JP2016513880A - InGaNを含んでいる活性領域を有している発光ダイオード半導体構造 - Google Patents
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Abstract
半導体構造は、複数のInGaNの層の間に活性領域を含んでいる。活性領域は、InGaNによって少なくとも実質的に構成されることが可能である。複数のInGaNの層は、InwGa1−wNを含んでいる少なくとも1つの井戸層と、少なくとも1つ井戸層に近接しInbGa1−bNを含んでいる少なくとも1つの障壁層とを含んでいる。いくつかの実施形態では、井戸層のInwGa1−wNでのwの値は、約0.10以上であってもよく、いくつかの実施形態では約0.40以下であってもよく、そして少なくとも1つの障壁層のInbGa1−bNでのbの値は、約0.01以上、約0.10以下であってもよい。半導体構造を形成する方法は、InGaNのこのような層を成長させて、LEDなどの発光デバイスの活性領域を形成するステップを含む。発光体デバイスは、このようなLEDを含んでいる。【選択図】 図11A
Description
[0001]本開示は、InGaNを含んでいる活性領域を有している半導体構造及びこのような半導体構造から製造された発光デバイス、このような発光デバイスを製造する方法、並びにこのような発光デバイスを含んでいるデバイスに関する。
[0002]発光ダイオード(LED)などの発光デバイスは、電圧がアノードとカソードとの間のLEDの活性領域をはさんで印加されるときに可視光の形で電磁放射光を放出する電気デバイスである。LEDは、半導体材料の1つ又は複数の層を典型的には含んでおり、その中でアノードから供給された電子及びカソードから供給された正孔が再結合する。LEDの活性領域内で電子及び正孔が再結合するので、エネルギーは、LEDの活性領域から放出されるフォトンの形で放たれる。
[0003]LEDは、例えば、III−V半導体材料、及びII−V半導体材料を含んでいる広範囲の様々なタイプの半導体材料を含むように製造されることが可能である。いずれかの特定のLEDから放出された光の波長は、電子及び正孔が再結合するときに放たれるエネルギーの量の関数である。このように、LEDから放出される光の波長は、電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギーの相対的な差の関数である。電子のエネルギー準位及び正孔のエネルギー準位は、少なくとも部分的に、半導体材料の組成、ドーピングタイプ及び濃度、半導体材料の構成(すなわち、結晶構造及び方位)、並びに電子及び正孔の再結合が生じる半導体材料の品質の関数である。このようにLEDから放出された光の波長は、LED内の半導体材料の組成及び構成を選択的に調整することによって選択的に調整されることが可能である。
[0004]Inは、III族窒化物材料などのIII−V半導体材料を含んでいるLEDを製造するために、本技術において知られている。このようなIII族窒化物LEDは、電磁放射光スペクトルの青及び緑可視領域での放射光を放出することができることが知られており、比較的高出力及び高光度で動作することができることが知られている。
[0005]この要約は、単純化した形態で概念の選択を紹介するために提供される。これらの概念は、下記の開示の例の実施形態の詳細な説明においてさらに詳細に説明される。この要約は、特許請求した主題の鍵となる特徴又は本質的な特徴を特定するものではなく、特許請求した主題の範囲を限定するために使用されるものでもない。
[0006]いくつかの実施形態では、本開示は、ベース層と、ベース層の上方に配置された活性領域と、電子阻止層と、p型InpGa1−pNバルク層と、p型IncGa1−cNコンタクト層とを含んでいる半導体構造を含む。活性領域は、InwGa1−wNを含んでいる少なくとも1つの井戸層、但し、0.10≦w≦0.40、及びInbGa1−bNを含んでいる少なくとも1つの障壁層、但し、0.01≦b≦0.10、を含んでいる複数のInGaNの層を備えている。電子阻止層は、ベース層の反対の活性領域の側で活性領域の上方に配置されている。電子阻止層は、IneGa1−eN、但し、0.00≦e≦0.02、を含んでいる。p型InpGa1−pNバルク層は、電子阻止層の上方に配置され、InpGa1−pNバルク層では0.00≦p≦0.08である。p型IncGa1−cNコンタクト層は、p型InpGa1−pNバルク層の上方に配置され、IncGa1−cNコンタクト層では0.00≦c≦0.10である。
[0007]追加の実施形態では、本開示は、このような半導体構造から製造された発光デバイスを含む。
[0008]例えば、いくつかの実施形態では、本開示は、ベース層と、ベース層の上方に配置された活性領域と、活性領域の上方に配置された電子阻止層と、電子阻止層の上方に配置されたp型InpGa1−pNバルク層と、p型InpGa1−pNバルク層の上方に配置されたp型IncGa1−cNコンタクト層とを備えている発光デバイス含む。活性領域は、少なくとも1つのInGaN井戸層及び少なくとも1つの井戸層の上に直接配置された少なくとも1つのInGaN障壁層を含んでいる複数のInGaNの層を備えている。発光デバイスの臨界歪エネルギーは、約1800未満であり得る。
[0009]追加の実施形態では、本開示は、ベース層を用意するステップと、複数のInGaNの層を成長させて、ベース層の上方に活性領域を形成するステップと、ベース層の反対の活性領域の側で活性領域の上方に電子阻止層を成長させるステップと、電子阻止層の上方にp型InpGa1−pNバルク層、但し、0.01≦p≦0.08、を成長させるステップと、p型InpGa1−pNバルク層の上方にp型IncGa1−cNコンタクト層、但し、0.00≦c≦0.10、を成長させるステップとを含んでいる、半導体構造を形成する方法を含む。複数のInGaNの層を成長させるステップは、少なくとも1つのInwGa1−wN井戸層、但し、0.10≦w≦0.40、を成長させるサブステップと、少なくとも1つのInbGa1−bN障壁層、但し、0.01≦b≦0.10、を成長させるサブステップとを含む。
[0010]さらなる実施形態では、本開示は、電磁放射光の可視波長に対して少なくとも実質的に透明な容器と、容器内の本明細書において説明したような1つ又は複数のLEDとを含んでいる発光体デバイスを含む。例えば、容器内のLEDは、アノードコンタクトと、カソードコンタクトと、アノードコンタクトとカソードコンタクトとの間の活性領域とを含むことができる。活性領域は、複数のInGaNの層を含んでおり、いくつかの実施形態ではInGaNによって少なくとも実質的に構成されてもよい。複数のInGaNの層は、InwGa1−wNを含んでいる少なくとも1つの井戸層、但し、0.05≦w≦0.25、と、少なくとも1つ井戸層に近接しInbGa1−bNを含んでいる少なくとも1つの障壁層、但し、0.01≦b≦0.10、とを含んでいる。
[0043]本明細書において提示した説明図は、いずれかの特定の半導体材料、構造又はデバイスの実際の図であることを意味せずに、本開示の実施形態を説明するために使用される単に理想化した表示である。
[0044]図1Aは、半導体構造100の実施形態を図示する。半導体構造100は、複数のIII族窒化物層(例えば、窒化インジウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及びこれらの合金)を備えており、且つベース層102、p型コンタクト層104、及びベース層102とp型コンタクト層104との間に配置された活性領域106を含んでおり、活性領域106が複数のInGaNの層を含んでいる。加えて、活性領域106は、少なくとも1つのInGaN井戸層及び少なくとも1つのInGaN障壁層を含んでいる。いくつかの実施形態では、活性領域106は、(ドーパントの存在を除いて)InGaNよって少なくとも実質的に構成されてもよい。半導体構造100は、活性領域106の上方に配置された電子阻止層108、電子阻止層108の上方に配置されたp型バルク層110、及びp型バルク層110の上方に配置されたp型コンタクト層104をさらに含んでいる。
[0045]ベース層102は、任意選択のInnGa1−nNベース層112を含むことができ、ここでは、InnGa1−nNベース層112の成長面は、約3.186オングストローム以上の成長面格子定数を有する極性面である。発光ダイオードなどの発光デバイスは、本明細書において後で詳細に説明されるように、半導体構造100から製造されることが可能である。しかしながら、手短に言えば、第1の電極コンタクトは、ベース層102の一部分の上方に形成されることがあり、第2の電極コンタクトが、p型コンタクト層104の一部分の上方に形成されること可能であり、その結果、電圧は、活性領域106をはさんで電極コンタクト間に供給されることが可能であり、これによって半導体構造100から製造された発光デバイスから電磁放射光(例えば、可視光)を放出させるようにする。
[0046]少なくとも1つのInGaN井戸層及び少なくとも1つのInGaN障壁層を含んでいる活性領域を含んでいる、本開示の半導体構造の実施形態は、InGaNなどのIII族窒化物層を成長させるため又はそうでなければ形成するための様々なタイプの方法を使用して製造されることが可能である。非限定的な例として、様々なIII族窒化物層は、化学気相堆積(CVD)プロセス、有機金属化学気相堆積プロセス(MOCVD)、気相エピタキシ(VPE)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、ハイブリッド気相エピタキシ(HVPE)プロセス、分子線エピタキシ(MBE)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、化学ビームエピタキシ(CBE)プロセス、等のうちの1つ又は複数を使用して成長される又はそうでなければ堆積されてもよい。
[0047]いくつかの実施形態では、レタートレ(Letertre)らの名で2010年7月15日に公開された米国特許出願公開第2010/0176490号、アレナ(Arena)の名で2010年5月6日に公開された米国特許出願公開2010/0109126号、フィゲット(Figuet)の名で2012年8月23日に公開された米国特許出願公開第2012/0211870号、及びフィゲットの名で2012年9月6日に公開された米国特許出願公開第2012/0225539号のうちの1つ又はすべてに開示されたような方法が、III族窒化物の様々な層を成長させる又はそうでなければ堆積するために使用されてもよい。このような方法は、本明細書において下記に説明されるような組成及び厚さを有しているInGaN層(及び他の任意選択のIII族窒化物層)などの、III族窒化物層の製造を可能にすることができる。このような方法は、成長テンプレート113を形成するために使用されることが可能であり、この上に後にIII族窒化物層が形成されることが可能である。
[0048]開示の実施形態にしたがって、図1Aに図示したような、成長テンプレート113を製造するために使用されることがあるこのような方法の例が、簡単に説明される。
[0049]図1Aの半導体構造100は、成長テンプレート113上に形成した複数のIII族窒化物の層を含んでいる。いくつかの実施形態では、成長テンプレート113は、成長基板658及び成長基板658の上に配置されたGaNシード層656を備えており、ここでは、GaNシード層の成長面が極性面を備える。成長テンプレート113は、成長基板658とGaNシード層656との間に配置されたIII族窒化物核形成層660をさらに備えることができる。
[0050]成長基板658は、均質材料又は異質(すなわち、複合)材料を含むことができる。非限定的な例として、成長基板658は、サファイア、シリコン、III族ヒ化物、石英(SiO2)、溶融シリカ(SiO2)ガラス、ガラス−セラミック複合材料(例えば、商標ゼロデュア()(登録商標)の下でDuryea, PAのSchott North America, Inc.により販売されているものなど)、溶融シリカガラス複合材料(例えば、SiO2−TiO2若しくはCu2−Al2O3−SiO2など)、窒化アルミニウム(AlN)、又は炭化ケイ素(SiC)を含むことができる。いくつかの実施形態では、成長基板は、c−面サファイアを含んでおり、ここでは、サファイアの成長面659がc−面を備える。
[0051]III族窒化物核形成層660は、化学気相堆積(CVD)プロセス、有機金属化学気相堆積プロセス(MOCVD)、気相エピタキシ(VPE)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、ハイブリッド気相エピタキシ(HVPE)プロセス、分子線エピタキシ(MBE)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、化学ビームエピタキシ(CBE)プロセス、等などの、本技術において知られているような堆積方法及びプロセスによって形成されることが可能である。
[0052]III族窒化物核形成層660は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、又は窒化ガリウム(GaN)を含むことができる。III族窒化物核形成層660は、約100ナノメートル(100nm)以下、約20ナノメートル(25nm)以下、又はそれどころか約10ナノメートル(10nm)以下の平均層厚さを有するように形成されることがある。III族窒化物核形成層660は、意図的なドーパント又は意図しないドーパントをやはり含むことができる。III族窒化物核形成層660は、成長基板658の上に直接、そして成長基板658とGaNシード層656との間に配置されることが可能である。III族窒化物核形成層は、例えば、約700℃以下の堆積温度で行われた化学気相堆積によって形成されてもよい。III族窒化物核形成層660の堆積に際して、III族窒化物核形成660は、約700℃よりも高い温度でアニールされる(すなわち、加熱される)ことがあり、III族窒化物核形成層660の結晶特性を改善することができる。
[0053]GaNシード層656は、成長基板658上に堆積されることが可能である。GaNシード層656の成長面662は、極性成長(例えば、ガリウム極性又は窒素極性)面を備えることができる。いくつかの実施形態では、GaNシード層656の成長面662は、ガリウム極性成長面を備えてもよい。さらなる実施形態では、GaNシード層656は、例えば、GaNシード層656が引張歪の状態で形成されるように、堆積プロセスによって形成されてもよい。言い換えると、GaNシード層656は、成長面662における結晶格子が成長基板658の結晶格子に実質的に一致するように形成されてもよい。例えば、GaNシード層656の成長面662の格子定数は、約3.186オングストロームに等しい平均格子値を有することができる。
[0054]GaNシード層656は、化学気相堆積(CVD)プロセス、有機金属化学気相堆積プロセス(MOCVD)、気相エピタキシ(VPE)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、ハイブリッド気相エピタキシ(HVPE)プロセス、分子線エピタキシ(MBE)プロセス、原子層堆積(ALD)プロセス、化学ビームエピタキシ(CBE)プロセス、等などの、例えば、本技術において知られているような堆積方法及びプロセスによって形成されることが可能である。例えば、GaNシード層656は、化学気相堆積プロセスを使用して形成されてもよく、ここでは堆積プロセスが約1100℃以下の温度で実行される。
[0055]GaNシード層656は、約1マイクロメートル(1μm)から約7マイクロメートル(7μm)に及ぶ範囲内の平均層厚さTsを有するように形成されることが可能である。1つの特定の非限定的な例として、平均層厚さTsは、約4マイクロメートル(4μm)に等しくてもよい。GaNシード層656は、意図的なドーパント又は意図しないドーパントをやはり含むことができる。例えば、GaNシード層656は、シリコン又はゲルマニウムなどの、電子ドナーである元素を用いてドープすることによってn型にドープされてもよい。GaNシード層656中のドーパントの濃度は、約3e17cm−3から約1e20cm−3まで、又は約5e17cm−3から約4e19cm−3までの範囲にわたることがある。GaNシード層656の成長速度は、毎分約25ナノメートル(25nm/min)と毎分約50ナノメートル(50nm/min)との間の範囲にわたることがある。
[0056]GaNシード層656は、成長基板658とは反対のIII族窒化物核形成層660の側でIII族窒化物核形成層660の上に直接配置されることが可能である。したがって、GaNシード層656は、核形成層660と活性領域106との間に配置されることが可能である。
[0057]追加の実施形態では、成長テンプレート113は、図6A〜図6Cを参照して下記に説明されるような構造を有することができ、下記にやはり説明されるような方法を使用して形成されてもよい。
[0058]図6Aは、(図6Cの)成長テンプレート113の形成の際に利用される中間半導体構造650の上平面図であり、この上に本開示の1つ又は複数の半導体構造そして続いて発光デバイスが製造されることが可能であり、図6Bは、成長テンプレート113の形成の際に利用される中間半導体構造650の一部分の単純化した断面図である。成長テンプレート113は、前述の米国特許出願公開第2010/0176490号及び/又は米国特許出願公開第2010/0109126号に開示されているように製造されることが可能である。これらの中に開示されているように、中間半導体構造650は、犠牲基板652、犠牲基板652上に配置されたコンプライアント材料654の層、及びコンプライアント材料654の上方に配置された1つ又は複数のInsGa1−sNシード層656を含むことができる。1つ又は複数のInsGa1−sNシード層656は、「シード」として使用されることが可能であり、この上に、本明細書において説明されている半導体構造100の様々な連続する層が形成されることが可能である。
[0059]初期InsGa1−sNシード層は、初期成長基板上に形成されることが可能であり、引き続いて、イオン注入、ボンディング及び引き続く初期InsGa1−sNシード層(図示せず)の一部分の分離などの方法を利用して犠牲基板652に移されることが可能である。初期成長基板は、初期InsGa1−sNシード層と成長面格子不整を有していることで特徴付けられる成長基板を含むことができ、その結果、InsGa1−sNシード層が歪んだ態様で形成されている。例えば、初期成長基板は、ガリウム極性GaNシード層を含んでいるサファイア基板を含むことができ、その結果、形成されたInsGa1−sNシード層は、引張り歪を受けているガリウム極性InsGa1−sNシード層を含んでいる。
[0060]初期InsGa1−sNシード層は、InsGa1−sNシード層がIII族窒化物の極性面を備える成長面を備えるように形成されることが可能である又は成長されることが可能である。例えば、成長面は、InsGa1−sNシード層がガリウム極性面を備えるように形成されてもよい。加えて、初期InsGa1−sNシード層は、InsGa1−sNシード層の組成が0.02≦s≦0.05であるように成長されることが可能である又はそうでなければ形成されることが可能である。1つの特定の非限定的な例として、InsGa1−sNシード層でのnの値は、約0.03に等しくてもよい。InsGa1−sNシード層はまた、約200ナノメートル(200nm)よりも厚い厚さに成長されることがある又はそうでなければ形成されることがある。InsGa1−sNシード層は、しかしながら、InsGa1−sNシード層がInsGa1−sNシード層臨界厚さを越えないような方法で形成されており、この臨界厚さは、InsGa1−sNシード層内の歪が付加的な欠陥の形成によって緩和することがある厚さである。この現象は、本技術において相分離と一般に呼ばれている。したがって、InsGa1−sNシード層は、歪んだ、高品質シード材料を含むことができる。
[0061]例としてそして限定ではなく、スマートカット(SMART−CUT)プロセスとして産業において知られているプロセスが、ボンディング層としてコンプライアント材料654を利用して犠牲基板652へInsGa1−sNシード層656を移すために使用されてもよい。このようなプロセスは、例えば、ブルエル(Bruel)による米国特許第RE39,484号、アスパ(Aspar)らによる米国特許第6,303,468号、アスパらによる米国特許第6,335,258号、モリソ(Moriceau)らによる第6,756,286号、アスパらによる第6,809,044号、及びアスパらによる第6,946,365号に詳細に記載されている。
[0062]犠牲基板652は、均質材料又は異質(すなわち、複合)材料を含むことができる。非限定的な例として、支持基板652は、サファイア、シリコン、III族ヒ化物、石英(SiO2)、溶融シリカ(SiO2)ガラス、ガラス−セラミック複合材料(例えば、商標ゼロデュア(登録商標)の下でDuryea, PAのSchott North America, Inc.により販売されているものなど)、溶融シリカガラス複合材料(例えば、SiO2−TiO2若しくはCu2−Al2O3−SiO2など)、窒化アルミニウム(AlN)、又は炭化ケイ素(SiC)を含むことができる。
[0063]コンプライアント材料654の層は、例えば、約800℃以下のガラス転移温度(Tg)を有する材料を含むことができる。コンプライアント材料654の層は、約0.1μmから約10μmまで、特に、約1μmから約5μmまでに及ぶ範囲の厚さを有することができる。非限定的な例として、コンプライアント材料100の層は、酸化物、リンケイ酸ガラス(PSG)、ホウケイ酸塩(BSG)、ホウリンケイ酸ガラス(BPSG)、ポリイミド、ドープした又はアンドープの擬似無機シロキサンスピンオンガラス(SOG)、無機スピンオンガラス(すなわち、メチル−、エチル−、フェニル−、又はブチル)、及びドープした又はアンドープのケイ酸塩のうちの少なくとも1つを含むことができる。
[0064]コンプライアント材料654の層は、コンプライアント材料654の層の粘性を低下させるために十分な温度まで、例えば、オーブン、炉、又は堆積反応装置を使用して加熱されて、コンプライアント材料654の層をリフローさせることでき、1つ又は複数のInsGa1−sNシード層656が結晶格子歪を少なくとも部分的に緩和させる。コンプライアント材料654の層の粘性を低下させることによって、InsGa1−sNシード層656中の引張歪が、少なくとも部分的に緩和されることが可能である、又は除去されることが可能でさえあり、これによって、約3.189オングストローム以上の成長面格子定数を備えているInsGa1−sNシード層を形成することができる。
[0065]したがって、InsGa1−sN内の格子歪の少なくとも一部分を緩和することによって、成長面格子定数は、InsGa1−sNでは約3.189オングストローム以上のものになることができる。3.189オングストローム以上の成長面格子定数は、ウルツ鉱型GaNについての平衡成長面格子定数に対応することができる。したがって、開示のいくつかの実施形態によれば、本開示のInsGa−1sN層上に又は上方に形成された1つ又は複数のGaN層は、無歪状態で、すなわち、実質的に格子歪がなく形成されることがある。
[0066]1つ又は複数のInsGa1−sNシード層656を少なくとも部分的に緩和すると、InsGa1−sNシード層656は、支持基板に移されることが可能であり、引き続いてコンプライアント材料654及び犠牲基板652が、図6Cに図示したような成長テンプレート113を形成するために除去されることが可能である。非常に詳細にそして図6B及び図6Cを参照して、少なくとも部分的に緩和されたInsGa1−sNシード層656は、支持基板659に張り付けられることが可能であり、犠牲基板652及びコンプライアント材料654は、レーザリフトオフ、ウェットエッチング、ドライエッチング、及び化学機械研磨のうちの1つ又は複数の方法などを利用して除去されることが可能である。
[0067]支持基板659は、均質材料又は異質(すなわち、複合)材料を含むことができる。非限定的な例として、支持基板659は、サファイア、シリコン、III族ヒ化物、石英(SiO2)、溶融シリカ(SiO2)ガラス、ガラス−セラミック複合材料(例えば、商標ゼロデュア(登録商標)の下でDuryea, PAのSchott North America, Inc.により販売されているものなど)、溶融シリカガラス複合材料(例えば、SiO2−TiO2若しくはCu2−Al2O3−SiO2など)、窒化アルミニウム(AlN)、又は炭化ケイ素(SiC)を含むことができる。
[0068]図6Cに示したように、いくつかの実施形態では、成長テンプレート113は、支持基板659に重なっている誘電体材料の層661を任意選択で含むことができる。誘電体材料の層661は、任意選択で、支持基板659の主表面又は1つ若しくは複数のInsGa1−sNシード層656の上方に形成されることが可能であり、ここでは、誘電体材料661は、支持基板659へのInsGa1−sNシード層656のボンディングを容易にするためにボンディング層として利用される。誘電体材料の層661は、例えば、酸窒化ケイ素(SiON)、窒化ケイ素(Si3N4)、又は二酸化ケイ素(SiO2)を含むことができ、そして例えば、化学気相堆積(CVD)、物理気相堆積(PVD)、又は原子層堆積(ALD)を使用して形成されてもよい。したがって、成長テンプレート113は、図6Cに示したように、支持基板659及び支持基板659上に配置されたInsGa1−sNシード層656を含んでいる。
[0069]加えて、InsGa1−sNシード層656は、InsGa1−sNシード層656の組成が0.02≦s≦0.05の範囲にわたることができるように、支持基板659の上方に形成されることが可能である。1つの特定の非限定的な例として、InsGa1−sNシード層656でのsの値は、約0.03に等しくてもよい。その上、InsGa1−sNシード層656は、約3.189オングストローム以上の成長面格子定数を備えている極性成長面662を有することができる。InsGa1−sNシード層はまた、約100ナノメートル(100nm)よりも厚い全層厚さTsに形成されることが可能である。
[0070]成長テンプレート113は、本明細書において上に説明したように、図1Aのベース層102の一部を形成していることがあり、そして成長基板658、III族窒化物核形成層660及びGaNシード層656を含むことができる。ベース層102は、いくつかの実施形態では、任意選択のInnGa1−nNベース層112をやはり含むことができ、ここでは、InnGa1−nNベース層は、隣接するGaNシード層の一定の結晶特性を受け継いでいる。したがって、InnGa1−nNベース層112は、約3.186オングストローム以上の成長面格子定数を有する、ガリウム極性成長面などの、極性成長面をやはり備えることができる。
[0071]InnGa1−nNベース層112は、InnGa1−nNの層を含むことができ、但し、0.00≦n≦0.10である、又は但し、0.02≦n≦0.08である。1つの特定の非限定的な例の実施形態として、InnGa1−nNベース層112でのnの値は、約0.05に等しくてもよい。InnGa1−nNベース層112は、約10ナノメートル(10nm)と約3,000ナノメートル(3,000nm)との間の、又は約10ナノメートル(10nm)と約1,000ナノメートル(1,000nm)との間の平均層厚さTnを有することができる。任意選択で、InnGa1−nNベース層112は、ドープされてもよい。例えば、InnGa1−nNベース層112は、シリコン又はゲルマニウムなどの電子ドナーである元素を用いてドープすることによってn型にドープされてもよい。InnGa1−nNベース層112中のドーパントの濃度は、約3e17cm−3から約1e20cm−3まで、又は約5e17cm−3から約1e19cm−3までの範囲にわたることがある。
[0072]第1の電極コンタクトは、半導体構造100から発光デバイスを製造するためにInGaNを含んでいる半導体構造100の他の様々な層のうちの1つ又は複数を形成した後で、ベース層102の少なくとも一部分の上方に形成されることが可能である。
[0073]図1Aに示したように、完成したベース層102は、本明細書において上に説明したように成長テンプレート113、及び任意選択のInnGa1−nNベース層112を含んでいる。半導体構造100の様々なIII族窒化物層は、後に本明細書においてさらに詳細に説明するように、層毎のプロセスで成長されることが可能である又はそうでなければ形成されることが可能である。いくつかの実施形態では、ベース層102は、ベースを含むことができ、この上に半導体構造100の他の層が成長されてもよい又はそうでなければ形成されてもよい。このように、半導体構造100の様々なIII族窒化物層は、ベース層102から始めて図1Aの全体像の左から右への方向に移動して順次成長されることが可能である又はそうでなければ形成されることが可能であるけれども、構造は、実際には、ベース層102が製造中に底部に配置されるように向けられることが可能である。言い換えると、構造は、製造中には図1Aの向きから90°反時計方向に向けられることが可能である。
[0074]下記にさらに詳細に説明されるように、活性領域106は、ベース層102とp型コンタクト層104との間に配置されている。活性領域106は、少なくとも1つのInGaN井戸層114及び少なくとも1つのInGaN障壁層116を含んでいる。いくつかの実施形態では、活性領域106は、InGaN(ドーパントの存在を除く)によって少なくとも実質的に構成されてもよく、InGaN井戸層114のインジウム含有量がInGaN障壁層116のインジウム含有量よりも厳密に多い。特に、活性領域106は、InwGa1−wNから構成されている少なくとも1つの井戸層114を含むことができ、但し、0.10≦w≦0.40である、又はいくつかの実施形態では、0.12≦w≦0.25である、又はさらなる実施形態では、ここでは、wは約0.14に等しい。活性領域106はまた、InbGa1−bNから構成されている少なくとも1つの障壁層116を含んでおり、但し、b<wであり、そして、0.01≦b≦0.10である、又はいくつかの実施形態では、0.03≦b≦0.08である、又はさらなる実施形態では、ここでは、bは約0.05に等しい。いくつかの実施形態では、InGaN障壁層116は、少なくとも1つのInGaN井戸層114に近接する(例えば、直接隣接する)ことができる。
[0075]半導体構造の活性領域106は、電子及び正孔が相互に再結合して、発光ダイオード(LED)から放出されるフォトンを生成する、発光ダイオード(LED)などの発光デバイスへと製造されたときの半導体構造の領域である。いくつかの実施形態では、フォトンは、可視光の形で放出される。可視光の少なくともあるものは、約380ナノメートル(380nm)から約560ナノメートル(560nm)までに及ぶ電磁放射光スペクトルの範囲内の1つ又は複数の波長を有することができる。
[0076]前に述べたように、半導体構造100の活性領域106は、1つ又は複数のInGaN井戸層114及び1つ又は複数のInGaN障壁層116を含んでおり、いくつかの実施形態では、InGaN(ドーパントの存在を除く)によって少なくとも実質的に構成されてもよい。このように、活性領域106は、いくつかの実施形態では基本的にInGaNから構成されてもよい。活性領域106は、1つの井戸層114及び1つの障壁層116を含んでいる隣接する層の1つ又は複数の対を含んでおり、ここでは、各井戸層114は、InwGa1−wNを含んでおり、但し、0.10≦w≦0.40であり、そして各障壁層116は、InbGa1−bNを含んでおり、但し、0.01≦b≦0.10、且つb<wである。
[0077]図1A及び図1Bに図示した実施形態では、半導体構造100の活性領域106は、1対の活性層(井戸層114及び障壁層116)を含んでいるけれども、追加の実施形態では、半導体構造100の活性領域106は、1対よりも多くの活性層を含んでいてもよい。例えば、半導体構造100の活性領域106は、1から25までの隣接する対の活性層を含んでいてもよく、各対が井戸層114及び障壁層116を含んでおり、その結果、活性領域106は、(1対よりも多くを含んでいる実施形態では)交互になった井戸層114及び障壁層116の積層体を含んでいる。しかしながら、障壁層116の数が、井戸層114の数に等しくなくてもよいことが理解される。井戸層114は、障壁層116によって互いに分離されることが可能である。このように、障壁層116の数は、いくつかの実施形態では井戸層114の数に等しくてもよい、1層多くてもよい、又は1層少なくてもよい。
[0078]図1Aを参照し続けて、各井戸層114は、約1ナノメートル(1nm)と約1000ナノメートル(1,000nm)との間の、約1ナノメートル(1nm)と約100ナノメートル(100nm)との間の、又はそれどころか約1ナノメートル(1nm)と約10ナノメートル(10nm)との間の平均層厚さTWを有することができる。井戸層114は、いくつかの実施形態では量子井戸を含んでいてもよい。このような実施形態では、各井戸層114は、約10ナノメートル(10nm)以下の平均層厚さTWを有することができる。他の実施形態では、井戸層114は、量子井戸を含まなくてもよく、そして各井戸層114は、約10ナノメートル(10nm)よりも厚い平均層厚さTWを有することができる。このような実施形態では、活性領域106は、「ダブルヘテロ構造」と本技術において呼ばれるものを備えることができる。各障壁層116は、約1ナノメートル(1nm)と約50ナノメートル(50nm)との間の、又はそれどころか約1ナノメートル(1nm)と約10ナノメートル(10nm)との間の平均層厚さTBを有することができるけれども、障壁層116は、他の実施形態ではより厚くてもよい。
[0079]井戸層114及び障壁層116の一方又は両方が、ドープされることが可能である。例えば、井戸層114及び障壁層116の一方又は両方は、シリコン又はゲルマニウムなどの、電子ドナーである元素を用いてドープすることによってn型にドープされてもよい。井戸層114中のドーパントの濃度は、約3e17cm−3から約1e19cm−3までの範囲にわたることがある、又はいくつかの実施形態では約3e17cm−3から約5e17cm−3までの範囲にわたってもよい。同様に、障壁層116中のドーパントの濃度は、約3e17cm−3から約1e19cm−3までの範囲にわたることがある、又はいくつかの実施形態では約1e18cm−3から約3e18cm−3までの範囲にわたってもよい。
[0080]井戸層114及び障壁層116の一方又は両方は、ウルツ鉱型結晶構造を有することができる。加えて、いくつかの実施形態では、井戸層114及び障壁層116の一方又は両方は、ガリウム極性成長表面などの極性成長表面を備えてもよく、極性成長表面は、約3.186オングストローム以上である、井戸層114と障壁層116との間の1つ又は複数の界面に平行な成長面内の平均格子定数を有してもよい。より具体的に、いくつかの実施形態では、平均成長面格子定数cは、約3.186オングストロームと約3.2オングストロームとの間であってもよい。
[0081]少なくとも1つの井戸層及び少なくとも1つの障壁層を含んでいる活性領域106は、約40ナノメートル(40nm)と約1,000ナノメートル(1,000nm)との間の範囲にわたる、約40ナノメートル(40nm)と約750ナノメートル(750nm)との間の範囲にわたる、又はそれどころか約40ナノメートル(40nm)と約200ナノメートル(200nm)との間の範囲にわたる平均全厚さを有することができる。
[0082]図1Aを参照し続けて、半導体構造100は、任意選択で、活性領域106とp型コンタクト層104との間に、及び/又は活性領域106とベース層102との間に追加の層を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、半導体構造100は、活性領域106とベース層102との間にスペーサ層118を含んでもよい。
[0083]任意選択のスペーサ層118は、InspGa1−spNの層を含むことができ、但し、0.01≦sp≦0.10である、又は、0.03≦sp≦0.06である、又はspは、約0.05に等しい。スペーサ層118は、ベース層102と活性領域106の層との間のよりゆるやかな遷移を与えるために使用されることが可能であり、スペーサ層は、ベース層102に対して、そしていくつかの実施形態では、InnGa1−nNベース層112に対して異なる組成(そしてこれゆえ、格子定数)を有することができる。このように、InspGa1−spNスペーサ層118は、いくつかの実施形態ではベース層102と活性領域106との間に直接配置されてもよい。ベース層102と活性領域106との間にさらにゆるやかな遷移を与えることによって、InGaNの様々な層の結晶格子内の歪、及びこれゆえ、このような歪からもたらされることがある欠陥が、低減されることが可能である。InspGa1−spNスペーサ層118は、約1ナノメートル(1nm)と約100ナノメートル(100nm)との間の、又は約1ナノメートル(1nm)と約100ナノメートル(25nm)との間の平均層厚さTspを有することができる。1つの特定の非限定的な例として、平均層厚さTspは、約10ナノメートル(10nm)に等しくてもよい。
[0084]任意選択で、InspGa1−spNスペーサ層118は、ドープされてもよい。例えば、InspGa1−spNスペーサ層118は、シリコン又はゲルマニウムなどの、電子ドナーである元素を用いてドープすることによってn型にドープされてもよい。スペーサ層118中のドーパントの濃度は、約3e17cm−3から約1e19cm−3までの範囲にわたることがある。1つの特定の非限定的な例として、スペーサ層118中のドーパントの濃度は、約2e18cm−3に等しくてもよい。
[0085]図1Aを参照し続けて、半導体構造100は、活性領域106とp型コンタクト層104との間に配置された任意選択のIncpGa1−cpNキャップ層120をさらに含むことができる。任意選択のIncpGa1−cpNキャップ層120は、IncpGa1−cpNの層を含むことができ、但し、0.01≦cp≦0.10である、又は、0.03≦cp≦0.07である。1つの特定の非限定的な例として、cpの値は、約0.05に等しくてもよい。IncpGa1−cpNキャップ層120は、昇温した温度における後の処理で活性領域106の下にある層中のインジウムの分解及び/若しくは蒸発を回避するために使用されることが可能である、並びに/又はスペーサ層の同じ機能を務めることができる。
[0086]IncpGa1−cpNキャップ層120は、約1ナノメートル(1nm)と約100ナノメートル(100nm)との間の、又は約1ナノメートル(1nm)と約25ナノメートル(25nm)との間の平均層厚さTcpを有することができる。1つの特定の非限定的な例として、Tcpは、いくつかの実施形態では約10ナノメートル(10nm)に等しくてもよい。任意選択で、キャップ層120は、ドープされてもよい。例えば、キャップ層120は、マグネシウム、亜鉛、及び炭素などの、電子アクセプタである元素を用いてドープすることによってp型にドープされてもよい。他の実施形態では、しかしながら、キャップ層120は、n型にドープされてもよい。キャップ層120中のドーパントの濃度は、約3e17cm−3から約1e19cm−3までの範囲にわたることがある、又は約1e18cm−3から約5e18cm−3までの範囲にわたることがある。1つの特定の非限定的な例として、キャップ層120中のドーパントの濃度は、いくつかの実施形態では約2e18cm−3に等しくてもよい。
[0087]本開示の半導体構造100は、活性領域106とp型コンタクト層104との間に配置された1つ又は複数の電子阻止層(EBL)をさらに含むことができる。このような電子阻止層は、伝導帯のバンド端のエネルギー準位が、活性領域106中の伝導帯におけるバンド端と比較して相対的に高い材料を含むことができ、電子阻止層は、活性領域106内に電子を閉じ込め、且つキャリアが活性領域106からオーバーフローして出ることを防止するように働くことができる。
[0088]非限定的な例として、図1Aは、活性領域106の反対のキャップ層120の側に配置された電子阻止層108を図示する。p型バルク層110を含んでいる実施形態では、図1Aに示したように、電子阻止層108は、キャップ層120とp型バルク層110との間に直接配置されてもよい。
[0089]電子阻止層108は、III族窒化物を含む。非限定的な例として、電子阻止層108は、IneGa1−eN(ドーパントの存在を除く)により少なくとも実質的に構成されてもよく、但し、0.00≦e≦0.02であり、そしていくつかの実施形態では、GaN(ドーパントの存在を除く)により少なくとも実質的に構成されてもよい。さらなる実施形態では、電子阻止層108は、AleGa1−eNにより少なくとも実質的に構成されてもよく、但し、0.00≦e≦0.02である。いくつかの実施形態では、電子阻止層108は、AleGa1−eN(ドーパントの存在を除く)により少なくとも実質的に構成されてもよい。
[0090]電子阻止層108は、マグネシウム、亜鉛、及び炭素からなる群から選択された1つ又は複数のドーパントを用いてp型にドープされることが可能である。電子阻止層108内の1つ又は複数のドーパントの濃度は、約1e17cm−3から約1e21cm−3までに及ぶ範囲内であることができ、又はいくつかの実施形態では約3e19cm−3に等しくてもよい。いくつかの実施形態では、電子阻止層108は、約5ナノメートル(5nm)から約50ナノメートル(50nm)までに及ぶ範囲内の平均層厚さTeを有することができ、又はいくつかの実施形態では、約20ナノメートル(20nm)に等しい平均層厚さTeを有することができる。
[0091]本開示の半導体構造100のさらなる実施形態では、半導体構造100は、電子阻止層108に類似の電子阻止層を有することができるが、ここでは、電子阻止層は、図1Aの挿入図122に図示したような、異なる材料の交互になった層を含んでいる超格子構造を有している。例えば、電子阻止層108は、GaN124及びIneGa1−eN124の交互になった層を含んでいる超格子構造を有することができ、但し、0.01≦e≦0.02である。さらなる実施形態では、電子阻止層は、GaN124及びAleGa1−eN126の交互になった層を含んでいる超格子構造を有することができ、但し、0.10≦e≦0.20である。このような超格子構造中の層の各々は、約1ナノメートル(1nm)から約20ナノメートル(20nm)までの平均層厚さを有することができる。
[0092]前に述べたように、本開示の半導体構造100は、電子阻止層108とp型コンタクト層104との間に配置されたp型バルク層110をさらに含むことができる。このようなp型バルク層は、pドープしたInpGa1−pNなどの、pドープしたIII族窒化物材料を含むことができる。このようなp型バルク層は、例えば、正孔キャリアの供給源として、そして活性領域106への及びそこからの電気伝導を高めるため及び光取り出しを促進するために使用されることが可能である。p型バルク層110におけるインジウムの取込みは、キャリアの流れの理由で及び活性領域内のキャリアの閉じ込めのために役立つ。
[0093]p型バルク層110は、InpGa1−pN(ドーパントの存在を除く)により少なくとも実質的に構成されることが可能であり、但し、0.00≦p≦0.08であり、そして、0.01≦p≦0.08であることが好ましい。1つの特定の非限定的な例として、p型バルク層110は、InpGa1−pNにより少なくとも実質的に構成されてもよく、ここでは、pは約0.02に等しい。p型バルク層110は、マグネシウム、亜鉛、及び炭素からなる群から選択された1つ又は複数のドーパントを用いてp型にドープされることが可能である。p型バルク層110内の1つ又は複数のドーパントの濃度は、約1e17cm−3から約1e21cm−3までに及ぶ範囲内であり得る。1つの特定の非限定的な例として、p型バルク層110中のドーパントの濃度は、約3e19cm−3に等しくてもよい。いくつかの実施形態では、p型バルク層110は、約50ナノメートル(50nm)から約600ナノメートル(600nm)までに及ぶ範囲内の平均層厚さTpを有することができる。1つの特定の非限定的な例として、p型バルク層110は、約175ナノメートル(175nm)に等しい平均層厚さTpを有することができる。
[0094]半導体構造100は、電子阻止層108の反対のp型バルク層110の側に配置されたp型コンタクト層104をさらに含むことができる。p型コンタクト層104は、III族窒化物を含むことができる。このようなp型コンタクト層は、例えば、活性領域106の中への正孔の伝導を高めるために使用されることが可能である。p型コンタクト層104は、半導体構造100からの発光デバイスの製造中にp型コンタクト層の一部分の上方に形成された電極コンタクトの電気的抵抗を制限するように、p型ドーパントなどの、高い濃度の1つ又は複数のドーパントを含むことができる。
[0095]非限定的な例として、p型コンタクト層104は、p型にドープされているIncGa1−cNを含むことができる。例えば、p型コンタクト層104は、IncGa1−cNにより少なくとも実質的に構成されることが可能であり、但し、0.01≦c≦0.10(ドーパントの存在を除く)であり、そしていくつかの実施形態では、p型コンタクト層104は、GaN(ドーパントの存在を除く)により少なくとも実質的に構成されてもよい。p型コンタクト層104におけるインジウムの取込みは、これがデバイス上に形成された金属電極とのエネルギー障壁を低下させることが可能であり、デバイスにとってより低い動作電圧をもたらすことに役立つ。p型コンタクト層104は、マグネシウム、亜鉛、及び炭素からなる群から選択された1つ又は複数のドーパントを用いてp型にドープされることが可能である。p型コンタクト層104内の1つ又は複数のドーパントの濃度は、約1e17cm−3から約1e21cm−3までに及ぶ範囲内であり得る。1つの特定の非限定的な例として、p型コンタクト層104内の1つ又は複数のドーパントの濃度は、約1e20cm−3に等しくてもよい。p型コンタクト層104は、約2ナノメートル(2nm)から約50ナノメートル(50nm)までに及ぶ範囲内の平均層厚さTcを有することができる。1つの特定の非限定的な例として、p型コンタクト層104は、約15ナノメートル(15nm)に等しい平均層厚さTcを有することができる。図1Aに示したように、p型コンタクト層104は、p型バルク層110の上に直接形成されることが可能である。
[0096]本明細書において下記に非常に詳細に説明されるように、完成した半導体構造100は、LEDなどの、1つ又は複数の半導体発光デバイスの製造において利用されることが可能である。手短に、電極コンタクトは、InnGa1−nNベース層112の一部分の上方に又はGaNシード層656の少なくとも一部分の上方になどの、ベース層102の半導体層の一部分の上方に形成されることが可能であり、さらなる電極コンタクトが、p型コンタクト層104の少なくとも一部分の上方に形成されることが可能であり、これによって電荷キャリアが活性領域106中へと注入されることを可能にし、可視光の形態であり得る電磁放射光の結果として生じる放出をともなう。
[0097]図1Bは、図1Aの半導体構造100の様々な層(成長基板658及びIII族窒化物核形成層660が省略されることに留意すること)内の異なる半導体材料についての(エネルギーバンド図で)伝導帯のエネルギー準位128における相対的な違いを図示している単純化した図である。図1Bは、図1Aの半導体構造100と縦に位置を合わせられている。図1B中の縦の破線は、図1Aの半導体構造100内の様々な層間の界面と位置を合わせられている。図1Bの縦軸はエネルギーであり、高いエネルギー準位が低いエネルギー準位の縦方向に上に位置することを示す。図1Bが例の半導体構造100についての伝導帯エネルギー準位の非限定的な例を図示することに留意すべきである。結果として、相対的な水平の伝導帯エネルギー準位は、個々の半導体層の少なくとも組成及びドーピングの関数として相対的な位置を変えることができ、様々な半導体層の組成範囲は、本明細書において上に説明したような範囲にわたる。このように、図1Bは、半導体構造100の様々な層内の伝導帯のエネルギー準位128における相対的な違いを理解するために使用されることが可能である。図1Bに示したように、井戸層114における伝導帯のエネルギー準位128は、半導体構造100の他の層における伝導帯のエネルギー準位128よりも低いことがある。
[0098]本技術において知られたように、InGaNなどのIII族窒化物層に関して、伝導帯のエネルギー準位128は、限定しないが、インジウム含有量及びドーパントレベルを含む多数の変数の関数である。井戸層114及び障壁層116は、井戸層114における伝導帯のエネルギー準位128が障壁層116における伝導帯のエネルギー準位128よりも低いような組成を有するように形成されることが可能である、そうでなければ構成されることが可能である。結果として、電荷キャリア(例えば、電子)は、半導体構造100から製造された発光デバイスの動作中に井戸層114内に蓄積されることが可能であり、そして障壁層116は、活性領域106を横切る電荷キャリア(例えば、電子)のマイグレーションを妨げるように働くことができる。このように、いくつかの実施形態では、各井戸層114中のインジウム含有量は、各障壁層116中のインジウム含有量よりも高くてもよい。例えば、各井戸層114中のインジウム含有量と各障壁層116中のインジウム含有量との間の違いは、約0.05以上であってもよい(すなわち、w−b≧0.05)、又はいくつかの実施形態では、約0.20以上であってもよい(すなわち、w−b≧0.20)。いくつかの実施形態では、障壁層116中のドーパント濃度は、井戸層114中のドーパント濃度とは異なってもよい。高いドーピング濃度は、InGaNの結晶構造内に欠陥をもたらすことがあり、このような欠陥は、電子−正孔対の非発光結合をもたらすことがある。いくつかの実施形態では、井戸層114中のドーパント濃度は、障壁層116中のドーパント濃度よりも低くてもよく、障壁層116中の電子−正孔対の非発光結合の割合と比べて井戸層114中の電子−正孔対の非発光結合の割合を減少させることができる。他の実施形態では、障壁層116中のドーパント濃度は、井戸層114中のドーパント濃度よりも高くてもよい。
[0099]図1Bに図示したように、電子阻止層108によって形成されたエネルギー障壁は、電子阻止層108及びキャップ層120(又は活性領域106に最も近い電子阻止層の側の電子阻止層108に直ぐ隣接する他の層)における伝導帯のエネルギー準位128の違いからもたらされることがある。エネルギー障壁の高さは、電子阻止層108の組成を変えることによって変えられることが可能である。例えば、図1Bに図示したように、伝導エネルギー準位130(実線として示される)は、GaN(ドーパントの存在を除く)により少なくとも実質的に構成された電子阻止層についての伝導帯エネルギー準位を図示することができる。電子阻止層内の伝導帯エネルギー準位は、IneGa1−eNにより少なくとも実質的に構成された電子阻止層を形成することによって、伝導帯エネルギー準位132(破線として示される)により図示したように、GaN電子阻止層に対して低下されることが可能であり、但し、0.01≦e≦0.02である。さらなる実施形態では、伝導帯エネルギー準位は、AleGa1−eNにより少なくとも実質的に構成された電子阻止層を形成することによって、伝導帯エネルギー準位134(破線として示される)により図示したように、GaN電子阻止層に対して上昇されることが可能であり、但し、0.01≦e≦0.02である。したがって、電子阻止層内の伝導帯のエネルギー準位は、半導体構造100の電子阻止層108と他のIII族窒化物層との間の所望の伝導帯オフセットを与えるために変えられることが可能である。
[00100]電子阻止層108が異なる材料の交互になった層を含んでいる超格子構造を有する半導体構造100の実施形態では、伝導帯エネルギー準位は、図1Bの挿入図136に図示したように周期的な方式で高くなりそして低くなることができる。例えば、電子阻止層108は、GaN138及びAleGa1−eN140の交互になった層を含んでいる超格子構造を有することができ、但し、0.01≦e≦0.02である、或いは、超格子構造は、GaN及びIneGa1−eNの交互になった層を含むことができ、但し、0.01≦e≦0.02である。異なる材料の交互になった層間の伝導帯エネルギーオフセットの大きさは、GaN層とAleGa1−eN又はIneGa1−eN層との間の組成の違いによって選択されることが可能である。
[00101]本開示の半導体構造は、半導体構造の活性領域106と半導体構造のベース層102との間に配置された電子ストッピング層をさらに含むことができる。このような電子ストッピング層は、伝導帯のバンド端のエネルギー準位がInnGa1−nNベース層における伝導帯のバンド端と比較して相対的に高いnドープしたIII族窒化物材料を含むことができ、この電子ストッピング層は活性領域内に電子をさらに閉じ込めるように働くことができ、且つ活性領域からのキャリアのオーバーフローを防止することができ、これによって活性領域内のキャリアの向上した均一性を与えることができる。
[00102]非限定的な例として、図2A及び図2Bは、このような電子ストッピング層202を含んでいる半導体構造200の実施形態を図示する。半導体構造200は、半導体構造100に類似しており、半導体構造100に関して前に説明したように、1つ又は複数のInGaN井戸層114及び1つ又は複数のInGaN障壁層116を含んでいる活性領域106を含んでいる。半導体構造200は、半導体構造100に関して前に説明したように、ベース層102、スペーサ層118、キャップ層120、電子阻止層108、p型バルク層110及びp型コンタクト層104をやはり含んでいる。半導体構造200の電子ストッピング層202は、ベース層102と活性領域106との間に配置され、InnGa1−nNベース層112とスペーサ層118との間に配置されることが可能である。
[00103]電子ストッピング層202は、III族窒化物を含んでいる。非限定的な例として、電子ストッピング層202は、n型にドープされているAlGaNを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、電子ストッピング層202は、AlstGa1−stN(ドーパントの存在を除く)により少なくとも実質的に構成されることが可能であり、但し、0.01≦st≦0.20である。他の実施形態では、電子ストッピング層202は、挿入図204に図示したように、AlstGa1−stNの層206、但し、0.01≦st≦0.20、及びGaNの層208の交互になった層を含んでいる超格子構造を有することができる。半導体構造200は、任意の数(例えば、約1から約20まで)のAlstGa1−stNの層206及びGaNの層208の交互になった層を含むことができる。このような超格子構造内の層206及び208は、約1ナノメートル(1nm)から約100ナノメートル(100nm)までの平均層厚さを有することができる。
[00104]電子ストッピング層202は、シリコン及びゲルマニウムからなる群から選択された1つ又は複数のドーパントを用いてn型にドープされることが可能である。電子ストッピング層202内の1つ又は複数のドーパントの濃度は、約0.1e18cm−3から20e18cm−3までに及ぶ範囲内であり得る。いくつかの実施形態では、電子ストッピング層202は、約1ナノメートル(1nm)から約50ナノメートル(50nm)までに及ぶ範囲内の平均層厚さTstを有することができる。
[00105]図2Bは、単純化した伝導帯図であり、半導体構造200内の様々な材料についての伝導帯の相対的なエネルギー準位228を図示する。図2Bに示したように、図2Aの半導体構造200の実施形態では、半導体構造200(図2B)の電子ストッピング層202の少なくとも一部分内の伝導帯のエネルギー準位228は、ベース層102内の伝導帯のエネルギー準位228及び/又はスペーサ層118内の伝導帯のエネルギー準位228よりも相対的に高いことがある。電子ストッピング層202が、図2Bの挿入図210に図示したように、AlstGa1−stNの層206、但し、0.01≦st≦0.20、及びGaNの層208の交互になった層を含んでいる超格子構造を含んでいる実施形態では、伝導帯エネルギー準位は、周期的な方式で変化することがある。
[00106]追加の実施形態では、本開示の半導体構造は、活性領域とベース層102との間に、半導体構造の製造を容易にするために利用されている材料の1つ又は複数の層を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、本開示の半導体構造、及びこのような構造から製造された1つ又は複数の発光デバイスは、活性領域とベース層102との間に配置された1つ又は複数の歪緩和層を含むことができ、ここでは、歪緩和層は、ベース層102とp型コンタクト層との間の半導体構造の様々な層の結晶構造の結晶格子内の歪を調節するために含まれ且つ構成され、これらの様々な層は、層毎のプロセスで相互に重ねてエピタキシャルで成長されることが可能である。
[00107]非限定的な例として、図3A及び図3Bは、このような歪緩和層302を含んでいる半導体構造300の実施形態を図示する。半導体構造300は、半導体構造100に類似しており、半導体構造100に関して前に説明したように、1つ又は複数のInGaN井戸層114及び1つ又は複数のInGaN障壁層116を含んでいる活性領域106を含んでいる。半導体構造300は、半導体構造100に関して前に説明したように、ベース層102、スペーサ層118、キャップ層120、電子阻止層108、p型バルク層110及びp型コンタクト層104をやはり含んでいる。半導体構造300の歪緩和層302は、ベース層102とスペーサ層118との間に配置されている。図3A及び図3Bの実施形態では、歪緩和層302は、InnGa1−nNベース層112とInspGa1−spNスペーサ層118との間に直接配置されている。
[00108]歪緩和層302は、III族窒化物を含んでいる。非限定的な例として、歪緩和層302は、挿入図304に図示したように、交互になったInsraGa1−sraNの層306、但し、0.01≦sra≦0.10、及びInsrbGa1−srbNの層308、但し、0.01≦srb≦0.10、を含んでいる超格子構造を有することができる。さらに、sraは、srbよりも大きいことが可能である。半導体構造300は、任意の数(例えば、約1から約20まで)の交互になったInsraGa1−sraNの層306及びInsrbGa1−srbN308の層を含むことができる。このような超格子構造内の層306及び層308は、約1ナノメートル(1nm)から約20ナノメートル(20nm)までの平均層厚さを有することができる。
[00109]歪緩和層302は、シリコン及びゲルマニウムからなる群から選択された1つ又は複数のドーパントを用いてn型にドープされることが可能である。歪緩和層302内の1つ又は複数のドーパントの濃度は、約0.1e18cm−3から20e18cm−3までに及ぶ範囲内であり得る。いくつかの実施形態では、歪緩和層302は、約1ナノメートル(1nm)から約50ナノメートル(50nm)までに及ぶ範囲内の平均層厚さを有することができる。
[00110]図3Bは、単純化した伝導帯図であり、半導体構造300内の様々な材料についての伝導帯の相対的なエネルギー準位328を図示する。図3Bに示したように、図3Aの半導体構造300の実施形態では、半導体構造300(図3A)の歪緩和層301の少なくとも一部分内の伝導帯のエネルギー準位328は、InnGa1−nNベース層112内の伝導帯のエネルギー準位328及び/又はスペーサ層118内の伝導帯のエネルギー準位328よりも相対的に低いことがある。他の実施形態では、半導体構造300(図3A)の歪緩和層302の少なくとも一部分内の伝導帯のエネルギー準位328は、InGaNベース層112内の伝導帯のエネルギー準位328及び/又はスペーサ層118内の伝導帯のエネルギー準位328よりも相対的に高くてもよい。歪緩和層302が、図3Bの挿入図310に図示したように、InsraGa1−sraN層306及びInsrbGa1−srbN308の交互になった層を含んでいる超格子構造を含んでいる実施形態では、伝導帯エネルギー準位は、周期的な方式で変化することがある。
[00111]図4A及び図4Bは、本開示の半導体構造400のさらにもう1つの実施形態を図示する。半導体構造400は、半導体構造100に類似しており、半導体構造100に関して前に説明したように、1つ又は複数のInGaN井戸層114及び1つ又は複数のInGaN障壁層116を含んでいる活性領域406を含んでいる。半導体構造400は、半導体構造100に関して前に説明したように、ベース層102、スペーサ層118、キャップ層120、電子阻止層108、p型バルク層110及びp型コンタクト層104をやはり含んでいる。半導体構造400の活性領域406は、追加のGaN障壁層402をさらに含んでいる。追加のGaN障壁層402の各々は、InGaN井戸層114とInGaN障壁層116との間に配置されることが可能である。追加のGaN障壁層402は、井戸層114内に電子をさらに閉じ込めるように働くことができ、井戸層で電子は、正孔と再結合し、放射光の放出の可能性を高めるという結果をもたらす可能性が高くなることがある。
[00112]いくつかの実施形態では、各GaN障壁層402は、シリコン及びゲルマニウムからなる群から選択された1つ又は複数のドーパントを用いてn型にドープされることが可能である。例えば、GaN障壁層402内の1つ又は複数のドーパントの濃度は、約1.0e17cm−3から50e17cm−3までに及ぶ範囲内であってもよい。いくつかの実施形態では、各GaN障壁層402は、約0.5ナノメートル(0.5nm)から約20ナノメートル(20nm)までに及ぶ範囲内の平均層厚さTb2を有することができる。
[00113]図4Bは、単純化した伝導帯図であり、半導体構造400内の様々な材料についての伝導帯の相対的なエネルギー準位428を図示する。図4Bに示したように、図4Aの半導体構造400の実施形態では、GaN障壁層402(図4A)内の伝導帯のエネルギー準位428は、InGaN障壁層116内の伝導帯のエネルギー準位428よりも相対的に高く、且つInGaN井戸層114内の伝導帯のエネルギー準位428よりも高いことが可能である。
[00114]図5A及び図5Bは、半導体構造500を含んでいる本開示のさらなる実施形態を図示する。これらの実施形態では、アレナらの名で2012年1月31日に出願された米国特許出願第13/362,866号に開示されたような方法が、活性領域506を形成するために利用されることが可能である。半導体構造500は、半導体構造100に類似しており、半導体構造100に関して前に説明したような、1つ又は複数のInGaN井戸層514及び1つ又は複数のInGaN障壁層516を含んでいる活性領域506を含んでいる。半導体構造500は、半導体構造100に関して前に説明したように、ベース層、スペーサ層、キャップ層、電子阻止層、p型バルク層100及びp型コンタクト層をやはり含んでいる。明確にするために、活性領域506を取り囲む層だけが図示され、これらの層は、任意選択のスペーサ層118及びキャップ層120、並びにInnGa1−nNベース層112及び電子阻止層108を含むことができる。任意選択の層が半導体構造500から省略される場合には、活性領域506は、ベース層102と電子阻止層108との間に直接配置されてもよい。
[00115]半導体構造500の活性領域506は、半導体構造100の活性領域に類似するが、2つ以上のInGaN障壁層をさらに含んでおり、ここでは、後に続く障壁層間のバンドギャップエネルギーが、図5A及び図5Bに見られるように右から左へ、すなわち、キャップ層120からスペーサ層118へと伸びる方向に段階的な方式で増加している。半導体構造500内の活性領域506のこのような構成は、活性領域506からキャリアがオーバーフローして出ることを防止することによって活性領域500内の電荷キャリアの閉じ込めの際に助けとなることができ、これによって半導体構造500から製造された発光デバイスの効率を高めている。
[00116]障壁領域516A〜Cは、それぞれのバンドギャップエネルギー550A〜Cを有する障壁領域516A〜Cの各々を形成するために選択された材料組成及び構造的構成を有することができ、ここでは、バンドギャップエネルギーは、半導体構造500を構成する半導体材料の各々の伝導帯エネルギー528と価電子帯のエネルギー552との間のエネルギー差によって与えられる。図5Bのエネルギーバンド図に示したように、第1の障壁領域516Aにおけるバンドギャップエネルギー550Aは、第2の障壁領域516Bにおけるバンドギャップエネルギー550Bよりも小さいことがあり、第2の障壁領域516Bにおけるバンドギャップエネルギー550Bは、第3の障壁領域516Cにおけるバンドギャップエネルギー550Cよりも小さいことがあり得る。さらに、量子井戸領域のバンドギャップエネルギー552A〜Cの各々が、実質的に等しいことがあり、障壁領域550A〜Cのバンドギャップエネルギー516A〜Cの各々よりも小さいことがあり得る。
[00117]この構成では、第1の量子井戸514Aと第2の量子井戸514Bとの間の正孔エネルギー障壁554Aは、第2の量子井戸516Bと第3の量子井戸516Cとの間の正孔エネルギー障壁554Bよりも小さいことがあり得る。言い換えると、障壁領域516A〜Cの全体にわたる正孔エネルギー障壁554A〜Cは、キャップ層120からスペーサ層118に伸びる方向に活性領域506の全体にわたり段階的な方式で増加し得る。電子正孔エネルギー障壁554A〜Cは、量子井戸領域514A〜Cと隣接する障壁領域516A〜Cとの間の界面を横切る価電子帯のエネルギー552の差である。キャップ層120からスペーサ層108へと向かって進む障壁領域516A〜Cの全体にわたり増加している電子正孔エネルギー障壁554A〜Cの結果として、正孔の分布の均一性の増加が、活性領域506内で実現されることが可能であり、これが、半導体500からの発光デバイス製造の動作中に向上した効率をもたらすことができる。
[00118]前に述べたように、障壁領域516A〜Cは、異なるそれぞれのバンドギャップエネルギー550A〜Cを有する障壁領域516A〜Cの各々を形成するために選択された材料組成及び構造構成を有することができる。例としてそして限定ではなく、各障壁領域516A〜Cは、Inb3Ga1−b3Nなどの、三元系III−窒化物材料を含むことができ、ここではb3は少なくとも約0.01である。障壁領域516A〜CのInb3Ga1−b3N中のインジウム含有量を減少させること(すなわち、b3の値を減少させること)は、障壁領域516A〜Cのバンドギャップエネルギーを増加させることができる。このように、第2の障壁領域516Bは、第1の障壁領域516Aに比べて低いインジウム含有量を有することができ、第3の障壁領域516Cは、第2の障壁領域516Bに比べて低いインジウム含有量を有することができる。加えて、障壁領域516A〜C及び井戸層514A〜Cは、ドープされることが可能であり、半導体構造100に関して前に説明したような平均層厚さを有することができる。
[00119]前に述べたように、本開示の実施形態によれば、(図1Aの)活性領域106は、少なくとも1つのInGaN井戸層及び少なくとも1つのInGaN障壁層を含むことができ、そしていくつかの実施形態では、InGaNから少なくとも実質的に構成されてもよい(例えば、ドーパントの存在を除いて、本質的にInGaNから構成されてもよい)。InGaN井戸層を含んでいる以前から知られた発光デバイス構造の大部分は、GaN(少なくとも実質的にインジウムのない)障壁層を含んでいる。InGaN井戸層とGaN障壁層との間の伝導帯のエネルギー準位の違いは、比較的大きく、これが、本技術における教示によれば、井戸層内の電荷キャリアの向上した閉じ込めを実現し、LED構造の向上した効率をもたらすことができる。しかしながら、先行技術の構造及び方法は、キャリアオーバーフロー及び圧電分極のためにデバイス効率の低下をもたらすことがある。
[00120]キャリアオーバーフロー理論では、1つ又は複数の量子井戸層は、水を入れたバケツに似たところがあり、注入されたキャリアを捕捉し保持する能力がキャリアの大きな注入で低下することをともなう。注入されたキャリアが捕捉又は保持されないと、キャリアは活性領域をオーバーフローしそして無駄にされ、デバイス効率の低下の一因となる。InGaN量子井戸及びGaN障壁層を含んでいる先行技術の構造では、バンドオフセット、すなわち、量子井戸と障壁との間の伝導帯エネルギー準位の違いは、本明細書中の実施形態において説明したように、実質的にInGaNからなる活性領域についてのバンドオフセットよりも著しく大きい。本明細書において説明した構造におけるバンドオフセットの低下は、注入されたキャリアが活性領域の量子井戸層の全体にわたってより効率的に分布することを可能にし、これによって、本明細書において説明した半導体構造から製造された発光デバイスの効率を増加させる。
[00121]加えて、InGaN井戸層とGaN障壁層との間の格子不整合のために、比較的強い圧電分極が、このような発光デバイス構造において活性領域内に生じている。圧電分極は、発光デバイス構造の活性領域内の電子の波動関数と正孔の波動関数との間の重なりを減少させることができる。例えば、J. H. Son and J. L. Lee, Numerical Analysis of Efficiency Droop Induced by Piezoelectric Polarization in InGaN/GaN Light−Emitting Diodes, Appl. Phys. Lett. 97、 032109 (2010)に開示されているように、圧電分極は、このような発光デバイス構造(例えば、LED)における「効率ドループ」と呼ばれるものをもたらすことがある。効率ドループ現象は、電流密度の増加とともにLED構造の内部量子効率(IQE)のグラフにおけるドループ(低下)である。
[00122]本開示のLED構造などの、発光構造の実施形態は、格子不整合、キャリアオーバーフロー、圧電分極現象、及び効率ドループに関係するInGaN井戸層及びGaN障壁層を有している以前から知れているLED構造の問題を軽減する又は克服することができる。図1A及び図1Bの半導体構造100から製造されたLED構造などの、本開示のLEDの実施形態は、活性領域106が減少した圧電分極効果、並びに電子の波動関数及び正孔の波動関数の増加した重なりを示すように構成され、そしてそのエネルギーバンド構造が設計されることが可能である。結果として、LEDなどの、発光デバイスは、活性領域106の全体にわたる電荷キャリアの改善した均一性、及び電流密度が増加することで低下した効率ドループを示すことができる。
[00123]本開示の実施形態を通して得られることが可能であるこれらの利点は、図10A及び図10B、図11A〜図11E、図12A及び図12B、並びに図13A〜図13Eを参照して下記にさらに論じられる。図10A及び図10Bは、以前から知られているLEDに類似のLED556の実施形態を図示する。LED556は、InGaN井戸層562間に配置されたGaN障壁層564をともなう5つのInGaN井戸層562を含んでいる活性領域558を含んでいる。LED556は、ベース層560、第1のスペーサ層566、第2のスペーサ層568、電子阻止層570、及び電極層572をやはり含んでいる。LED556では、InGaN井戸層562は、In0.18Ga0.82Nの層を含んでおり、各々が約2.5ナノメートル(2.5nm)の平均層厚さを有している。障壁層564は、約10ナノメートル(10nm)の平均層厚さを有することができるGaNの層を含んでいる。ベース層560は、約5e18cm−3の濃度でシリコンを用いてn型にドープされている約325ナノメートル(325nm)の平均層厚さを有しているドープしたGaNの層を含んでいる。第1のスペーサ層566は、約25ナノメートル(25nm)の平均層厚さを有しているアンドープのGaNを含むことができる。第2のスペーサ層568もやはり、約25ナノメートル(25nm)の平均層厚さを有しているアンドープのGaNを含むことができる。電子阻止570層は、pドープしたAlGaNを含むことができる。電極層572は、ドープしたGaNの層を含むことができ、このような電極層は、約5e17cm−3の濃度でマグネシウムを用いてp型にドープされており、約125ナノメートル(125nm)の平均層厚さを有することができる。図10Bは、図1Bのものに類似する単純化した伝導帯図であり、図10AのLED556の様々な層内の異なる材料についての(エネルギーバンド図で)伝導帯のエネルギー準位574における相対的な違いを図示する。図10B中の縦の破線は、図10AのLED556内の様々な層間の界面と位置を合わせられている。
[00124]本技術において知られているように、例えば、S. L. Chuang 及び C. S. Chang, k・p Method for Strained Wurtzite Semiconductors、 Phys. Rev. B 54、 2491 (1996)に開示された8×8ケインモデル(Kane Model)は、GaN及びInGaNなどの、III族窒化物材料についての価電子帯の構造を特徴付けるために使用されることが可能である。ブリルアンゾーンの中心で価電子帯の重い、軽い、及びスプリットオフ(sprit−off)ブランチを分割することは、ビルトイン電場とは無関係であると仮定されることが可能である。したがって、価電子副帯は、結合したポアソン方程式及び輸送方程式の解から求められることが可能である。電子及び正孔の波動関数は、それぞれ、
unΨν・exp(kn・r)
及び
up,sΨν,s・exp(kp・r)
の形であると仮定されることが可能であり、ここでは、un及びup,sはブリルアンゾーンの中心に対応している電子及び正孔のブロッホ振幅であり、kn及びkpは面内擬似モーメントベクトルであり、Ψν及びΨν,sは包絡関数であり、そして下付きの「s」は重い正孔(hh)、軽い正孔(lh)、又はスプリットオフ(so)正孔であり得る。電子及び正孔包絡関数についての一次元シュレディンガー方程式は、それぞれ、
及び
であり、ここでは、
及び
は量子井戸中の電子及び正孔についての実効ポテンシャルであり、Eν及びEν,sは電子エネルギー準位及び正孔エネルギー準位であり、そして
及び
はエピタキシャル成長方向における電子の実効質量及び正孔の実効質量である。対応する境界条件を用いて上のシュレディンガー方程式を解くことによって、電子の波動関数と正孔の波動関数との間の重なり積分は、したがって、
から求められる。
unΨν・exp(kn・r)
及び
up,sΨν,s・exp(kp・r)
の形であると仮定されることが可能であり、ここでは、un及びup,sはブリルアンゾーンの中心に対応している電子及び正孔のブロッホ振幅であり、kn及びkpは面内擬似モーメントベクトルであり、Ψν及びΨν,sは包絡関数であり、そして下付きの「s」は重い正孔(hh)、軽い正孔(lh)、又はスプリットオフ(so)正孔であり得る。電子及び正孔包絡関数についての一次元シュレディンガー方程式は、それぞれ、
及び
であり、ここでは、
及び
は量子井戸中の電子及び正孔についての実効ポテンシャルであり、Eν及びEν,sは電子エネルギー準位及び正孔エネルギー準位であり、そして
及び
はエピタキシャル成長方向における電子の実効質量及び正孔の実効質量である。対応する境界条件を用いて上のシュレディンガー方程式を解くことによって、電子の波動関数と正孔の波動関数との間の重なり積分は、したがって、
から求められる。
[00125]S. L. Chuang、 Physics of Phonic Devices、 2nd Ed. (Wiley、 New Jersey、 2009)に開示されているように、電子及び正孔の放射再結合の割合は、
によって与えられることが可能であり、ここで、Bは放射再結合係数であり、nは電子濃度であり、pは正孔濃度であり、そしてFn−Fpは擬フェルミ準位分離である。電子及び正孔濃度並びに擬フェルミ準位分離は、LEDの活性領域を横切る位置とともに変化する。最大放射再結合割合は、任意の量子井戸において特定されることが可能であり、そのそれぞれの量子井戸についてのピーク放射再結合割合と考えられることが可能である。
によって与えられることが可能であり、ここで、Bは放射再結合係数であり、nは電子濃度であり、pは正孔濃度であり、そしてFn−Fpは擬フェルミ準位分離である。電子及び正孔濃度並びに擬フェルミ準位分離は、LEDの活性領域を横切る位置とともに変化する。最大放射再結合割合は、任意の量子井戸において特定されることが可能であり、そのそれぞれの量子井戸についてのピーク放射再結合割合と考えられることが可能である。
[00126]図11Aは、活性領域558の反対のベース層560の表面で始まりLED556を横切る位置(ナノメートルで)の関数として、LED556を横切るゼロの印加した電流の状態で、図10A及び図10BのLED550についての伝導帯のバンド端574及び価電子帯のバンド端576の計算したエネルギーを図示しているグラフである。図11Bは、図11Aのグラフに類似のグラフであるが、平方センチメートル当たり125アンペア(125A/cm2)のLED556を横切る印加した電流密度での、図10A及び図10BのLED556についての伝導帯のバンド端574及び価電子帯のバンド端576の計算したエネルギーを図示する。図11Cは、平方センチメートル当たり125アンペア(125A/cm2)のLED550を横切る印加した電流密度の状態での、LED556の5つの量子井戸層562の各々について波長の関数としての計算した強度を図示しているグラフである。図10A及び図10Bの全体像から、QW1は、最も左の量子井戸層562であり、QW5は、最も右の量子井戸層562である。図11Dは、印加した電流密度の関数としてLED556の計算した注入効率を図示する。図11Dに示したように、LED550は、125A/cm2の印加した電流密度で約75.6%の注入効率を示すことができる。図11Eは、印加した電流密度の関数としてLED556の計算した内部量子効率(IQE)を図示する。図11Eに示したように、LED556は、125A/cm2の印加した電流密度で約45.2%の内部量子効率を示すことができる。図11Eにやはり示したように、LED556の内部量子効率は、約20A/cm2の印加した電流密度で50%超から、250A/cm2の印加した電流密度で40%未満まで低下することがある。前に論じたように、IQEにおけるこのような低下は、効率ドループと本技術では呼ばれている。
[00128]図11C及び上の表1から理解されるように、放射再結合は、主として、LED556中の量子井戸番号5(すなわち、QW5)である最後の井戸層562(pドープした側又はアノードに最も近い)からのものである。さらに、図11Eに示したように、LED556は、効率ドループを示し、これは、本明細書において前に論じたように、InGaN井戸層562及びGaN障壁層564の使用によって引き起こされる圧電分極に起因して少なくとも一部がもたらされることがある。
[00129]LED100の活性領域106などの、少なくとも1つのInGaN井戸層及び少なくとも1つのInGaN障壁層を含んでいる活性領域を含んでいる本開示のLEDの実施形態は、井戸層内で生じる放射再結合において改善した均一性を示すことができ、そして低下した効率ドループを示すことができる。LED550を有する本開示のLEDの実施形態の比較が、下記の図12A及び図12B、並びに図13A〜図13Eを参照して与えられる。
[00130]図12A及び図12Bは、本開示のLED600の実施形態のもう1つの例を図示する。LED600は、InGaN井戸層114間に配置されたInGaN障壁層116をともなう5つのInGaN井戸層114を含んでいる活性領域106を含んでいる。InGaN井戸層114及びInGaN障壁層116は、図1A及び図1Bを参照して半導体構造100に関して前に説明したようなものであり得る。LED600は、ベース層112、第1のスペーサ層118、キャップ層120、及びInGaN電極層104をやはり含んでいる。LED600では、InGaN井戸層114は、In0.18Ga0.82Nの層を含んでおり、各々が約2.5ナノメートル(2.5nm)の平均層厚さを有している。障壁層116は、In0.08Ga0.92Nの層を含んでおり、各々が約10ナノメートル(10nm)の平均層厚さを有することができる。ベース層112は、約300ナノメートル(300nm)の平均層厚さを有しているドープしたIn0.05Ga0.95Nの層を含んでおり、約5e18cm−3の濃度でシリコンを用いてn型にドープされている。第1のスペーサ層118は、約25ナノメートル(25nm)の平均層厚さを有しているアンドープのIn0.08Ga0.92Nを含むことができる。キャップ層120もまた、約25ナノメートル(25nm)の平均層厚さを有しているアンドープのIn0.08Ga0.92Nを含むことができる。電極層104は、約150ナノメートル(150nm)の平均層厚さを有することができるドープしたIn0.05Ga0.95Nの層を含むことができ、約5e17cm−3の濃度でマグネシウムを用いてp型にドープされている。図12Bは、図12AのLED600の様々な層における異なる材料についての(エネルギーバンド図で)伝導帯のエネルギー準位602における相対的な違いを図示している単純化した伝導帯図である。
[00131]図13Aは、活性領域106の反対のベース層112の表面で始まりLED600を横切る位置(ナノメートルで)の関数として、LED600を横切るゼロの印加した電流の状態での、図12A及び図12BのLED600についての伝導帯のバンド端602及び価電子帯のバンド端604の計算したエネルギーを図示しているグラフである。図13Bは、図13Aのグラフに類似のグラフであるが、平方センチメートル当たり125アンペア(125A/cm2)のLED600を横切る印加した電流密度での、図12A及び図12BのLED600についての伝導帯のバンド端602及び価電子帯のバンド端604の計算したエネルギーを図示する。図13Cは、平方センチメートル当たり125アンペア(125A/cm2)のLED600を横切る印加した電流密度の状態での、LED600の5つの量子井戸層108の各々について波長の関数として計算した強度を図示しているグラフである。図12A及び図12Bの全体像から、QW1は、最も左の量子井戸層108であり、QW5は、最も右の量子井戸層108である。図13Dは、印加した電流密度の関数としてLED600の計算した注入効率を図示する。図13Dに示したように、LED600は、125A/cm2の印加した電流密度で約87.8%の注入効率を示すことができ、約20A/cm2から約250A/cm2までに及ぶ電流密度の範囲にわたり少なくとも約80%のキャリア注入効率を示すことができる。図13Eは、印加した電流密度の関数としてLED600の計算した内部量子効率(IQE)を図示する。図13Eに示したように、LED600は、125A/cm2の印加した電流密度で約58.6%の内部量子効率を示すことができる。図13Eにやはり示したように、LED600の内部量子効率は、約20A/cm2から250A/cm2までに及ぶ範囲内の印加した電流密度で約55%と約60%との間に留まることができる。このように、LED600は、非常に小さな効率ドループを示し、そしてLED500(このLED500は本開示の実施形態に適合しない)によって示された効率ドループよりも著しく少ない効率ドループを示す。
[00133]図13C及び上の表2から理解されるように、放射再結合は、LED500中の井戸層508と比較してLED600中の井戸層108の全体にわたってより均一である。
[00134]図10A及び図10BのLED550並びに図12A及び図12BのLED600は、STR Group、 Inc.から市販されているSiLENSeソフトウェアを使用してモデル化された。SiLENSeソフトウェアは、図11A〜図11E及び図13A〜図13Eのグラフを生成するため、並びに表1及び表2に明記したデータを求めるためにやはり使用された。
[00135]本開示のいくつかの実施形態によれば、LEDは、約20A/cm2から約250A/cm2までに及ぶ電流密度の範囲にわたり少なくとも約45%の、約20A/cm2から約250A/cm2までに及ぶ電流密度の範囲にわたり少なくとも約50%の、又はそれどころか約20A/cm2から約250A/cm2までに及ぶ電流密度の範囲にわたり少なくとも約55%の内部量子効率を示すことができる。さらに、LEDは、約20A/cm2から約250A/cm2までに及ぶ電流密度の範囲にわたり少なくとも実質的に一定のキャリア注入効率を示すことができる。いくつかの実施形態では、本開示のLEDは、約20A/cm2から約250A/cm2までに及ぶ電流密度の範囲にわたり少なくとも約80%のキャリア注入効率を示すことができる。
[00136]開示の実施形態の半導体構造及びLEDなどの発光デバイスを製造するために利用されることが可能である方法の非限定的な例が、図6Dを参照して下記に簡単に説明され、そしてこのような方法によって製造された発光デバイスの例が、図7及び図8を参照して説明される。
[00137]図6Dを参照すると、(本明細書において上で前に説明したように製造した)成長基板658、III族窒化物核形成層660及びGaNシード層656を含んでいる成長テンプレート113が、成膜室内に配置されることが可能であり、成長積層体682と一般に呼ばれるIII族窒化物材料を含んでいる層が、成長テンプレート113のシード層656上にエピタキシャルで順次成長されることが可能である。シード層656が成長基板658の上方に連続的な膜として図示されているけれども、いくつかの実施形態では、すなわち、シード層が複数の「アイランド」シード層を含んでいる実施形態では、シード層は、成長基板658の上方に不連続な膜を含むことができることに留意すべきである。
[00138]図6Dは、成長テンプレート113を含んでおり、成長テンプレート上に堆積された図1A及び図1Bの半導体構造100の様々な層を有している半導体構造680を図示する。特に、半導体構造100の任意選択のInnGa1−nNベース層112は、GaNシード層656の上に直接エピタキシャルで堆積され、成長テンプレート112の上方に順次エピタキシャルで堆積された、InGaNスペーサ層118、InGaN井戸層114、InGaN障壁層116、InGaNキャップ層120、電子阻止層108、p型バルク層110及びp型コンタクト層104をともなう。
[00139]成長積層体682を構成している半導体構造680の様々な層は、例えば、有機金属化学気相堆積(MOCVD)プロセス及びシングル成膜室内のシステムを使用して、すなわち、堆積プロセス中に成長積層体をアンロードすること又はアンロードすることを必要とせずに堆積されることが可能である。成長テンプレートが成長基板、III族窒化物核形成層660及びGaNシード層を含んでいる本開示の実施形態では、半導体680の全体が、単一の成長サイクルで、すなわち、堆積プロセス中にロードすること及びアンロードすることを必要とせずに、成長基板658の上方に形成されることが可能である。
[00140]成膜室内の圧力は、約50mTorrと約500mTorr(約6.65Paと約66.5Pa)との間に減圧されることが可能である。堆積プロセス中の反応室内の圧力は、成長積層体682の堆積中に加圧される及び/又は減圧されることが可能であり、堆積しようとする特定の層に対して調整されることが可能である。非限定的な例として、InnGa1−nNベース層112、スペーサ層118、1つ又は複数の井戸層114、1つ又は複数の障壁層116、キャップ層120、及び電子阻止層108の堆積中の反応室内の圧力は、約50mTorrと約500mTorr(約6.65Paと約66.5Pa)との間の範囲にわたってもよく、いくつかの実施形態では約440mTorr(約58.5Pa)に等しくてもよい。p型バルク層110及びp型コンタクト層104の堆積のための反応室内の圧力は、約50mTorrと約250mTorr(約6.65Paと約33.3Pa)との間の範囲にわたることがあり、いくつかの実施形態では約100mTorr(約13.3Pa)に等しくてもよい。
[00141]成長テンプレート113は、成膜室内で約600℃と約1,000℃との間の温度まで加熱されることが可能である。有機金属前駆物質ガス及び他の前駆物質ガス(並びに任意選択で、キャリアガス及び/又はパージガス)は、次いで成膜室を通り、そして成長テンプレート113のシード層656の上方を流されることが可能である。有機金属前駆物質ガスは、成長テンプレート113上に、InGaN層などの、II族窒化物層のエピタキシャル堆積をもたらすような方法で、反応する、分解する又は反応及び分解の両方をすることができる。
[00142]非限定的な例として、トリメチルインジウム(TMI)がInGaNのインジウム用の有機金属前駆物質として使用されてもよく、トリエチルガリウム(TMG)がInGaNのガリウム用の有機金属前駆物質として使用されてもよく、トリエチルアルミニウム(TMA)がAlGaN用の有機金属前駆物質として使用されてもよく、そしてアンモニアがIII族窒化物層の窒素用の前駆物質として使用されてもよい。III族窒化物をn型にドープすることが望まれるときには、SiH4が、InGaN中へとシリコンを導入するための前駆物質として使用されることが可能であり、そして、III族をp型にドープすることが望まれるときには、Cp2Mg(ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム)が、III族窒化物中へとマグネシウムを導入するための前駆物質として使用されることが可能である。ガリウム前駆物質(例えば、トリエチルガリウム)に対するインジウム前駆物質(例えば、トリメチルインジウム)の割合を調整することが有利であることがあり、これが堆積温度でのInGaN中のインジウムについての飽和点の近くである濃度でインジウムがInGaN中へと取り込まれることをもたらすであろう。InGaN中へと取り込まれるインジウムの百分比は、InGaNが成長温度を制御することによってエピタキシャルで成長されるので、制御されることが可能である。比較的多くの量のインジウムが、比較的低い温度で取り込まれるであろう、また比較的少ない量のインジウムが、比較的高い温度で取り込まれるであろう。非限定的な例として、InGaN井戸層108は、約600℃から約950℃までに及ぶ範囲内の温度で堆積されてもよい。
[00143]成長積層体682の様々な層の堆積温度は、堆積プロセス中に昇温される及び/又は降温されることが可能であり、そして堆積しようとする特定の層に対して調整されることが可能である。非限定的な例として、InnGa1−nNベース層112、p型バルク層110及びp型コンタクト層104の堆積中の堆積温度は、約600℃から約950℃の間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では約900℃に等しくてもよい。InnGa1−nNベース層112、p型バルク層110、及びp型コンタクト層104の成長速度は、毎分約1ナノメートル(1nm/min)と毎分約30ナノメートル(30nm/min)との間の範囲にわたることができる。いくつかの実施形態では、InnGa1−nNベース層112、p型バルク層110、及びp型コンタクト層104の成長速度は、毎分約6ナノメートル(6nm/min)に等しくてもよい。
[00144]追加の非限定的な例の実施形態では、スペーサ層118、1つ又は複数の井戸層114、1つ又は複数の障壁層116、キャップ層120、及び電子阻止層108の堆積中の堆積温度は、約600℃と約950℃の間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では約750℃に等しくてもよい。スペーサ層118、1つ又は複数の井戸114/障壁層116、キャップ層120及び電子阻止層108の成長速度は、毎分約1ナノメートル(1nm/min)から毎分約30ナノメートル(30nm/min)までの間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では、スペーサ層118、1つ又は複数の井戸114/障壁層116、キャップ層120及び電子阻止層108の成長速度は、毎分約1ナノメートル(1nm/min)に等しくてもよい。
[00145]InGaN層の堆積を含んでいる実施形態では、前駆物質ガスの流量比は、高品質のInGaN層を形成するために選択されることが可能である。例えば、半導体構造100のInGaN層を形成するための方法は、低い欠陥密度、実質的に歪緩和がないこと、及び実質的に表面ピットがない状態の1つ又は複数のInGaNの層を形成するためにガス比を選択することを含むことができる。
[00146]非限定的な例では、トリエチルガリウム(TMG)に対するトリメチルインジウム(TMI)の流量比(%)は、
として定義されることがあり、このような流量比は、堆積プロセス中に増加される及び/又は減少されてもよく、これゆえ、堆積しようとする特定のInGaN層に対して調整されてもよい。非限定的な例として、InnGa1−nNベース層112及びp型バルク層110の堆積中の流量比は、約50%から約95℃までの間の範囲であってもよく、そしていくつかの実施形態では約85%に等しくてもよい。さらなる実施形態では、スペーサ層118、1つ又は複数の障壁層116、及びキャップ層120の堆積中の流量比は、約1%から約50%までの間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では約2%に等しくてもよい。またさらなる実施形態では、1つ又は複数の量子井戸層114の堆積中の流量比は、約1%から約50%までの間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では約30%に等しくてもよい。
として定義されることがあり、このような流量比は、堆積プロセス中に増加される及び/又は減少されてもよく、これゆえ、堆積しようとする特定のInGaN層に対して調整されてもよい。非限定的な例として、InnGa1−nNベース層112及びp型バルク層110の堆積中の流量比は、約50%から約95℃までの間の範囲であってもよく、そしていくつかの実施形態では約85%に等しくてもよい。さらなる実施形態では、スペーサ層118、1つ又は複数の障壁層116、及びキャップ層120の堆積中の流量比は、約1%から約50%までの間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では約2%に等しくてもよい。またさらなる実施形態では、1つ又は複数の量子井戸層114の堆積中の流量比は、約1%から約50%までの間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では約30%に等しくてもよい。
[00147]成長テンプレート113は、任意選択で、堆積プロセス中に成膜室内で回転されることが可能である。非限定的な例として、成長テンプレート113は、毎分約50回転(RPM)と毎分約1500回転(RPM)との間の回転速度で堆積プロセス中に成膜室内で回転されてもよく、いくつかの実施形態では毎分約450回転(RPM)に等しい回転速度で回転してもよい。堆積プロセス中の回転速度は、堆積中に増速される及び/又は減速されることが可能あり、したがって堆積しようとする特定の層に対して調整されることが可能である。非限定的な例として、InnGa1−nNベース層112、スペーサ層118、1つ又は複数の井戸層114、1つ又は複数の障壁層116、キャップ層120及び電子障壁層108の堆積中の成長テンプレートの回転速度は、毎分約50回転(RPM)と毎分約1500回転(RPM)との間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では毎分約440回転(ROM)に等しい回転速度で回転してもよい。p型バルク層110及びp型コンタクト層104の堆積中の成長テンプレート113の回転速度は、毎分約50回転(RPM)と毎分約1500回転(RPM)との間の範囲であってもよく、いくつかの実施形態では毎分約1000回転(RPM)に等しい回転速度で回転してもよい。
[00148]III族窒化物、及び特にInGaN層の堆積を含んでいる本開示の半導体構造の実施形態では、成長テンプレート113の上方にエピタキシャルで堆積した成長積層体682を構成している1つ又は複数のInGaN層の歪エネルギーは、このような半導体構造から製造された発光デバイスの効率に影響を及ぼすことがある。いくつかの実施形態では、成長積層体682内に発達した全歪エネルギーは、本開示の半導体構造の、内部量子効率(IQE)によって規定されるような、効率に関係することがある。
[00149]非常に詳しくは、InGaNのn番目の層内に蓄えられた歪エネルギーは、InGaNのn番目の層の平均全厚さTn及びInGaNのn番目の層中のインジウムの濃度%Innに比例する。加えて、成長積層体682を構成している複数のInGaN層に蓄えられている全歪エネルギーは、InGaN層の各々の平均全厚さTnの合計及びInGaN層の各々の中のインジウムの濃度%Innに比例し、したがって、成長積層体702を含んでいるInGaN層内の全歪エネルギーは、次の関係式を使用して推定されることが可能である:
全歪エネルギー(a.u.)∝Σ(%Inn×Tn)
ここで、n番目の層の平均全厚さTnは、ナノメートル(nm)で表され、n番目のInGaN層中のインジウムの濃度%Innは、原子百分率として表される。例えば、InGaNのn番目の層が150ナノメートル(150nm)の平均全厚さTn及び2.0at%のインジウムの濃度%Innを有する場合には、InGaNのn番目の層内の歪エネルギーは、300a.u.(300=150(2))であってもよい。
全歪エネルギー(a.u.)∝Σ(%Inn×Tn)
ここで、n番目の層の平均全厚さTnは、ナノメートル(nm)で表され、n番目のInGaN層中のインジウムの濃度%Innは、原子百分率として表される。例えば、InGaNのn番目の層が150ナノメートル(150nm)の平均全厚さTn及び2.0at%のインジウムの濃度%Innを有する場合には、InGaNのn番目の層内の歪エネルギーは、300a.u.(300=150(2))であってもよい。
[00150]図9は、本開示の半導体構造についてのIQE(a.u.)と全歪エネルギー(a.u.)との間の関係を示しているグラフ900を図示する。本開示の半導体構造のIQEは、グラフ900の線902によって図示するように、半導体構造の「臨界歪エネルギー」と呼ばれる全歪エネルギーの値のところで減少することがある。(線904によって表されたように)臨界歪エネルギーより下の半導体構造のIQEは、(線906によって表されたように)臨界歪エネルギーより上の半導体構造のIQEよりも実質的に大きいことがある。例えば、グラフ900は、本開示のいくつかの半導体構造についての(四角の印によって示されたような)IQE値を図示する。いくつかの実施形態では、臨界歪エネルギーより下のIQEは、臨界歪エネルギーより上のIQEよりも約500%大きくてもよい。さらなる実施形態では、臨界歪エネルギーより下のIQEは、臨界歪エネルギーより上のIQEよりも約250%大きくてもよい。またさらなる実施形態では、臨界歪エネルギーより下のIQEは、臨界歪エネルギーより上のIQEよりも約100%大きくてもよい。
[00151]本開示の半導体構造に関して、各層の厚さ(nmで)と各層のインジウム含有量(%で)との積の総和によって定義される臨界歪エネルギー902は、約1800以下、約2800以下、又はそれどころか約4500以下の値を有することができる。
[00152]本開示では、図6Dの成長積層体682を構成している複数のIII族窒化物層は、成長積層体682が成長テンプレート113のGaNシード層656の結晶格子に一致するように実質的に十分に歪むような方法で堆積されることが可能である。成長積層体682が実質的に十分に歪んで、すなわち、実質的に歪緩和なしに成長されるこのような実施形態では、成長積層体は、GaNシード層の格子定数を受け継ぐことができる。本開示のある種の実施形態では、GaNシード層は、約3.186オングストローム以上の成長面格子定数を示すことがあり、そして成長積層体は、約3.186オングストローム以上の成長面格子定数を示すことがある。したがって、非限定的な例では、半導体構造100、200、300、400及び500は、十分に歪んだ材料から構成されるような方法で形成されてもよく、そしてこのような成長面格子定数を有することができる。
[00153]さらなる実施形態では、図6Dの成長積層体682を構成している複数のIII族窒化物層は、成長積層体682が部分的に緩和される、すなわち、成長積層体682の格子定数が下にあるGaNシード層とは異なるような方法で堆積されてもよい。このような実施形態では、歪緩和率(R)は、
として定義されることができ、ここで、aは成長積層体682についての平均成長面格子定数であり、asはGaNシードの平均成長面格子定数であり、alは成長積層体についての平衡(又は自然状態)平均成長面格子定数である。例えば、いくつかの実施形態では、成長積層体682は、約0.5%よりも小さい歪緩和率(R)を示すことがあり、さらなる実施形態では、成長積層体682は、約10%よりも小さい歪緩和率(R)を示すことがあり、そしてまたさらなる実施形態では、成長積層体682は、約50%よりも小さい歪緩和率(R)を示すことがある。III族窒化物材料を含んでいる半導体構造の様々な層をエピタキシャルで堆積した後で、さらなる処理が、LEDなどの発光デバイスへの半導体構造の製造を完成させるために適用されることが可能である。例えば、電極コンタクトは、本技術において知られたプロセスを使用してIII族窒化物材料の層上に形成されてもよく、図7及び図8を参照して下に簡単に説明される。
として定義されることができ、ここで、aは成長積層体682についての平均成長面格子定数であり、asはGaNシードの平均成長面格子定数であり、alは成長積層体についての平衡(又は自然状態)平均成長面格子定数である。例えば、いくつかの実施形態では、成長積層体682は、約0.5%よりも小さい歪緩和率(R)を示すことがあり、さらなる実施形態では、成長積層体682は、約10%よりも小さい歪緩和率(R)を示すことがあり、そしてまたさらなる実施形態では、成長積層体682は、約50%よりも小さい歪緩和率(R)を示すことがある。III族窒化物材料を含んでいる半導体構造の様々な層をエピタキシャルで堆積した後で、さらなる処理が、LEDなどの発光デバイスへの半導体構造の製造を完成させるために適用されることが可能である。例えば、電極コンタクトは、本技術において知られたプロセスを使用してIII族窒化物材料の層上に形成されてもよく、図7及び図8を参照して下に簡単に説明される。
[00154]半導体構造100から製造された、LEDなどの発光デバイス700の例が、図7に図示される。下記の説明は、半導体構造100から発光デバイスを製造するための実施形態を説明するけれども、このような製造プロセスは、半導体構造200、300、400及び500にもやはり適用されることが可能であることに留意すべきである。
[00155]さらに詳しくは、半導体構造100の一部分が除去されることが可能であり、これによってInnGa1−nNベース層112の一部分を露出させることができ、InnGa1−nNベース層が省略されるいくつかの実施形態では、半導体構造100の一部分が、GaNシード層656を露出させるために除去されてもよい。半導体構造100の選択部分の除去は、半導体構造100のp型コンタクト層104の露出した表面に感光化学物質(図示せず)を付けることによって実現されることが可能である。パターンを形成した透明プレートを通して電磁放射光への露出及び引き続く現像で、感光層は、InnGa1−nNベース層112の上方のIII族窒化物層の選択除去を可能にするための「マスク層」として利用されることが可能である。InnGa1−nNベース層112の上方のIII族窒化物層の選択部分の除去は、エッチングプロセス、例えば、ウェット化学エッチ及び/又はドライプラズマ系エッチ(例えば、反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマエッチング)を含むことができる。
[00156]第1の電極コンタクト702は、露出したInnGa1−nNベース層112の一部分の上方に形成されることが可能である。第1の電極コンタクト702は、チタン、アルミニウム、ニッケル、金、及びこれらの1つ又は複数の合金を含むことができる1つ又は複数の金属を含むことができる。第2の電極コンタクト704は、p型コンタクト層104の一部分の上方に形成されることが可能であり、第2の電極コンタクト704は、ニッケル、金、白金、銀、及びこれらの1つ又は複数の合金を含むことができる1つ又は複数の金属層を含むことができる。第1の電極コンタクト702及び第2の電極コンタクト704の形成で、電流は、発光デバイス700を通過することができ、例えば、可視光の形で電磁放射光を生成することができる。第1の電極コンタクト702と第2の電極コンタクト704との間の電流経路の少なくとも一部分が縦型経路を含むので、発光デバイス700は本技術においては「縦型デバイス」と一般に呼ばれることに留意すべきである。
[00157]半導体構造100から製造された、LEDなどの発光デバイス800のさらなる例が、図8に図示され、再び下記の説明が、半導体構造100から発光デバイスを製造するための実施形態を説明するけれども、このような製造プロセスは、半導体構造200、300、400及び500にもやはり適用されることが可能であることに留意すべきである。
[00158]さらに詳しくは、成長テンプレート113のすべて又は一部分が、半導体構造100から除去されることが可能であり、いずれかのGaNシード656層の露出を可能にすることができる、又はいくつかの実施形態では、InnGa1−nNベース層112の露出を可能にしてもよい。成長テンプレート113のすべて又は一部分の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、化学機械研磨、グラインディング及びレーザリフトオフを含む1つ又は複数の除去方法を含むことができる。成長テンプレート113のすべて又は一部分の除去で、第1の電極コンタクト802が、本明細書において上に説明したようにInnGa1−nNベース層112に付けられることが可能である。引き続いて、第2の電極コンタクト804が、p型コンタクト層104の一部分に付けられることが可能であり、これによって発光デバイス800を形成することができる。第1の電極コンタクト802及び第2の電極コンタクト804の形成で、電流は、発光デバイス800を通過することができ、例えば、可視光の形で電磁放射光を生成することができる。第1の電極層802と第2の電極層804との間の電流経路が実質的に垂直な経路を含むので、発光デバイス800は、本技術においては「垂直デバイス」と一般に呼ばれることに留意すべきである。
[00159]非限定的な例の発光デバイス700及び800の製造についての本明細書において上に説明した製造方法及びプロセスに加えて、例えば、光取り出しを向上させるための表面粗面化、熱放散を向上させるために金属キャリアへの貼り付け、ダイシング及び個片化、アイソレーション、相互接続、及び他の良く知られた製造方法の中でとりわけ「フリップ−チップボンディング」として本技術において知られているプロセスなどの、本技術において知られている追加の方法及びプロセスがやはり利用されることが可能であることに留意すべきである。
[00160]本開示の実施形態によるLEDなどの、発光デバイスは、1つ又は複数のLEDを中に組み込んでいる任意のタイプの発光デバイスに製造され、使用されることが可能である。本開示のLEDの実施形態は、比較的高い出力の下で動作し、且つ比較的高い光度を必要とするLEDからの利益を得る用途における使用のために特に適していることがある。例えば、本開示のLEDは、ビルの照明、街路照明、自動車照明、等のために使用されることが可能である、LEDランプ及びLED系の電球での使用に特に適していることがある。
[00161]本開示の追加の実施形態は、図7の発光デバイス700及び図8の発光デバイス800などの、本明細書において説明したような1つ又は複数のLEDを含んでいる光を放出するための発光体デバイスを含む。非限定的な例として、発光体デバイスは、本明細書において説明したような1つ又は複数のLEDを含んでいることを除いて、例えば、開示がこの引用によってその全体が本明細書に取り込まれている、バレッツ(Baretz)らによる2003年7月29日に発行された米国特許第6,600,175号に記載されているようなものであってもよい。
[00162]図14は、図7及び図8を参照して説明したような、デバイス700、800などの発光デバイスを含んでいる本開示の発光体デバイス900の例の実施形態を図示する。図14に示したように、発光体デバイス900は、容器902を含むことができ、その少なくとも一部分は、電磁放射光スペクトルの可視領域内の電磁放射光に対して少なくとも実質的に透明である。容器902は、例えば、非晶質若しくは結晶質セラミック材料(例えば、ガラス)又は高分子材料を含んでいてもよい。LED800は、容器902内に配置され、容器902内の支持構造904(例えば、プリント回路基板又は他の基板)上に載置されることが可能である。発光体デバイス900は、第1の電極コンタクト構造906及び第2の電極コンタクト構造908をさらに含んでいる。第1の電極コンタクト構造906は、第1の電極コンタクト802(図8)などの、LEDの電極コンタクトのうちの一方と電通することができ、第2の電極コンタクト構造908は、第2の電極コンタクト804(図8)などの、LEDの電極コンタクトのうちの他方と電通することができる。非限定的な例として、第1の電極コンタクト構造906は、支持構造904を介して第1の電極コンタクト804と電通することができ、そして、金属線910は、第2の電極コンタクト構造908を第2の電極コンタクト804と電気的に結合するために使用されてもよい。このように、電圧は、発光体デバイス900の第1の電極コンタクト構造906と第2の電極コンタクト構造908との間に印加されることが可能であり、LEDの第1及び第2の電極コンタクト802、804間に電圧及び対応する電流を与えることができ、これによって、LEDに放射光を放出させることができる。
[00163]発光体デバイス900は、任意選択で、容器902内の1つ又は複数のLED800によって放出された電磁放射光の吸収によって刺激されたとき又は励起されたときに、電磁放射光(例えば、可視光)をそれ自体が放出する蛍光材料又はリン光材料をさらに含むことができる。例えば、容器902の内側表面912は、このような蛍光材料又はリン光材料を用いて少なくとも部分的にコーティングされてもよい。1つ又は複数のLED800は、1つ又は複数の特定の波長で電磁放射光を放出することができ、そして蛍光材料又はリン光材料は、異なる可視波長で放射光を放出するであろう異なる材料の混合物を含むことができ、その結果、発光体デバイス900は、容器902から外に向かって白色光を放出する。様々なタイプの蛍光材料及びリン光材料が、本技術において知られており、本開示の発光体デバイスの実施形態において利用されることが可能である。例えば、いくつかのこのような材料は、前述の米国特許第6,600,175号に開示されている。
[00164]開示の実施形態の追加の非限定的な例が、下に記述される。
[00165]実施形態1:ベース層と、ベース層の上方に配置された活性領域であって、活性領域がInwGa1−wNを含んでいる少なくとも1つの井戸層、但し、0.10≦w≦0.40、及びInbGa1−bNを含んでいる少なくとも1つの障壁層、但し、0.01≦b≦0.10、を含んでいる複数のInGaNの層を含んでいる、活性領域と、ベース層の反対の活性領域の側で活性領域の上方に配置された電子阻止層であって、電子阻止層がIneGa1−eN、但し、0.00≦e≦0.02、を含んでいる、電子阻止層と、電子阻止層の上方に配置されたp型InpGa1−pNバルク層、但し、0.00≦p≦0.08、と、p型InpGa1−pNバルク層の上方に配置されたp型IncGa1−cNコンタクト層、但し、0.00≦c≦0.10、とを備えている、半導体構造。
[00166]実施形態2:ベース層が、成長テンプレートをさらに備えており、成長テンプレートが、成長基板と、成長基板上に配置されたGaNシード層であって、GaNシード層の成長面が極性面を備える、GaNシード層とを備えている、実施形態1の半導体構造。
[00167]実施形態3:ベース層が、n型InnGa1−nNベース層、但し、0.01≦n≦0.10、をさらに備えている、実施形態1又は実施形態2の半導体構造。
[00168]実施形態4:活性領域とベース層との間に配置されたInspGa1−spNスペーサ層、但し、0.01≦sp≦0.10、をさらに備えている、実施形態1〜実施形態3のいずれか1つの半導体構造。
[00169]実施形態5:活性領域と電子阻止層との間に配置されたIncpGa1−cpNキャップ層、但し、0.01≦cp≦0.10、をさらに備えている、実施形態1〜実施形態4のいずれか1つの半導体構造。
[00170]実施形態6:GaNシード層が、約1.0μmと約5μmとの間の平均厚さを有している、実施形態2の半導体構造。
[00171]実施形態7:成長テンプレートが、成長基板とGaNシード層との間に配置されたIII族窒化物核形成層をさらに備えている、実施形態2又は実施形態6の半導体構造。
[00172]実施形態8:活性領域が、約40nmと約750nmとの間の平均厚さを有している、実施形態1〜実施形態7のいずれか1つの半導体構造。
[00173]実施形態9:電子阻止層が、少なくとも実質的にGaNから構成されている、実施形態1〜実施形態8のいずれか1つの半導体構造。
[00174]実施形態10:p型InpGa1−pNバルク層が、約50nmと約600nmとの間の平均厚さを有している、実施形態1〜実施形態9のいずれか1つの半導体構造。
[00175]実施形態11:p型InpGa1−pNバルク層が、約175nmの平均厚さを有している、実施形態10の半導体構造。
[00176]実施形態12:p型IncGa1−cNコンタクト層が、少なくとも実質的にGaNから構成されている、実施形態1〜実施形態11のいずれか1つの半導体構造。
[00177]実施形態13:半導体構造の臨界歪エネルギーが、約1800以下である、実施形態1〜実施形態12のいずれか1つの半導体構造。
[00178]実施形態14:ベース層、活性領域、電子阻止層、p型InpGa1−pNバルク層、及びp型IncGa1−cNコンタクト層が、10%よりも小さい歪緩和率を示している成長積層体を画定している、実施形態1〜実施形態13のいずれか1つの半導体構造。
[00179]実施形態15:ベース層の少なくとも一部分の上方の第1の電極コンタクトと、p型コンタクト層の少なくとも一部分の上方の第2の電極コンタクトとをさらに備えている、実施形態1〜実施形態14のいずれか1つの半導体構造。
[00180]実施形態16:ベース層と、ベース層の上方に配置された活性領域であり、活性領域が複数のInGaNの層を備えており、複数のInGaNの層が、少なくとも1つの井戸層、及び少なくとも1つの井戸層の上に直接配置された少なくとも1つの障壁層を含んでいる、活性領域と、活性領域の上方に配置された電子阻止層と、電子阻止層の上方に配置されたp型InpGa1−pNバルク層と、p型InpGa1−pNバルク層の上方に配置されたp型IncGa1−cNコンタクト層とを備えている、発光デバイスであって、発光デバイスの臨界歪エネルギーが、約1800以下である、発光デバイス。
[00181]実施形態17:ベース層が、成長テンプレートをさらに備えており、成長テンプレートが、成長基板と、成長基板上に配置されたGaNシード層であって、GaNシード層の成長面が極性面を備える、GaNシード層とを備えている、実施形態16の発光デバイス。
[00182]実施形態18:少なくとも1つの井戸層が、InwGa1−wN、但し、0.10≦w≦0.40、を含んでいる、実施形態16又は実施形態17の発光デバイス。
[00183]実施形態19:少なくとも1つの障壁層が、InbGa1−bN、但し、0.01≦b≦0.10、を含んでいる、実施形態16〜実施形態18のいずれか1つの発光デバイス。
[00184]実施形態20:電子阻止層が、少なくとも実質的にGaNから構成されている、実施形態16〜実施形態18のいずれか1つの発光デバイス。
[00185]実施形態21:p型InpGa1−pNバルク層では0.00≦p≦0.08である、実施形態16〜実施形態20のいずれか1つの発光デバイス。
[00186]実施形態22:p型IncGa1−cNコンタクト層では0.00≦c≦0.10である、実施形態16〜実施形態21のいずれか1つの発光デバイス。
[00187]実施形態23:p型IncGa1−cNコンタクト層が、少なくとも実質的にGaNから構成されている、実施形態16〜実施形態22のいずれか1つの発光デバイス。
[00188]実施形態24:ベース層の少なくとも一部分の上方の第1の電極コンタクトと、p型IncGa1−cNコンタクト層の少なくとも一部分の上方の第2の電極コンタクトとをさらに備えている、実施形態16〜実施形態23のいずれか1つの発光デバイス。
[00189]実施形態25:活性領域、電子阻止層、p型InpGa1−pNバルク層、及びp型IncGa1−cNコンタクト層が、1%よりも小さい歪緩和率を示している成長積層体をともに画定している、実施形態16〜実施形態24のいずれか1つの発光デバイス。
[00190]実施形態26:半導体構造を形成する方法であって、ベース層を用意するステップと、複数のInGaNの層を成長させて、ベース層の上方に活性領域を形成するステップであり、複数のInGaNの層を成長させるステップが、少なくとも1つのInwGa1−wN井戸層、但し、0.10≦w≦0.40、を成長させるサブステップと、少なくとも1つのInbGa1−bN障壁層、但し、0.01≦b≦0.10、を成長させるサブステップとを含む、複数のInGaNの層を成長させるステップと、ベース層の反対の活性領域の側で活性領域の上方に電子阻止層を成長させるステップと、電子阻止層の上方にp型InpGa1−pNバルク層、但し、0.00≦p≦0.08、を成長させるステップと、p型InpGa1−pNバルク層の上方にp型IncGa1−cNコンタクト層、但し、0.00≦c≦0.10、を成長させるステップとを含む、方法。
[00191]実施形態27:ベース層を用意するステップが、成長テンプレートを形成するサブステップをさらに含み、成長テンプレートを形成するサブステップが、成長基板を用意することと、成長基板の上方にGaNシード層を成長させることであって、GaNシード層の成長面が、極性面である、GaNシード層を成長させることとを含む、実施形態26の方法。
[00192]実施形態28:ベース層を用意するステップが、n型InnGa1−nNベース層、但し、0.01≦n≦0.10、を成長させるサブステップをさらに含む、実施形態26又は実施形態27の方法。
[00193]実施形態29:活性領域とベース層との間に配置されたInspGa1−spNスペーサ層、但し、0.01≦sp≦0.10、を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態28のいずれか1つの方法。
[00194]実施形態30:活性領域と電子阻止層との間に配置されたIncpGa1−cpNキャップ層、但し、0.01≦cp≦0.10、を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態29のいずれか1つの方法。
[00195]実施形態31:約1.0μmから約7μmまでに及ぶ範囲内の平均層厚さまでGaNシード層を成長させるステップをさらに含む、実施形態27の方法。
[00196]実施形態32:成長テンプレートを成長させるステップが、成長基板とGaNシード層との間に配置されたIII族窒化物核形成層を堆積するサブステップをさらに含む、実施形態27又は実施形態31の方法。
[00197]実施形態33:約40nmと約750nmとの間の平均厚さを有するように活性領域を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態32のいずれか1つの方法。
[00198]実施形態34:少なくとも実質的にGaNから構成されるように電子阻止層を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態33のいずれか1つの方法。
[00199]実施形態35:約50nmと約600nmとの間の平均層厚さを有するようにp型InpGa1−pNバルク層を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態34のいずれか1つの方法。
[00200]実施形態36:少なくとも実質的にGaNから構成されるようにp型IncGa1−cNコンタクト層を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態35のいずれか1つの方法。
[00201]実施形態37:1%よりも小さい歪緩和率を示している成長積層体を画定するように、ベース層、活性領域、電子阻止層、p型InpGa1−pNバルク層、及びp型IncGa1−cNコンタクト層を形成するステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態36のいずれか1つの方法。
[00202]実施形態38:約1800以下の臨界歪エネルギーを有するように成長積層体を形成するステップをさらに含む、実施形態37の方法。
[00203]実施形態39:約50mTorrと約500mTorr(約6.65Paと約66.5Pa)との間の1つ又は複数の圧力でシングル化学気相堆積システムにおいて、活性領域、電子阻止層、p型InpGa1−pNバルク層、及びp型IncGa1−cNコンタクト層の各々を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態38のいずれか1つの方法。
[00204]実施形態40:反応室を介してトリメチルインジウム(TMI)及びトリエチルガリウム(TMG)を流しながら、反応室内でp型InpGa1−pNバルク層を成長させるステップであって、トリエチルガリウム(TMG)の流量に対するトリメチルインジウム(TMI)の流量の流量比(%)が、約50%と約95%との間である、p型InpGa1−pNバルク層を成長させるステップをさらに含む、実施形態26〜実施形態39のいずれか1つの方法。
[00205]上に説明した開示の例の実施形態は、これらの実施形態が、別記の特許請求の範囲の範囲及びその法律上の等価物によって規定される発明の単に例の実施形態であるので、本発明の範囲を限定しない。いずれかの等価な実施形態は、この発明の範囲内であるものとする。実際に、本明細書において示し説明したものに加えて、説明した要素の交互の有用な組合せなどの、開示の様々な修正形態は、本説明から当業者には明らかになるであろう。このような修正形態及び実施形態もやはり、別記の特許請求の範囲の範囲内になるものとする。
Claims (14)
- n型にドープした層を備えているベース層と、
前記ベース層の上方に配置された活性領域であって、前記活性領域が、InwGa1−wNを含んでいる少なくとも1つの井戸層、但し、0.10≦w≦0.40、及びInbGa1−bNを含んでいる少なくとも1つの障壁層、但し、0.01≦b≦0.10、を含んでいる複数のInGaNの層を備えている、活性領域と、
前記ベース層の反対の前記活性領域の側で前記活性領域の上方に配置された電子阻止層であって、前記電子阻止層がIneGa1−eN、但し、0.00≦e≦0.02、を含んでいる電子阻止層と、
前記電子阻止層の上方に配置されたp型InpGa1−pNバルク層、但し、0.00≦p≦0.08、と、
前記p型InpGa1−pNバルク層の上方に配置されたp型IncGa1−cNコンタクト層、但し、0.00≦c≦0.10、と、
を備えている、半導体エレクトロルミネッセンス構造。 - 前記ベース層が、成長テンプレートをさらに備えており、前記成長テンプレートが、
成長基板と、
前記成長基板上に配置されたGaNシード層であって、前記GaNシード層の成長面が極性面を備える、GaNシード層と、
を備えている、請求項1に記載の半導体エレクトロルミネッセンス構造。 - 前記成長テンプレートが、前記成長基板と前記GaNシード層との間に配置されたIII族窒化物核形成層をさらに備えている、請求項2に記載の半導体エレクトロルミネッセンス構造。
- 前記n型にドープした層が、n型InnGa1−nNベース層、但し、0.01≦n≦0.10、である、請求項1に記載の半導体エレクトロルミネッセンス構造。
- 前記電子阻止層が、GaNから作られている、請求項1に記載の半導体エレクトロルミネッセンス構造。
- 前記p型IncGa1−cNコンタクト層が、GaNから作られている、請求項1に記載の半導体エレクトロルミネッセンス構造。
- 前記半導体構造の臨界歪エネルギーが、各層の厚さ(nmで)と各層のインジウム含有量(%で)との積の総和によって定義され、1800以下である、請求項1に記載の半導体構造。
- 半導体エレクトロルミネッセンス構造を形成する方法であって、
n型にドープした層を備えているベース層を用意するステップと、
複数のInGaNの層を成長させて、前記ベース層の上方に活性領域を形成するステップであり、前記複数のInGaNの層を成長させるステップが、少なくとも1つのInwGa1−wN井戸層、但し、0.10≦w≦0.40、を成長させるサブステップと、少なくとも1つのInbGa1−bN障壁層、但し、0.01≦b≦0.10、を成長させるサブステップとを含む、複数のInGaNの層を成長させるステップと、
前記ベース層の反対の前記活性領域の側で前記活性領域の上方に電子阻止層を成長させるステップと、
前記電子阻止層の上方にp型InpGa1−pNバルク層、但し、0.00≦p≦0.08、を成長させるステップと、
前記p型InpGa1−pNバルク層の上方にp型IncGa1−cNコンタクト層、但し、0.00≦c≦0.10、を成長させるステップと、
を含む、方法。 - 前記ベース層を用意するステップが、成長テンプレートを形成するサブステップをさらに含んでおり、前記成長テンプレートを形成するサブステップが、
成長基板を用意することと、
前記成長基板の上方にGaNシード層を成長させることであって、前記GaNシード層の成長面が極性面である、GaNシード層を成長させることと、
を含む、請求項8に記載の方法。 - 前記成長テンプレートを形成するサブステップが、前記成長基板と前記GaNシード層との間に配置されたIII族窒化物核形成層を堆積することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- n型にドープした層を備えている前記ベース層を用意するステップが、n型InnGa1−nNベース層、但し、0.01≦n≦0.10、を成長させるサブステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- GaN電子阻止層を成長させるステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- GaNで前記p型IncGa1−cNコンタクト層を成長させるステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 各層の厚さ(nmで)と各層のインジウム含有量(%で)との積の総和によって定義され、1800以下である臨界歪エネルギーを有するように前記半導体構造を形成するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
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