JP2013530537A - 深紫外発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
ｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層に隣接する光発生構造体とを備える、発光ダイオードに関する。光発生構造体は、量子井戸のセットを備える。コンタクト層及び光発生構造体は、ｎ型コンタクト層のエネルギーとある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回るように、構成され得る。さらに、光発生構造体は、その幅が、光発生構造体中に注入される電子による極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当するように構成され得る。ダイオードは、障壁層を備えることが可能であり、この障壁層は、障壁層のエネルギーとある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回るように構成される。ダイオードは、複合コンタクトを備えることも可能である。
【選択図】 図２
【選択図】 図２
Description
[0001]本出願は、２０１０年６月１８日に出願された「深紫外ダイオード」と題する同時係属の米国特許仮出願第６１／３５６，４８４号に基づく利益を主張するものである。また、該仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
[0002]米国政府は、本発明における支払い済みの実施許諾権と、全米科学財団により認可を受けたＳＢＩＲ Ｐｈａｓｅ ＩＩ Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．ＩＩＰ−０９５６７４６の条項により規定されるような合理的条件に基づき他者に対して実施許諾権を付与することを限定的な状況において本特許権者に対して要求する権利とを有する。
[0003]本開示は、概して窒化物ベースヘテロ構造体に関し、より詳細には改良された紫外発光窒化物ベースヘテロ構造体に関する。
[0004]新進の深紫外発光ダイオード（ＤＵＶ ＬＥＤ）は、２１０ナノメートル（ｎｍ）までの低い紫外（ＵＶ）範囲に対応し、多くの用途にとって既に十分な出力を生成する。さらに、これらのデバイスは、高変調周波数、低ノイズ、柔軟な形状因子、スペクトルパワー分布、及び空間パワー分布、高い内部量子効率、並びに高いウォールプラグ効率を実現する能力を有する。例えば、フォトルミネセンス（ＰＬ）の研究及びレイトレーシング計算は、２８０ｎｍ ＤＵＶ ＬＥＤについて達成される内部量子効率が、例えば１５％〜７０％など極めて高くなり得ることを示している。
[0005]しかし、典型的なＤＵＶ ＬＥＤの外部量子効率及びウォールプラグ効率は、３％未満であり、２８０ｎｍ ＬＥＤが、最も高い効率を有し、より短い波長を有する紫外光を発光するＬＥＤが、より低い効率を有する。このように外部効率及びウォールプラグ効率がより低いものとなる理由には、サファイア基板及びサファイア／空気界面からの内部反射により光抽出効率が非常に低くなることと、上部低アルミニウム（Ａｌ）含有ｐ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層及びｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層における吸光度が高いこととが含まれる。ＬＥＤの効率は、より高い電流及び／又は生成出力ではさらに低下する。
[0006]より短い波長を有する紫外光を発光するＵＶ ＬＥＤにおいては、内部量子効率は、高Ａｌ含有量のＡｌＧａＮ構造体を成長させることによる材料上の問題によりやはり低下する。とりわけ、かかる成長は、Ａｌ吸着原子の移動度が低いために複雑なものとなり、これにより、Ａｌ組成の不均質化及び側方相分離、さらには貫通転位密度の上昇及び点欠陥が生ずる恐れがある。
[0007]本発明の一態様は、ｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層に隣接する光発生構造体とを備える、発光ダイオードを提供する。この光発生構造体は、量子井戸のセットを備える。コンタクト層及び光発生構造体は、ｎ型コンタクト層のエネルギーとある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回るように、構成され得る。さらに、光発生構造体は、その幅が、光発生構造体中に注入される電子による極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当するように構成され得る。ダイオードは、障壁層を備えることが可能であり、この障壁層は、障壁層のエネルギーとある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回るように構成される。ダイオードは、複合コンタクトを備えることが可能であり、この複合コンタクトは、光発生構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である接着層と、光発生構造体により発生される光の少なくとも一部分を反射するように構成された反射性金属層とを備える。
[0008]本発明の第１の態様は、ｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層に隣接する第１の側部を有する光発生構造体であって、光発生構造体が、量子井戸のセットを備え、ｎ型コンタクト層のエネルギーと量子井戸のセット中のある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回り、光発生構造体の幅が、光発生構造体中に注入される電子による極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当する、光発生構造体とを具備する、発光ヘテロ構造体を提供する。
[0009]本発明の第２の態様は、ｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層に隣接する第１の側部を有する光発生構造体であって、光発生構造体が、量子井戸のセットを備え、光発生構造体の幅が、光発生構造体中に注入される電子の極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当する、光発生構造体と、第１の側部の対向側の光発生構造体の第２の側部の上に位置する障壁層であって、障壁層のエネルギーと量子井戸のセット中のある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回る、障壁層とを備える、発光ヘテロ構造体を提供する。
[0010]本発明の第３の態様は、ｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層に隣接する第１の側部を有する光発生構造体と、光発生構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である接着層、及び光発生構造体により発生される光の少なくとも一部分を反射するように構成された反射性金属層を備える、複合コンタクトとを具備する、発光デバイスを提供する。
[0011]本発明のさらなる態様は、本明細書において示し説明するヘテロ構造体及びデバイスを設計及び／又は製造する方法と、かかるデバイスを備える回路を設計及び／又は製造する方法と、結果的に得られる回路とを提供する。本発明のこれらの例示的な態様は、本明細書に記載される問題の１つ若しくは複数、及び／又は論じられない１つ若しくは複数の他の問題を解決するように企図される。
[0012]本開示のこれらの及び他の特徴は、本発明の種々の態様の以下の詳細な説明を、本発明の種々の態様を図示する添付の図面と組み合わせて用いることにより、さらに容易に理解されよう。
[0025]添付図面は、縮尺通りではない場合があることを指摘しておく。図面は、本発明の典型的な態様のみを図示するように意図され、したがって本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。これらの図面においては、同様の番号を付けたものは、図面間において同様の要素を示す。
[0026]上述のように、本発明の態様は、ｎ型コンタクト層及びｎ型コンタクト層に隣接する光発生構造体を備える発光ダイオードを提供する。光発生構造体は、量子井戸のセットを備える。コンタクト層及び光発生構造体は、ｎ型コンタクト層のエネルギーとある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回るように構成され得る。さらに、光発生構造体は、その幅が、光発生構造体中に注入される電子による極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当するように構成され得る。ダイオードは、障壁層を備えることが可能であり、この障壁層は、障壁層のエネルギーとある量子井戸の電子基底状態エネルギーとの差が、光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回るように構成され得る。ダイオードは、光発生構造体により発生された光に対して少なくとも部分的に透過性である接着層と、光発生構造体により発生された光の少なくとも一部を反射するように構成された反射性金属層とを備える、複合コンタクトを備えることが可能である。本明細書においては、特に断りのない限り、「セット」という用語は、１つ又は複数（すなわち少なくとも１つ）を意味し、「任意の解決策」という表現は、任意の、現時点において公知である又は後に開発される解決策を意味する。さらに、本明細書においては、「光」という用語は、可視スペクトルの範囲内であるか範囲外であるかに関わらず、任意の波長の電磁放射を含むものと理解している。
[0027]図面を参照すると、図１は、以前の解決策によるエネルギータブ４を備える深ＵＶ発光ヘテロ構造体２の例示的なバンド図を示す。特に、ヘテロ構造体２の光発生多重量子井戸（ＭＱＷ）構造体６が、エネルギータブ４に限定される。しかし、本発明者等は、かかるバンド図は、例えば５０％超などの非常に高いＡｌモル分率の短波長構造体については実現が困難となり得ることを発見した。
[0028]図２は、一実施形態による例示的な発光ヘテロ構造体１０のバンド図を示す。この例においては、ヘテロ構造体１０は、光発生構造体１２と、光発生構造体１２に隣接する少なくとも部分的に透過性の（例えば半透過性又は透過性の）注入クラッド層１４とを備える。図示するように、光発生構造体１２は、障壁（バンド図においてより高いエネルギー）及び量子井戸（バンド図においてより低いエネルギー）のインターレース配置（組み合わせ配置）型セットを備えることが可能である。この点で、光発生構造体１２の各量子井戸は、１つ又は複数の隣接する障壁を有し、光発生構造体１２の各障壁は、１つ又は複数の隣接する量子井戸を有する。ヘテロ構造体１０においては、ｎ型コンタクト層１８のエネルギーと光発生構造体１２の量子井戸における電子基底状態エネルギーレベルとの間のエネルギー差１６は、光発生構造体１２の材料内の極性光学フォノンのエネルギーＥＯＰＴ−ＰＨＯＮＯＮよりも若干大きい。一実施形態においては、エネルギー差１６は、室温では約２６ミリエレクトロンボルト（ｍｅＶ）に相当するほぼ熱エネルギー分だけ極性光学フォノンのエネルギーを上回る。
[0029]さらに、光発生構造体１２の全幅１３は、光発生構造体１２の内に注入される電子による極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当するように選択することが可能である。一実施形態においては、光発生構造体１２の幅１３は、例えば約１０％未満だけ平均自由行程を上回るなど、平均自由行程よりも若干大きくなるように設定される。一実施形態においては、光発生構造体の幅１３は、約５％未満だけ平均自由行程を上回る。しかし、他の実施形態においては、光発生構造体の幅１３は、１０％超だけ極性光学フォノン放出の平均自由行程を越えることが可能であるものと理解している。ヘテロ構造体１０のこの例示的な設計は、多重量子井戸への注入電子の遷移の強化、量子井戸内における注入電子の閉じ込め、及び多重量子井戸間における電子分布の均一性の向上の中の１つ又は複数を実現することが可能である。
[0030]ヘテロ構造体１０の種々の層は、任意の適切な材料組成を利用して形成することが可能である。例示的な一実施形態においては、層１２、１４、１８は、異なるＩＩＩ族窒化物材料組成物などの異なる大きなバンドギャップの半導体材料を使用して形成される。ＩＩＩ族窒化物材料は、ＢＷＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（ここでは０≦Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１、及びＷ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１である）など、１つ又は複数のＩＩＩ族元素（例えばホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ））と、窒素（Ｎ）とを含む。例示的なＩＩＩ族窒化物材料には、任意のモル分率のＩＩＩ族元素を含むＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＢＮ、及びＡｌＧａＩｎＢＮが含まれる。一実施形態においては、これらの材料には、ＡｌＮ合金、ＧａＮ合金、ＩｎＮ合金、及び／又はＢＮ合金の任意の組合せが含まれる。
[0031]一実施形態においては、クラッド層１４は、少なくとも部分的に透過性のマグネシウム（Ｍｇ）ドープされたＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ短周期超格子構造体（ＳＰＳＬ）を含む。別の実施形態においては、ｎ型コンタクト層１８は、光発生構造体１２により発生される放射に対して少なくとも部分的に透過性であるＡｌＧａＮ ＳＰＳＬなどの短周期超格子から形成されたクラッド層を備える。
[0032]図３は、別の実施形態による例示的な発光ヘテロ構造体２０のバンド図を示す。ヘテロ構造体２０においては、障壁層２２が、クラッド層１４に隣接してやはり設けられる。一実施形態においては、障壁層２２は、障壁層２２の幅に沿って傾斜アルミニウム組成又は変調アルミニウム組成を有するＩＩＩ族窒化物材料を含むことが可能である。別の実施形態においては、障壁層２２は、ヘテロ構造体２０における材料品質を向上させることの可能な超格子構造体を備えることが可能である。障壁層２２は、任意の解決策を利用して電子障壁層として及び／又はクラッド層として構成することが可能である。
[0033]図４は、さらに別の実施形態による例示的な発光ヘテロ構造体３０のバンド図を示す。ヘテロ構造体３０においては、光発生構造体１２の第１の障壁１５の厚さ３２（電子の移動方向において測定される厚さ）は、ｎ型コンタクト１８から光発生構造体１２内に注入された電子を加速して、量子井戸のエネルギー状態に対して極性光学フォノンのエネルギーＥＯＰＴ−ＰＨＯＮＯＮに到達させるのに十分なものとなるように選択される。さらに、光発生構造体１２の残りの部分の厚さ３４は、電子による極性光学フォノン放出の（例えば若干超過した）平均自由行程に相当するように選択され得る。
[0034]図５は、さらに別の実施形態による例示的な発光ヘテロ構造体４０のバンド図を示す。ヘテロ構造体４０においては、ｐ型障壁層４２のエネルギーと光発生構造体１２内の量子井戸における電子基底状態エネルギーとの間のエネルギー差４４（例えばバンドオフセット）は、光発生構造体１２の材料における極性光学フォノンのエネルギーＥＯＰＴ−ＰＨＯＮＯＮよりも若干大きい。一実施形態においては、このエネルギー差は、ほぼ熱エネルギー分だけ極性光学フォノンのエネルギーを上回る。障壁層４２は、任意の解決策を利用して電子障壁層として及び／又はクラッド層として構成することが可能である。
[0035]図６は、一実施形態による発光ダイオード（ＬＥＤ）用の例示的なヘテロ構造体５０を示す。図示するように、ヘテロ構造体５０は、基板５２、ｎ型コンタクト５４、光発生構造体５６、及びｐ型コンタクト５８を備えることが可能である。一実施形態においては、基板５２及びｎ型コンタクト５４は、光発生構造体５６により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性であり、それにより、この透過性基板５２を通りヘテロ構造体５０から出る光発生構造体５６により発生される光を抽出することが可能となる。さらに、ヘテロ構造体５０は、ヘテロ構造体５０の透過性側（例えば透過性基板５２）ではなく光発生構造体５６の対向側に、分散半導体ヘテロ構造ブラッグ反射（ＤＢＲ）構造体６０を備えることが可能である。ＤＢＲ構造体６０は、別様に設けられた場合よりも、光発生構造体５６によって発生された光をより多く透過性基板５２の外に反射するように構成され得る。さらに、ヘテロ構造体５０は、ＤＢＲ構造体６０と光発生構造体５６との間に位置する電子障壁層６１を備えることが可能であり、この障壁層６１は、光発生構造体５６内に捕獲することなく、ｎ型コンタクト５４からｐ型コンタクト５８への残留電子のオーバーフローを抑制することが可能である。電子障壁層６１は、光発生構造体５６により発生された光に対して少なくとも部分的に透過性となるように構成され得る。
[0036]ヘテロ構造体５０の種々の構成要素は、本明細書において説明するようなＩＩＩ族窒化物材料などの任意の適切な材料から形成することが可能である。一実施形態においては、ｎ型コンタクト５４は、光発生構造体５６により発生される放射に対して少なくとも部分的に透過性である短周期超格子から形成され、この短周期超格子は、より良好なドーパントイオン化、より良好な結晶品質、及び／又は放出された放射に対するより高い光学透過性により、より高い自由正孔濃度を実現することが可能である。他の一実施形態においては、ｎ型コンタクト５４（例えば短周期超格子）は、ＩＩＩ族窒化物材料から形成される。
[0037]追加の層（複数可）及び／又は構造体（複数可）をヘテロ構造体５０に設けることが可能であると理解している。例えば、ヘテロ構造体５０は、反射層、フォトニック結晶、ミラー、及び／又は同様のものを備えることが可能である。これらの層（複数可）及び／又は構造体（複数可）は、これらの追加的な層（複数可）及び／又は構造体が存在しない状態で放出される光量よりもヘテロ構造体５０から放出される光量を増加させるような態様で、光発生構造体５６により発生される光を送るように構成され得る。同様に、１つ又は複数の追加の層を、図６に図示する任意の層間に配置することが可能である。例えば、バッファ層及び／又は第２の層が、基板５２の上に直に形成されてもよく、ｎ型コンタクト５４が、第２の層の上に直に形成されてもよい。
[0038]一実施形態においては、ヘテロ構造体が、ＤＢＲ構造体６０と金属反射体などの反射体との間に位置する光発生構造体５６を備えることが可能である。この例においては、ＤＢＲ構造体６０及び反射体（例えば反射コンタクト）は、共振光場の分散を確立することが可能であり、この共振光場の分散により、ヘテロ構造体からの光抽出効率を向上させることが可能となる。反射体は、光発生構造体５６により発生される光に対して少なくとも部分的に反射性である任意のタイプの材料から形成することが可能である。一実施形態においては、反射体の材料は、光発生構造体５６により放出される紫外光のピーク波長に対応する波長を含む紫外光範囲の反射性に応じて選択される。
[0039]この点で、図７は、例示的な反射コンタクト用の種々のコーティングの反射係数を示す。例示の反射コンタクトは、とりわけアルミニウム、強化アルミニウム、一酸化アルミニウムケイ素、フッ化マグネシウムアルミニウム、ロジウム、強化ロジウム、金、及び／又は同様のものなどから形成され得る。図７に示すように、ロジウム及び強化ロジウムは、特に金と比較した場合に、紫外波長範囲内において良好な反射性を実現する。特に、強化ロジウムは、深紫外波長範囲（例えば約０．３マイクロメートル（μｍ）未満の波長など）において優れた反射性を実現する。しかし、ロジウムは、ＡｌＧａＮ材料に対する良好なオーム接触をもたらさない。
[0040]一実施形態においては、深紫外発光ダイオードなどの発光ダイオードが、複合反射コンタクトを備える。例えば、図８Ａは、ＬＥＤ６２の例示的な構成を示す。この構成は、ロジウム及び／又は強化ロジウムの層６６に隣接する第１の金属からなる薄い（例えば２〜５ナノメートル厚の）層６４を備える複合コンタクト６３を備える。層６４は、この対応する厚さの層６４にて発光ヘテロ構造体６８により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性となり、ＩＩＩ族窒化物材料から形成されたヘテロ構造体などのヘテロ構造体６８の表面に対するより厚い反射層６６のオーム接触及び／又は接着の向上をもたらす、任意の金属から形成することが可能である。一実施形態においては、層６４は、ニッケル（Ｎｉ）から形成される。しかし、層６４は、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＸ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、コバルト（Ｃｏ）、及び／又は同様のものを含む任意の適切な材料から形成され得るものであると理解している。
[0041]様々な代替的な複合コンタクト構成が可能である。例えば、図８Ｂは、複数の金属層７４Ａ〜７４Ｆから形成された複合コンタクト７２（例えば金属超格子）を備えるＬＥＤ７０の例示的な構成を示す。これらの各金属層は、ＬＥＤ７０の、ＩＩＩ族窒化物材料から形成されたヘテロ構造体などの対応する発光ヘテロ構造体７６により放出される光に対して少なくとも部分的に透過性又は反射性を有することが可能である。一実施形態においては、これらの金属層７４Ａ〜７４Ｆはそれぞれ、発光ヘテロ構造体７６により放出される光に対して少なくとも部分的に透過性となるように構成される。例えば、金属層７４Ａ〜７４Ｆは、Ｏ２雰囲気内で酸化することが可能な、Ｎｉ、ＮｉＯＸ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｏ、及び／又は同様のものから選択された２つの金属からなる交互の薄い（例えば２〜５ナノメートル厚の）層を備えることが可能である。これらの複数の金属層７４Ａ〜７４Ｆを使用することにより、反射性／透過性の向上と、複合コンタクト７２により反射される／複合コンタクト７２を通過する放射の偏光制御とが可能となり得る。複合コンタクト７２は、各２つの金属からなる３つの反復セットを備えるように図示されるが、複合コンタクト７２は、２つ以上の金属の任意の組合せ及び任意の個数の層を備えることが可能であると理解している。
[0042]別の実施形態においては、複合コンタクトが、グラフェンを含むことが可能である。例えば、複合コンタクト６３の層６４（図８Ａ）及び／又は複合コンタクト７２の層のセット７４Ａ〜７４Ｆを、グラフェンから形成することが可能であり、これは、対応するヘテロ構造体により発生される光に対して透過性を有し、非常に高い導電性を有するように構成することが可能である。複合コンタクト６３の層６６及び／又は複合コンタクト７２のインターレース配置型層などの別の層が、グラフェンに隣接する金属薄層を備えることが可能であり、これは、複合コンタクト６３、７２における電流拡がりを向上させることが可能である。他の一実施形態においては、複合コンタクト６３、７３は、ヘテロ構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である。ＬＥＤは、例えばテクスチャ表面などによりＬＥＤからの光抽出を向上させるように構成された、グラフェンから形成されたコンタクトに隣接する１つ又は複数の層を備えることが可能であると理解している。
[0043]さらに、この発光ダイオードの複合コンタクトは、１つ又は複数の非均一層を備えることが可能である。例えば、非均一層が、多様な厚さを有することが可能であり、及び／又はいくつかの領域において存在しないことが可能である。図８Ｃは、非均一透過性接着層８４及び反射層８６から形成される複合コンタクト８２を備えるＬＥＤ８０の例示的な構成を示す。一実施形態においては、非均一透過性接着層８４は、ニッケルを含み、反射層８６は、強化ロジウムを含み、発光ヘテロ構造体８８は、深紫外放射などの紫外放射を放出するＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造体を備える。この例においては、発光ヘテロ構造体８８により放出される紫外放射は、透過性接着層８４が存在しない領域においては透過性接着層８４によって部分的に吸収されず、それにより、反射層８６による紫外放射の直接反射が可能となる。
[0044]さらに、透過性接着層８４の分布が非均一であることにより、非均一電流がもたらされ得る。この非均一電流は、発光ヘテロ構造体８８の表面との接着が透過性接着層８４により向上した区域にほぼ限定される。その結果、これらの領域における電流密度は、均一な接着層の場合よりも高くなり、したがって放射性再結合が強化され得る。しかし、非均一透過性接着層８４の構成は、ＬＥＤ８０の信頼性の問題を引き起こし得るＬＥＤ８０内における局所的過熱を生じさせない範囲に電流の非均一性を限定するように構成することが可能である。
[0045]非均一透過性接着層８４は、発光ヘテロ構造体８８の表面に沿って任意のタイプの分布を有することが可能である。例えば、図８Ｄは、非均一透過性接着層９４及び反射層９６から形成される複合コンタクト９２を備える、ＬＥＤ９０の例示的な構成を示す。一実施形態においては、非均一透過性接着層９４は、ニッケルを含み、反射層９６は、強化ロジウムを含み、発光ヘテロ構造体８８は、深紫外放射などの紫外放射を放出するＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造体を備える。この例においては、透過性接着層９４は、断続的なものであり、これにより反射性フォトニック結晶を形成する。反射性フォトニック結晶を形成することにより、複合コンタクト９２の光反射を向上させることが可能になり、したがってＬＥＤ９０からの光の対応する光抽出を向上させることが可能となる。
[0046]サンプルの透過性ＤＵＶ ＬＥＤを実施形態に従って製造し、それと共に従来のＤＵＶ ＬＥＤを比較用に製造した。これらのＤＵＶ ＬＥＤは、深紫外範囲の中又は付近にピーク発光波長を有する放射を放出するように構成した。これらの透過性ＤＵＶ ＬＥＤはそれぞれ、典型的なＬＥＤの透過性傾斜ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型ＧａＮコンタクト層に替えて、クラッド層として透過性ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ短周期超格子構造体（ＳＰＳＬ）を備えていた。ＤＵＶ ＬＥＤ構造体は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）及びマイグレーション強化ＭＯＣＶＤの組合せによりサファイア基板上に成長させた。各ＤＵＶ ＬＥＤは、その表面付近に偏光誘発される高い自由正孔濃度を生じさせ、ｐ型コンタクトを向上させる、薄いｐ＋＋−ＧａＮコンタクト層を備えていた。これらのＤＵＶ ＬＥＤについて、３００ケルビン（Ｋ）（例えば室温）及び７７Ｋのホール測定を行うと、９．８×１０１７ｃｍ−３及び９．６×１０１７ｃｍ−３の自由正孔濃度をそれぞれ示した。これは、２次元（２Ｄ）正孔ガスの形成と調和する。この測定された正孔移動度は、３００Ｋでの７．６ｃｍ２／Ｖｓから７７Ｋでの１１ｃｍ２／Ｖｓへと上昇した。
[0047]これらのＤＵＶ ＬＥＤの光透過性測定により、各ＤＵＶ ＬＥＤについて、ピークＬＥＤ発光波長にて最大で約８０％の透過率が示された。さらに、Ａｌベース反射性コンタクト及びＲｈベース反射性コンタクトは、深紫外範囲内において６０％超の反射性を実現した。図９は、従来のＤＵＶ ＬＥＤ構造体及び透過性３４０ナノメートルＤＵＶ ＬＥＤ構造体の例示的な透過スペクトルを含むグラフを図示する。
[0048]従来のＮｉ／Ａｕのｐ型コンタクト並びに吸収性及び透過性のｐ型クラッド層を有する３４０ｎｍＤＵＶ ＬＥＤの順方向電圧（Ｖｆ）を測定すると、２０ｍＡにてそれぞれ５．２ボルト（Ｖ）及び６．１Ｖとなった。反射性ｐ型コンタクトを使用することにより、コンタクト障壁間の電圧降下によってさらに約０．１〜０．２ＶのＶｆの上昇が得られた。より短い発光波長については、ＳＰＳＬ間の電圧降下により、５．３Ｖから６．４ＶへのＶｆの上昇が生じた。従来の及び反射性のｐコンタクトを有する透過性構造体３３０〜３４０ｎｍ発光ＬＥＤの出力を測定すると、２０ｍＡにてそれぞれ０．８３ｍＷ及び０．９１ｍＷとなった。基準ウェーハからなるデバイスは、同一電流にて０．３６ｍＷを示した。パッケージング前の３１０ｎｍＤＵＶ ＬＥＤを検査すると、ＤＵＶ ＬＥＤの効率において同様の上昇が見られた。この点で、図１０は、反射性コンタクトを有する３４ｎｍＤＵＶ ＬＥＤ構造体の例示的な性能向上を示すグラフを図示する。
[0049]本明細書にいて説明するヘテロ構造体及び／又はコンタクトの設計は、フリップチップ構成を使用したデバイスの形成においても使用することが可能である。例えば、図１１は、一実施形態によるフリップチップＬＥＤ１００の例示的な構成を示す。一実施形態においては、ＬＥＤ１００は、深紫外波長範囲において放射を放出するように構成された深紫外ＬＥＤを備えることが可能である。ＬＥＤ１００は、マウント１０２を備えることが可能であり、このマウント１０２は、ボンディングパッド１０６のセット及びはんだバンプ１０８のセットを使用してデバイスヘテロ構造体１０４に装着される。
[0050]一実施形態においては、マウント１０２は、静電放電（ＥＳＤ）、電力サージ、及び／又は同様のものにより引き起こされるものなどの過渡電圧サージからヘテロ構造体１０４を保護するように構成される。さらに特定の実施形態においては、マウント１０２は、デバイスヘテロ構造体１０４に平行リークパスを与える若干導電性を有する材料から形成される。例えば、この導電性材料は、半絶縁性の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むことが可能であり、この炭化ケイ素には、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、高純度ＳｉＣ、及び／又は同様のものなどの様々なポリタイプのＳｉＣの中の任意のものが含まれ得る。しかし、マウント１０２は、他のタイプの導電性材料及び／又はＥＳＤ保護構成体を備えることが可能であると理解している。
[0051]図示するように、デバイスヘテロ構造体１０４は、例えば反射性コンタクト１１０、透過性接着層１１２（本明細書において説明するように均一又は非均一であることが可能である）、ｐ型コンタクト１１４、障壁層１１６、光発生構造体１１８、及びｎ型コンタクト１２０などを備えることが可能である。このヘテロ構造体１０４の構成要素はそれぞれ、本明細書において説明するように製造することが可能である。ＬＥＤ１００の実施中に、反射性コンタクト１１０は、光発生構造体１１８により放出された紫外光などの光をｎ型コンタクト１２０の方向に反射することが可能である。ｎ型コンタクト１２０は、この光に対して少なくとも部分的に透過性であることが可能であり、これによりＬＥＤ１００から光を放出する。一実施形態においては、ｎ型コンタクト１２０ｌは、テクスチャ表面１２２を備えることが可能であり、このテクスチャ表面１２２は、ＬＥＤ１００からの光の抽出を向上させるように構成される。
[0052]本明細書において示し説明する様々なヘテロ構造体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高輝度発光ダイオード、レーザ、及び／又は同様のものなどの様々なタイプのデバイスの一部として実装することが可能である。一実施形態においては、このデバイスは、作動中に紫外放射を放出するように構成される（例えば紫外ＬＥＤ、紫外高輝度発光ダイオード、及び／又は同様のものなど）。さらに特定の一実施形態においては、この紫外放射は、例えば２１０ｎｍ〜３６５ｎｍなどの深紫外放射を含む。
[0053]本明細書においては、層が、対応する放射波長範囲内の光の少なくとも一部分を通過させ得る場合には、この層は、少なくとも部分的に透過性であるとする。例えば、層は、本明細書において説明する光発生構造体により放出される光（紫外光又は深紫外光など）のピーク発光波長に対応する放射波長範囲（例えばピーク発光波長＋／−５ナノメートル）に対して少なくとも部分的に透過性となるように構成され得る。本明細書においては、層が、放射の約０．００１％超を通過させ得る場合には、この層は、この放射に対して少なくとも部分的に透過性であるとする。さらに特定の一実施形態においては、少なくとも部分的に透過性の層は、放射の約５％超を通過させ得るように構成される。同様に、層が、該当する光（例えば光発生構造体のピーク発光付近の波長を有する光）の少なくとも一部分を反射する場合には、この層は、少なくとも部分的に反射性を有する。一実施形態においては、少なくとも部分的に反射性を有する層は、放射の約５％超を反射するように構成される。
[0054]本明細書においては、構造体及び／又はこの構造体を備える対応する半導体デバイスを設計及び／又は製造する方法として示し説明したが、本発明の態様は、様々な代替的な実施形態をさらに提供するものであると理解している。例えば、一実施形態においては、本発明は、本明細書において説明するように設計及び製造されたデバイスの中の１つ又は複数を備える回路を設計及び／又は製造する方法を提供する。
[0055]この点で、図１２は、一実施形態による回路１４６を製造するための例示的な流れ図を示す。初めに、ユーザは、デバイス設計システム１３０を使用して、本明細書において説明する方法を利用してデバイス設計１３２を生成することが可能である。デバイス設計１３２は、プログラムコードを備えることが可能であり、このプログラムコードは、デバイス製造システム１３４により使用されて、デバイス設計１３２により規定される特徴に従って物理デバイス１３６のセットを生成することが可能である。同様に、デバイス設計１３２は、（例えば回路中において使用するための利用可能構成要素として）回路設計システム１４０に提供することが可能であり、ユーザは、この回路設計システム１４０を使用して、回路設計１４２を生成することが可能である（例えば回路中に含まれる様々なデバイスに対して１つ又は複数の入力及び出力を接続することによって）。この回路設計１４２は、本明細書において説明する方法を利用して設計されたデバイスを含むプログラムコードを備えることが可能である。いずれの場合においても、回路設計１４２及び／又は１つ若しくは複数の物理デバイス１３６は、回路製造システム１４４に提供することが可能であり、この回路製造システム１４４は、回路設計１４２に従って物理回路１４６を生成することが可能である。物理回路１４６は、本明細書において説明する方法を利用して設計された１つ又は複数のデバイス１３６を備えることが可能である。
[0056]別の実施形態においては、本発明は、設計を行うためのデバイス設計システム１３０及び／又は本明細書において説明する方法を利用して半導体デバイス１３６を製造するためのデバイス製造システム１３４を提供する。この例においては、システム１３０、１３４は、汎用コンピュータデバイスを備え、このコンピュータデバイスは、本明細書において説明するような半導体デバイス１３６を設計及び／又は製造する方法を実装するようにプログラミングされる。同様に、本発明の一実施形態は、設計を行うための回路設計システム１４０及び／又は本明細書において説明する方法を利用して設計及び／又は製造された少なくとも１つのデバイス１３６を備える回路１４６を製造するための回路製造システム１４４を提供する。この例においては、システム１４０、１４４は、汎用コンピュータデバイスを備えることが可能であり、このコンピュータデバイスは、本明細書において説明するような少なくとも１つの半導体デバイス１３６を備える回路１４６を設計及び／又は製造する方法を実装するようにプログラミングされる。
[0057]本発明の様々な態様の前述の説明は、例示及び説明を目的として提示した。したがって、包括的なものとなるように、及び開示したまさにその形態に本発明を限定するようには意図されておらず、多くの変形形態及び変更形態が可能であることは自明である。当業者には明らかであろうかかる変更形態及び変形形態は、添付の特許請求の範囲により規定されるような本発明の範囲内に含まれる。
Claims (21)
- ｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層に隣接する第１の側部を有する光発生構造体であって、該光発生構造体が、量子井戸のセットを備え、前記ｎ型コンタクト層のエネルギーと量子井戸の前記セット中のある一の量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、該光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回り、該光発生構造体の幅が、該光発生構造体中に注入される電子による極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当する、光発生構造体と
を具備する、発光ヘテロ構造体。 - 前記量子井戸の前記電子基底状態エネルギーが、ほぼ熱エネルギー分だけ前記極性光学フォノンの前記エネルギーを上回る、請求項１に記載のヘテロ構造体。
- 障壁層をさらに備え、
前記障壁層のエネルギーと量子井戸の前記セット中のある一の量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、前記光発生構造体の前記材料における極性光学フォノンの前記エネルギーを上回る、請求項１に記載のヘテロ構造体。 - 前記光発生構造体が、量子井戸の前記セットとの間でインターレース配置される障壁のセットを備え、障壁の前記セットが、量子井戸の前記セットの中の第１の量子井戸及び前記光発生構造体の前記第１の側部に直に隣接する第１の障壁を備え、前記第１の障壁の厚さが、電場内に注入された電子を加速して、前記第１の量子井戸におけるエネルギー状態に対して前記極性光学フォノンの前記エネルギーに到達させるのに十分なものであり、前記光発生構造体の残りの部分の厚さが、前記極性光学フォノンの放出の平均自由行程を上回る、請求項１に記載のヘテロ構造体。
- 少なくとも部分的に透過性の基板であって、前記ｎ型コンタクトが、該基板と前記光発生構造体との間に位置し、前記光発生構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である、基板と、
前記ｎ型コンタクトとして前記光発生構造体の対向側部上に形成されるブラッグ反射構造体であって、前記光発生構造体により発生される光を前記基板の方向に反射するように構成される、ブラッグ反射構造体と
をさらに備える、請求項１に記載のヘテロ構造体。 - 前記光発生構造体と前記ブラッグ反射構造体との間に形成された電子障壁層をさらに備える、請求項５に記載のヘテロ構造体。
- 前記ｎ型コンタクトが、短周期超格子を備える、請求項５に記載のヘテロ構造体。
- 複合コンタクトをさらに備え、
前記複合コンタクトが、
前記光発生構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である接着層と、
前記光発生構造体により発生される前記光の少なくとも一部分を反射するように構成された反射性金属層と
を備える、請求項１に記載のヘテロ構造体。 - 前記接着層が、ニッケル、パラジウム、モリブデン及びコバルトの中の１つからなる薄層を備え、前記反射性金属層が、アルミニウム、強化アルミニウム、ロジウム及び強化ロジウムの中の１つを含む、請求項８に記載のヘテロ構造体。
- 前記接着層が、非均一層を備える、請求項８に記載のヘテロ構造体。
- 前記非均一接着層が、フォトニック結晶を形成するように構成される、請求項１０に記載のヘテロ構造体。
- 前記複合コンタクトとして前記光発生構造体の対向側部上に位置する分散半導体ヘテロ構造ブラッグ反射（ＤＢＲ）構造体をさらに備える、請求項８に記載のヘテロ構造体。
- 複合コンタクトをさらに備え、
ひ前記複合コンタクトの少なくとも１つの層が、グラフェンから形成される、請求項１に記載のヘテロ構造体。 - 金属超格子コンタクトをさらに備え、
ひ前記金属超格子が、第１の金属及び前記第１の金属とは異なる第２の金属からなる複数の交絡層を備え、前記金属超格子が、前記光発生構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である、請求項１に記載のヘテロ構造体。 - ｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層に隣接する第１の側部を有する光発生構造体であって、該光発生構造体が、量子井戸のセットを備え、該光発生構造体の幅が、該光発生構造体中に注入される電子の極性光学フォノン放出の平均自由行程に相当する、光発生構造体と、
前記第１の側部の対向側の前記光発生構造体の第２の側部の上に位置する障壁層であって、該障壁層のエネルギーと量子井戸の前記セット中のある一の量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、前記光発生構造体の前記材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回る、障壁層と
を備える、発光ヘテロ構造体。 - 前記光発生構造体が、量子井戸のセットとの間でインターレース配置される障壁のセットを備え、障壁の前記セットが、量子井戸の前記セットの中の第１の量子井戸及び前記光発生構造体の前記第１の側部に直に隣接する第１の障壁を備え、前記第１の障壁の厚さが、電場内に注入された電子を加速して、前記第１の量子井戸におけるエネルギー状態に対して前記極性光学フォノンの前記エネルギーに到達させるのに十分なものであり、前記光発生構造体の残りの部分の厚さが、前記極性光学フォノンの放出の平均自由行程を上回る、請求項１５に記載のヘテロ構造体。
- 複合コンタクトをさらに備え、
前記複合コンタクトが、
前記光発生構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である接着層と、
前記光発生構造体により発生される前記光の少なくとも一部分を反射するように構成された反射性金属層と
を備える、請求項１５に記載のヘテロ構造体。 - 前記接着層が、ニッケル、パラジウム、モリブデン及びコバルトの中の１つからなる薄層を備え、前記反射性金属層が、アルミニウム、強化アルミニウム、ロジウム及び強化ロジウムの中の１つを含む、請求項１７に記載のヘテロ構造体。
- ｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層に隣接する第１の側部を有する光発生構造体と、
複合コンタクトと
を具備する発光デバイスであって、
前記複合コンタクトが、
前記光発生構造体により発生される光に対して少なくとも部分的に透過性である接着層と、
前記光発生構造体により発生される前記光の少なくとも一部分を反射するように構成された反射性金属層と
を備える、発光デバイス。 - 前記接着層が、ニッケル、パラジウム、モリブデン及びコバルトの中の１つからなる薄層を備え、前記反射性金属層が、アルミニウム、強化アルミニウム、ロジウム及び強化ロジウムの中の１つを含む、請求項１９に記載のデバイス。
- 前記光発生構造体が、
量子井戸のセットであって、前記ｎ型コンタクト層のエネルギーと量子井戸の前記セット中のある一の量子井戸の電子基底状態エネルギーとの間の差が、前記光発生構造体の材料における極性光学フォノンのエネルギーを上回る、量子井戸のセットと、
量子井戸の前記セットとの間でインターレース配置される障壁のセットと
を具備し、
障壁の前記セットが、量子井戸の前記セットの中の第１の量子井戸及び前記光発生構造体の前記第１の側部に直に隣接する第１の障壁を備え、前記第１の障壁の厚さが、電場内に注入された電子を加速して、前記第１の量子井戸における前記電子基底状態エネルギーに対して前記極性光学フォノンの前記エネルギーに到達させるのに十分なものであり、前記光発生構造体の残りの部分の厚さが、前記光発生構造体中に注入される電子の極性光学フォノンの放出の平均自由行程を上回る、請求項１９に記載のデバイス。
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