JP2012138626A - 開いたピット中に延びる能動層を有する発光デバイス及びその製造方法 - Google Patents
開いたピット中に延びる能動層を有する発光デバイス及びその製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】開いたピット中に延びる能動層を有する発光デバイス及びその製造方法を提供する。
【解決手段】発光デバイスは、複数の層を備える能動領域と、能動領域が配置されるピット開き領域とを含んでいる。ピット開き領域は、複数の層の能動領域がピット中に延びて入るのに十分な大きさまで複数のピットの開口の大きさを広げるように構成されている。能動領域は複数の量子井戸層を備えている。ピット開き領域は、超格子構造を備えている。ピットは、その対応する転位を取り囲むことがあり、複数の層はそれぞれの転位まで延びている。複数のピットのうちの少なくとも１つは、ピット開き層とピット開き層が形成された基板との間に配置された層で生じる。能動領域は、ＩＩＩ族窒化物をベースにした能動領域であってもよい。そのような発光デバイスの製造方法も提供される。
【選択図】図１
【解決手段】発光デバイスは、複数の層を備える能動領域と、能動領域が配置されるピット開き領域とを含んでいる。ピット開き領域は、複数の層の能動領域がピット中に延びて入るのに十分な大きさまで複数のピットの開口の大きさを広げるように構成されている。能動領域は複数の量子井戸層を備えている。ピット開き領域は、超格子構造を備えている。ピットは、その対応する転位を取り囲むことがあり、複数の層はそれぞれの転位まで延びている。複数のピットのうちの少なくとも１つは、ピット開き層とピット開き層が形成された基板との間に配置された層で生じる。能動領域は、ＩＩＩ族窒化物をベースにした能動領域であってもよい。そのような発光デバイスの製造方法も提供される。
【選択図】図１
Description
本発明は、超小形電子デバイス及びそれの製造方法に関し、より詳細には、開いたピット中に延びる能動層を有する発光デバイス及びその製造方法に関する。特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）などのＩＩＩ族窒化物半導体デバイスで使用することができる構造に関する。
発光ダイオードは、民生用用途及び業務用用途で広く使用されている。当業者には良く知られているように、発光ダイオードは、一般に、超小形電子基板にダイオード領域を含んでいる。超小形電子基板は、例えば、砒化ガリウム、燐化ガリウム、これらの合金、炭化珪素及び／又はサファイアを含むことがある。ＬＥＤの不断の開発で、可視スペクトル及びこれを超えた範囲を含む高効率で機械的に頑丈な光源がもたらされた。これらの属性は、固体デバイスの潜在的に長い有効寿命と結合して、様々な新しいディスプレイ用途を可能にする可能性があり、さらに、十分に確立された白熱灯と競合する位置にＬＥＤを置く可能性がある。
窒化ガリウムをベースにしたＬＥＤなどのＩＩＩ族窒化物をベースにしたＬＥＤを製造する際の１つの問題は、高品質窒化ガリウムの製造である。一般に、窒化ガリウムＬＥＤは、サファイア基板又は炭化珪素基板の上に製造されている。そのような基板は、基板の結晶格子と窒化ガリウムの結晶格子の間に不整合を生じる可能性がある。サファイア及び／又は炭化珪素の上に窒化ガリウムを成長することについての潜在的な問題を克服するために、様々な技術が使用されている。例えば、炭化珪素基板とＩＩＩ族能動層、特に窒化ガリウム能動層との間のバッファとして、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が使用されることがある。しかし、一般に、窒化アルミニウムは、導電性ではなく絶縁性である。したがって、窒化アルミニウムバッファ層を含む構造では、一般に、窒化アルミニウムバッファを迂回して導電性炭化珪素基板をＩＩＩ族窒化物能動層に電気的につなぐ短絡コンタクトが必要である。
もしくは、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、又は窒化ガリウムと窒化アルミニウムガリウムの組合せのような導電性バッファ層材料は、ＡｌＮバッファ層と共に一般に使用される短絡コンタクトの除去を可能にする可能性がある。一般に、短絡コンタクトを除去することで、エピタキシャル層の厚さが減少し、デバイスを製造するために必要な製作ステップの数が減り、全体的なチップの大きさが減少し、かつ／又はデバイス効率が向上する。したがって、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、より安いコストで、より高い性能を持って製造される可能性がある。それにもかかわらず、これらの導電性バッファ材料はこれらの有利点をもたらす可能性があるが、それの炭化珪素との結晶格子整合は、窒化アルミニウムのそれよりも十分なものでない。
高品質窒化ガリウムの生成における上述した問題は、デバイスの効率低下をもたらす可能性がある。ＩＩＩ族窒化物をベースにしたデバイスの出力を改善しようとする試みには、デバイスの能動領域の異なった構成があった。そのような試みには、例えば、単一及び／又は二重へテロ構造能動領域を使用することがあった。同様に、１つ又は複数のＩＩＩ族窒化物量子井戸層を含む量子井戸発光デバイスも示されている。
一般に品質不良に関連する窒化ガリウムの１つの特徴は、転位欠陥の存在である。これらの欠陥は、転位を取り囲む「Ｖ」字形又はピットとしてしばしば現れる。歴史的には、本願特許出願人は、これらのピットは出力パワー及び安定性のような発光デバイスの性能の特性を悪くすると考えられたので、発光デバイスの能動領域を形成する前に、これらのピットのできるだけ多くのものを閉じようと試みた。この目的のために、発光デバイスの能動領域の形成前にピットを閉じるように「ピット閉じ（ｐｉｔ ｃｌｏｓｉｎｇ）」層が使用された。本願特許出願人の前のＬＥＤは、能動領域を貫通して延びるいくつかのピットを含んでいた可能性があるが、能動領域を貫通して延びるピットの数を減らすように努力がなされた。そのような本願特許出願人の前のＬＥＤには、例えば、２００３年１月９日に公開された特許文献１と、本願特許出願人に一般に譲渡された特許文献２及び３とに記載されている多量子井戸ＬＥＤがあり、これらの明細書の開示は、あたかもそれらの全体が述べられたかのように本明細書に組み込まれる。
転位に生じたピットを閉じるときの努力に加えて、特許文献４及び５は、能動層を転位から分離する障壁層をピットに形成することによって、能動層を転位から分離することを一般に説明している。例えば、特許文献５の要約に述べられているように、窒化物半導体発光デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成される。この発光デバイスは、能動層と、所定の材料から作られ能動層に隣接して設けられた障壁層とを含んでいる。この障壁層は、能動層よりも大きなバンドギャップを有している。また、この発光デバイスは、能動層中の貫通転位を取り囲む、所定の材料で形成された障壁部分を含んでいる。
R. Jaeger, INTRODUCTION TO MICROELECTRONIC FABRICATION (2nd Ed. 2002), Chapter 6
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、開いたピット中に延びる能動層を有する発光デバイス及びその製造方法を提供することにある。
本発明の実施形態は、複数の層を備える能動領域と、能動領域が配置されるピット開き（ｐｉｔ ｏｐｅｎｉｎｇ）領域とを含む発光デバイス及びその製造方法を提供する。ピット開き領域は、複数の層の能動領域がピット中に延びて入るのに十分な大きさまで複数のピットの開口の大きさを広げることによって、開いたピットを形成するように構成されている。
本発明の他の実施形態では、能動領域は、複数の量子井戸層及び正孔注入層を備えている。量子井戸層及び正孔注入層は、延びてピット中に入っている。ピットは、量子井戸層及び正孔注入層を貫通して開いたままである。コンタクト層は、正孔注入層上にピット中に延びて入った状態で形成される。コンタクト層はピットを閉じる。
本発明の他の実施形態では、ピットは、ピット開き領域の反対側の量子井戸層及び正孔注入層上の層によって閉じられている。
本発明の他の実施形態では、ピット開き領域は、超格子構造を備えている。また、ピット開き領域は、バルクＧａＮ又はＡｌＧａＮである。
本発明のさらに他の実施形態では、ピットは、対応する転位を取り囲み、かつ複数の層はそれぞれの転位まで延びている。複数のピットの少なくとも１つは、ピット開き領域とピット開き領域が形成された基板との間に配置された層で生じている。
本発明の他の実施形態では、能動層は、ＩＩＩ族窒化物をベースにした能動層を備えている。また、ピット開き領域及び能動層は、ＳｉＣ基板上に形成されている。さらに、ピット開き領域及び能動層は、サファイア基板上に形成されている。
本発明の他の実施形態では、発光デバイスは、ＧａＮをベースにした発光ダイオードを備えている。発光デバイスは、約４６０ｎｍの主要出力波長を有する。また、発光デバイスは、チップサイズに対して規格化された少なくとも約０．２７μＷ／μｍ2の放射出力を有し、他の実施形態では、チップサイズに対して規格化された少なくとも約０．３０μＷ／μｍ2の放射出力又は０．３３μＷ／μｍ2の放射出力さえも有している。また、発光デバイスは、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．５０μＷ／μｍ2の放射出力を有し、他の実施形態では、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．５６μＷ／μｍ2の放射出力又は０．６２μＷ／μｍ2の放射出力さえも有している。また、発光デバイスは、少なくとも６００，０００μｍ2のコンタクト面積と、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．２４μＷ／μｍ2の放射出力とを有し、いくつかの実施形態では、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．２９μＷ／μｍ2の放射出力又は０．３４μＷ／μｍ2の放射出力さえも有している。
本発明の他の実施形態では、発光デバイスは、約５２７ｎｍの主要出力波長を有している。発光デバイスは、チップサイズに対して規格化された少なくとも約０．１μＷ／μｍ2の放射出力を有し、いくつかの実施形態では、チップサイズに対して規格化された少なくとも約０．１３μＷ／μｍ2の放射出力を有する。発光デバイスは、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．１９μＷ／μｍ2の放射出力を有し、いくつかの実施形態では、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．２５μＷ／μｍ2の放射出力を有する。
本発明の他の実施形態は、複数のピットをその中に有するピット開き層と、ピット開き層の上のＩＩＩ族窒化物をベースにした能動領域であって、ピット中に延びて入る複数の層を含む能動領域と、能動領域上にありピットまで延びているｐ型ＩＩＩ族窒化物層と、能動領域に電気的に接触する第１及び第２のコンタクトとを含むＩＩＩ族窒化物をベースにした発光デバイス及びその製造方法を提供する。発光デバイスは、約４６０ｎｍの主要出力波長でコンタクトサイズに対して規格化された０．５μＷ／μｍ2を超える放射出力を有するか、又は約５２７ｎｍの主要出力波長でコンタクトサイズに対して規格化された０．１９μＷ／μｍ2を超える放射出力を有する。
発光デバイスが約４６０ｎｍの主要出力波長を有する本発明の実施形態では、発光デバイスは、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．５６μＷ／μｍ2の放射出力を有し、いくつかの実施形態では、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．６２μＷ／μｍ2の放射出力を有する。
発光デバイスが約５２７ｎｍの主要出力波長を有する本発明の実施形態では、発光デバイスは、コンタクトサイズに対して規格化された少なくとも約０．２５μＷ／μｍ2の放射出力を有する。
本発明の他の実施形態では、能動領域は複数の量子井戸層を備えている。さらに、ピット開き層は、ＩＩＩ族窒化物超格子構造を備えている。また、ピットは転位を取り囲み、複数の層が転位まで延びている。
本発明の他の実施形態では、複数のピットの少なくとも１つは、ピット開き層とピット開き層が形成された基板との間に配置された層で生じている。さらに、発光デバイスは、ＳｉＣ基板を含み、ピット開き層はＳｉＣ基板上に配置されている。また、発光デバイスはサファイア基板を備え、ピット開き層はサファイア基板上に配置されている。
本発明の他の実施形態では、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層がピットを閉じている。
また、発光デバイスの製造方法は、発光デバイスの能動層が成長される層の成長表面に低移動度の種を生成するように半導体材料層の成長条件を制御して、半導体材料層の貫通転位にピットを開くステップと、半導体材料層のピット中に延びて入るように能動層を成長させるステップと、ピット中に延びて入るように能動層上に正孔注入層を成長させるステップとを含んでいる。
また、発光デバイスの製造方法は、発光デバイスの能動層が成長される層の成長表面に低移動度の種を生成するように半導体材料層の成長条件を制御して、半導体材料層の貫通転位にピットを開くステップと、半導体材料層のピット中に延びて入るように能動層を成長させるステップと、ピット中に延びて入るように能動層上に正孔注入層を成長させるステップとを含んでいる。
また、発光デバイスは、ＩＩＩ−Ｖ族をベースにした発光デバイスを備え、成長条件の制御は、Ｖ／ＩＩＩ比及び／又は成長温度を制御することを含んでいる。半導体層は、窒素含有環境中で約１０００℃未満の温度で成長されたＩＩＩ族窒化物超格子構造を備えている。
また、ピット中に延びて入るように能動層上にコンタクト層を成長することを含んでいる。コンタクト層は、ピットを閉じるように成長される。半導体材料層は、ＳｉＣ又はサファイア基板上に成長される。
本発明の他の実施形態は、ピット開き層中の転位に関連したピットの開きを拡大するようにピット開き層を形成するステップと、ピット開き層上に能動領域を形成するステップあって、能動領域が、ピット開き層によって開かれたピット中に延びて入る複数の層を備えるステップと、能動領域上に正孔注入層を形成するステップであって、正孔注入層がピット中に延びて入るステップとを含む発光デバイスの製造方法を提供する。また、正孔注入層上にコンタクト層が形成され、コンタクト層はピット中に延びて入っている。コンタクト層は、ピットを閉じるように形成される。
本発明の他の実施形態では、能動領域の形成は、ピットの中に延びて入る複数のＩＩＩ族窒化物量子井戸層を備える能動領域を形成することを含んでいる。ピット開き層の形成は、窒素環境中で約１０００℃未満の温度でＩＩＩ族窒化物超格子を形成することを含んでいる。
また、発光デバイスは、ＩＩＩ族窒化物をベースにした発光デバイスを備えている。ピット開き層は、炭化珪素基板又はサファイア基板上に形成される。
本発明の他の実施形態は、能動領域と、能動領域上のコンタクト層と、能動領域及びコンタクト層が配置されるピット開き領域とを含む発光デバイス及びその製造方法を提供する。ピット開き領域は、複数のピットの開口の大きさをコンタクト層がピット中に延びて入るのに十分な大きさまで広げることによって、開いたピットを生成するように構成される。能動領域は、延びてピット中に入っていないことがある。コンタクト層は、ｐ型ＡｌＧａＮ及び／又はＧａＮを備えている。
本発明の他の特徴は、添付の図面に関連して読まれるとき、本発明の特定の実施形態についての以下の詳細な説明からいっそう容易に理解されるだろう。
本発明は、その実施形態が示された添付の図面を参照して、以下でより完全に説明される。しかし、本発明は、本明細書で明らかにされる実施形態に限定されるように解釈されるべきでない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が徹底的で完全であり本発明の技術的範囲を当業者に完全に伝えるように、提供されている。図面では、層及び領域の厚さは、はっきりさせるために誇張されている。全体を通して、同様な数字は同様な要素を示す。本明細書で使用されるとき、用語「及び／又は」は、１つ又は複数の関連列挙された要素のどんな組合せも含んでいる。
本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態だけを説明する目的のためであり、本発明を限定する意図でない。本明細書で使用されるとき、単数形の「１つの」及び「その」は、文脈が明らかに違うように示さない限り、複数形も含む意図である。さらに、用語「備える」及び／又は「備えている」は、この明細書で使用されるとき、述べられた特徴、完全体、ステップ、動作、要素、及び／又は部品の存在を明示するが、１つ又は複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、部品及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除しない。
また、層、領域又は基板のような要素が、他の要素の「上に」あると、又は、他の要素の「上へ」延びていると言われるとき、その要素は、他方の要素のすぐ上にあるか、又は他の要素のすぐ上へ延びてもよく、又は、介在する要素が存在してもよい。対照的に、要素が、他の要素の「すぐ上に」あると、又は他の要素の「すぐ上へ」延びると言われるとき、介在する要素は存在しない。また、要素が、他の要素に「接続」又は「結合」されると言われるとき、その要素は、他方の要素に直接接続又は結合されてもよく、又は介在する要素が存在してもよい。対照的に、要素が、他の要素に「直接接続」又は「直接結合」されると言われるとき、介在する要素は存在しない。明細書全体を通して、同様な数字は同様な要素を示している。
第１、第２などの用語は、本明細書で、様々な要素、部品、領域、層及び／又は部分を記述するために使用されることがあるが、これらの要素、部品、領域、層及び／又は部分は、これらの用語によって限定されるべきでない。これらの用語は、ただ１つの要素、部品、領域、層又は部分を他の領域、層又は部分と区別するために使用されだけである。したがって、以下で述べられる第１の要素、部品、領域、層又は部分は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、部品、領域、層又は部分と呼ばれる。
さらに、「より下の」又は「最下部の」及び「より上の」又は「最上部の」などの相対的な用語は、図に示されるように、１つの要素の他の要素に対する関係を記述するために本明細書で使用される。相対的な用語は、図に示された位置付けのほかに、デバイスの異なる位置付けを包含する意図である。例えば、図のデバイスがひっくり返されると、他の要素の「より下の」側にあると記述された要素は、そのとき、他の要素の「より上の」側に位置付けされる。したがって、「より下の」という例示の用語は、図の特定の位置付けに依存して、「より下の」と「より上の」の両方の位置付けを包含する。同様に、図の１つのデバイスがひっくり返されると、そのとき、他の要素「の下の」又は「の真下の」と記述された要素は、他の要素「の上に」位置付けされるだろう。したがって、「の下の」又は「の真下の」という例示の用語は、上と下の両方の位置付けを包含することができる。
本発明の実施形態は、本発明の理想化された実施形態の模式的な図示である断面図を参照して本明細書で説明される。したがって、例えば、製造技術及び／又は公差の結果としての図示の形からの変化は、予想されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、本明細書に図示された領域の特定の形に限定されるように解釈されるべきでなく、例えば、製造に起因する形のずれを含む予定である。例えば、長方形として図示されるか説明されたエッチング領域は、一般に、丸くなった、又は湾曲した特徴を有している。したがって、図に示された領域は、本質的に模式的なものであり、それの形は、デバイスの領域の正確な形を図示する意図でなく、さらに、本発明の技術的範囲を限定する意図でない。
特に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本発明が属する当業者の一人によって一般的に理解されるのと同じ意味を有している。さらに、一般に使用される辞書で定義されるものなどの用語は、関連技術及び本開示の背景でのそれの意味と一致した意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書でそのようにはっきりと定義されなければ、理想化された意味、又は過度に形式的な意味で解釈されない。
また、他の特徴に「隣接して」配置された構造又は特徴についての言及は、その隣接した特徴に部分的に重なるか、又は下にある部分を含んでいる。
本明細書で開示されたＬＥＤの様々な実施形態は基板を含むが、ＬＥＤを備えるエピタキシャル層が成長された結晶エピタキシャル成長基板は、除去されることがあり、そして、独立したエピタキシャル層が、元の基板よりも優れた熱的、電気的、構造的及び／又は光学的特性を有する可能性のある代わりのキャリア基板又はサブマウント（ｓｕｂｍｏｕｎｔ）の上に取り付けられることがある。本発明は、結晶エピタキシャル成長基板を有する構造に限定されず、エピタキシャル層がそれの元の成長基板から除去され、代わりのキャリア基板に結合された構造に関連して使用される。
上述したように、サファイア又はＳｉＣ基板上の窒化物をベースにした発光デバイスは、貫通転位を含んでいる。この貫通転位は、ピットを発生することがあり、貫通転位がそのピットの中心にある。ピットは、貫通転位から生じている。上述したように、歴史的には、このピットは、発光デバイスの性能にとって致命的であると考えられ、ピットを閉じるように層が成長された。成長条件を変えることでピットの大きさに影響を及ぼすことができるので、ピットを閉じることができる。しかし、窒化物をベースにした発光デバイスの性能は、ピットを閉じるのではなくピットを開くことによって改善される可能性があることが発見された。ＳＥＭ又は他の技術で見たとき、開いているピットは、「Ｖ」のように見える。発光デバイスの能動層のうちの少なくともいくつかがピットの中に延びて入っている場合、ピットは、開いていると考えられる。したがって、本発明の実施形態は、半導体発光デバイスのピットを開くことを可能にする。
ピットが貫通転位に生じた後で成長される１つの層又は複数の層の成長条件を制御することによって、ピットの開きを実現することができる。ピットの開き又は拡大を可能にする成長条件は、一般に、成長表面に低移動度の種を含んでいる（例えば、高いＶ／ＩＩＩ比及び／又は低成長温度）。ピットの開きが起こる可能性のある条件の例は、以下でさらに詳細に説明される。しかし、発光デバイスの能動層がピット中に延びて入るようにピットを開くどんな適切な技術でも使用することができる。
能動層がピット中に延びて入るように十分に開いたピットの実際の数は、ピットの全数の５％未満である可能性がある。比較的少数のピットが開いている場合でも、ピットを閉じようとする従来の構造より優れた輝度の向上が得られる。例えば、発光デバイスのＳｉＣ基板上の一般的なバッファ層には、２〜４×１０9個のピットがあり、１×１０8が開いていれば、又は１×１０9が開いていれば、輝度の向上が見られる。
本発明の他の実施形態は、発光デバイスの能動層がピット中に延びて入るようにピットの大きさが拡大するように形成されたピット開き層を可能にする。ピット中に延びて入る能動層は、井戸層及び正孔注入層を含んでもよい。また、井戸層、正孔注入層、及びコンタクト層が、開いたピット中まで成長されることがある。ピットは、発光デバイスの構造の多くの異なる場所に生じる。例えば、ピットは、ピット開き層と基板の間のバッファ層又はピット開き層自体で生じる。したがって、ピットは、光発生層以外の層で開いている可能性があり、光発生層を貫通して開いた状態で維持される。ピットは、光発生層の次の層によって、例えば、コンタクト層によって閉じられる。能動層がピット中に延びて入った後で、その後にピットを閉じることで、例えば、発光デバイスの劣化の速度を減少させることによって、発光デバイスの耐性が改善され、又は、発光デバイスの静電気放電（ＥＳＤ）耐性が改善される。
能動層がピットの側壁に沿ってピット中に延びて入るように発光デバイスのピットを開くことによって、発光デバイスの順方向電圧特性（Ｖf）は減少する可能性がある。さらに、能動層をピット中に延ばすことで、また、発光デバイスの光学的効率及び／又はウォールプラグ効率（ｗａｌｌ ｐｌｕｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が向上する。
どのような特定の動作理論にも拘束されないが、ピットの側壁に沿ってピット中に延びて入るように能動層を形成することによって、正孔注入層と能動層は、互いにいっそう近接される可能性がある。さらに、発光デバイスの能動層をピット中に延ばすことで、接合表面積を増すことができる。
図３は、発光デバイスの能動層を貫通して延びるピットを示すＴＥＭ像の図で、ピット中に延びて入る能動層（能動領域）、キャップ層、正孔注入層、及びｐコンタクト層を有するピットの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を含んでいる。図３に見られるように、ピットは、像の下の方の部分の超格子構造から、量子井戸層がピット中に延びて入っている多量子井戸構造を貫通して延び、そして、ｐ型正孔注入層及びｐ型コンタクト層で埋められている。ピットの形が円錐形であるために、ピット中に延びて入る能動層を分り難くしている可能性があるピットの断面が見えるが、当業者による詳細な観察で、図３の能動層は、はっきり目に見える転位を取り囲んでピット中に延びて入っている。
さらにピットを特徴付けるために、試験構造及びＬＥＤが成長され、適切なときの試験ＬＥＤに製作され、特徴付けされた。試験構造は、図４に示されている通りである。
図４は、ピットを特徴付けるために使用された試験構造を示す模式的な断面図である。この場合に、図１のＬＥＤ構造（以下でさらに詳細に説明される）が基板上に堆積されているが、キャップ層、正孔注入層、及びｐコンタクト層は省略されている。試験構造の光学特性は室温フォトルミネセンス（ＲＴＰＬ）を使用して特徴付けされ、表面モルフォロジは走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して特徴付けされた。ＬＥＤ構造は、図１に示される通りであり、その構造は、相対的エレクトロルミネセンス「クイックテスト」を使用して特徴付けされ、この相対的エレクトロルミネセンス「クイックテスト」では、ＬＥＤ構造のエレクトロルミネセンス特性を互いに定性的に比較するか、又は実際の実装ランプデータと実験的に比較することができるが、この相対的エレクトロルミネセンス「クイックテスト」自体はＬＥＤチップ、すなわち、ランプの実際の出力パワーを表していない。
図５Ａ及び図５Ｂは、図４に示された層順序で堆積された能動層の平面ＳＥＭ像を示す図で、図５Ａは、ピット閉じ層の付いたピットを有する発光デバイスの像を示す図、図５Ｂは、ピット閉じ層の付いていないピットを有する発光デバイスの像を示す図である。つまり、図５Ａは、適切に堆積されたピット開き層を有する積層の像であるが、図５Ｂは、不適切に堆積されたピット開き層を有する積層の像である。
ピット密度はバッファ層に関連した貫通欠陥密度によって大部分が決定されるので、両方の構造は同様なピット密度を有しているが、図５Ａに示された構造のピットは、図５Ｂのピットよりも実質的に大きい。
図６Ａは、図５Ａ及び図５Ｂに見られるようなピットのある構造及びピットの減少した構造について、フォトルミネセンスデータを示す図で、図６Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂに見られるようなピットのある構造及びピットの減少した構造について、エレクトロルミネセンスデータを示す図である。
つまり、図６Ａは、開いたピットのある試験構造と閉じたピットのある試験構造に関するフォトルミネセンスデータのグラフを示す図である。図６Ａに見られるように、開いたピットのある構造を閉じたピットのある構造と比較したとき、相対的フォトルミネセンス強度に差はない。図６Ｂは、開いたピットのあるデバイスと閉じたピットのあるデバイスに関するエレクトロルミネセンスデータのグラフを示す図である。図６Ｂに見られるように、開いたピットのある構造が、閉じたピットのある構造よりも実質的に高い光学的効率を有することを、エレクトロルミネセンスデータははっきり実証している。
図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物発光ダイオードの一実施形態を説明するための模式的な断面図である。図１に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造１００は、基板１０を含み、いくつかの実施形態では、この基板１０は、好ましくは、４Ｈ又は６Ｈｎ型炭化珪素である。また、基板１０は、約５０から約８００μｍの厚さ、いくつかの実施形態では約１００μｍの厚さを有するＳｉＣ基板である。また、基板１０は、また、サファイア、バルク窒化ガリウム、又は他の適切な基板を含んでいる。
また、図１示したＬＥＤ構造１００には、窒化ガリウムをベースにした半導体層を基板１０上に備える層状半導体構造が含まれている。すなわち、図示されたＬＥＤ構造１００は、次の層を含んでいる。すなわち、導電性バッファ層１１と、第１のシリコンドープＧａＮ層１２と、シリコンドープＧａＮ及び／又はＩｎＧａＮの層を含む超格子構造１６と、多量子井戸構造で形成されてもよい能動領域１８と、アンドープＩｎＡｌＧａＮ層４０と、ｐ型不純物をドープされたＡｌＧａＮ層４２と、同じくｐ型不純物をドープされたＧａＮコンタクト層３２とを含んでいる。さらに、このＬＥＤ構造１００は、基板１０に接したｎ型オーム性コンタクト２３及びコンタクト層３２に接したｐ型オーム性コンタクト２４を含んでいる。また、第２のシリコンドープＧａＮ層（図示されない）は、ＧａＮ層１２と超格子構造１６の間に配置される。
また、バッファ層１１は、ｎ型ＡｌＧａＮであることがある。炭化珪素とＩＩＩ族窒化物材料の間のバッファ層の例は、本発明の譲受人に譲渡された特許文献６、７及び８に与えられており、これらの特許の開示は、あたかも本明細書で完全に述べられたかのように参照して組み込まれる。同様に、本発明の実施形態は、また、「Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates With Conductive Buffer Interlay Structure」という名称の特許文献９に記載されているもののような構造も含んでもよい。この特許の開示は、あたかも本明細書で完全に述べられたかのように参照して本明細書に組み込まれる。
また、バッファ層１１は、Ｓｉをドープされた約１００から１０，０００Åの厚さを有するＡｌＧａＮである。また、厚さは２０００Åである。ＧａＮ層１２は、Ｓｉをドープされることがあり、厚さ約５０００から５０，０００Åの厚さ及び約５×１０17から約５×１０18ｃｍ-3のシリコンドーピングレベルを有することがある。また、ＧａＮ層１２は、厚さ約１８００ｎｍであり、約２×１０18ｃｍ-3のシリコンドーピングレベルである。
また、存在する場合には第２のＧａＮ層（図示されない）は、厚さ約１０から約５０００Åである。第２のＧａＮ層（図示されない）は、１×１０17から約５×１０19ｃｍ-3のレベルのシリコンをドープされる。また、この層の厚さは、約１２５０Åであり、ドーピングは約２×１０18ｃｍ-3である。
図１に示されるように、本発明の他の実施形態に従った超格子構造１６は、ＩｎXＧａ1-XＮとＩｎYＧａ1-YＮの交互になる層を含み、Ｘは０と１の間であり、かつＸはＹに等しくない。また、Ｘ＝０で、ＩｎＧａＮの交互になる層の各々の厚さは厚さ約５〜４０Åであり、さらに、ＧａＮの交互になる層の各々の厚さは厚さ約５〜１００Åである。超格子構造１６は、約３から約５０周期を含んでいる（ここで、１周期は、超格子を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層及びＩｎYＧａ1-YＮ層の各々の１繰返しに等しい）。また、超格子構造１６は、２５周期を含んでいる。また、超格子構造１６は、１０周期を含んでいる。しかし、周期の数は、例えば、それぞれの層の厚さを増すことによって、減少させることができる。したがって、例えば、層の厚さを２倍にすることは、周期の数の半分で使用することができる。また、周期の数を増すこともできる。もしくは、周期の数及び厚さは、互いに独立であってもよい。超格子構造１６は、図２を参照して以下でさらに詳細に説明されるように、ピット生成層を実現することができる。
また、超格子構造１６は、３から３５周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮを有することがある。周期の厚さは、約３０から約１００Åであることがある。また、２５周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮが生成され、１周期の層の厚さは約５０Åであり、ＧａＮ又はＩｎＧａＮ層の厚さは約１０Åで他方の層が残りを構成している。また、ＧａＮ層は厚さ約１０Åであり、ＩｎＧａＮ層は厚さ約４０Åである。
また、超格子構造１６は、シリコンのようなｎ型不純物を約１×１０17ｃｍ-3から約５×１０19ｃｍ-3のレベルでドープされる。そのようなドーピングレベルは、超格子構造１６の層の実際のドーピング又は平均のドーピングであることがある。そのようなドーピングレベルが平均ドーピングレベルである場合には、隣接層のドーピングが隣接層と超格子構造１６にわたって平均された所望の平均ドーピングを実現するドープ層を、超格子構造１６に隣接して設けることが有益である可能性がある。
また、超格子構造１６は、ＩｎXＧａ1-XＮ又はＧａＮの一様な単層で置き換えることができる。対照的に、全層厚さ及びドーピングレベルは、上述した超格子構造の場合の実施形態で示されたパラメータから得ることができる。
また、能動領域１８は、単一又は二重へテロ接合能動領域だけでなく、単一又は多量子井戸構造を備えている。また、能動領域１８は、図１に示されるように、障壁層で隔てられた複数のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多量子井戸構造を備えている。
能動領域１８は、障壁層２１８で隔てられた複数のＩｎＧａＮ量子井戸層２２０を含む多量子井戸構造を含んでいる。また、障壁層２１８は、ＩｎXＧａ1-XＮを備え、０≦Ｘ＜１である。また、障壁層２１８のインジウム成分は、量子井戸層２２０のインジウム成分よりも少なく、その結果、障壁層２１８は量子井戸層２２０よりも大きなバンドギャップを有している。障壁層２１８及び量子井戸層２２０は、アンドープであってもよい（すなわち、シリコン又はマグネシウムのような不純物原子を故意にドープされていない）。しかし、特に紫外線放射が望ましい場合には、障壁層２１８に５×１０19ｃｍ-3未満のレベルのＳｉをドープすることが望ましい。
本発明のさらに他の実施形態では、障壁層２１８は、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮを備え、ここで、０＜Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、及びＸ＋Ｙ≦１である。障壁層２１８の結晶にアルミニウムを含めることによって、障壁層２１８を、量子井戸層２２０にいっそう近く格子整合させることができ、それによって、量子井戸層２２０の結晶品質の改善が可能になり、デバイスの発光効率を高めることができる。
また、能動領域１８は、３以上の量子井戸層を含み、ある特定の実施形態では、８個の量子井戸層が設けられている。一般に、ＬＥＤの全出力パワーを高めるために、量子井戸層の数が増やされる。量子井戸構造の厚さは、約３０から約２５０Åであってもよい。また、量子井戸構造の厚さは、約１５０Åであることがあり、量子井戸層２２０の厚さは約１０から約５０Åである。また、量子井戸層２２０の厚さはおおよそ２０Åであり、障壁層２１８の厚さはおおよそ１３０Åである。ＩｎXＧａ1-XＮ量子井戸のＩｎのモル分率Ｘは、ＬＥＤの所望の波長放射を実現するように調整される。４６０ｎｍ光放射の場合には、モル分率Ｘはおおよそ０．１２である。５２７ｎｍ光放射の場合には、モル分率Ｘはおおよそ３０である。
また、インジウムを含むＩＩＩ族窒化物キャップ層４０が、能動領域１８上に、より具体的には、能動領域１８の量子井戸層２２０上に生成されることがある。ＩＩＩ族窒化物キャップ層４０は、厚さ約１０から約３２０ÅのＩｎＡｌＧａＮを含んでいる。キャップ層４０は、一様な組成、異なる組成の多層及び／又は傾斜組成であってもよい。また、キャップ層４０は、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮの組成を有する第１のキャップ層を含み、ここで０＜Ｘ≦０．２及び０≦Ｙ≦０．４であり、さらに、約１０から約２００Åの厚さを有し、また、第２のキャップ層は、ＩｎWＡｌZＧａ1-W-ZＮの組成を有し、ここで０＜Ｗ≦０．２及びＹ≦Ｚ＜１であり、さらに、約１０から約１２０Åの厚さを有する。また、第１のキャップ層は、約８０Åの厚さ、Ｘ＝０．１、及びＹ＝０．２５を有し、さらに、第２のキャップ層は、約３０Åの厚さ、Ｗ＝０．０５、及びＺ＝０．５５を有する。キャップ層４０は、キャップ層４０の結晶品質を改善するために、能動領域１８の成長温度よりも高い温度で成長されてもよい。アンドープＧａＮ又はＡｌＧａＮの追加の層が、キャップ層４０の近傍に含まれてもよい。例えば、ＧａＮの薄い層が、最後の量子井戸層とキャップ層４０の間に形成されてもよい。インジウムを含むキャップ層４０は、能動領域１８の量子井戸層にいっそう近く格子整合される可能性があり、さらに、能動領域１８の格子構造からｐ型層の格子構造への遷移を実現する。適切に実現されたとき、そのような構造は、デバイスの輝度向上をもたらす。
マグネシウムのようなｐ型不純物をドープされたＡｌＧａＮ正孔注入層４２が、キャップ層４０上に形成される。ＡｌＧａＮ層４２は、厚さ約５０から約２５００Åであってもよく、特定の実施形態では、厚さ約１５０Åである。ＡｌＧａＮ層４２は、ＡｌＧａ1-XＮの組成であってもよく、ここで０≦Ｘ≦０．４である。また、ＡｌＧａＮ層４２でＸ＝０．２３である。ＡｌＧａＮ層４２にＭｇをドープしてもよい。また、層４２はインジウムを含んでいる。
ｐ型ＧａＮのコンタクト層３２が層４２上に形成され、厚さ約２５０から約１００００Åであり、いくつかの実施形態では、厚さ約１５００Åである。また、コンタクト層３２は、インジウムを含んでいる。オーム性コンタクト２３及び２４がｐＧａＮコンタクト層３２及び基板１０に接してそれぞれ形成される。また、ｐ型材料へのオーム性コンタクト２４は、以下でさらに詳細に説明されるように、超薄オーム性コンタクトである。
本発明の他の実施形態では、図１に示されたＬＥＤ構造は、超格子構造１６と能動領域１８の間に配置されたスペーサ層を含んでいる。このスペーサ層は、アンドープＧａＮを含んでもよい。ドープされた超格子構造１６と能動領域１８の間に随意のスペーサ層が存在することで、シリコン不純物が能動領域１８に組み込まれるのを防ぐことができる。そして今度は、このことは、より安定したデバイス性能及びより優れた一様性を実現するように能動領域１８の材料品質を改善することができる。
図２は、図１に示したＩＩＩ族窒化物発光ダイオードの部分を示す模式的な断面図で、図１に示したＬＥＤ構造１００の部分３５のより詳細な図であり、本発明のいくつかの実施形態に従ったピット構造を示している。図２に見られるように、能動領域１８は、はっきりさせるために単一層として示されているが、図１に示された多量子井戸構造であってもよい。図２は、さらに、能動領域１８を貫通して延びるピット３１０又は「Ｖ」欠陥を示している。能動領域１８の層は、ピット３１０の側壁に沿ってピット３１０中に延びて入っている。また、能動領域１８の層は、ピット３１０の先端に存在する可能性がある転位３００の方に向かって、いくつかの実施形態では転位３００に達するまで、ピット３１０中に延びて入っている。したがって、能動領域１８のうちの領域３２０は、ピット３１０の側壁に形成されている。
さらに、ピット３１０は、正孔注入層４２及びｐ型コンタクト層３２が延びてピット３１０中に入るように能動領域１８上で開いている。どんな特定の動作理論にも拘束されないが、ピット３１０の中に延びて入る正孔注入層４２によって正孔注入の改善が実現される。
さらに、図２に示されているように、ピット３１０は、ｐ型コンタクト層３２によって閉じられる可能性がある。ピット３１０をｐ型コンタクト層で閉じることによって、発光デバイスは、ＥＳＤによる損傷に対していっそう耐性があるようになり、かつ／又は劣化の低減を示す。
図２においてピット３１０は、超格子構造１６で生じるものとして示されているが、ピット３１０は、超格子構造１６より下の１つ又は複数の層で発生し、ピット３１０の開きは超格子構造１６によって大きくされる。したがって、ピット開き層を可能にし、ピット３１０は、ピット開き層で発生し、又は、ピット開き層より下の１つ又は複数の層で発生する。したがって、超格子構造１６は、超格子構造１６のピットに関連した開口の大きさを広げ、又は大きくするピット開き層として作用する。
また、ピット中に延びて入る能動層（能動領域）１８を有する構造は、例えば、２００４年７月２７日に出願された「LIGHT EMITTING DEVICES HAVING A REFLECTIVE BOND PAD AND METHODS OF FABRICATING LIGHT EMITTING DEVICES HAVING REFLECTIVE BOND PADS」という名称の特許文献１０、特許文献２、２００４年６月３０日に出願された「LIGHT EMITTING DEVICES HAVING CURRENT BLOCKING STRUCTURES AND METHODS OF FABRICATING LIGHT EMITTING DEVICES HAVING CURRENT BLOCKING STRUCTURES」という名称の特許文献１１、「LIGHT EMITTING DIODES INCLUDING SUBSTRATE MODIFICATIONS FOR LIGHT EXTRACTION AND MANUFACTURING METHODS THEREFOR」という名称の特許文献１２、及び／又は「REFLECTIVE OHMIC CONTACTS FOR SILICON CARBIDE INCLUDING A LAYER CONSISTING ESSENTIALLY OF NICKEL, METHODS OF FABRICATING SAME, AND LIGHT EMITTING DEVICES INCLUDING THE SAME」という名称の特許文献１３に記載されているような発光デバイスで実現される。これらの開示は、あたかもその全体が述べられたかのように本明細書に組み込まれる。
本発明の実施形態は、多量子井戸に関して説明されたが、本発明の教示による利点は、単一量子井戸構造でも実現される可能性がある。したがって、例えば、発光ダイオードは、発光デバイスの能動領域として図１の構造１８のただ１つの存在を備えることができる。したがって、本発明の実施形態に従って異なる数の量子井戸が利用されてもよいが、量子井戸の数は、一般に、１から１６個の量子井戸の範囲にある。しかし、量子井戸の数は、発光デバイスの構造パラメータの最適化のために、さらに増やすことができる。
本発明のいくつかの実施形態に従った発光デバイスの製作が、これから、図１を参照して説明される。ｎ型ＳｉＣ基板１０は、例えば、特許文献１４及び１５に記載されているように、又は、当業者に知られた他の技術によって製作することができる。
ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層１１は、金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）よって、約９５０℃から約１０７５℃の温度で、いくつかの実施形態では１０２５℃の温度で、約２５トルから約２５０トルの圧力で、いくつかの実施形態では約１００トルで、さらに、Ａｌ、Ｇａ及びＮの供給源材料としてＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ3を使用し、また、ｎ型ドーパントとしてシリコンを使用して製作することができる。流量（ｆｌｏｗ）は、反応器の形状寸法に固有であり、当業者によって、本明細書の開示を考慮して過度の実験なしに特定の反応器の形状寸法に対して決定されるだろう。さらに、例えば特許文献２（，５６０特許）に記載されているように、基板とＡｌＧａＮ１１層の間に、また、ＡｌＧａＮキャップ付きＧａＮ点状物が形成される。この特許の開示は、その全体が本明細書に組み込まれる。また、，５６０特許に記載されているように、不連続なＳｉＮ層がＡｌＧａＮバッファ層１１上に生成される。
ｎ型ＧａＮ層１２は、ＭＯＣＶＤによって、約９７５℃から約１１５０℃の温度で、いくつかの実施形態では１０５０℃の温度で、約２５トルから約５００トルの圧力で、いくつかの実施形態では約２００トルの圧力で、さらに、Ｇａ及びＮの供給源材料としてＴＭＧ及びＮＨ3を使用し、また、ｎ型ドーパントとしてシリコンを使用して、ＡｌＧａＮ層１１の上に形成される。流量（ｆｌｏｗ）は、反応器の形状寸法に固有であり、当業者によって、本明細書の開示を考慮して過度の実験なしに特定の反応器の形状寸法に対して決定される。
超格子構造１６は、超格子構造１６の転位でピット形成を高めるように製作されてもよい。特に、超格子構造１６は、窒素の雰囲気中で成長されてもよく、約９００℃未満の温度で成長されてもよい。約９００℃未満の温度で、窒素（Ｎ2）中で成長することは、超格子構造でのピット形成を高めるのに役立つ可能性がある。本発明の特定の実施形態では、ＭＯＣＶＤで、異なるＩｎ量のＩｎＧａＮの交互になる層を連続的に形成することによって、超格子構造１６は形成され、また、超格子構造１６はＩｎＧａＮとＧａＮの交互になる層によって形成される。超格子構造１６は、ＭＯＣＶＤによって、供給源材料として少なくとも１０００のＶ／ＩＩＩ比でＴＥＧ又はＴＭＧ、ＴＭＩｎ及びＮＨ3を使用して、約７５０℃から約９００℃の温度で、いくつかの実施形態では８４０℃の温度で、さらに約２６トルから約５００トルの圧力で、いくつかの実施形態では約１００トルの圧力で、Ｎ2が存在する状態で形成されてもよい。流量（ｆｌｏｗ）は、反応器の形状寸法に固有であり、当業者によって、本明細書の開示を考慮して過度の実験なしに特定の反応器の形状寸法に対して決定される。
能動層１８は、超格子構造１６で発生したピットの中に延びて入るように形成される。また、この能動層１８は、例えば、２００３年１月９日に公開された特許文献１に記載されているように一連の量子井戸構造を形成するための、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの層のＭＯＣＶＤ成長によって形成される。この特許出願公開の開示は、あたかもその全体が述べられたかのように参照して本明細書に組み込まれる。また、量子井戸構造は、約８００℃から約９５０℃の温度で、いくつかの実施形態では８７５℃で、約２５ｔｏｒｒから約５００ｔｏｒｒの圧力で、いくつかの実施形態では約１００ｔｏｒｒの圧力で、さらに、少なくとも１０００のＶ／ＩＩＩ比のＧａ及びＮの供給源材料としてＴＭＧ又はＴＥＧ及びＮＨ3を利用して形成される。量子井戸層の井戸層は、約６８０℃から約７８０℃の温度で、いくつかの実施形態では、５２７ｎｍ発光デバイスでは７００℃及び４６０ｎｍ発光デバイスでは７５０℃で、約２５ｔｏｒｒから約５００ｔｏｒｒの圧力で、いくつかの実施形態では約１００ｔｏｒｒの圧力で、さらに、少なくとも１０００のＶ／ＩＩＩ比のＩｎ、Ｇａ及びＮの供給源材料としてＴＭＧ又はＴＥＧ、ＴＭＩｎ及びＮＨ3を使用して形成されてもよい。流量（ｆｌｏｗ）は、反応器の形状寸法に固有であり、当業者によって、本明細書の開示を考慮して過度の実験なしに特定の反応器の形状寸法に対して決定される。
ＩｎＡｌＧａＮ層４０は、ＭＯＣＶＤ成長によって能動層１８上に形成されてもよい。また、ＩｎＡｌＧａＮ層４０は、約８００℃から約９５０℃の温度で、いくつかの実施形態では８７５℃で、約２５ｔｏｒｒから約５００ｔｏｒｒの圧力で、いくつかの実施形態では約１００ｔｏｒｒの圧力で、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮの供給源材料としてＴＭＩｎ、ＴＭＡ、ＴＥＧ及びＮＨ3を使用してＩｎＡｌＧａＮ層を成長させることによって形成される。流量（ｆｌｏｗ）は、反応器の形状寸法に固有であり、当業者によって、本明細書の開示を考慮して過度の実験なしに特定の反応器の形状寸法に対して決定されるだろう。ＩｎＡｌＧａＮ層４０は、ピットの中に延びて入るように形成されてもよい。
ｐ型ＡｌＧａＮ層４２は、ＭＯＣＶＤ成長によってＩｎＡｌＧａＮ層４０上に生成されてもよい。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層４２は、約８５０℃から約９７５℃の温度で、いくつかの実施形態では９５０℃で、約２５ｔｏｒｒから約５００ｔｏｒｒの圧力で、いくつかの実施形態では約１００ｔｏｒｒの圧力で、Ａｌ、Ｇａ及びＮの供給源材料としてＴＭＡ、ＴＥＧ、ＮＨ3及びＣＰ2ＭＧを使用しｐ型ドーパントとしてＭｇを使用して、ＡｌＧａＮ層を成長させることによって形成される。流量（ｆｌｏｗ）は、反応器の形状寸法に固有であり、当業者によって、本明細書の開示を考慮して過度の実験なしに特定の反応器の形状寸法に対して決定されるだろう。ＡｌＧａＮ層４２は、正孔注入層を生成することができ、ピットの中に延びて入るように形成される。
ｐ型ＧａＮ層３２は、ＭＯＣＶＤ成長によってＡｌＧａＮ層４２上に形成されてもよい。また、ｐ型ＧａＮ層３２は、約９００℃から約１１００℃の温度で、いくつかの実施形態では１０００℃で、約２５ｔｏｒｒから約５００ｔｏｒｒの圧力で、いくつかの実施形態では約１００ｔｏｒｒの圧力で、Ｇａ及びＮの供給源材料としてＴＭＧ、ＮＨ3及びＣＰ2ＭＧを使用しｐ型ドーパントとしてＭｇを使用して、ＧａＮ層を成長させることによって形成される。流量（ｆｌｏｗ）は、反応器の形状寸法に固有であり、当業者によって、本明細書の開示を考慮して過度の実験なしに特定の反応器の形状寸法に対して決定される。ＧａＮ層３２は、ｐ型コンタクト層を生成することができ、ピット中に延びて入るように形成されてもよい。
いくつかの実施形態では、転位の少なくとも５％が、能動層１８を貫通して延びかつ正孔注入層４２に対して開いている関連したピットを有するように、超格子構造１６、能動層１８及び正孔注入層４２の製作は行われてもよい。また、開いたピットの数は、転位の数のほぼ１００％である可能性がある。
ｎ型ＳｉＣのオーム性コンタクト２３は、能動領域１８の反対側のＳｉＣ基板１０に形成される。オーム性コンタクト２３は、従来の方法によって形成されてもよい。オーム性コンタクト２４は、また、ｐ型ＧａＮ層３２に対して形成される。反射層を組み込む本発明のいくつかの実施形態は、約１０Å以下の厚さを有するｐ型電極２４を有する。反射層のない本発明のいくつかの実施形態では、ｐ型電極２４は、約１３Å以上の厚さを有する。
ｐ型電極２４による光の吸収を減少させ、かつ／又は最小限にするために、ｐ型電極の厚さは、２５Å未満に減少させることができる。また、ｐ型電極２４は白金を含んでいる。オーム性コンタクト２４に他の材料が使用されてもよい。例えば、オーム性コンタクト２４は、ロジウム、酸化亜鉛、パラジウム、酸化パラジウム、チタン、ニッケル／金、酸化ニッケル／金、酸化ニッケル／白金、及び／又はチタン／金を含んでもよい。いくつかの実施形態では、オーム性コンタクト２４は、２５Å未満の平均厚さを有する。また、オーム性コンタクト２４は、１５Å未満の平均厚さを有する。また、オーム性コンタクト２４は、５Å未満の平均厚さを有し、他の実施形態では、オーム性コンタクト２４は、３Å未満の平均厚さを有する。また、オーム性コンタクトは、約１Åの平均厚さを有する。１０Å未満の膜厚、特に５Å未満の膜厚は、表面の部分的な被覆又は部分単分子層被覆である可能性がある。したがって、結果として得られた層がたとえ「膜」と呼ばれても、この膜は、ｐ型ＧａＮ層の表面をただ部分的に覆うだけである可能性がある。
本発明のいくつかの実施形態に従ったオーム性コンタクトは、電子ビーム（ｅビーム）蒸着又は原子的に薄い金属膜を制御可能に形成する任意の他の適切な技術によって形成されてもよい。例えば、適切なプロセス制御が維持される限りで、電気メッキによってオーム性コンタクトを形成することが可能である。電子ビーム蒸着では、金属源ターゲットは、真空チャンバ中で、ターゲットの１つの領域を溶融する高強度電子ビームによって、気化点まで加熱される。チャンバ内に配置されたエピタキシャルウェハは、気化された金属で制御可能に覆われる。Ｅビーム蒸着及び他の膜堆積方法は、非特許文献１に説明されている。
プロセスの堆積速度は、電子ビームの電流及びエネルギーを変えることによって制御することができる。また、膜厚の適切な制御を維持するために、堆積速度は、低速度に、例えば、０．１〜０．５Å／秒の範囲に維持される。その上、膜堆積は、オーム性金属膜が同時に堆積される証明用スライドの透過特性を監視することによって、堆積中に制御することができる。証明用スライドは、サファイア、石英、又は、金属膜を堆積させることができる任意の他の光学的に透明な材料であってもよい。金属厚さに対する透過感度は、監視プロセスで使用される光の波長に依存する。すなわち、透過感度は、より短い波長で高くなる。したがって、サファイア証明用スライドの透過特性は、膜堆積中か膜堆積後に、ＵＶ分光光度計などの３５０ｎｍ以下の波長で光を放射することができるＵＶ源を使用する監視システムによって、測定される。
オーム性コンタクト層２４は、１〜１０Åの厚さ範囲であってもよい。白金コンタクトの場合、好ましい厚さは１〜５Åである。低堆積速度は、薄い層の再現可能かつ制御可能な堆積を可能にする。
いったん堆積されると、オーム性コンタクト層２４は、「堆積されたままで」オーム性、すなわち、非整流性コンタクトを形成する。すなわち、ｐ型ＧａＮ層３２に対して準理想電気コンタクトを形成するために、さらなる処理又はアニールは必要でない可能性がある。しかし、いくつかの場合には、オーム性特性を改善するために（例えば、コンタクト層の固有接触抵抗を減少させるためなど）、オーム性コンタクト層２４をアニールするか、又は他の堆積後処理を行うことが必要であるか、又は望ましいことがある。
また、オーム性コンタクト金属の堆積は、証明用スライド上の金属膜の規格化透過率が３５０ｎｍの測定波長で９８％より下に落ちる前に、停止されることがある。また、オーム性コンタクト金属の堆積は、証明用スライド上の金属膜の規格化透過率が３５０ｎｍの測定波長で９６％より下に落ちる前に、停止されることがある。また、オーム性コンタクト金属の堆積は、証明用スライド上の金属膜の規格化透過率が３５０ｎｍの測定波長で９２％より下に落ちる前に、停止されることがある。
また、サファイア証明用スライドの透過特性は、膜堆積中に、３５０ｎｍ以下の波長で光を放射することができるＵＶ源を使用する監視システムによって監視される。較正された証明用スライドに形成された金属膜の透過率を現場で監視することによって、金属膜の透過率が所定の閾値レベルに達する前に、又は、達した後で、堆積プロセスを停止させることができる。したがって、本発明の実施形態に従って、極端に薄い金属膜の堆積を高い精度で制御することができる。
堆積された金属膜の厚さを監視する他の方法が使用されてもよい。例えば、膜厚に従って変化する膜（又は、膜が堆積される材料）の他の物理的、電気的又は光学的特性を測定し、知られた標準と比較して、膜厚を決定することができる。そのような特性には、膜のシート抵抗率、キャパシタンス、又は反射率がある可能性があるが、これらに限定されない。また、堆積中に蒸着材料で覆われた水晶結晶板の共振周波数が監視される。この結晶の共振周波数は、堆積された膜の厚さに比例して変化し、膜厚の十分に正確な測定を行うことができる。非特許文献１を参照されたい。
電流の広がりを容易にするために、また、ボンディングパッド（図示されない）がコンタクト２４上に形成されてもよく、オーム性コンタクトの部分を横切って延びる１つ又は複数の電流広げ指状部を含むことができる。オーム性コンタクト２４上に形成されたボンディングパッドは、ボンディングパッド２０からオーム性コンタクト２４の部分を横切って延びる１つ又は複数の電流広げ指状部を含むことができる。電流広げ指状部は、まっすぐであってもよく、又は曲がっていてもよい。他の構成が可能である。
さらに、ＬＥＤがフリップチップ実装される（基板側を上にして実装される）ように設計された本発明の実施形態では、ＬＥＤはさらに反射器を含むことができる。特許文献１６に記載された金属スタックなどの金属スタックが、例えば、障壁層、付着層及び／又はボンディング層を実現するように反射器の上に形成されてもよい。発光デバイス全体は、半田によってサブマウントに取り付けられてもよい。
図１に示されたＬＥＤ構造をウェハに形成した後で、例えば、ウェハに切り込みを入れるようにウェハを鋸引きし、さらに切り込み線に沿ってウェハを割ってウェハを個別化することによって、個々のＬＥＤが個別化されてもよい。２００４年３月２６日に出願された「Etching Of Substrate Of Light Emitting Devices」という名称の特許文献１７に記載されているように、処理された基板のエッチングが行われてもよい。この特許の開示は、あたかも本明細書で述べられたかのように参照して本明細書に組み込まれる。
下の表１は、本発明のいくつかの実施形態に従った４６０ｎｍの主要出力波長を有する発光デバイスの、チップサイズ及びメササイズによって規格化された放射出力特性を、ピット開き層のない対応する２１ｍＷ発光デバイスと比較して与えている。
下の表２は、本発明のいくつかの実施形態に従った４６０ｎｍの主要出力波長を有する発光デバイスの、チップサイズ及びメササイズによって規格化された放射出力特性を与えている。
下の表３は、本発明のいくつかの実施形態に従った５２７ｎｍの主要出力波長を有する発光デバイスの、チップサイズ及びメササイズによって規格化された放射出力パワー特性を与えている。
本発明の実施形態は、窒化ガリウムをベースした発光デバイスを参照して説明されたが、本発明の教示及び利点は、また、他のＩＩＩ族窒化物でも実現される。したがって、本発明の実施形態は、ＩＩＩ族窒化物をベースにした超格子構造、量子井戸構造及び／又は、超格子構造及び／又は量子井戸層を有するＩＩＩ族窒化物をベースにした発光ダイオードを提供する。
さらに、本発明の実施形態は、４６０ｎｍ及び５２７ｎｍデバイスを参照して説明されたが、他の波長の発光デバイスも実現することができる。例えば、本発明の実施形態は、４３０ｎｍ以上の主要出力波長を有する発光デバイスで使用するのに特に申し分なく適している可能性がある。
さらに、本発明の実施形態は、ピットの中に延びて入る能動領域を参照して説明されたが、いくつかの実施形態では、能動領域はピットのところで終わるか、又はピット中に部分的に延びて入っているだけであることがある。そのような実施形態では、発光デバイスは、能動領域、能動領域上のコンタクト層、及び能動領域及びコンタクト層が配置されているピット開き領域を含むことができる。ピット開き領域は、複数のピットの開口の大きさをコンタクト層がピット中に延びて入るのに十分な大きさまで広げることによって、開いたピットを生成するように構成されている。能動領域は、ピット中に延びて入らなくてもよい。ピット中に延びて入るコンタクト層は、ｐ型ＡｌＧａＮ又はＧａＮを備えてもよい。
図面及び明細書に、本発明の代表的な好ましい実施形態が開示され、特定の用語が使用されたが、これらの用語は、一般的な記述的な意味でだけ使用され、制限する目的のために使用されていないので、本発明の技術的範囲は添付の特許請求の範囲で明らかにされる。
Claims (1)
- ＩＩＩ族窒化物をベースにした複数の層を含む能動領域と、
該能動領域が配置され、複数の開いたピットを含むピット開き領域とを備え、
前記能動領域は、複数の量子井戸層及び正孔注入層を含み、さらに、前記量子井戸層及び前記正孔注入層は、前記ピットを閉じることなしに延びて前記ピット中に入っており、
前記正孔注入層上に、前記ピット中に延びて入るＩＩＩ族窒化物をベースにしたコンタクト層を含み、該コンタクト層は前記ピットを閉じていることを特徴とする発光デバイス。
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