有効分極が、ＧａＮの有効分極より小さく、前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差が、０．０２Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とする請求項３０に記載のデバイス。
33. 前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差が、０．０１Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とする請求項３０に記載のデバイス。
34. 前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差が、０．００５Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とする請求項３０に記載のデバイス。
35. 前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差が、約０Ｃ／ｍ²であることを特徴とする請求項３０に記載のデバイス。
36. 前記発光層は、
    

    

    であるＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮを含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
37. 半導体発光デバイスであって、
    第１及び第２スペーサ層と、
    前記第１及び第２スペーサ層間に挟持された発光層と、
    を備え、前記活性領域は、第１量子井戸と、第２量子井戸と、前記第１量子井戸及び前記第２量子井戸の間に配置された障壁層とを備え、前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差は、ＧａＮの有効分極と少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差より小さく、前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つ量子井戸の有効分極との差は、０．０２Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とするデバイス。
38. 前記障壁層は、
    

    

    であるＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮを含むことを特徴とする請求項３７に記載のデバイス。
39. 前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差が、０．０１Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とする請求項３７に記載のデバイス。
40. 前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差が、０．００５Ｃ／ｍ²より小さいことを特徴とする請求項３７に記載のデバイス。
41. 前記障壁層の有効分極と前記少なくとも１つの量子井戸の有効分極との差が、約０Ｃ／ｍ²であることを特徴とする請求項３７に記載のデバイス。

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