JP2009260398A - 量子井戸と超格子とを有するｉｉｉ族窒化物系発光ダイオード構造 - Google Patents

量子井戸と超格子とを有するｉｉｉ族窒化物系発光ダイオード構造 Download PDF

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Abstract

【課題】ＩＩＩ族窒化物系超格子と超格子上のＩＩＩ族窒化物系活性領域とを有する発光ダイオードを提供すること。
【解決手段】活性領域は、少なくとも１つの量子井戸構造を有する。量子井戸構造は、第１のＩＩＩ族窒化物系バリア層と、第１のバリア層上のＩＩＩ族窒化物系量子井戸層と、第２のＩＩＩ族窒化物系バリア層とを含む。ＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスと、少なくとも１つの量子井戸構造を含む活性領域を有するＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスの製造方法とが、提供されている。量子井戸構造は、ＩＩＩ族窒化物を含む井戸支持層と、井戸支持層上のＩＩＩ族窒化物を含む量子井戸層と、量子井戸層上のＩＩＩ族窒化物を含むキャップ層とを含む。またＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層（ここで０≦Ｘ＜１および０≦Ｙ＜１、ならびにＸはＹに等しくない）の少なくとも２つの周期を有する窒化ガリウム系超格子を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロエレクトロニクスデバイスおよびその製造方法に関し、より詳細には、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）のようなＩＩＩ族窒化物半導体デバイスに用いることができる構造に関する。
本出願は、仮出願第６０／２９４，４４５号（２００１年５月３０日に出願）、発明の名称「MULTI-QUANTUM WELL LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURE」、仮出願６０／２９４，３０８号（２００１年５月３０日に出願）、発明の名称「LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURE WITH SUPERLATTICE STRUCTURE」、および仮出願第６０／２９４，３７８号（２００１年５月３０日に出願）、発明の名称「LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURE WITH MULTI-QUANTUM WELL AND SUPERLATTICE STRUCTURE」の特典および以下の出願からの優先権を主張する。なおこれらの出願の開示は、本明細書において完全に記載されているかのごとく、本明細書において参照により全体として取り入れられている。
発光ダイオードは、消費者向けおよび商用適用分野において広く用いられている。当業者によく知られているように、発光ダイオードは一般に、ダイオード領域をマイクロエレクトロニクス基板上に備えている。マイクロエレクトロニクス基板は、たとえばガリウムヒ素、ガリウムリン、それらの合金、炭化ケイ素、および／またはサファイアを含むことができる。ＬＥＤの絶え間ない開発の結果、可視スペクトルおよびそれ以上をカバーすることができる非常に能率的で機械的にも頑丈な光源が得られている。これらの属性は、固体デバイスの潜在的に長い耐用年数と結びついて、種々の新しいディスプレイの応用分野を可能にすることができるとともに、十分に確立されている白熱灯と競合する位置にＬＥＤを置くことができる。
ＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤたとえば窒化ガリウム系ＬＥＤの製造における問題の１つは、高品質の窒化ガリウムの製造に関するものである。通常、窒化ガリウムＬＥＤは、サファイアまたは炭化ケイ素基板上に製造される。このような基板を使うと、基板の結晶格子と窒化ガリウムとの間に不整合が起こることが考えられる。サファイアおよび／または炭化ケイ素上への窒化ガリウムの成長に関する潜在的な問題を克服するために、種々の技術が用いられている。たとえば炭化ケイ素基板とＩＩＩ族の活性層、特に窒化ガリウム活性層との間のバッファとして、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。しかし通常、窒化アルミニウムは導電性ではなく絶縁性である。そのため窒化アルミニウムバッファ層を有する構造では通常、導電性の炭化ケイ素基板をＩＩＩ族窒化物活性層に電気的につなげるために、窒化アルミニウムバッファをバイパスする短絡コンタクトが必要である。
あるいは、導電性のバッファ層材料たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、または窒化ガリウムと窒化アルミニウムガリウムとの組み合わせによって、ＡｌＮバッファ層の場合に通常用いられる短絡コンタクトを省くことができる。通常、短絡コンタクトを省くことによって、エピタキシャル層の厚みが小さくなり、デバイスの製造に必要な製造ステップの数が減り、チップ全体のサイズが小さくなり、および／またはデバイス効率が高まる。その結果、ＩＩＩ族窒化物デバイスを、より低いコストで、より高い性能で作製することができる。これらの導電性バッファ材料はこのような利点を示すが、それでも、炭化ケイ素との間の結晶格子整合は、窒化アルミニウムの場合ほど満足のできるものではない。
米国特許第５，３９３，９９３号明細書 米国特許第５，５２３，５８９号明細書 米国特許出願第０９／１５４，３６３号明細書、発明の名称「Vertical Geometry InGaN Light Emitting Diode」（本発明の譲受人に譲渡されている） 米国特許第６，２０１，２６２号明細書、発明の名称「Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates With Conductive Buffer Interlay Structure」
高品質の窒化ガリウムの製造における前述の問題によって、デバイスの効率が下がる可能性がある。ＩＩＩ族窒化物系デバイスの出力を向上させるための試みとしては、デバイスの活性領域の構成を変えることが挙げられる。このような試みとしては、たとえば単一および／または二重のヘテロ構造の活性領域を用いることが挙げられる。同様に、１つまたは複数のＩＩＩ族窒化物量子井戸を有する量子井戸デバイスについての記述もなされている。このような試みによってＩＩＩ族系デバイスの効率は向上しているが、さらなる向上を引き続き実現することができる。
本発明の実施形態によって、ＩＩＩ族窒化物系超格子と、超格子上のＩＩＩ族窒化物系活性領域とを有する発光ダイオードが提供される。活性領域は、少なくとも１つの量子井戸構造を有する。量子井戸構造は、第１のＩＩＩ族窒化物系バリア層と、第１のバリア層上のＩＩＩ族窒化物系量子井戸層と、量子井戸層上の第２のＩＩＩ族窒化物系バリア層とを含む。
本発明のさらなる実施形態においては、発光ダイオードは、少なくとも１つの量子井戸構造の約２から約１０の繰り返しを含む。
本発明のさらなる実施形態においては、超格子は、ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層（alternating layer）（ここで０≦Ｘ＜１および０≦Ｙ＜１、ならびにＸはＹに等しくない）の少なくとも２つの周期を有する窒化ガリウム系超格子を含む。第１のＩＩＩ族窒化物系バリア層は、ＩＩＩ族窒化物を含む井戸支持層(well support layer)を与え、第２のＩＩＩ族窒化物系バリア層は、量子井戸層上のＩＩＩ族窒化物を含むキャップ層(cap layer)を与える。
このような実施形態においては、キャップ層は、井戸支持層よりも結晶品質が低くてもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、井戸支持層は窒化ガリウム系の層を含み、量子井戸層は窒化インジウムガリウム層を含み、バリア層は窒化ガリウム系の層を含む。このような実施形態においては、井戸支持層とキャップ層とは、ＩｎXＧａ1-XＮ（ここで０≦Ｘ＜１）の層によって与えられてもよい。さらに、井戸支持層とキャップ層とのインジウム組成は、量子井戸層のインジウム組成より低くてもよい。
井戸支持層とキャップ層とは、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（ここで０＜Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ≦１）によって与えられてもよい。さらに、井戸支持層とキャップ層とはアンドープであってもよい。あるいは、井戸支持層とキャップ層とは、約５×１０19ｃｍ-3未満のｎ型ドーピングレベルを有していてもよい。またキャップ層と井戸支持層とは、量子井戸層よりもバンドギャップが大きくてもよい。井戸支持層とキャップ層とを組み合わせた厚みは、約５０から約４００Åであってもよい。井戸支持層の厚みは、キャップ層の厚みより大きくてもよい。量子井戸層は、厚みが約１０から約５０Åであってもよい。たとえば量子井戸層は、厚みが約２０Åであってもよい。さらに量子井戸層中のインジウムの割合は、約１５％から約４０％であってもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、井戸支持層と超格子との間にＩＩＩ族窒化物系スペーサ層が設けられている。スペーサ層はアンドープＧａＮであってもよい。
本発明の他の実施形態においては、量子井戸のバンドギャップは超格子のバンドギャップよりも小さい。
本発明のさらなる実施形態においては、発光ダイオードは、キャップ層上のＩＩＩ族窒化物を含む第２の井戸支持層と、第２の井戸支持層上のＩＩＩ族窒化物を含む第２の量子井戸層と、第２の量子井戸層上のＩＩＩ族窒化物を含む第２のキャップ層とを含む。
本発明のさらなる実施形態においては、窒化ガリウム系超格子は、約５から約５０の周期を含む。ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層は、組み合わせた厚みが約１０から約１４０Åであってもよい。
本発明の特定の実施形態においては、超格子のＩｎXＧａ1-XＮ層に対してＸ＝０である。このような実施形態においては、ＩｎＧａＮ層は厚みが約５から約４０Åであり、ＧａＮ層は厚みが約５から約１００Åである。
本発明のさらなる実施形態においては、窒化ガリウム系超格子には、ｎ型不純物が約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3のレベルまでドープされている。窒化ガリウム系超格子のドーピングレベルは、交互層の層の実際のドーピングレベルであってもよい。またドーピングレベルは、前記交互層の層の平均のドーピングレベルであってもよい。したがって、たとえば発光ダイオードは、超格子に隣接するドープされたＩＩＩ族窒化物層を含み、ドープされたＩＩＩ族窒化物層にはｎ型不純物がドープされて、ドープされたＩＩＩ族窒化物層と超格子との平均のドーピングとして約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3が与えられてもよい。超格子のバンドギャップは、約２．９５ｅＶから約３．３５ｅＶであってもよく、ある実施形態においては約３．１５ｅＶであってもよい。
本発明の他の実施形態においては、少なくとも１つの量子井戸構造を含む活性領域を有するＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスが提供される。量子井戸構造は、ＩＩＩ族窒化物を含む井戸支持層と、井戸支持層上のＩＩＩ族窒化物を含む量子井戸層と、量子井戸層上のＩＩＩ族窒化物を含むキャップ層とを含む。
キャップ層は井戸支持層より結晶品質が低くてもよい。井戸支持層は窒化ガリウム系の層によって与えられてもよく、量子井戸層は窒化インジウムガリウム層によって与えられてもよく、バリア層は窒化ガリウム系の層によって与えられてもよい。このような実施形態においては、井戸支持層とキャップ層とは、ＩｎXＧａ1-XＮ（ここで０≦Ｘ＜１）の層によって与えられてもよい。さらに井戸支持層とキャップ層とのインジウム組成は、量子井戸層のインジウム組成より低くてもよい。同様に、井戸支持層とキャップ層とは、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（ここで０＜Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ≦１）の層によって与えられてもよい。
さらに井戸支持層とキャップ層とはアンドープであってもよい。あるいは井戸支持層とキャップ層とは、ドーピングレベルが約５×１０19ｃｍ-3未満であってもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、キャップ層と井戸支持層とは、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい。井戸支持層とキャップ層とを組み合わせた厚みは、約５０から約４００Åであってもよい。たとえば、井戸支持層とキャップ層とを組み合わせた厚みは、約９０Åより大きくてもよい。同様に、井戸支持層とキャップ層とを組み合わせた厚みは、約２２５Åであってもよい。井戸支持層の厚みは、キャップ層の厚みより大きくてもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、量子井戸層は、厚みが約１０から約５０Åである。たとえば量子井戸層は厚みが約２５Åであってもよい。さらに量子井戸層中のインジウムの割合は、約５％から約５０％であってもよい。
本発明によるＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスのさらなる実施形態においては、超格子が設けられ、井戸支持層は超格子上にある。超格子はバンドギャップが約３．１５ｅＶであってもよい。さらに井戸支持層と超格子との間にＩＩＩ族窒化物系スペーサ層を設けてもよい。スペーサ層はアンドープＧａＮであってもよい。また少なくとも１つの量子井戸のバンドギャップは、超格子のバンドギャップより小さくてもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物を含む第２の井戸支持層がキャップ層上に設けられている。ＩＩＩ族窒化物を含む第２の量子井戸層が第２の井戸支持層上に設けられ、ＩＩＩ族窒化物を含む第２のキャップ層が第２の量子井戸層上に設けられている。
本発明の特定の実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスは、少なくとも１つの量子井戸構造の約２から約１０の繰り返しを含む。
本発明の実施形態においては、少なくとも２つの周期のＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層（ここで０≦Ｘ＜１および０≦Ｙ＜１、ならびにＸはＹに等しくない）を有する窒化ガリウム系超格子を含むＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスがさらに提供される。
本発明のさらなる実施形態においては、窒化ガリウム系超格子は約５から約５０の周期を含む。たとえば窒化ガリウム系超格子は２５の周期を含んでいてもよい。同様に、窒化ガリウム系超格子は１０の周期を含んでいてもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、窒化ガリウム系超格子は約５から約５０の周期を含む。ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層は、組み合わせた厚みが約１０から約１４０Åであってもよい。
本発明の特定の実施形態においては、超格子のＩｎXＧａ1-XＮ層に対してＸ＝０である。このような実施形態においては、ＩｎＧａＮ層は厚みが約５から約４０Åであり、ＧａＮ層は厚みが約５から約１００Åである。本発明のさらなる実施形態においては、窒化ガリウム系超格子には、ｎ型不純物が約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3のレベルまでドープされている。窒化ガリウム系超格子のドーピングレベルは、交互層の層の実際のドーピングレベルであってもよい。またドーピングレベルは、交互層の層の平均のドーピングレベルであってもよい。
本発明のある実施形態においては、ドープされたＩＩＩ族窒化物層が超格子に隣接して設けられている。ドープされたＩＩＩ族窒化物層にはｎ型不純物がドープされて、ドープされたＩＩＩ族窒化物層と超格子との平均のドーピングとして約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3が与えられてもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、超格子のバンドギャップは約３．１５ｅＶである。
ＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスが発光ダイオードを含む本発明の実施形態においては、発光ダイオードは、超格子上にＩＩＩ族窒化物系活性領域を含む。さらに活性領域と超格子との間に、ＩＩＩ族窒化物系スペーサ層を設けてもよい。このようなスペーサ層はアンドープＧａＮであってもよい。
本発明のある実施形態においては、活性領域は少なくとも１つの量子井戸を含む。このような実施形態においては、量子井戸のバンドギャップは超格子のバンドギャップより小さくてもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、少なくとも１つの量子井戸構造を含む活性領域を有するＩＩＩ族窒化物系半導体デバイスの製造方法が提供される。量子井戸構造は、ＩＩＩ族窒化物を含む井戸支持層を形成することと、量子井戸支持層上にＩＩＩ族窒化物を含む量子井戸層を形成することと、量子井戸層上にＩＩＩ族窒化物を含むキャップ層を形成することとによって製造される。
本発明の特定の実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物を含む井戸支持層を形成することは、第１の温度で井戸支持層を形成することによって与えられる。量子井戸層を形成することは、第１の温度よりも低い第２の温度で量子井戸層を形成することによって与えられる。キャップ層を形成することは、第１の温度よりも低い第３の温度でキャップ層を形成することによって与えられる。本発明のある実施形態においては、第３の温度は第２の温度と実質的に同じである。
本発明のさらなる実施形態においては、井戸支持層は窒化ガリウム系の層を含み、量子井戸層は窒化インジウムガリウム層を含み、キャップ層は窒化ガリウム系の層を含む。このような実施形態においては、第１の温度は約７００から約９００℃であってもよい。さらに第２の温度は、第１の温度より約０から約２００℃低くてもよい。窒化インジウムガリウム層を、窒素雰囲気または他の雰囲気中で形成してもよい。
好ましくは、井戸支持層を形成することとキャップ層を形成することとは、ＩｎXＧａ1-XＮ（ここで０≦Ｘ＜１）のキャップ層を形成することとＩｎXＧａ1-XＮ（ここで０≦Ｘ＜１）の井戸支持層を形成することとによって与えられる。また井戸支持層とキャップ層とのインジウム組成は、量子井戸層のインジウム組成より低くてもよい。
本発明のさらなる実施形態においては、井戸支持層を形成することとキャップ層を形成することとは、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（ここで０＜Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ≦１）のキャップ層を形成することとＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（ここで０＜Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ≦１）の井戸支持層を形成することとによって与えられる。
本発明のさらなる実施形態においては、超格子を形成することが含まれ、井戸支持層は超格子上にある。本発明のさらなる実施形態においては、井戸支持層と超格子との間にＩＩＩ族窒化物系スペーサ層を形成することが含まれる。スペーサ層はアンドープＧａＮであってもよい。本発明のさらなる実施形態においては、キャップ層上にＩＩＩ族窒化物を含む第２の井戸支持層を形成することと、第２の井戸支持層上にＩＩＩ族窒化物を含む第２の量子井戸層を形成することと、第２の量子井戸層上にＩＩＩ族窒化物を含む第２のキャップ層を形成することとが含まれる。このような実施形態においては、第２の井戸支持層は実質的に、第１の温度で形成してもよく、第２の量子井戸層は実質的に、第１の温度よりも低い第２の温度で形成してもよく、第２のキャップ層は実質的に、第１の温度よりも低い第３の温度で形成してもよい。
本発明の他の特徴は、本発明の具体的な実施形態についての以下の詳細な説明を添付の図面とともに読むことで、より容易に理解される。
本発明の実施形態を取り入れたＩＩＩ族窒化物発光ダイオードを示す概略図である。 本発明のさらなる実施形態を取り入れたＩＩＩ族窒化物発光ダイオードを示す概略図である。 本方法のさらなる実施形態による単一の量子井戸構造と多重量子井戸構造とを示す概略図である。
以下、本発明を、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照して、より十分に説明する。しかし本発明は、多くの異なる実施形態で具体化することができ、本明細書で述べる実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全で完璧になり、当業者に本発明の範囲を完全に伝えるように与えられている。図面では、層および領域の厚みは、明瞭にするために誇張されている。同様の番号は、全体に渡って同様の要素を指す。層、領域、または基板などの要素が、他の要素「上に」あるかまたは他の要素「上まで」延びると言うときには、それは他の要素上に直接あることもできるし、もしくは他の要素上まで直接延びることもできるし、または介在要素が存在していてもよいことが理解される。対照的に、要素が他の要素「上に直接」あるかまたは他の要素「上まで直接」延びると言うときには、介在要素は全く存在していない。また本明細書で説明および例示する各実施形態には、その相補的な導電型の実施形態も含まれる。
図１を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１では、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造４０が例示されている。図１のＬＥＤ構造４０は、基板１０を含む。基板１０は、好ましくは４Ｈまたは６Ｈのｎ型炭化ケイ素である。また基板１０は、サファイア、バルク状窒化ガリウム、または他の好適な基板を含んでいてもよい。また図１のＬＥＤ構造４０に含まれているのは、基板１０上の窒化ガリウム系半導体層を含む層状の半導体構造である。すなわち、例示したＬＥＤ構造４０には、以下の層が含まれている。導電性バッファ層１１、第１のシリコンドープＧａＮ層１２、第２のシリコンドープＧａＮ層１４、シリコンドープＧａＮおよび／またはＩｎＧａＮの交互層を含む超格子構造１６、多重量子井戸構造として与えることができる活性層１８、アンドープＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ層２２、ｐ型不純物がドープされたＡｌＧａＮ層３０、やはりｐ型不純物がドープされたＧａＮコンタクト層３２。この構造にはさらに、基板１０上のｎ型オーミックコンタクト２３と、コンタクト層３２上のオーミックコンタクト２４とが含まれる。
バッファ層１１は、ｎ型ＡｌＧａＮであることが好ましい。炭化ケイ素とＩＩＩ族窒化物材料との間のバッファ層の例は、特許文献１および特許文献２、ならびに特許文献３に与えられている。なおこれらの文献の開示は、本明細書において完全に記載されているかのごとく参照により取り入れられている。同様に、本発明の実施形態は、特許文献４に記載されているような構造を含んでいてもよい。なおこの文献の開示は、本明細書において完全に記載されているかのごとく参照により取り入れられている。
ＧａＮ層１２は好ましくは、約５００と４０００ｎｍとの間の厚み（５００と４０００も含めて）であり、最も好ましくは約１５００ｎｍの厚みである。ＧａＮ層１２には、シリコンが約５×１０17から５×１０18ｃｍ-3のレベルでドープされていてもよい。ＧａＮ層１４は好ましくは、約１０と５００Åとの間の厚み（１０と５００も含めて）であり、最も好ましくは約８０Åの厚みである。ＧａＮ層１４には、シリコンが約５×１０19ｃｍ-3未満のレベルでドープされていてもよい。
図１に例示するように、本発明の実施形態による超格子構造１６には、ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層が含まれている。ここで、Ｘは０と１との間（０と１も含めて）であり、ＸはＹと等しくない。好ましくは、Ｘ＝０であり、ＩｎＧａＮの交互層のそれぞれの厚みは約５〜４０Åの厚み（５と４０も含めて）であり、ＧａＮの交互層のそれぞれの厚みは約５〜１００Åの厚み（５と１００も含めて）である。ある実施形態では、ＧａＮ層は約３０Åの厚みであり、ＩｎＧａＮ層は約１５Åの厚みである。超格子構造１６は、約５から約５０の周期を含んでいてもよい（ここで１周期は、超格子を構成するＩｎXＧａ1-XＮおよびＩｎYＧａ1-YＮの層のそれぞれの１回の繰り返しに等しい）。ある実施形態では、超格子構造１６は２５の周期を含んでいる。他の実施形態では、超格子構造１６は１０の周期を含んでいる。しかし周期の数を、たとえば個々の層の厚みを増やすことによって減らしてもよい。したがって、たとえば層の厚みを２倍にすることを用いて、周期の数を半分にしてもよい。その代わりに周期の数および厚みを、互いと独立にしてもよい。
好ましくは、超格子１６には、ｎ型不純物たとえばシリコンが約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3のレベルでドープされている。このようなドーピングレベルは、超格子１６の層の実際のドーピングであってもよいし、平均のドーピングであってもよい。このようなドーピングレベルが平均のドーピングレベルである場合には、所望の平均ドーピングを与えるように、ドープ層を超格子構造１６に隣接して設けることが有益であると考えられる。平均のドーピングは、隣接する層のドーピングを、隣接する層と超格子構造１６とに渡って平均することで得られる。超格子１６を基板１０と活性領域１８との間に設けることによって、ＩｎＧａＮ系活性領域１８をその上に成長させるための、より良好な表面を得ることができる。どんな動作理論に拘束されることも望まないが、発明者らは、超格子構造１６における歪み効果によって、高品質のＩｎＧａＮ含有活性領域の成長を促す成長表面が得られると考えている。また超格子はデバイスの動作電圧に影響を及ぼすことが知られている。超格子の厚みおよび組成のパラメータを適切に選ぶことによって、動作電圧を下げ、光学的効率を上げることができる。
超格子構造１６は、窒素または他のガスの雰囲気中で成長させてもよい。その結果、より高品質のＩｎＧａＮ層を構造内に成長させることができる。窒素雰囲気中でシリコンドープＧａＮ層上にシリコンドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子を成長させることによって、結晶性および導電性が改善され歪みが最適化された構造を実現することができる。
本発明のある実施形態においては、活性領域１８は、単一または多重の量子井戸構造とともに、単一または二重のヘテロ接合活性領域を含んでいてもよい。本発明の特定の実施形態においては、活性領域１８は、バリア層によって分離された複数のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸構造を含む（図１では示さず）。
層２２が活性領域１８上に設けられている。層２２は好ましくは、約０と１２０Åとの間の厚み（０と１２０も含めて）のアンドープのＧａＮまたはＡｌＧａＮである。本明細書で用いる場合、アンドープというのは、意図的にドープされているわけではないことを示す。層２２は好ましくは約３５Åの厚みである。層２２がＡｌＧａＮを含む場合、このような層におけるアルミニウムの割合は好ましくは、約１０〜３０％であり、最も好ましくは約２４％である。また層２２内のアルミニウムレベルは、段階的にまたは連続的に減少するように、勾配がつけられていてもよい。層２２の成長温度を量子井戸領域２５での成長温度よりも高くして、層２２の結晶品質を向上させてもよい。アンドープＧａＮまたはＡｌＧａＮのさらなる層を、層２２の付近に含ませてもよい。たとえばＬＥＤ１は、活性領域１８と層２２との間に約６〜９Åの厚みのアンドープＡｌＧａＮのさらなる層を含んでいてもよい。
ｐ型不純物たとえばマグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層３０を、層２２上に設ける。ＡｌＧａＮ層３０は、約０と３００Åとの間の厚み（０と３００も含めて）であってもよく、好ましくは約１３０Åの厚みである。ｐ型ＧａＮのコンタクト層３２を、層３０上に設ける。コンタクト層３２は好ましくは、約１８００Åの厚みである。オーミックコンタクト２４と２５とを、ｐ型ＧａＮコンタクト層３２と基板１０との上に、それぞれ設ける。
図２に、多重量子井戸活性領域を取り入れた本発明のさらなる実施形態を例示する。図２に例示した本発明の実施形態は、基板１０上に成長させた窒化ガリウム系半導体層を含む層状の半導体構造１００を含む。前述したように、基板１０は、ＳｉＣ、サファイア、またはバルク状窒化ガリウムであってもよい。図２に示したように、本発明の特定の実施形態によるＬＥＤは、以下のものを含んでいてもよい。導電性バッファ層１１、第１のシリコンドープＧａＮ層１２、第２のシリコンドープＧａＮ層１４、シリコンドープＧａＮおよび／またはＩｎＧａＮの交互層を含む超格子構造１６、多重量子井戸構造を含む活性領域１２５、アンドープＧａＮまたはＡｌＧａＮ層２２、ｐ型不純物がドープされたＡｌＧａＮ層３０、同様にｐ型不純物がドープされたＧａＮコンタクト層３２。ＬＥＤは、基板１０上のｎ型オーミックコンタクト２３と、コンタクト層３２上のｐ型オーミックコンタクト２４とをさらに含んでいてもよい。基板１０がサファイアの場合の本発明の実施形態においては、ｎ型オーミックコンタクト２３を、ｎ型ＧａＮ層１２および／またはｎ型ＧａＮ層１４上に設ける。
図１を参照して前述したように、バッファ層１１は好ましくはｎ型ＡｌＧａＮである。同様に、ＧａＮ層１２は好ましくは、約５００と４０００ｎｍとの間の厚み（５００と４０００も含めて）であり、最も好ましくは約１５００ｎｍの厚みである。ＧａＮ層１２には、シリコンが約５×１０17から５×１０18ｃｍ-3のレベルでドープされていてもよい。ＧａＮ層１４は好ましくは、約１０と５００Åとの間の厚み（１０と５００も含めて）であり、最も好ましくは約８０Åの厚みである。ＧａＮ層１４には、シリコンが約５×１０19ｃｍ-3未満のレベルでドープされていてもよい。また超格子構造１６も、図１を参照して前述したように設けてもよい。
活性領域１２５は、バリア層１１８によって分離された複数のＩｎＧａＮ量子井戸層１２０を含む多重量子井戸構造を含む。バリア層１１８は、ＩｎXＧａ1-XＮ（ここで０≦Ｘ＜１）を含む。好ましくは、バリア層１１８のインジウム組成は、量子井戸層１２０のそれよりも低い。その結果、バリア層１１８は、量子井戸層１２０よりもバンドギャップが大きい。バリア層１１８と量子井戸層１２０とは、アンドープ（すなわち、シリコンまたはマグネシウムなどの不純物原子が意図的にドープされているわけではない）であってもよい。しかし、特に紫外線放射が求められる場合には、バリア層１１８に、Ｓｉを５×１０19ｃｍ-3未満のレベルでドープすることが望ましいと考えられる。
本発明のさらなる実施形態においては、バリア層１１８は、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（ここで０＜Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、およびＸ＋Ｙ≦１）を含む。バリア層１１８の結晶中にアルミニウムを含むことによって、バリア層１１８は、量子井戸層１２０と格子整合することができる。その結果、量子井戸層１２０の結晶品質が向上し、デバイスの発光効率が上がる。
図３を参照して、窒化ガリウム系デバイスの多重量子井戸構造を与える本発明の実施形態を例示する。図３に例示する多重量子井戸構造は、図１および／または図２に例示するＬＥＤの活性領域を与えることができる。図３に示すように、活性領域２２５は、周期的に繰り返す構造２２１を含み、この構造２２１は、高い結晶品質の井戸支持層２１８ａと、量子井戸層２２０と、量子井戸層２２０に対する保護キャップ層として機能するキャップ層２１８ｂとを含む。構造２２１を成長させると、キャップ層２１８ｂと井戸支持層２１８ａとが一緒になって、隣接する量子井戸２２０間のバリア層を形成する。好ましくは、高品質の井戸支持層２１８ａを、ＩｎＧａＮ量子井戸層２２０の成長で用いる温度よりも高い温度で成長させる。本発明のある実施形態においては、井戸支持層２１８ａを、キャップ層２１８ｂよりも遅い成長速度で成長させる。他の実施形態においては、より低い温度の成長プロセスの間に、より低い成長速度を用いてもよく、より高い温度の成長プロセスの間に、より高い成長速度を用いてもよい。たとえばＩｎＧａＮ量子井戸層２２０を成長させるための高品質な表面を実現するために、井戸支持層２１８ａを、約７００と９００℃との間の成長温度で成長させてもよい。次に高品質のＩｎＧａＮ量子井戸層２２０が成長できるように、成長チャンバの温度を約０から約２００℃だけ下げる。次に低い方のＩｎＧａＮ成長温度に温度を保ったままで、キャップ層２１８ｂを成長させる。このようにして、高品質ＩｎＧａＮ層を含む多重量子井戸領域を製造することができる。
図２および３の活性領域１２５および２２５は好ましくは、窒素雰囲気中で成長させる。その結果、ＩｎＧａＮの結晶品質を向上させることができる。バリア層１１８、井戸支持層２１８ａ、および／またはキャップ層２１８ｂは、約５０〜４００Åの間の厚み（５０と４００も含めて）であってもよい。井戸支持層２１８ａとキャップ層２１８ｂとの対応するものを組み合わせた厚みは、約５０〜４００Åの間の厚み（５０と４００も含めて）であってもよい。好ましくは、バリア層１１８、井戸支持層２１８ａ、および／またはキャップ層２１８ｂは、約９０Åの厚みよりも大きく、最も好ましくは約２２５Åの厚みである。また井戸支持層２１８ａはキャップ層２１８ｂよりも厚いことが好ましい。すなわちキャップ層２１８ｂは、量子井戸層２２０からのインジウムの離脱または量子井戸層２２０の劣化を依然として低減しながら、できるだけ薄いことが好ましい。量子井戸層１２０および２２０は、約１０〜５０Åの間の厚み（１０と５０も含めて）であってもよい。好ましくは、量子井戸層１２０および２２０は、２０Åの厚みよりも大きく、最も好ましくは約２５Åの厚みである。量子井戸層１２０および２２０中のインジウムの濃度および割合は、所望の波長の光を発生させるために、変えてもよい。通常は、量子井戸層１２０および２２０中のインジウムの割合は約２５〜３０％である。しかし所望の波長に依存して、インジウムの割合は、約５％から約５０％で変化させている。
本発明の好ましい実施形態においては、超格子構造１６のバンドギャップは量子井戸層１２０のバンドギャップよりも大きい。これは、超格子１６中のインジウムの平均的な割合を調整することによって実現することができる。超格子層の厚み（または周期）と超格子層の平均的なインジウムの割合とを、超格子構造１６のバンドギャップが量子井戸１２０のバンドギャップよりも大きくなるように選ばなければならない。超格子１６のバンドギャップを、量子井戸１２０のバンドギャップよりも大きく保つことによって、デバイス中の不要な吸収を最小限にして発光（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を最大限にすることができる。超格子構造１６のバンドギャップは、約２．９５ｅＶから約３．３５ｅＶであってもよい。好ましい実施形態においては、超格子構造１６のバンドギャップは約３．１５ｅＶである。
本発明のさらなる実施形態においては、図２に例示するＬＥＤ構造は、超格子１６と活性領域１２５との間に配置されるスペーサ層１７を含む。スペーサ層１７は好ましくは、アンドープのＧａＮを含む。ドープされた超格子１６と活性領域１２５との間に随意のスペーサ層１７が存在することによって、活性領域１２５内にシリコン不純物が取り込まれることを防止することができる。この結果、活性領域１２５の材料品質が向上するため、デバイス特性をより安定させて、均一性を高めることができる。同様に、スペーサ層を、図１に例示するＬＥＤ構造において、超格子１６と活性領域１８との間に設けてもよい。
図２に戻って、層２２を活性領域１２５上に設けてもよい。層２２は好ましくは、約０と１２０Åとの間の厚み（０と１２０も含めて）のアンドープのＧａＮまたはＡｌＧａＮである。層２２は好ましくは、約３５Åの厚みである。層２２がＡｌＧａＮを含む場合には、このような層内のアルミニウムの割合は、好ましくは約１０〜３０％であり、最も好ましくは約２４％である。また層２２内のアルミニウムレベルは、段階的にまたは連続的に減少するように、勾配がつけられていてもよい。層２２の成長温度を量子井戸領域１２５での成長温度よりも高くして、層２２の結晶品質を向上させてもよい。アンドープＧａＮまたはＡｌＧａＮのさらなる層を、層２２の付近に含ませてもよい。たとえば図２に例示するＬＥＤは、活性領域１２５と層２２との間に約６〜９Åの厚みのアンドープＡｌＧａＮのさらなる層を含んでいてもよい。
マグネシウムなどのｐ型不純物がドープされたＡｌＧａＮ層３０が、層２２上に設けられている。ＡｌＧａＮ層３０は、約０と３００Åとの間の厚み（０と３００も含めて）であってもよく、好ましくは約１３０Åの厚みである。ｐ型ＧａＮのコンタクト層３２を、層３０上に設ける。コンタクト層３２は好ましくは、約１８００Åの厚みである。オーミックコンタクト２４と２５とを、ｐ型ＧａＮコンタクト層３２と基板１０との上に、それぞれ設ける。オーミックコンタクト２４と２５とを、ｐ型ＧａＮコンタクト層３２と基板１０との上に、それぞれ設ける。
本発明の実施形態を、多重量子井戸について説明してきたが、本発明の教示からの利益は、単一の量子井戸構造においても実現することができる。したがって、たとえば発光ダイオードに、デバイスの活性領域として図３の構造２２１を１度だけ出現させてもよい。したがって、本発明の実施形態により様々な数の量子井戸を用いることができるが、量子井戸の数は通常、１から１０の量子井戸の範囲である。
本発明の実施形態を、窒化ガリウム系デバイスを参照して説明してきたが、本発明の教示および利益は、他のＩＩＩ族窒化物においても得ることができる。したがって本発明の実施形態により、ＩＩＩ族窒化物系超格子構造、超格子および／または量子井戸を有する量子井戸構造および／またはＩＩＩ族窒化物系発光ダイオードが得られる。
図面および明細書において、本発明の典型的で好ましい実施形態を開示してきた。特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用しているに過ぎず、限定を目的とするものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
１０ 基板
１１ 導電性バッファ層
１２ 第１のシリコンドープＧａＮ層
１４ 第２のシリコンドープＧａＮ層
１６ 超格子構造
１７ スペーサ層
１８ 活性層
２２ アンドープＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ層
２３ ｎ型オーミックコンタクト
２４、２５ オーミックコンタクト
３０ ｐ型不純物がドープされたＡｌＧａＮ層
３２ ｐ型不純物がドープされたＧａＮコンタクト層
４０ ＬＥＤ構造
１００ 半導体構造
１１８ バリア層
１２０、２２０ ＩｎＧａＮ量子井戸層
１２５、２２５ 活性領域
２１８ａ 井戸支持層
２１８ｂ キャップ層
２２１ 周期構造

Claims (26)

  1. ドープされたＩＩＩ族窒化物層と、
    前記ドープされたＩＩＩ族窒化物層上に直接形成された窒化ガリウム系超格子であって、少なくとも２つの周期のＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層（ここで０≦Ｘ＜１および０≦Ｙ＜１、ＸはＹに等しくなく、ならびに第１の前記交互層の厚みが、第２の前記交互層の厚みよりも薄い）を有するｎ型不純物をドープされた窒化ガリウム系超格子と、
    を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  2. 前記第１の前記交互層は、前記交互層の前記第２の交互層の厚みのおよそ半分の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  3. 前記窒化ガリウム系超格子は約５から約５０の周期を含むことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  4. 前記窒化ガリウム系超格子は２５の周期を含むことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  5. ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層のＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮの層は、組み合わせた厚みが約７０Å未満であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  6. Ｘ＝０であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  7. ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層のＩｎＧａＮ層は厚みが約５から約４０Åであり、ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層のＧａＮ層は厚みが約５から約１００Åであることを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  8. ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層のＩｎＧａＮ層は厚みが約１５Åであり、ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮとの交互層のＧａＮ層は厚みが約３０Åであることを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  9. 前記窒化ガリウム系超格子には、前記ｎ型不純物が約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3のレベルまでドープされていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  10. 前記窒化ガリウム系超格子の前記ドーピングレベルは、前記交互層の層の実際のドーピングレベルであることを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  11. 前記ドーピングレベルは、前記交互層の層の平均のドーピングレベルであることを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  12. 前記超格子に隣接するドープされたＩＩＩ族窒化物層をさらに含み、前記ドープされたＩＩＩ族窒化物層にはｎ型不純物がドープされて、前記ドープされたＩＩＩ族窒化物層と前記超格子との平均のドーピングとして約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3が与えられていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  13. 前記超格子のバンドギャップは、約２．９５ｅＶから約３．１５ｅＶであることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  14. 前記半導体デバイスは発光ダイオードを含み、前記発光ダイオードは、前記ドープされたＩＩＩ族窒化物層と対向する前記超格子上に、少なくとも１つの量子井戸構造を備えたＩＩＩ族窒化物系活性領域をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  15. 前記超格子と対向する前記活性領域上にアンドープＩＩＩ族窒化物系キャップ層をさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  16. 前記アンドープＩＩＩ族窒化物系キャップ層は、アンドープＧａＮ層又はアンドープＡｌＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１５に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  17. 前記活性領域と前記超格子との間にＩＩＩ族窒化物系スペーサ層をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  18. 前記スペーサ層はアンドープＧａＮを含むことを特徴とする請求項１７に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  19. 前記少なくとも１つの量子井戸のバンドギャップは、前記超格子のバンドギャップよりも小さいことを特徴とする請求項１４に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体デバイス。
  20. ｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、
    前記ｎ型ＩＩＩ族窒化物層上に形成された、少なくとも２周期の交互層を有するＩＩＩ族窒化物系超格子と、
    前記ｎ型ＩＩＩ族窒化物層と対向する前記超格子上に形成された、少なくとも１つの量子井戸構造を含むＩＩＩ族窒化物系発光ダイオード活性領域と、
    前記発光ダイオード活性領域上であって、前記超格子から離れて形成されたアルミニウムを含むアンドープＩＩＩ族窒化物キャップ層であって、前記活性領域から遠位の副層よりも前記活性領域の近位の副層が高いアルミニウム組成を有する複数の副層を含む、前記アンドープＩＩＩ族窒化物キャップ層と、
    前記アンドープＩＩＩ族窒化物キャップ層上であって、前記発光ダイオード活性領域から離れて形成されたｐ型ＩＩＩ族窒化物層と
    を備えたことを特徴とする発光ダイオード。
  21. 前記アンドープＩＩＩ族窒化物キャップ層は、複数のアンドープＡｌＧａＮ副層を含むことを特徴とする請求項２０に記載の発光ダイオード。
  22. 前記複数のＡｌＧａＮ副層のＡｌ組成は、前記活性領域から遠位の副層から前記活性領域の近位の副層にかけて段階的に傾斜していることを特徴とする請求項２１に記載の発光ダイオード。
  23. 前記複数のアンドープＡｌＧａＮ副層は、前記活性領域から遠位の副層から前記活性領域の近位の副層にかけて連続的に減少するＡｌ組成を含むことを特徴とする請求項２１に記載の発光ダイオード。
  24. 前記ｐ型ＩＩＩ族窒化物層のＡｌ組成は、前記複数のＡｌＧａＮ副層の直接接している１つの副層のＡｌ組成よりも低いことを特徴とする請求項２１に記載の発光ダイオード。
  25. 前記活性領域と前記アンドープＩＩＩ族窒化物キャップ層との間にＧａＮ層をさらに備えたことを特徴とする請求項２０に記載の発光ダイオード。
  26. 前記ＧａＮ層はアンドープであることを特徴とする請求項２５に記載の発光ダイオード。
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