JP2010521059A - 深紫外線発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

安定したｃｗ出力を示すＡｌＩｎＧａＮ多重量子ウェル活性領域を備えた紫外線発光素子および紫外線発光素子（ＬＥＤ）を製造する方法。本ＬＥＤは、その上に紫外線発光構造を備えるテンプレートを含む。テンプレートは、基板上の第１のバッファ層、次いで第１のバッファ層の上の第２のバッファ層を有し、好ましくは両バッファ層に歪み緩和層が含まれる。次に、第１のタイプの導電率を有する半導体層、次いで、１９０ｎｍ〜３６９ｎｍの範囲の発光スペクトルを有する量子ウェル領域を提供する層がある。次に、第２のタイプの導電率を有する別の半導体層が適用される。この構造に２つの金属コンタクト、すなわち一方は第１のタイプの導電率を有する半導体層に、他方は第２のタイプの導電率を有する半導体層に施され、ＬＥＤが完成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、包括的には、紫外線発光素子及び発光素子の製造方法に関する。

たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等のＩＩＩ族窒化物化合物半導体（以下、「ＩＩＩ族窒化物半導体」又は「ＩＩＩ窒化物」とも呼ぶ）は、緑色光、青色光又は紫外線光を放出する半導体デバイス用の材料として注目を集めてきた。青色光を放出する発光ダイオード又はレーザダイオードは、ディスプレイ、照明及び高密度光ディスクデバイスに使用され得る。紫外線放射を放出する発光素子（頭字語ＬＥＤとともに、本明細書において使用する場合、便宜上、特に指定のない場合、発光ダイオード及びレーザダイオードの両方を指す）は、紫外線硬化、光線療法、水及び空気浄化、生物検知及び殺菌処理の分野で応用されることが期待されている。電磁スペクトルの紫外線部分は、波長により、ＵＶＡ（３１５ｎｍ〜３８０ｎｍ）、ＵＶＢ（２８０ｎｍ〜３１５ｎｍ）及びＵＶＣ（２８０ｎｍ未満）に細分される。

これらＬＥＤは、多くの理由で製造が困難である。たとえば、ＩＩＩ族窒化物系半導体層とそれらが上に構成されるサファイア、炭化ケイ素又はケイ素等の基板との間の格子不整合及び熱的不整合とから欠陥が発生する。さらに、不純物及び傾斜境界により、結晶欠陥が形成される結果となる。これら欠陥は、これら材料から製作されるＬＥＤ及びＬＤの効率及び寿命を低減することが分った。これら欠陥は、有機金属化学気相成長（蒸着）法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ）、水素化物気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）及びいくつかの他のそれほど一般的ではない成長技法を介して成長する膜に関し、典型的な転位密度が１０^８ｃｍ^−２〜１０^１０ｃｍ^−２の範囲である上述した基板上に、ヘテロエピタキシャル成長したＩＩＩ窒化物膜の場合に観察された。したがって、転位密度を低減することが重要な目的となっている。

転位密度を低減する１つの方法は、従来技術において周知の技法であるエピタキシャル横方向成長（epitaxial lateral overgrowth）（ＥＬＯＧ）の使用に基づく。この方法により、転位密度を約１０^５ｃｍ^−２〜１０^６ｃｍ^−２まで低減することができる。しかしながら、この方法は、アルミニウムがマスク材料に付着し横方向成長を阻害する傾向があるため、アルミニウム含有ＩＩＩ窒化物系半導体の成長には有効でないことが分った。ＰＥＮＤＥＯエピタキシ及びＦＡＣＥＬＯ成長を含むこの方法のいくつかの変形もまた実証されている。これら技法のすべてに、アルミニウム含有ＩＩＩ窒化物材料の場合のＥＬＯＧ法と同じ制限がある。

さらに、カンチレバーエピタキシ（cantilever epitaxy）と呼ばれる技法は、たとえばマスキングとは対照的にエッチングによって画定されるピラーからの成長を含む。

歪みを緩和するために基板と半導体層との間に中間層を挿入して、表面ファセット形成を制御することにより、又はバッファ層と活性層との間に非特許文献１に記載されているようにＩＩＩ族窒化物超格子層を挿入することにより、転位を互いに屈曲させることによって転位を除去することを含む、選択領域成長を含まない、転位低減に対するいくつかの他の手法が報告されている。

したがって、目下いくつかの研究グループは、空気及び水浄化システム並びに生物医学システムで応用するためにＩＩＩ窒化物深紫外線（ＤＵＶ）発光ダイオード（ＬＥＤ）を開発している。ＵＶＡ領域、ＵＶＢ領域及びＵＶＣ領域に対し、ＡｌＧａＮ多重量子ウェル（ＭＱＷ）活性領域を有するサファイア基板上のミリワット出力ＤＵＶ ＬＥＤが先に報告されている。従来技術で使用されるＬＥＤ設計は、いくつかの重要な革新、すなわち、（１）バッファＡｌＮ層の品質を向上させるためのパルス原子層エピタキシ法（ＰＡＬＥ）の使用、（２）薄膜応力を制御しエピ層クラッキングを軽減するための、バッファＡｌＮとｎコンタクトＡｌＧａＮ層との間のＰＡＬＥ堆積ＡｌＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの短時間の超格子層挿入の使用、及び（３）ホール注入を改善するためのｐ−ＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮヘテロ接合コンタクト層、から利益を得ている。

今日まで、２０ｍＡのｃｗポンプ電流の下では、最先端技術によるＵＶＣ ＬＥＤの平均出力は約１ｍＷである。これらＬＥＤは、通常、実効面積がおよそ２００μｍ×２００μｍ〜３００μｍ×３００μｍの範囲であり、さまざまな幾何学的形状が実証されている。サファイア基板の熱伝導率が不十分であるため、出力は、およそ４０ｍＡ〜５０ｍＡポンプ電流で急速に飽和する。２０ｍＡポンプ電流では、デバイス寿命（５０％出力低減）は、ヒートシンクにフリップチップされるパッケージ化デバイスの場合、およそ１０００時間である。理論によって制約されることなしに、この出力／寿命制限の重要な理由は、活性領域における転位と、サファイアの熱伝導率が不十分であることによる過度な加熱とである。しかしながら、不都合なことに、多くの商用用途では、出力及び寿命が今日まで報告された最良値より大幅に優れていることが必要である。

現在、いくつかの研究グループは、深ＵＶ ＬＥＤの出力・寿命性能を向上させるために、低欠陥密度ＡｌＮ基板を積極的に開発している。ＤＵＶ ＬＥＤに対するテンプレートとして、ＳｉＣ基板上に１２μｍ厚さの高品質ＡｌＮ層を堆積する、新しいエアブリッジによる高温（１５００℃）横方向エピタキシ手法に関する報告がなされている。底面サファイア基板上に１５μｍ〜２０μｍ厚さのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを堆積する手法として、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのパルス横方向成長（pulsed lateral overgrowth）（ＰＬＯＧ）が既に実証されている。高温手法の代りに、１１５０℃でのパルス成長モードを使用して、成長面上のＡｌ前駆体の移動性を向上させた。これらパルス横方向成長（ＰＬＯＧ）したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層は、横方向成長領域における貫通転位の数の大幅な低減を示し（〜１０^７ｃｍ^−２）、それにより２１４ｎｍでの光励起レーザ発振の実証が可能となった。以前の報告では、ＰＬＯＧ Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮは、浅い（〜０．３μｍ）トレンチ形成サファイアからか又は薄いＡｌＮエッチングテンプレート（〜０．３μｍ）から成長した。

Applied Physics Letters, July 22, 2002; Volume 81, Issue 4, pp.604-606

しかしながら、より高品質であり、より信頼性が高く、より頑強な深ＵＶ発光ダイオード及びレーザダイオードが依然として必要とされている。

本発明は、紫外線発光素子及び紫外線発光素子を製造する方法である。好ましい実施形態では、本発明は、テンプレートの上にＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の量子ウェル活性領域を含む、深紫外線発光構造（λ_ｐｅａｋ＝２００ｎｍ〜３６９ｎｍ）である。テンプレートは、基板を含んでもよいが、２つのバッファ層を有し、そのうちの１つにはトレンチが形成されており、２つ目は第１のバッファ層の上に合体（coalesced）平面層を形成する。合体には、深いトレンチ（ＡｌＮの場合、高さ０．４μｍ以上）の上に、又はピラーが２つ以上のＩＩＩ族種又は複数の層の組合せを含む場合は、浅いトレンチか若しくは深いトレンチの上に、ＰＬＯＧを行うことが含まれる。ピラーは、ＡｌＮを含むＩＩＩ窒化物系半導体の多層積層体と歪み緩和超格子とから成ってもよい。実施形態によっては、ピラーの超格子の上部に、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）を含む追加の層、及び第１の超格子とは平均組成が異なる追加の超格子が含まれる。ＡｌＮ又はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の第２のバッファ層は、ＰＬＯＧ技法により、エッチングされたピラーの上に、合体して平面を形成するまで成長する。テンプレートの上の平面の上部に堆積される紫外線発光構造は、ＰＡＬＥ又は従来のＭＯＣＶＤによって堆積されたＡｌＮから成り、実施形態によっては、ＡｌＮの上に追加の歪み緩和超格子が堆積される。次に、厚い（厚さ１．５μｍ以上）の非ドープ又はｎ型Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）層が堆積される。Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）が非ドープである場合、追加のｎ型Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）層が堆積される。これに続き、発光素子の上部電極を形成する、量子ウェル活性領域材料及びｐ型Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）材料が堆積される。理論に拘束されることを望まないが、本発光ダイオードの優れた性能は、厚いＰＬＯＧ成長ＡｌＮ又はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）材料からの熱インピーダンスの低減と、横方向成長ＡｌＮ又はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）バッファにおける低い全欠陥密度の組合せに起因する。

本ダイオードは、パターン化テンプレートとともにＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層が使用され、テンプレートが、サファイア等の基板と、ピラー内にエッチングされるＩＩＩ窒化物半導体層の単層又は多層の第１のバッファとから成る場合に、その欠陥密度の低減が得られる。低欠陥密度ＩＩＩ窒化物の第２のバッファ層は、パルス横方向成長ＩＩＩ窒化物層を使用することによってその上に形成される。

本方法は、基板の上に単層又は多層バッファを堆積するステップと、バッファ層にトレンチを形成するステップと、パルス横方向成長技法を使用してトレンチ形成バッファにＡｌＩｎＧａＮの第２のバッファ層を適用してテンプレートを形成するステップとを含む。次に、テンプレートの上に深紫外線発光構造（１９０ｎｍ〜３６９ｎｍ）が適用される。

本発明の特徴は、本発明のバッファ層が、ＡｌＮに対して薄くない（０．３μｍよりも大きい厚さの）単一ＩＩＩ窒化物層であってもよく、又はＡｌＩｎＧａＮから成ることが好ましく、且つ歪み緩和及び光透過性の両方に対して最適化された設計を有する、ＩＩＩ窒化物の三元（ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、四元（ＡｌＩｎＧａＮ）又は多層から構成されてもよいということである。従来技術では、バッファ層は、単層の薄いＡｌＮから構成されている。別の特徴は、欠陥を低減し且つ歪みを緩和する超格子の使用である。超格子は、下位層から上位層までの変換デバイスとしての役割を果たす交互の組成の一続きの薄い層であり、応力を緩和し、格子内形状を第１の層から第２の層にシフトさせる。

本発明の別の特徴は、ＰＬＯＧ成長を行う前に深いトレンチ（深さ０．４μｍ以上）を形成することである。エッチ深さは、従来技術では０．３μｍであり、この浅いエッチ深さにより、成長がトレンチでも発生するため、正常に行うことができる横方向成長の量が制限されていた。従来技術はまた、ＡｌＮか又はエッチングされたサファイアのいずれかであるピラーも含んでいた。本発明では、ピラーは、エッチ深さが０．１μｍ以上であり、基板内に発生するいかなるエッチングも含む、単一のＡｌＩｎＧａＮ層か又は複数のＡｌＩｎＧａＮ層から成ることができる。

上述したように、従来技術では、カンチレバーエピタキシと呼ばれる技法が教示されているが、この技法は、横方向成長を強化する著しい利益を提供する成長種のパルス化を含まず、エッチングされたピラー内に歪み緩和構造を組込むことを含まず、且つ欠陥低減材料上への電気的に注入された発光構造を達成する形成方法を述べていないことから、本発明とは異なる。

本発明のさらに別の特徴は、ＰＬＯＧバッファの上部であるが発光ダイオードＡｌＩｎＧａＮ：Ｓｉ ｎコンタクト層の下方に、厚いドープ又は非ドープＡｌＩｎＧａＮ層を、その厚さが１μｍ以上であるように成長させることである。

他の特徴及びそれらの利点は、半導体設計及び発光ダイオードの技術分野における当業者には、特に以下の図面が添付された発明を実施するための形態を注意深く読むことにより明らかとなろう。

本発明の好ましい実施形態による、単一のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。 本発明の好ましい実施形態による、複数のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。 本発明の別の好ましい実施形態による、複数のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。 本発明の別の好ましい実施形態による、複数のＩＩＩ窒化物バッファ層を有する発光ダイオードの一部のエピ層構造の概略図である。 図４の発光ダイオードのエピ層構造の一部の概略図であり、ここでは好ましい実施形態によるトレンチが形成されている第１のバッファの一部と、好ましい実施形態による横方向に成長したＰＬＯＧバッファとが含まれるように示されている。 図４の発光ダイオードのエピ層構造の一部の概略図であり、ここでは好ましい実施形態によるトレンチが形成されている第１のバッファの一部と、好ましい実施形態による横方向に成長したＰＬＯＧバッファとが含まれるように示されている。 図４の発光ダイオードのエピ層構造の一部の概略図であり、ここでは好ましい実施形態によるトレンチが形成されている第１のバッファの一部と、好ましい実施形態による横方向に成長したＰＬＯＧバッファとが含まれるように示されている。 本発明の好ましい実施形態による、発光ダイオードのエピ層構造の概略図である。

本発明は、発光素子（ＬＥＤ）、及びＬＥＤ、特に深紫外線光を放出するＬＥＤを作製する方法である。特に、図４に示すように、紫外線発光構造１２のためのプラットフォームとしての役割を果たすのはテンプレート１０である。簡単に、テンプレート１０は、基板と、ＬＥＤウェハを形成する際の第１のステップとして基板上に追加される第１のバッファ層とを有している。そして、第１のバッファ層がエッチングされることにより、エッチング深さが、バッファがＡｌＮであり且つ基板がサファイアである場合は０．４μｍ以上、第１のバッファ層が１つ又は複数のＡｌＩｎＧａＮ層から成る場合は０．１μｍ以上のトレンチのパターンが形成される。ウェハをパターン化した後、第１のバッファに第２のバッファを適用することにより、パターン化ウェハが合体する。次に、テンプレート１０に紫外線発光構造１２を適用する。まず、第１のタイプの導電率を有する半導体層が適用され、次いで、発光スペクトルが１９０ｎｍ〜３６９ｎｍの範囲である量子ウェル領域を形成するいくつかの層が適用される。次に、第２のタイプの導電率を有する、別の半導体層、又は場合によっては２つ以上の半導体層が適用される。この構造に２つの金属コンタクト、すなわち一方は第１のタイプの導電率を有する半導体層に、他方は第２のタイプの導電率を有する半導体層に適用されることにより、ＬＥＤが完成する。これら層の各々については後に詳細に説明する。

層及びバッファ層のいくつかは、パルス原子層エピタキシ（ＰＡＬＥ）成長技法を使用して適用され、パターン化ウェハ上に成長する各層は、パルス横方向成長技法を使用して成長する。サファイアであることが好ましい基板以外の各層は、ＩＩＩ族窒化物、好ましくはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る。パルス横方向成長技法を採用する際、前駆体ソースは、有機金属ソース（好ましくは、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム）、アンモニア、キャリアガス（水素及び／又は窒素）並びに任意にシラン及び／又はビスシクロペンタジエニルマグネシウム等のドーピングソースを含む。

図１〜図３は、構築中の本ＬＥＤのテンプレート１０のさまざまな実施形態を示す。図１に示すように、基板１００、好ましくはサファイアの上に、第１のバッファ層３０１を成長させる。第１のバッファ層３０１は、ＩＩＩ族窒化物材料、好ましくはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る。別法として、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、第１のバッファ層３２１は、実際には複数の下位層から成ってもよい。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれＩＩＩ族窒化物材料、好ましくはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の下位層３０１、３０２、３０３及び３０４を使用する、第１のバッファ層３２１、３２１’及び３２１’’の３つの異なる実施形態を示している。下位層３０１は、好ましくはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成り、下位層３０２は、好ましくはＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子である。下位層３０３は、好ましくは非ドープＡｌＩｎＧａＮであり、下位層３０４はケイ素でドープされたＡｌＩｎＧａＮである。図２Ａのバッファ層３２１は、下位層３０１及び３０２を含む。図２Ｂのバッファ層３２１’は、下位層３０１、３０２及び３０３を含む。図２Ｃのバッファ層３２１’’は下位層３０１、３０２、３０３及び３０４を含む。

第１のＩＩＩ窒化物バッファ層３２１を、使用される層の組成及び順序に応じて、パルス原子層エピタキシ（ＰＡＬＥ）技法及び従来の有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）の組合せを使用して、基板１００上におよそ０．１μｍ〜５μｍ厚さまで成長させる。第１のバッファ層３２１は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の少なくとも１つの下位層から形成されることが好ましい。

次に、最終的なＬＥＤエピ層の一部にトレンチを形成する。トレンチ形成は、第１のバッファ層３２１で行われ、基板１００内に延びてもよい。トレンチ形成工程を、従来技術において十分に確立されている湿式又は乾式エッチング工程のいずれかと組み合わせて標準フォトリソグラフィック技法を使用して行う。しかしながら、トレンチは、従来技術よりはるかに深くてもよい。特に、トレンチは、第１のバッファ層がＡｌＮから成る場合、少なくとも０．４μｍ深さであり、第１のバッファ層３２１、３２１’又は３２１’’が使用される場合、少なくとも０．１μｍ深さである。

トレンチ形成は、図３Ａ〜図３Ｃに示すように残っている材料の狭いストリップすなわちピラーを残して材料を選択的に除去することである。これら狭いストリップは直線状でも湾曲していてもよいが、好ましくは平行であり、最も好ましくは、たとえばストライプ、円形、六角形、正方形又は矩形等でパターン化されている。パターン化の後、パルス横方向成長技法により第１のバッファに層４０１を適用し、それによりそれが横方向に成長して、図３Ａ〜図３Ｃに示すようにストライプ間のギャップの橋渡しをする（bridging）。層４０１は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成ることが好ましい。層４０１が完成すると、図３Ａ〜図３Ｃに示す３つの実施形態の各々に対して示すように、追加の層を堆積することにより、第２のバッファ層４２１、４２１’及び４２１’’の代替的な好ましい実施形態を完成させてもよい。

図３Ａは、第１のバッファ層３２１’’にトレンチを形成してピラー３２２を形成した後の、図２Ｃに示すエピ層構造の上部の第２のバッファ４２１の実施形態を示す。（いずれの第１のバッファ層３２１、３２１’又は３２１’’を使用することも可能であるが、図面を簡略化するために、図３Ａ〜図３Ｃには、図２Ｃのエピ層、すなわち第１のバッファ層３２１’’を含むエピ層のみを示す。）。図３Ｂ及び図３Ｃは、第２のバッファ４２１のさらなる実施形態、すなわちそれぞれ図３Ｂ及び図３Ｃにおける４２１’及び４２１’’を示し、図３Ａ〜図３Ｃの各々では下位層４０１、４０２、４０３及び４０４が特定の組合せで示されている。図３Ａは、第２のバッファ層４２１が下位層４０１及び下位層４０２を有することを示しており、図３Ｂは、第２のバッファ層４２１’が下位層４０１、４０２及び４０３を有することを示しており、図３Ｃは、第２のバッファ層４２１’’が下位層４０１、４０２、４０３及び４０４を有することを示している。

図４は、図３Ｃのテンプレート１０を、ここでは、後述するように、その上の層状のＵＶ発光構造１２（ＵＶ発光構造は層５００、６００、７００、８００及び９００を含む）と、金属コンタクト９８０及び９９０とともに示している。金属コンタクト９９０及び９８０並びに基板１００を除いて、すべての層がＩＩＩ窒化物材料から成る。基板は、サファイアから成ることが好ましいが、炭化ケイ素、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ケイ素、ＧａＡｓ、ＬｉＡｌＯ_３、ＬｉＧａＯ_３、ＺｎＯ又は金属から成ってもよい。さらに、基板は、Ｃ面、Ａ面、Ｍ面又はＲ面に沿った結晶方位を有し、方位ずれはその軸から０．０度〜１０度の範囲である。

その後、バッファ層３２１及び場合によっては基板１００にトレンチを形成する。トレンチ形成後、バッファ層の上にＰＬＯＧ層４０１を成長させることにより、形成されたトレンチの上でウェハ面を合体させる（図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図４参照）。垂直成長率に対して横方向成長率を増大させるように少なくとも１つの前駆体ソースをパルス化することにより、ＩＩＩ族窒化物ＰＬＯＧ層４０１が完全に合体し転位密度がバッファ層３２１の転位密度より小さい領域を有するまで、ＰＬＯＧ層４０１を成長させる。

その後、４０１とともに第２のバッファ４２１を形成する合体の後、追加のＡｌＩｎＧａＮ層を堆積させる。これらの層を、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃにおいて４０２、４０３及び４０４として示す。これらの層は、エピタキシャル層の全体的な歪みを最小限にするのに役立ち、且つ発光素子活性領域に対して有益な効果を有するエピタキシャル平坦化にも役立つ。

そして、図４に示すように、第２のバッファ４２１の上に直接適用される、第１のタイプの導電率を有する別のＩＩＩ窒化物層５００で開始して、エピ層にＬＥＤ構造を追加し、好ましくは、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成るｎ＋層を、量子ウェル活性領域から放出される光に対して透過性であるように形成する。そして、１つ又は複数の障壁下位層及び１つ又は複数のウェル下位層を含む別のＩＩＩ窒化物超格子層６００を形成し、障壁層及びウェル層は、障壁層のバンドギャップがウェル層のバンドギャップより大きいように、各々異なる組成を有する。障壁層及びウェル層の厚さは、１Å〜２００Åの間であるべきである。このウェル下位層は特定のバンドギャップを有し、優れた量子閉じ込めを有する領域を提供するように設計されており、そこでは、電子及びホールが、好ましくは放射性及び非放射性再結合で（しかしながら放射性再結合の方が非放射性再結合より優位である）、容易に結合する。量子ウェル下位層は、１９０ｎｍ〜３６９ｎｍの範囲の光を放出する。両層５００及び６００には、ケイ素を使用して第１のタイプの導電率が与えられるか、又はケイ素、酸素及び／又はインジウムの組合せを使用して共ドープされる。層５００は、バンドギャップが、ＰＬＯＧ層４０１より低いが量子ウェル下位層及び障壁下位層６００より高い。実施形態によっては、ウェル下位層は非ドープである。

活性領域層６００の上部に、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ電子障壁層７００を直接組み込み、７００のバンドギャップは障壁下位層６００のバンドギャップより大きい。ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを使用する。７００の上部に２つの追加のｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層８００及び９００を形成し、それら層のバンドギャップは各後続する層に対して低減する。層８００は、１つの単一ＡｌＩｎＧａＮ層であってもよく、又は組成傾斜層、一続きの減少組成超格子（decreasing composition superlattices）、又はバンドギャップが低減するいくつかの別個の層から成ってもよい。

そして、底部ｎ＋層にアクセスするために反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、メサ型ＬＥＤ、すなわち図４に示すタイプを製造してもよい。このタイプのデバイスの形状により、活性領域の一部のみが低欠陥密度横方向成長「翼（wing）」領域を含むことになることに留意されたい。最後に、ｎ＋層及びｐ＋層の両方それぞれの上にプローブ金属導電パッド９８０、９９０を堆積する。ｎコンタクト及びｐコンタクトそれぞれに対する金属コンタクトとして、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ及びＮｉ／Ａｕを使用するが、ｎ金属コンタクトは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔａ又はこれら金属の任意の組合せから成ってもよい。第２のコンタクト、ｐ＋層コンタクトは、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、ＩＴＯ、ＮｉＯ、ＰｄＯ又は上述した金属の任意の組合せから成ってもよい。これらコンタクトを、空気、フォーミングガス、窒素又はそれらの任意の組合せにおいてアニールしてもよい。

代替的な構成では、構築後、研磨、エッチング、又はレーザを使用するリフトオフにより、基板を除去してもよく、その後、ｎ層５００の裏面に金属コンタクト層を適用してもよい。この構成では、コンタクト９８０は、最上部ではなく５００の裏面に位置し、ｐコンタクト９９０の下方に垂直に位置することができる。

紫外線発光ダイオード及びレーザダイオードの技術分野における当業者には、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書で説明した好ましい実施形態に対して多くの変更及び置換を行うことができることが明らかとなろう。

Claims (47)

1. 発光素子であって、
   ａ．紫外線発光構造であって、
   ｉ．第１の導電率を有する第１の層、
   ｉｉ．第２の導電率を有する第２の層、及び
   ｉｉｉ．前記第１の層と前記第２の層との間の発光量子ウェル領域
   を有する、紫外線発光構造と、
   ｂ．前記第１の層と電気的に接続する第１の電気コンタクトと、
   ｃ．前記第２の層と電気的に接続する第２の電気コンタクトと、
   ｄ．前記紫外線発光構造用のプラットフォームとしての役割を果たすテンプレートであって、
   ｉ．トレンチが形成されている第１のバッファ層、及び
   ｉｉ．前記第１のバッファ層の上に合体されている第２のバッファ層であって、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る第２のバッファ層、
   を有するテンプレートと、
   を備え、前記第１の電気コンタクト及び前記第２の電気コンタクトに電位が印加されると、紫外線光を放出する、発光素子。
2. 前記第１のバッファ層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第１のバッファ層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の複数の層を有する少なくとも１つの超格子下位層から成る、請求項１に記載の発光素子。
4. 前記第１のバッファ層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る第１の下位層を含み、該第１の下位層はドープされていない、請求項１に記載の発光素子。
5. 前記第１のバッファ層は、ケイ素によってドープされる、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る第２の下位層を含む、請求項４に記載の発光素子。
6. 前記第１のバッファ層は、
   Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る第１の下位層であって、ドープされていない第１の下位層と、
   Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）の複数の層を有する少なくとも１つの超格子下位層と、
   Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る第２の下位層であって、ケイ素によってドープされる第２の下位層と、
   を含む、請求項１に記載の発光素子。
7. 前記第１のバッファ層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る第３の下位層をさらに含み、該第３の下位層はドープされていない、請求項６に記載の発光素子。
8. 前記第１のバッファ層は、Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０．０１＜ｘ≦１、≦ｙ≦１、０．０１≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項１に記載の発光素子。
9. 前記第１のバッファ層は、Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０．１＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０．１≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項８に記載の発光素子。
10. 前記第１のバッファ層は、Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０．２５＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０．２５≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項９に記載の発光素子。
11. 前記第１のバッファ層は、Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０．５＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項１０に記載の発光素子。
12. 前記第１のバッファ層は、Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０．９＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０．９≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項１１に記載の発光素子。
13. 前記第１のバッファ層は、Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０．９９＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０．９９≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項１２に記載の発光素子。
14. 前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、ＩＩＩ族材料及びＶ族材料がパルス成長法を介して注入されるようにして堆積され、該ＩＩＩ族材料及び該Ｖ族材料は、連続した流れがなく、逐次パルス化されるか、又は、ＩＩＩ族ソースパルスがＶ族ソースパルスを伴わずに部分的にオンとなるか、若しくはＶ族ソースパルスと部分的にオーバーラップするようにパルス化される、請求項１に記載の発光素子。
15. 前記第２のバッファ層は、
    前記第１のバッファ層の上に合体されることにより第１の平面層を形成する第１の下位層と、
    前記第１の下位層に適用される第２の下位層と、
    をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
16. 前記第２の下位層は超格子層である、請求項１５に記載の発光素子。
17. 超格子層である第３の下位層をさらに備える、請求項１６に記載の発光素子。
18. 第４の下位層をさらに備える、請求項１６に記載の発光素子。
19. 前記第１の電気コンタクトは、前記第１の導電率を有する前記第１のバッファ層によって支持される、請求項１に記載の発光素子。
20. 前記第１の電気コンタクトは、前記第１の導電率を有する前記第１の層によって支持され、前記テンプレートは基板をさらに備え、前記第１のバッファ層は前記基板と前記第２のバッファ層との間にある、請求項１に記載の発光素子。
21. 前記第１のバッファ層はＡｌＮから成り、少なくとも０．４μｍの深さまでトレンチが形成される、請求項１に記載の発光素子。
22. 前記発光構造は、量子ウェル領域であって、
    Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む量子ウェルであって、表面及びバンドギャップを有する量子ウェルと、
    前記量子ウェルの前記表面の上の障壁層であって、バンドギャップが前記量子ウェルの前記バンドギャップより大きく、Ａ１_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）を含み、前記量子ウェル領域が該障壁層で開始し且つ終端する、障壁層と、
    の交互の層を含む量子ウェル領域を含む、請求項１に記載の発光素子。
23. 前記量子ウェル領域は、単一量子ウェル層及び多重量子ウェル層を含む、請求項２２に記載の発光素子。
24. 前記量子ウェル及び前記障壁層は組成が異なる、請求項２２に記載の発光素子。
25. 前記量子ウェルは、ケイ素、インジウム及び炭素から成る群から選択される少なくとも１つのｎ型ドーパントでドープされる、請求項２２に記載の発光素子。
26. 前記量子ウェルは、マグネシウム、亜鉛及びベリリウムから成る群から選択される少なくとも１つのｐ型ドーパントでドープされる、請求項２２に記載の発光素子。
27. 前記量子ウェルは、少なくとも１つのｎ型ドーパント及び少なくとも１つのｐ型ドーパントでドープされる、請求項２２に記載の発光素子。
28. 前記量子ウェル領域は紫外線光子を生成する、請求項２２に記載の発光素子。
29. 前記組成は、前記量子ウェル領域が１９０ｎｍ≦λ≦２４０ｎｍの範囲の波長λで発光するように選択される、請求項２４に記載の発光素子。
30. 前記組成は、前記量子ウェル領域が２４０ｎｍ≦λ≦２８０ｎｍの範囲の波長λで発光するように選択される、請求項２２に記載の発光素子。
31. 前記組成は、前記量子ウェル領域が２８０ｎｍ≦λ≦３２０ｎｍの範囲の波長λで発光するように選択される、請求項２２に記載の発光素子。
32. 前記組成は、前記多重量子ウェルが３２０ｎｍ≦λ≦３６９ｎｍの範囲の波長λで発光するように選択される、請求項２２に記載の発光素子。
33. 発光素子であって、
    ａ．紫外線発光構造であって、
    ｉ．第１の導電率を有する第１の層、
    ｉｉ．第２の導電率を有する第２の層、及び
    ｉｉｉ．前記第１の層と前記第２の層との間の発光量子ウェル領域
    を有する、紫外線発光構造と、
    ｂ．前記第１の層と電気的に接続する第１の電気コンタクトと、
    ｃ．前記第２の層と電気的に接続する第２の電気コンタクトと、
    ｄ．前記紫外線発光構造用のプラットフォームとしての役割を果たすテンプレートであって、
    ｉ．トレンチが形成されている第１のバッファ層であって、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る第１のバッファ層、及び
    ｉｉ．前記第１のバッファ層の上に合体されている第２のバッファ層、
    を有するテンプレートと、
    を備える、発光素子。
34. 前記第２のバッファ層は、
    前記第１のバッファ層の上に合体されることにより第１の平面層を形成する第１の下位層と、
    前記第１の下位層に適用される第２の下位層であって、該第１の下位層及び該第２の下位層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る、第２の下位層と、
    をさらに含む、請求項３３に記載の発光素子。
35. 前記第２の下位層は超格子層である、請求項３４に記載の発光素子。
36. 第３の下位層をさらに備え、該第３の下位層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１及び０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る超格子層である、請求項３４に記載の発光素子。
37. 第４の下位層をさらに備える、請求項３６に記載の発光素子。
38. 前記第１の電気コンタクトは、前記第１の導電率を有する前記第１のバッファ層によって支持される、請求項３３に記載の発光素子。
39. 前記第１の電気コンタクトは、前記第１の導電率を有する前記第１の層によって支持され、前記テンプレートは基板をさらに備え、前記第１のバッファ層は前記基板と前記第２のバッファ層との間にある、請求項３３に記載の発光素子。
40. 前記基板は、ｃ面、Ａ面、Ｍ面又はＲ面に沿った結晶方位を有する、請求項３９に記載の発光素子。
41. 前記基板は、方位ずれがその軸から１０度未満である、請求項４０に記載の発光素子。
42. 前記第１のバッファ層は前記基板上に成長し、該基板は、二乗平均平方根粗さが１Å〜１００ミクロンの範囲である、請求項４１に記載の発光素子。
43. 前記第１のバッファ層はパターンでトレンチが形成される、請求項３３に記載の発光素子。
44. 前記第１のバッファ層は、少なくとも０．１μｍの深さまでトレンチが形成される、請求項３３に記載の発光素子。
45. 前記第１の電気コンタクトは、単一層又は多重層としてＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔａ又はこれらの金属のうちの任意の組合せから作製される、請求項３３に記載の発光素子。
46. 前記第２の電気コンタクトは、単一層又は多重層としてＰｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、ＩＴＯ、ＮｉＯ若しくはＰｄＯ又はこれらの金属のうちの任意の組合せから作製される、請求項３３に記載の発光素子。
47. 発光素子を作製する方法であって、
    基板に第１のバッファ層を適用するステップであって、該基板はサファイアから成り、前記第１のバッファ層はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る、第１のバッファ層を施すステップと、
    前記第１のバッファ層に少なくとも０．１μｍ深さのトレンチを形成するステップと、
    パルス横方向成長技法を使用して前記第１のバッファ層に第２のバッファ層を適用するステップであって、それにより該第２のバッファ層が合体して平面層を形成し、該第２のバッファ層はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から成る、第２のバッファ層を適用するステップと、
    前記第２のバッファ層に超格子層を施すステップであって、該超格子層はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から成り、テンプレートを形成するステップと、
    前記テンプレート上に紫外線発光構造を配置するステップであって、該紫外線発光構造は、第１の導電率を有する第１の層と第２の導電率を有する第２の層とを有するステップと、
    第１の電気コンタクトを前記紫外線発光構造の前記第１の層に電気的に接続し、第２の電気コンタクトを前記紫外線発光構造の前記第２の層に電気的に接続するステップと、
    を含む、発光素子を作製する方法。

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