JP2009278088A - 変調ドープ活性層を備えた発光デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】多重量子井戸を有する活性層を使用する発光デバイスを提供する。
【解決手段】ｎ型層と、ｐ型層と、これらｐ型層とｎ型層との間に配置されドープ材料及び非ドープ材料が交互に起こる領域を有する発光活性層と、を有する半導体発光デバイスを製造する。
【選択図】図１
【解決手段】ｎ型層と、ｐ型層と、これらｐ型層とｎ型層との間に配置されドープ材料及び非ドープ材料が交互に起こる領域を有する発光活性層と、を有する半導体発光デバイスを製造する。
【選択図】図１
Description
本発明は、多重量子井戸を有する活性層を使用する発光デバイスに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）及びダイオードレーザなどの半導体発光デバイスは一般に、非ドープ多重量子井戸を活性層として利用する。量子井戸は基本的に、通常三次元において移動する荷電粒子を二次元に閉じ込めるエネルギー井戸（ウェル）である。この閉じ込めは電子及び正孔（ホール）の有効な再結合を促進し、この再結合によって生成されるエネルギーを光として発光する。この閉じ込めは、一般的に、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）間にはさまれた砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層などの特定の材料の構成層によって生じる。
多重量子井戸は高い光学ゲインをもたらし、これらを半導体発光デバイスのための活性層として引力をもたせる。しかしながら、量子井戸は体積が非常に小さく、ゆえに、高キャリア密度で動作する。キャリア密度が高くなると、オージェ再結合などの損失機構をもたらすこともあり、光として発光される代わりにエネルギーが別のキャリアに転送され、基本的に光を生成する代わりに加熱用のエネルギーを「浪費」する。オージェ再結合は、物質内のキャリア濃度の三乗に比例して増加するので、キャリア濃度に敏感な関数である。
キャリア濃度を低下させる１つのオプションは、バルク活性層を使用することである。バルク活性層は、より大きな体積を有し、非常に低いキャリア密度で動作する。しかしながら、層が厚くなるとデバイス電圧を高くすることがある。このことは、特に、アルミニウム窒化ガリウムデバイスやインジウム・アルミニウム窒化ガリウムデバイスなどの高水準アルミニウムを含むデバイスにも当てはまる。
さらに、一部のＬＥＤ、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系であるようなＬＥＤは、デバイスのｐ側及びｎ側にわたって成長する内部電界の効果の影響を受ける。この電界は活性層の量子井戸層への有効なキャリア注入を阻害し、ＬＥＤの効率を低下させ、キャリアを注入するために必要な電流を増加させる。
本発明の目的は、多重量子井戸を有する活性層を使用する発光デバイスを提供することである。
上記目的のため、本発明は、ｎ型層と、ｐ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に配置される発光活性層であって、ドープ材料及び非ドープ材料の交互領域を有する前記発光活性層と、を含む半導体発光デバイスを提供する。
前記活性層は、ドープされたバルク材料の領域と、ドープされないバルク材料の領域と、を有するバルク活性層を含んでもよい。
前記活性層は、バリア材料及び量子井戸材料の交互層を有する多重量子井戸を含み、バリア材料の少なくとも一層が更にドープされてもよい。
前記量子井戸材料が、第１の化学式を有するインジウム・アルミニウム窒化ガリウムを含み、前記バリア材料が、第２の化学式を有し更にシリコンでドープされたインジウム・アルミニウム窒化ガリウムを含んでもよい。
前記活性層は、ドープされたバルク材料の領域と、ドープされないバルク材料の領域と、を有するバルク活性層を含んでもよい。
前記活性層は、バリア材料及び量子井戸材料の交互層を有する多重量子井戸を含み、バリア材料の少なくとも一層が更にドープされてもよい。
前記量子井戸材料が、第１の化学式を有するインジウム・アルミニウム窒化ガリウムを含み、前記バリア材料が、第２の化学式を有し更にシリコンでドープされたインジウム・アルミニウム窒化ガリウムを含んでもよい。
図１は、多重量子井戸を有する活性層を使用する発光デバイス１０を示す。基板１２の上にはテンプレート層１４が形成されている。テンプレート層１４は、概して好適な材料系、及び設計可能な発光の関連範囲を決定する。図１の例は、窒化アルミニウムのテンプレートを有し、紫外線（ＵＶ）発光が対象とされる。この特定のデバイスにおいて、応力低減領域１６は、異なる材料の界面で生じ得る応力の一部を軽減するために設けられる。
ＬＥＤ及び他の発光デバイスは、一般的にｎ型材料と整合するｐ型材料から構成される。図１の例において、ｎ型材料層１８は、デバイス外部への電気接続のためのｎ型コンタクトである。頂面層２６は、装置外部へのｐ型電気接続を行なうためのものである。これらの層は一般にバイアスをかけられ、ｎ型コンタクト層はマイナスのバイアスをかけられｐ型コンタクト層はプラスのバイアスをかけられる。
図１の層２０は、電子注入層である。この層は、複数の層から構成されることもある。別の態様として、層がなくてもよく、代わりに電子はｎ型コンタクト層に注入される。層２４は、１つの又は複数のホール注入層である。この層もまた、複数の層から構成されることがある。
バリア層２０及び２４は、活性層２２を間にはさんでいる。活性層２２は、実際のところ、異なる材料若しくは同じ基本要素を備えた材料の代替層を含み、異なる濃度を有し、バリア層と井戸が交互に形成された多層構造から構成される。量子井戸は、制約された粒子として光を発光し、それらが下位のエネルギーバンドへと移動する際に、それらのエネルギーを光として発する。たとえば、２２４のようなバリア層はＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎであってもよく、２２２のような井戸（ウェル）はＡｌ0.23Ｇａ0.77Ｎであってもよい。
それぞれ異なる材料及び厚さがこれらのデバイスにおいて使用され得るが、この実施例では一部の具体例はが示される。これらの例は説明を簡単にするためのものだけであり、本発明の適用範囲を制限する目的ではなく、こうした制限を意図するものでもない。たとえば、基板１２はサファイアであってもよく、テンプレート層１４が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であってもよい。応力低減領域１６は、Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎの組成を有するアルミニウム砒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）であってもよい。ｎ型コンタクト層は、シリコン（Ｓｉで示される）でドープされたＡｌ0.31Ｇａ0.69Ｎでもよい。電子注入層は、Ａｌ0.33Ｇａ0.67Ｎ：Ｓｉでもよい。ホール注入層２４はマグネシウムでドープされたＡｌ0.33Ｇａ0.67Ｎであればよい。この特定の構造は、次に、ｐ型コンタクト層（この例においてＧａＮ：Ｍｇ＋）で覆われる。
材料及び濃度、若しくはそれらの間の関係における多くの可能な変更に加えて、種々の層の寸法は、異なる効果を達成するために、又は異なる用途のために変更され得る。この特定の例において、バッファ層１４は、１０００ナノメートル（ｎｍ）であってもよく、応力低減領域１６は７６ｎｍ、ｎ型コンタクト層は１５００ｎｍの層１８であり、８１０ｎｍの層２０は電子注入層である。
活性層は９０ｎｍであり、１０ｎｍ以上のバリア層１０と５ｎｍをわずかに超えた井戸層とが交互に形成されることで構成される。ホール注入層は２４０ｎｍであり、ｐ型コンタクト層は約２０ｎｍである。これらの寸法のすべては近似値であり、材料及び用途に応じて変更され得る。この特定のデバイスは、約３２０ｎｍの波長である深紫外線（Ｄ−ＵＶ）領域における光を発する発光ダイオードである。
しかしながら、量子井戸の体積が小さいことでキャリア密度が高くなることは、一部の用途に対しては望ましくない。キャリア密度という用語は、キャリアの数を体積で割ったものを意味する。体積が小さくなると、キャリア密度が高くなる。キャリア密度が高くなると、発光デバイスの発光効率を低下させるオージェ再結合のような損失メカニズムの作用をもたらす結果となる。
バルク活性層を使用して、活性層が１つの材料、むしろ異なる材料が交互に起こる層から形成される場合、体積を増加させ、次にキャリア密度を減少させる。バルク活性層を使用することに関する問題は、こうした層が抵抗性であり動作するための高電圧を必要とすることである。しかしながら、動作電圧を低下させるためにバルク活性層を変更させることは可能である。図２は、このようなデバイスの一例である。
比較目的のために、図２のデバイス３０は図１のデバイスと極めて同じように構成され、基板３２、テンプレート層３４、応力低減領域３６、ｎ型コンタクト層３８、電子注入層４０、活性層４２、ホール注入層４４、及びｐ型コンタクト層４６を有する。これもまた、深紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
しかしながら、活性層４２は、複数の材料が交互に形成された交互層ではなく、バルク活性層である。バルク活性層内に、不純物は、ドープ領域及び非ドープ領域を生成するために活性層の成長の間に周期的に導入されている。バルク活性層及び前述のデバイスのそれぞれ異なる領域間の１つの相違は、バルク活性層が同じ基本材料から構成されるということである。この場合、この材料は、Ｉｎ0.01Ａｌ0.26Ｇａ0.73Ｎである。それは、ドープされない領域と交互に形成されたドープされた領域を曖昧に定義している。
図２の例において、非ドープ領域（若しくは部分）の厚さは約１５ｎｍであればよく、ドープ部分の厚さは２ｎｍよりわずかに大きければよい。非ドープ領域とドープ領域の厚さの割合は、４対１乃至５対１であり得、バリア層と井戸層との割合がほぼ１対２であった先のデバイスとは異なる。図２の実施の形態において、これらドープ領域が発光を低下させるそれらのエネルギーバンドの深準位を有することから、ドープ領域の厚さは極めて薄く維持される。
上述のように、ドープ領域は異なる材料から成る別個の層ではない。これらの層は、同じバルク材料におけるドープ領域である。この周期的ドーピングは「変調されたドーピング」によって達成されてもよく、不純物がある所定時間の短期間隔に対して活性層の成長の間に導入されてもよい。このドーピングは、バルク活性層内に発光デバイスを存在させる一般的な高電圧レベルを軽減する。
ドーピングプロファイルは必ずしも周期的である必要はない。それは、例えば構造のｐ側に近接するよりもｎ側に近接する更なるドープ部分を有する。１つの領域のドーピングレベルはまた、他の領域のドーピングレベルと異なり、結果として異なるドープ領域となる。図３から図５は、一部の結果として生じる光対電流、及び電圧対電流の実験結果を示す。
図３は、変調ドープ領域を有する１００マイクロメートル正方形状の深紫外線ＬＥＤのアレイの電流曲線に対する測定された光を示す。図３に示されるデータ捕捉において、このアレイは、パッケージ化又は放熱することなくウェハ形状で検査されるときに１ｍＷ以上の出力で動作している。
図４は、同じウェハから形成される５０ミクロン、１００ミクロン、２００ミクロン及び３００ミクロン正方形状のデバイスの電流対光の特性を示す。図５は、同じアレイに対する電流対電圧特性を示す。電圧が３ボルトから８ボルトを少し超えた範囲にあってデバイスに発光させるために必要な電流に到達し、量子井戸ではなくバルク層に印加されていると考慮されるときの適正なレベルであることに留意されたい。本発明を実施する前に、バルク層の使用では一般的に、極めて高い電圧レベルが要求されていた。
これらの結果は、バルク活性層へ導入される基本的に不純物に起因する。発光デバイスにおける層内の不純物は概して望ましくない。しかしながら、上記の実施の形態において、不純物又はドーパントは、バルク活性層が非常に低い電圧で起動するのを可能にする。電圧に関する効果はまた、量子井戸デバイスにまで引き継がれる。
ｐ−ｎ接合において生じる別の問題は、量子井戸デバイスが、ｐ型コンタクト層及びｎ型コンタクト層の間で形成される電界から結果として生じる。この電界は、電子注入層内へキャリアが効率的に注入されるのを妨げ、このデバイスの全体的効率を低下させる。しかしながら、量子井戸デバイスのバリア層をドープし、ドーパントの効果を利用して、この電界強度を低下させ、これらデバイスの有効性を高めることが可能である。このようなデバイスの一例は図６に示される。
図６のデバイスは、比較目的のために、図１のデバイスと多くの類似性を有する。これらの技術及び実施の形態の用途は、このタイプのデバイスに制限されず、発明の請求の範囲を限定するものとして理解すべきではない。しかしながら、図６のデバイス５０は、図１のそれとは異なる活性層を有する。
図６において、デバイス５０は、図１に関して既述されたような基本的材料と同一材料から構成されるか又はそうでない活性層５２を有する。量子井戸層（例えば５２２）は、Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ｎでもよい。バリア層（例えば５２４）は、Ａｌ0.26Ｇａ0.74Ｎであればよいが、一方、これら層は例えばシリコン（Ｓｉ）でさらにドーピングされることになる。
一実施の形態において、各バリアの一部のみがドーピングされ、その部分がバリアの厚さの半分を備えた中心部である。ドープされた中心部は、それぞれがバリア全体の厚さの４分の１であるバリア材料の２つの非ドープ部分にはさまれる。これは図７に示され、バリア層５２４内で非ドープ領域５２８間にはさまれたドープ領域５２６を見るために、バリア層５２４が拡大図示される。
さらに、多重量子井戸活性層において、一部のバリアは完全に非ドープのままであり得る。一実施の形態において、ｐ側に最も近接する多重量子井戸活性層の最後のバリアは非ドープのままである。バリア層のドーピングは、ｐ−ｎ接合を横切る電界の強度を変化させ、より効率的な電子注入、それ故により効率的なデバイスを可能にする。
上記の実施の形態において、デバイスの動作は、活性層の成長の間に不純物又はドーパントの添加によって改善される。このことは、ダブルヘテロ結合バルク活性層デバイス、及び多重量子井戸デバイスの双方に発生することもある。上記の論述は、Ｓｉ不純物を使用したｎ型ドーピングに重点的に取り扱うが、マグネシウムなどのｐ型不純物を使用したｐ型ドーピングもまた可能である。結果としてこれらデバイスの製造のためのプロセスを想定することができる。こうしたプロセスのかかる１つの実施の形態は図８に示される。
図８において、段階６０で基板が設けられる。一般に、基板は、サファイア又は窒化ガリウム（ＧａＮ）であればよい。発光デバイスの用途及びタイプの変更により、バッファ及び応力除去層の存在及び性質が変化する結果となることがある。第１の層、例えばｎ型層が段階６２で基板上に形成され、図１、図２及び図６に示される中間層はあってもなくてもよい。構成体は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、湿式蒸着プロセスなどを含む多くの方法の１つを採用すればよい。
段階６４において、一般にＣＶＤ又はＭＢＥによって活性層の成長が始まる。成長プロセスの全体にわたって、１つのドーパント又は複数のドーパントが所定の時間にわたって段階６６で導入される。ドーパントが段階６８で停止され、一方、活性層は成長し続ける。このサイクルは活性層が段階７０で完成するまで続く。
ドーパントを導入するプロセスは、多くの形式をとることもできる。バルク活性層デバイスについて、活性層内にｎドープ領域を有するサファイア基板を備えたデバイスとして一例が挙げられる。一実施の形態は詳細にはシリコンでドープすることもある。活性層の成長の間、シランガスの定期的又は変調されたタイミングでの除去が、シリコンを活性層に導入するために生じる。特定の実施の形態において、ドープ領域がほぼ２と１／３ｎｍの厚さであるようにシランガスのタイミングが制御され、非ドープ領域はほぼ１５ｎｍの厚さであり、活性層の厚さは全体でほぼ９０ｎｍである。
多重量子井戸デバイスを結果として生じる実施の形態において、ドーパントは、ドープされるべきバリア層の成長の間に導入される。上述のように、バリア層のすべてがドープされなくてもよい。量子井戸層をドープすることはどちらかと言えば望ましくないことであるが、ドープすることは欠陥レベルを生ぜしめ、デバイス動作効率を低下させることになる。シリコンを使用する特定の例において、シランガスはそれぞれのバリア層の形成の際に導入されてもよく、その結果、各バリア層がシリコンでドープされることになる。バリア層が形成される前に、シランガスは部分的にバリア層を形成するプロセスを通して導入されることもあり、この結果バリア層の中心部のみがドープされることになる。このことは、活性層が完成するまでバリア層のそれぞれに対し繰り返されることになる。
活性層が完成すると、ｐ型層などの第２の層はが段階７２で形成され、デバイスは段階７４で完成される。一実施の形態において、結果として生じるデバイスは、ドーパントなしで可能になるよりも非常に低い電圧を必要とするはるかに低い抵抗を備えたバルク活性層を有するダブルヘテロ接合デバイスである。他の実施の形態において、結果として生じるデバイスは、ドープされたバリア層と、ｐ−ｎ接合を横切る非常に低い電界強度を有する多重量子井戸デバイスである。
こうした実施の形態は、共通してドープ領域と非ドープ領域とが交互に起こる活性層を有する。バルク活性層の実施の形態において、ドープ領域はドーパントの拡散領域である。量子井戸の実施の形態において、ドープ領域はバリア層内にあり、結果としてドープ層が量子井戸層と交互に起こることになる。ドープ領域は周期的又は対称性である必要はなく、それぞれの領域におけるドープレベルが均一である必要はない。
活性層内でバルク活性層又はバリア層のいずれかをドープすることが発光デバイスの最新の実行に対応することに注目されたい。一般的に、不純物は回避され、望ましくない。ここで使用されるプロセスは、本件の教示とは反対に、不純物を活性層の成長へと活性的に導入する。
他の材料系は、発光デバイスの他の波長及び他のタイプに対してこれら実施の形態を適用する結果になり得る。窒化アリミニウム系よりもむしろ砒化ガリウム系を使用することにより、赤色及び赤外波長範囲内の光を発光する発光デバイスに結果としてなり得る。他のドーパントとして、炭素、ベリリウム及びマグネシウムなどのｐ型ドーパントがある。
上記に開示された及び他の特徴と機能の幾つか、あるいはそれらの代替例が他の多くの異なるシステム若しくは用途と望ましく結合され得ることを理解されたい。さらにまた、現時点では予見できない若しくは予期しない種々の代替例、変形例、変更、又は改良が、以下の請求の範囲によっても包含されることを目的とした技術の当業者によってその後実行され得る。
１０ 発光デバイス
１２ 基板
１４ テンプレート層
１８ ｎ型材料層
２０ 電子注入層
２２ 活性層
２４ ホール注入層
１２ 基板
１４ テンプレート層
１８ ｎ型材料層
２０ 電子注入層
２２ 活性層
２４ ホール注入層
Claims (4)
- ｎ型層と、
ｐ型層と、
前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に配置される発光活性層であって、ドープ材料及び非ドープ材料の交互領域を有する前記発光活性層と、
を含む、半導体発光デバイス。 - 前記活性層が、ドープされたバルク材料の領域と、ドープされないバルク材料の領域と、を有するバルク活性層を含む、請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記活性層が、バリア材料及び量子井戸材料の交互層を有する多重量子井戸を含み、バリア材料の少なくとも一層が更にドープされる、請求項１に記載の発光デバイス。
- 前記量子井戸材料が、第１の化学式を有するインジウム・アルミニウム窒化ガリウムを含み、前記バリア材料が、第２の化学式を有し更にシリコンでドープされたインジウム・アルミニウム窒化ガリウムを含む、請求項１に記載の発光デバイス。
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