JP2017517151A - ｎ型超格子及びｐ型超格子を備える電子デバイス - Google Patents

Abstract

超格子及び当該超格子の形成方法が開示される。特に、工学的に作製された、超格子を形成する層状の単結晶構造が開示される。超格子は、ｐ型導電性またはｎ型導電性を提供し、ホスト層及び不純物層を交互に備える。ホスト層は、半導体材料から実質的になり、不純物層は、対応するドナー材料またはアクセプタ材料から実質的になる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｎ−ｔｙｐｅ ａｎｄ Ｐ−ｔｙｐｅ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ」と題する２０１４年５月２７日出願のオーストラリア仮特許出願第２０１４９０２０１０号、及び「Ｎ−ｔｙｐｅ ａｎｄ Ｐ−ｔｙｐｅ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ａｎｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｏｆ」と題する２０１４年５月２７日出願のオーストラリア仮特許出願第２０１４９０２００９号の優先権を主張するものであり、これらの仮特許出願は参照によりその全体が本明細書中に組み込まれている。

本発明は、半導体、電子デバイス、及びそれらの製造に関する。特に、本発明は、半導体の電気的特性及び光学的特性を変えることに関する。

半導体製造プロセスでは、導電型などの半導体材料の電気的特性を変える場合がある。通常、半導体は、ドナー不純物をドープして、その導電性を電子が過剰に存在するｎ型に変えることができ、あるいは、アクセプタ不純物をドープして、その導電性をホールが過剰に存在するｐ型に変えることができる。

半導体は、３電子ボルトよりも極めて大きい電子バンドギャップＥ_Ｇ（すなわち、Ｅ_Ｇ≧３ｅＶ）を有するときにはワイドバンドギャップ半導体であるとみなされる。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）などのＩＩＩ族金属窒化物材料から形成されたワイドバンドギャップ半導体は、その形成温度が高いことから耐熱性材料としても知られている。ＩＩＩ族金属という用語は、元素の周期表のホウ素族から選択された原子を指すことを理解すべきである。特に注目されるのは、ＩＩＩ族金属窒化物材料である。この材料は、通常、ＩＶ族原子種（例えば、シリコン（Ｓｉ））などのドナー不純物種をドープすることにより、導電性をｎ型に変えることができる。逆に、ＩＩＩ族金属窒化物は、ＩＩ族原子種（例えば、マグネシウム（Ｍｇ））などのアクセプタ不純物をドープすることにより、導電性をｐ型に変える。ＩＩＩ族金属窒化物材料から形成された半導体は、高出力トランジスタなどの電子デバイスや、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）などの光デバイスの製造に使用される。

ＩＩＩ族金属窒化物材料をデバイスに使用することに関する１つの課題は、従来のデバイス製造プロセスにおいて、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中、ｘは約０．５よりも大きい）などの、アルミニウム（Ａｌ）含有量が比較的高いＩＩＩ族金属窒化物材料において高レベルの活性ドープ密度を得ることが困難である点である。さらに、電子的に標準レベルの活性ｐ型ドープ（Ｎ_Ａ≧１０^１８ｃｍ^−３）を得ることはあらゆるＩＩＩ族窒化金属半導体において特に困難であり、このことは高Ａｌ％膜の場合に一層深刻になることが分かっている。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ及びＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮの高Ａｌ％膜において、それぞれｘ≧０．６であり、ｙ≧０．７である場合、価電子帯のエネルギーの順序付けに従った遷移は、結晶運動量のゾーンセンター付近で（すなわち、直接ギャップの付近で）起きにくくなる。これにより、電子デバイス及び光電デバイスにおいて高濃度の活性正孔を得ることがさらに面倒なものとなる。

通常、選択されたドーパント不純物をバルクＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ材料内に組み込むために共蒸着技術を使用する。しかしながら、この技術では、所望の活性ドープ密度が得られないことが多い。バルクＩＩＩ族窒化膜のエピタキシャル形成中に共蒸着されたドーパント不純物は、成長膜の表面に偏析するか、あるいは、ＩＩＩ族金属窒化物結晶構造の置換型金属格子部位に容易には組み込まれない傾向がある。従って、ホストのＩＩＩ族金属窒化物材料への不純物ドーパントの組み込みが最適化されない。ＩＩＩ族金属窒化膜において十分な電気活性ドーパント濃度を得るためには、エピタキシャル層の形成中、上述した不純物ドーパントの不十分な組み込みを補償するために、比較的高濃度の不純物原子ドーパントを添加すること、つまり、通常は溶解限度を超えることが必要であることが実験的に分かっている。（ｉ）電気活性ドーパント濃度を高くすること及び（ｉｉ）結晶構造膜の高品質化という目的を同時に実現する際には、さらなる基本的なトレードオフが依然として存在する。すなわち、利用可能な不純物原子の少なくとも一部（通常、約１〜１０％）を成長中のＩＩＩ族金属窒化物膜の中に組み込むために、共蒸着中のドーパント種の入射束を強くすることが必要となる。このことは、得られるＩＩＩ族金属窒化物膜の構造的品質が低下するという不都合な犠牲を伴う。

ワイドバンドギャップ半導体では、特にＩＩＩ族窒化金属半導体の場合には、従来の不純物原子ドーピングのさらなる根本的な技術的限界が依然として存在する。ホスト結晶内のＩＩＩ族金属部位に対するドーピングが理想的な置換でなされた場合であっても、ドナーまたはアクセプタの活性化エネルギーＥ_ａｃｔ（Ｄ，Ａ）が実質的に大きいため、室温では、利用可能な過剰キャリアのごく一部のみがホスト内で活性化される。

発光デバイスは、通常、バンドギャップが決まった半導体材料における所与の空間領域内で、正反対のキャリア型（すなわち、電子及び正孔）が量子力学的に再結合することに基づいている。上述の再結合領域を定義する光学バンドギャップにより、電子及び正孔のエネルギーの変換によって生成された光子の発光エネルギーが制御される。電子の及び正孔の供給源は、ｐ型及びｎ型の貯蔵部によって提供され、通常はＰＩＮダイオードの階層構造で構成される。ＰＩＮダイオードは、ｐ型層（正孔貯蔵部）、真性層、及びｎ型層（電子貯蔵部）を備える。再結合プロセスは、真性領域内で実質的に発生し、意図的にドープされない（ｎｏｔ ｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｏｐｅｄ：ＮＩＤ）半導体として一般的に形成される。適切な電気バイアスにより、電子及び正孔は、ＰＩＮダイオードの真性層に同時に注入される。ＰＮ接合ダイオードも使用可能であることが理解される。

さらに、紫外線（ＵＶ）ＬＥＤの従来の製造においてＩＩＩ族金属窒化物材料を使用するとき、ＵＶＬＥＤは、選択されたＩＩＩ族金属窒化物の複数層の異種組成物を用いて構築されて、いわゆるヘテロ構造を形成する。ヘテロ構造のＵＶ ＰＩＮまたはＰＮ ＬＥＤでは、バンドギャップがより広いＩＩＩ族金属窒化物材料を使用してＬＥＤのｐ型領域及びｎ型領域の少なくとも一方を形成し、バンドギャップの狭いＩＩＩ族金属窒化物材料を使用してＬＥＤの活性再結合領域を形成する。バンドギャップのより広い領域は、デバイス外部の吸収結合を少なくするために必要とされる。すなわち、光子生成による光は、ＬＥＤの内部領域から漏れることが可能でなければならない。

ヘテロ構造のＵＶ ＬＥＤに関する１つの課題は、任意のＩＩＩ族金属窒化物ヘテロ接合では、例えば、バンドギャップがより広いＩＩＩ族金属窒化物材料とバンドギャップがより狭いＩＩＩ族金属窒化物材料との間の界面が、（自発分極場及び圧電場などの）極めて大きい内部分極場を生じさせる点である。これらの内部分極場は、ＬＥＤの活性領域内での電子及び正孔などの電荷キャリアの分散及び輸送を妨げる。その結果、キャリアの再結合は、電子及び正孔の理想的な空間的局在化を抑制する傾向のある極めて大きい電気分極場が内部にあることによって実質的に減少する。実際には、電気分極場が内部に形成されることにより、再結合領域において電子の波動関数と正孔の波動関数とが空間的に分離される傾向がある。すなわち、（量子力学的波動関数として専門分野の研究者に知られる）電子及び正孔の電子的空間的な確率分布が整列しないため、いわゆる重なり積分が極端に小さくなり、それによって再結合が実質的に減少する。従って、ＬＥＤからの発光量は、電気分極場が内部に存在しない同等の場合に比べて実質的に減少する。

従来のＩＩＩ族金属窒化物発光デバイスにおける上述した技術的限界を克服する必要が差し迫っている。Ａｌ含有量の高いＩＩＩ族窒化金属半導体材料に所望の導電型を提供して不純物活性のレベルが高くなるようにする（すなわち、Ｎ_Ａ，Ｄ＞１０^１８ｃｍ^−３）ために新たなアプローチが必要とされ、ＵＶＬＥＤの発光効率を高めるために新たなアプローチが必要とされる。

一形態では、それが唯一の形態または実際に最も広い形態である必要はないが、本発明は超格子に属する。特に、工学的に作製された、超格子を形成する層状の単結晶構造物。超格子は、ｐ型導電性またはｎ型導電性を提供し、ホスト層と不純物層を交互に備え、
ホスト層は、半導体材料から実質的になり、
不純物層は、対応するドナー材料またはアクセプタ材料から実質的になる。

好ましくは、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料である。
好ましくは、複数の不純物層は、ドナー材料から実質的になるドナー不純物層であり、複数の不純物層は、アクセプタ材料から実質的になるアクセプタ不純物層である。

好ましくは、不純物層は、ドナー不純物層とアクセプタ不純物層との間で交互になっている。

別の形態では、それが最も広い形態である必要はないが、本発明は、
ｎ型導電性を提供するｎ型超格子と、
ｐ型導電性を提供するｐ型超格子と、を備える電子デバイスに存在し、
ｎ型超格子は、ホスト層とドナー不純物層を交互に備え、
ホスト層は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になり、
ドナー不純物層は、対応するドナー材料から実質的になり、
ｐ型超格子は、ホスト層とアクセプタ不純物層を交互に備え、
ホスト層は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になり、
アクセプタ不純物層は、対応するアクセプタ材料から実質的になる。

好ましくは、電子デバイスは、紫外発光ダイオードまたは紫外光検出器である。
好ましくは、ｎ型超格子及びｐ型超格子はＰＮ接合を形成する。

好ましくは、電子デバイスは、ｎ型超格子とｐ型超格子との間に真性領域をさらに備えてＰＩＮ接合を形成する。

好ましくは、超格子は層状のＰＩＮダイオードである。
好ましくは、真性領域は、１種または複数種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になる。

好ましくは、真性領域は、成長方向に沿って変化するバンドギャップを有する。
好ましくは、真性領域は、純粋なＩＩＩ族窒化金属半導体材料；水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、希土類またはランタノイド金属の少なくとも１種から選択される結晶構造改質剤を含むＩＩＩ族窒化金属半導体材料；及び意図的にドープされない（ｎｏｔ−ｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｏｐｅｄ：（ＮＩＤ））ＩＩＩ族窒化金属半導体材料の少なくとも１種を含む。

好ましくは、ｐ型超格子及び／またはｎ型超格子は、当該ｐ型超格子及び／またはｎ型超格子が真性領域の光子放出波長または光子吸収波長に対して透過的となるような周期及び／またはデューティサイクルを有する。

好ましくは、電子デバイスは、ｎ型超格子に隣接するバッファ領域をさらに備え、バッファ領域は、ＡｌＮ及び／またはＧａＮから実質的になる。

好ましくは、バッファ領域は、約１ｎｍ〜約１μｍの厚さを有する。
好ましくは、バッファ領域は、１０ｎｍ〜約１μｍの厚さ、または、より好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。

好ましくは、バッファ領域は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料と同等のバルク組成を有するＡｌＮとＧａＮの交互層を備えた超格子を備える。

好ましくは、バッファ領域は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の組成を有する少なくとも１種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料の三元系バルク合金組成物を含む。

好ましくは、バッファ領域は、（Ａ_ｘＢ_１−ｘ）_２Ｏ_３（式中、Ａ及びＢは、Ａｌ、Ｉｎ、及びＧａの少なくとも２種から選択される）の形態のＩＩＩ族金属酸化物を含む。

好ましくは、電子デバイスは基材をさらに備える。
好ましくは、基材の材料は、ＡｌＮ若しくはＧａＮなどの天然のＩＩＩ族金属窒化物材料、サファイア、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）若しくは酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの金属酸化物材料、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、アモルファスガラス上の結晶性薄膜半導体、または金属上の薄膜結晶性半導体の１種から選択される。

好ましくは、電子デバイスは、ｎ型超格子と基材との間にバッファ領域を備える。
好ましくは、電子デバイスは、ｐ型超格子と基材との間にバッファ領域を備える。

好ましくは、電子デバイスは、ｐ型超格子に隣接するｐ型接点層、及びｐ型接点層の上に形成されたｐ型接点をさらに備える。

好ましくは、ｐ型接点は、電子デバイスの発光波長に対して実質的に反射性を有する。
好ましくは、ｐ型接点は、１つまたは複数の窓または開口を備えて、電子デバイスから光が出ることを可能にする。

好ましくは、電子デバイスは、ｎ型超格子に隣接して形成されたｎ型接点をさらに備える。

好ましくは、電子デバイスは、基材に隣接するオーミック接点層をさらに備える。
好ましくは、基材及びオーミック接点層は、１つまたは複数の以上の窓または開口を備えて、電子デバイスから光が出ることを可能にする。

好ましくは、電子デバイスは、ｐ型超格子及びｎ型超格子に隣接し、かつ直交する不活性化層をさらに備えて伝導経路を絶縁する。

好ましくは、不活性化層は、ホスト層のＩＩＩ族窒化金属半導体材料よりも広いバンドギャップを有するワイドバンドギャップ材料からなる。

好ましくは、不活性化層は、Ａｌ_ｘＯ_ｙ（式中、０＜ｘ≦２かつ０＜ｙ≦３）から実質的になる。

好ましくは、ｎ型超格子及び／またはｐ型超格子は、引っ張り歪みまたは圧縮歪みを有する。

好ましくは、ｎ型超格子及び／またはｐ型超格子は、電子の波動関数及び正孔の波動関数を有し、電子の波動関数のピークは正孔の波動関数のピークと空間的に整列していない。

好ましくは、ｐ型超格子及びｎ型超格子はそれぞれ、少なくとも１０層のホスト層及び少なくとも１０層のドナー不純物層またはアクセプタ不純物層を備える。

好ましくは、ｐ型超格子の周期及び／またはｎ型超格子の周期は均一である。
好ましくは、ｐ型超格子の周期及び／またはｎ型超格子の周期は不均一である。

好ましくは、ホスト層は、意図的にドープされないＩＩＩ族窒化金属半導体材料を含む。

別の形態では、それが最も広い形態である必要はないが、本発明は、膜形成プロセスを介したｐ型超格子またはｎ型超格子の作製方法であって、
ａ．反応室に基材を装填するステップと、
ｂ．基材を膜形成温度にまで加熱するステップと、
ｃ．ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になるホスト層を基材の上に形成するステップと、
ｄ．第１の窒素終端表面をホスト層の上に形成するステップと、
ｅ．第１の窒素終端表面に、対応するドナー材料またはアクセプタ材料から実質的になる不純物層を形成するステップと、
ｆ．不純物層の上に窒素層を形成して、第２の窒素終端表面を形成するステップと、
ｇ．第２の窒素終端表面に、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になるホスト層を形成するステップと、
ｈ．超格子が所望の厚さに到達するかまたは所望の層数を備えるまで、ステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返すステップと、を含む方法に属する。

好ましくは、所望の層数は、少なくとも１０層のホスト層と少なくとも１０層の不純物層である。

好ましくは、膜形成プロセスは、真空蒸着プロセス、分子線エピタキシプロセスまたは気相蒸着プロセスである。

好ましくは、膜形成温度は、約２００℃〜約１２００℃の間である。
好ましくは、膜形成温度は、約５００℃〜約８５０℃の間である。

好ましくは、超格子の所望の厚さは、約５０ｎｍ〜約５μｍの間である。
好ましくは、反応室は、超格子の電子的性質または構造的性質に影響を与えないように、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）及び炭素（Ｃ）の種が十分に欠乏している。

好ましくは、本方法は、励起された分子状窒素種を用いて窒素終端表面を調製するために成長を中断させることを含む。

好ましくは、ホスト層及び不純物層は、所定の結晶極性を有する。
好ましくは、所定の結晶極性は、成長方向に沿った実質的に金属極の極性または窒素極性である。

好ましくは、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料中のＩＩＩ族金属は、少なくとも約５０モル％のＡｌを含む。

好ましくは、半導体材料またはＩＩＩ族窒化金属半導体材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）；窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）；窒化アルミニウムインジウム（Ａｌ_ｘＩｎ１_−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）；及び窒化アルミニウムガリウムインジウム（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）（式中、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１かつｘ＋ｙ＜１）の少なくとも１種から選択される。

好ましくは、ドナー材料は、シリコン（Ｓｉ）；ゲルマニウム（Ｇｅ）；シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）（式中、０＜ｘ＜１）；結晶性窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）；結晶性窒化ゲルマニウム（Ｇｅ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）；結晶性窒化シリコンアルミニウムガリウム（Ｓｉ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）；及び結晶性窒化ゲルマニウムアルミニウムガリウム（Ｇｅ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択される。

好ましくは、アクセプタ材料は、マグネシウム（Ｍｇ）；亜鉛（Ｚｎ）；炭素（Ｃ）；結晶性窒化マグネシウム（Ｍｇ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）；結晶性窒化亜鉛（Ｚｎ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）；窒化マグネシウムアルミニウムガリウム（Ｍｇ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）；及び窒化亜鉛アルミニウムガリウム（Ｚｎ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択される。

好ましくは、ドナー材料またはアクセプタ材料は、元素の周期表のランタノイド系列内の１種または複数種の原子種を含む。

好ましくは、ドナー材料またはアクセプタ材料は、多数のガドリニウム（Ｇｄ）を含む。

好ましくは、ドナー材料またはアクセプタ材料は、式Ｌ_ｘＮ_ｙ（式中、Ｌは少なくとも１種のランタノイド原子であり、Ｎは窒素であり、０＜ｘ≦３かつ０＜ｙ≦２である）を有する結晶性窒化ランタノイド組成物から選択される。

好ましくは、ドナー材料またはアクセプタ材料は、窒化ガドリニウムＧｄ_ｘＮ_ｙ（式中、０＜ｘ≦３かつ０＜ｙ≦２）である。

好ましくは、超格子は、少なくとも１０層のホスト層及び少なくとも１０層の不純物層を備える。

好ましくは、ホスト層は互いに同等の厚さを有し、かつ／または不純物層は互いに同等の厚さを有する。

好ましくは、後続のホスト層は実質的に異なる厚さを有し、かつ／または後続の不純物層は実質的に異なる厚さを有する。

好ましくは、ホスト層はそれぞれ約１ｎｍ〜約２５ｎｍの厚さを有する。
好ましくは、ホスト層はそれぞれ、単一層の少なくとも半分及び最大１０層の単一層の厚さを有する。

好ましくは、不純物層はそれぞれ約０．２５ｎｍ〜約２ｎｍの厚さを有する。
好ましくは、不純物層はそれぞれ、単一層の少なくとも半分及び最大５層未満の単一層の厚さを有する。

好ましくは、不純物層はそれぞれ、少なくとも１層の単一層及び２層以下の単一層の厚さを有する。

好ましくは、各ドナー不純物層及び／または各アクセプタ不純物層は、ドナー材料またはアクセプタ材料の原子の単一層である。

好ましくは、不純物層はそれぞれ六方晶網面を形成し、ホスト層はウルツ鉱結晶構造を有する。

好ましくは、半導体材料はシリセンまたはグラフェンである。
好ましくは、不純物層の面内のドナー材料またはアクセプタ材料の原子間の平均間隔は１ｎｍ未満である。

好ましくは、不純物層の面内のドナー材料またはアクセプタ材料の原子間の平均間隔は約０．１ｎｍである。

好ましくは、後続の不純物層は、ドナー材料またはアクセプタ材料の原子によって誘起された電子ポテンシャル井戸の中の電子の波動関数及び／または正孔の波動関数が空間的に重なるような距離だけ離される。

添付の図面（これらの図面では、同じ参照番号が個々の図を通じて同一または機能的に同等の要素を指す）は、以下の詳細な説明と共に、明細書中に組み込まれ、またはその一部を構成すると共に、特許請求された発明を含む概念の実施形態をさらに例示し、これらの実施形態の様々な原理及び利点を説明するのに有用である。

本発明の一実施形態に係る超格子の断面図である。 単一のドナー不純物層を備えた超格子における最低伝導帯Γ (k = 0, z)のエネルギーバンド図である。 ３層のドナー不純物層を備えた超格子における最低伝導帯Γ (k = 0, z)のエネルギーバンド図である。 ３層のアクセプタ不純物層を備えた超格子における結晶場分裂（ｃｒｙｓｔａｌ−ｆｉｅｌｄ−ｓｐｌｉｔ：ＣＨ）、重い正孔（ｈｅａｖｙ−ｈｏｌｅ：ＨＨ）及び軽い正孔（ｌｉｇｈｔ−ｈｏｌｅ：ＬＨ）の価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図である。 図３ＡのＣＨ価電子帯における正孔の波動関数のエネルギーバンド図である。 図３ＡのＨＨ価電子帯における正孔の波動関数のエネルギーバンド図である。 図３ＡのＬＨ価電子帯における正孔の波動関数のエネルギーバンド図である。 本発明の一実施形態に係る、いくつかの実施形態に従った超格子の作製方法のフロー図である。 図１に示した超格子を形成するためのシャッタ調整シーケンスの概要図である。 本発明の一実施形態に係る電子デバイスの断面図である。 ｎ型超格子、ｐ型超格子及び真性領域を備えたＰＩＮデバイスの空間的なエネルギーバンド構造のプロットである。 図５に示した電子デバイスの構造に基づくｎ型接点及びｐ型接点を備えた例示的なＬＥＤデバイスの断面図である。 ＬＥＤデバイス内の真性層の位置及び光の波長の関数として、図６に示した例示的なＬＥＤデバイスの真性層における光吸収をプロットした図である。 ＬＥＤデバイスの上部を介する発光を可能にするためにｐ型接点に開口を備えた例示的なＬＥＤデバイスの断面図である。 ｎ型接点をオーミック接点で置き換えた別の例示的なＬＥＤデバイスの断面図である。 基板及びオーミック接点を通る窓を有するように適合された、図８Ｂに示した例示的なＬＥＤデバイスの断面図である。 窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ）からなるホスト層及びシリコン（Ｓｉ）からなる１９層のドナー不純物層を有するｎ型超格子における伝導帯エネルギーのエネルギーバンド図である。 図１０Ａと同じｎ型超格子における価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図である。 緩和ＧａＮバッファ層の上に形成されたＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎからなるホスト層及びマグネシウム（Ｍｇ）からなる１９層のアクセプタ不純物層を有する引っ張り歪みｐ型超格子における伝導帯エネルギーのエネルギーバンド図である。 図１１Ａと同じｐ型超格子における価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図である。 緩和ＡＩＮバッファ層の上に形成されたＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎからなるホスト層及びマグネシウム（Ｍｇ）からなる１９層のアクセプタ不純物層を有する圧縮歪みｐ型超格子における伝導帯エネルギーのエネルギーバンド図である。 図１２Ａと同じｐ型超格子における価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図である。 図１２Ａと同じ超格子の伝導帯に対してプロットされた、１９個の最低エネルギーの量子化された電子の波動関数のプロットである。 図１２Ｂと同じ超格子のＣＨ帯に対してプロットされた、１９個の最低エネルギーの量子化された正孔の波動関数のプロットである。

当業者は、図面中の要素が、単純明快なものとするために示されたものであり、必ずしも縮尺に合わせて描かれたものではないことを理解するであろう。例えば、図面中の要素の一部の寸法は、本発明の実施形態をより理解しやすくするため、他の要素と比較して寸法が誇張されている場合がある。

超格子、電子デバイス、及び方法の構成要素は、従来のシンボルによって図中に必要に応じて表されているが、これらは、本発明の実施形態の理解に関連する特定の細部のみを示し、本明細書における説明の利益を享受する当業者にとって容易に明白となる細部によって本開示が不明瞭にならないようにしている。

超格子
一態様によれば、本発明は、ｐ型導電性またはｎ型導電性を提供する超格子に属する。超格子は、ホスト層と不純物層を交互に備える。ホスト層は半導体材料から実質的になり、不純物層は、対応するドナー材料またはアクセプタ材料から実質的になる。例えば、ホスト層は、意図的にドープされない（ｎｏｔ ｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｏｐｅｄ：ＮＩＤ）半導体材料によって形成され、不純物層は、１種または複数種の対応するドナー材料またはアクセプタ材料によって形成される。超格子は、図４及び４Ａに関してさらに後述するように膜形成プロセスを介して形成することができる。好ましい実施形態では、超格子は、層状の単結晶構造として形成される。好ましい実施形態では、超格子は、短周期超格子である。

超格子は、それぞれがホスト層及び不純物層からなる複数の単位格子を備えるものとみなすことができる。しかしながら、別の実施形態では、単位格子は、ホスト層及び２層以上の不純物層を備えることができる。単位格子の周期及びデューティサイクルを変えることにより、超格子の電気的特性及び光学的特性を変えることができる。好ましい実施形態では、超格子は、均一な周期性を有する単位格子を備える。しかしながら、代替的実施形態では、超格子は、周期性が均一ではない単位格子を備える。例えば、周期は、ホスト層及び／または不純物層の厚さを変えることにより、超格子に沿って線形に変化する。

超格子の周期は、隣接する不純物層間または隣接する各単位格子内の不純物層間の中心間距離として定義される。各単位格子のデューティサイクルは、単位格子内の不純物層の厚さに対するホスト層の厚さの比として定義される。

好ましい実施形態では、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料である。特に、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料中のＩＩＩ族金属が少なくとも約５０モル％のＡｌを含むＩＩＩ族窒化金属半導体材料である。

超格子は、従来の方法を介してドープされる半導体材料に対していくつかの利点を呈する。超格子は、半導体材料の形成中にドーパント不純物を共蒸着させる必要がなくなり、膜形成プロセス中にドーパント不純物が半導体材料の表面に偏析するという従来技術の課題を実質的に軽減するかまたは完全に除去する。超格子は、比較的大きく過剰の自由キャリアを提供することもできる。

ホスト層がＡｌ含有量の高いＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になる場合、超格子は、高レベルのｎ型導電率またはｐ型導電率を実現し、Ａｌ含有量が増加しても活性キャリア濃度が大幅に減少しない。したがって、本発明は、Ａｌ含有量の高いＩＩＩ族窒化金属半導体において、高活性化されたｎ型導電性またはｐ型導電性を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る、基材１１０及び超格子１１５を備えた構造物１００の断面図である。超格子１１５は、基材１１０の上に形成される。一実施形態では、基材１１０の材料は、サファイアなどのｃ面配向の酸化アルミニウムであり、基材１１０は約６００μｍの厚さを有する。しかしながら、他の適切な基材材料または基板の厚さを用いることも可能である。例えば、基材の材料は、ＡｌＮ若しくはＧａＮなどの天然のＩＩＩ族金属窒化物材料、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）若しくは酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの別の金属酸化物材料、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、アモルファスガラス上の結晶性薄膜半導体、または金属上の薄膜結晶性半導体の１種から選択することができる。

超格子１１５は、交互に形成されたホスト層１２０−ｎ及び不純物層１３０−ｎを備える。図１の例に示すように、超格子１１５は、ホスト層１２０−１、不純物層１３０−１、ホスト層１２０−２、不純物層１３０−２、ホスト層１２０−３、不純物層１３０−３、及びホスト層１２０−４を順に備える。ホスト層１２０−ｎ及び隣接する不純物層１３０−ｎを含む各対は、単位格子を構成する。例えば、ホスト層１２０−１及び不純物層１３０−１は一緒に、単位格子を構成する。

図１に示した実施形態には、４層のホスト層１２０−ｎ及び３層の不純物層１３０−ｎ（すなわち、３個半の単位格子）が示されているが、任意の数のホスト層１２０−ｎと任意の数の不純物層１３０−ｎとを交互に形成して、厚さｔ１を有する超格子１１５を作製してもよい。例えば、好ましい実施形態では、超格子１１５は、少なくとも１０個の単位格子を備えており、さらには何百個または何千個もの単位格子を備えることができる。超格子１１５の厚さｔ１は約５０ｎｍ〜約５μｍである。好ましい実施形態では、厚さｔ１は約２５０ｎｍである。

図１に示した拡大断面図を参照すると、各ホスト層１２０−ｎは厚さｔ２を有する。好ましい実施形態では、厚さｔ２は約１ｎｍ〜約２５ｎｍである。いくつかの実施形態では、ホスト層はそれぞれ、単一層の少なくとも半分及び最大１０層の単一層の厚さを有する。各不純物層１３０−ｎは厚さｔ３を有する。好ましい実施形態では、厚さｔ３は約０．２５ｎｍ〜約２ｎｍである。いくつかの実施形態では、厚さｔ３は約１ｎｍである。いくつかの実施形態では、不純物層１３０−ｎはそれぞれ、単一層の少なくとも半分及び５層未満の単一層の厚さを有する。いくつかの実施形態では、不純物層１３０−ｎはそれぞれ、少なくとも１層の単一層及び２層以下の単一層の厚さを有する。好ましい実施形態では、不純物層の面内のドナー材料またはアクセプタ材料の原子間の平均間隔は１ｎｍ未満であり、より好ましくは約０．１ｎｍである。

好ましい実施形態では、ホスト層１２０−ｎは、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になる。ＩＩＩ族窒化金属半導体材料は、１種または複数種のＩＩＩ族金属及び窒素からなる。例えば、半導体材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）；窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）；窒化アルミニウムインジウム（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）；窒化アルミニウムガリウムインジウム（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）（式中、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１かつｘ＋ｙ＜１）の少なくとも１種から選択することができる。好ましい実施形態では、１種または複数種のＩＩＩ族金属は、少なくとも約５０モル％のＡｌを含む。

好ましい実施形態では、不純物層１３０−ｎは、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料に対応するドナー材料またはＩＩＩ族窒化金属半導体材料に対応するアクセプタ材料から実質的になる。しかしながら、いくつかの代替的実施形態では、複数の不純物層は、半導体材料に対応するドナー材料から実質的になるドナー不純物層であり、複数の不純物層は、半導体材料に対応するアクセプタ材料から実質的になるアクセプタ不純物層である。例えば、不純物層は、ドナー不純物層とアクセプタ不純物層との間に交互に設けることができる。

不純物層１３０−ｎがドナー材料から実質的になる場合、超格子はｎ型導電性を提供する。例えば、ドナー材料は、シリコン（Ｓｉ）；ゲルマニウム（Ｇｅ）；シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）（式中、０＜ｘ＜１）；結晶性窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）；結晶性窒化ゲルマニウム（Ｇｅ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）；結晶性窒化シリコンアルミニウムガリウム（Ｓｉ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）；及び結晶性窒化ゲルマニウムアルミニウムガリウム（Ｇｅ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択することができる。

不純物層１３０−ｎがアクセプタ材料から実質的になる場合、超格子はｐ型導電性を提供する。例えば、アクセプタ材料は、マグネシウム（Ｍｇ）；亜鉛（Ｚｎ）；炭素（Ｃ）；結晶性窒化マグネシウム（Ｍｇ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）；結晶性窒化亜鉛（Ｚｎ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）；窒化マグネシウムアルミニウムガリウム（Ｍｇ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）；及び窒化亜鉛アルミニウムガリウム（Ｚｎ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択することができる。

いくつかの実施形態では、ドナー材料またはアクセプタ材料は、元素の周期表のランタノイド系列内の１種または複数種の原子種を含む。例えば、ドナー材料またはアクセプタ材料は、多数のガドリニウム（Ｇｄ）を含むことができる。ドナー材料またはアクセプタ材料は、式Ｌ_ｘＮ_ｙ（式中、Ｌは少なくとも１種のランタノイド原子であり、Ｎは窒素であり、０＜ｘ≦３かつ０＜ｙ≦２である）を有する結晶性窒化ランタノイド組成物とすることもできる。より好ましくは、ドナー材料またはアクセプタ材料は、窒化ガドリニウム（Ｇｄ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ≦３かつ０＜ｙ≦２）である。

いくつかの実施形態では、不純物層１３０−ｎはそれぞれ六方晶網面を形成し、ホスト層はウルツ鉱結晶構造を有する。いくつかの実施形態では、ホスト層がウルツ鉱結晶構造を有する場合、半導体材料はシリセン（ｓｉｌｉｃｅｎｅ）またはグラフェンである。

隣接するホスト層１２０−ｎの間に挿入された各不純物層１３０−ｎは、空間的に閉じ込められたポテンシャル井戸のシートを作る。これにより、ある体積のｎ^＋型材料またはｐ^＋型材料が超格子１１５内に効果的に作製される。例えば、ポテンシャル井戸の第１シートは、ホスト層１２０−１とホスト層１２０−２との間に挿入された不純物層１３０−１に形成される。ポテンシャル井戸の第２シートは、ホスト層１２０−２とホスト層１２０−３との間に挿入された不純物層１３０−２に形成される。ポテンシャル井戸の第３シートは、ホスト層１２０−３とホスト層１２０−４との間に挿入された不純物層１３０−３に形成される。不純物層１３０−ｎの周期的間隔ｄ１を変えることにより、ポテンシャル井戸の位置及び大きさを変えることができる。周期的間隔ｄ１は、例えば、ホスト層１２０−ｎを形成するのに使用される半導体材料のバンドギャップに基づいて決定される。

ホスト層の厚さｔ２及び／または不純物層の厚さｔ３を変えることにより、不純物層１３０−ｎの周期的間隔ｄ１を変えることができる。好ましい実施形態では、不純物層１３０−ｎの周期的間隔ｄ１は、約０．１ｎｍ〜約１０ｎｍである。

図１に示した実施形態では、ホスト層１２０−ｎは、複数の単位格子のそれぞれにおいて同等の厚さを有し、不純物層１３０−ｎは、複数の単位格子のそれぞれにおいて同等の厚さを有する。従って、周期的間隔ｄ１または周期は、超格子に沿って均一である。しかしながら、代替的実施形態では、ホスト層１３０−ｎは、各後続の単位格子において実質的に異なる厚さを有し、かつ／または、不純物層１３０−ｎは、各後続の単位格子において実質的に異なる厚さを有する。これらの代替的実施形態では、周期的間隔ｄ１を超格子に沿って不均一にすることができる。

波動関数は、量子力学における確率振幅であり、これは、粒子の量子状態及び粒子がどのように振る舞うかを説明するものである。いくつかの実施形態では、超格子１１５の不純物層１３０−ｎは、後続の不純物層１３０−ｎ内のドナー材料またはアクセプタ材料の原子によって誘起されたポテンシャル井戸内の電子の波動関数Ψが空間的に重なるような周期的間隔ｄ１を有する。不純物層１３０−ｎ間で電子の波動関数Ψが重なっているため、電子が非局在化した「海（ｓｅａ）」が形成される。例えば、ホスト層１２０−ｎがＡｌＮによって形成され、かつ不純物層１３０−ｎの周期的間隔ｄ１が約１ｎｍ〜１０ｎｍである場合、上記により、超格子１１５を介して電子が縦に伝搬することが可能となる。

好ましい実施形態では、ホスト層１２０−ｎを形成するのに使用される半導体材料は、約６ｅＶのバンドギャップを有するＡＩＮなどのワイドバンドギャップ材料であり、不純物層１３０−ｎを形成するのに使用されるドナー材料またはアクセプタ材料は、Ｓｉなどの超薄型のナローバンドギャップ材料である。単結晶ＳｉのバルクバンドギャップがＥ_Ｇ（Ｓｉ）＝１．１ｅＶの場合であっても、Ｎ末端ホスト面にわたって配置された連続的な１層の単一層の密なＳｉ膜が、Ｎ結合によって両側に適切に結合され、縮退ドーピングシートとして機能することになる。Ｓｉ原子の電荷が不足することにより、結晶に自由電子が供給される。同様に、ＡｌＮホスト内に組み込まれた１層の単一層Ｍｇシートにより、過剰な正孔が生成される。超格子によって、超格子の成長方向に沿ってキャリア移動度がより高くなる。これは、平均的に、キャリアがイオン化不純物原子からより離れるためである。従って、ｐ型超格子またはｎ型超格子の移動度は、従来のようにホスト半導体に対して同種であるがランダムなドーピングを行った場合よりも高い。それぞれの電子親和力が大きく異なることによって結合されたワイドバンドギャップのホスト材料の電子バンドギャップとナローバンドギャップの不純物材料の電子バンドギャップとの差により、超格子内の伝導帯エネルギー及び価電子帯エネルギーの位置がフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}に対して効果的に調整される。

ドナー材料から実質的になるドナー不純物層により、伝導帯エネルギーの位置がフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}に向かうように、かつ価電子帯エネルギーの位置がフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}から離れるように、それぞれ効果的に調整される。ドナー不純物層は、最低伝導帯端ΓをフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}よりも下に効果的に引っ張ることにより、局在化した領域内にｎ^＋型導電性を提供する。このことは、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながらさらに説明される。

アクセプタ不純物層により、伝導帯エネルギーの位置がフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}から離れるように、かつ価電子帯エネルギーの位置がフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}に向かうように、それぞれ効果的に調整される。アクセプタ不純物層は、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}のより近くにＣＨ価電子帯端を効果的に移動させることにより、局在化した領域内にｐ^＋型導電性を提供する。このことは、図３Ａ及び図３Ｂを参照しながらさらに説明される。

図２Ａは、２層のホスト層間に単一のドナー不純物層を備えた超格子における最低伝導帯Γ (k = 0, z)のエネルギーバンド図２００を示す。ホスト層はＡｌＮから実質的になり、ドナー不純物層はＳｉから実質的になる。エネルギーバンド図２００は、超格子の構造物または超格子の一部を通る距離ｚの関数として、最低の直接伝導帯Γ (k = 0, z)を示している。ドナー不純物層は、最低伝導帯Γ (k= 0, z)の端をフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}よりも下に効果的に引っ張ることにより、局在化した領域内にｎ^＋型導電性を提供する。ドナー不純物層の厚さは１ｎｍであるが、単一層の半分程の薄さとなるように選択することもできる。ドナー不純物層を構成するドナー原子の実質的な２次元（ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ：２Ｄ）シートは、２次元シートドナー濃度Ｎ^２Ｄ _ｉを表す。シート内のドナー原子間の平均間隔ｄ_ｉについては、おおよそｄ_ｉが約（Ｎ^２Ｄ _ｉ）^−１であり、これにより、等価的な３Ｄドナー密度をＮ^３Ｄ _ｉ＝（Ｎ^２Ｄ _ｉ）^３／２として定義することができる。従って、ドナー原子の２Ｄシートにより、結晶内に大きな静電ポテンシャルが付与される。２Ｄシートによって得られたバンド構造は、自己無頓着ポアソン−シュレーディンガー（Ｐｏｉｓｓｏｎ-Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ）方程式を用いて解析される。従って、伝導帯構造は、ドナー不純物層の厚さを十分に上回る距離にわたって修正される。

ドナー不純物層は、Ａと示されたポテンシャル井戸を誘起する。エネルギーバンド図２００は、３個の最低エネルギーの、閉じ込められて量子化された空間的な電子の波動関数Ψ^Ｃ _ｎ＝１（ｚ）、Ψ^Ｃ _ｎ＝２（ｚ）及びΨ^Ｃ _ｎ＝３（ｚ）を示しており、これらは、最低の直接伝導帯Γ (k = 0, z)に対してプロットされている。エネルギーバンド図２００は、誘起されたポテンシャル井戸Ａに対してΨ^Ｃ _ｎ＝１（ｚ）波動関数のピークが局在化されることを示している。Ψ^Ｃ _ｎ＝１（ｚ）波動関数の基底は、ホスト層ではフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}よりも下にあり、ドナー不純物層ではフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}を上回ってピークに達し、ドナー不純物層内に高活性化領域を形成する。従って、このドナー不純物層により、ドナー不純物層の平面に沿って広がる縮退電子の集中が起こる。これを、不純物原子によってランダムにドープされた単結晶ホストと比較するものとする。ランダムなバルクドーピングの場合、絶縁された不純物原子部位間の結合は、通常、不純物の波動関数を結合させるにはあまりに大きい。ランダムにドープされたバルク結晶において、不純物の波動関数を結合させるのに必要となるドーピング密度は、ホスト半導体内の不純物の溶解限度よりも大きい。従って、本方法は、ホスト半導体の構造を損なうことなく、効果の高い不純物密度の有利な特性を教示する。

図２Ｂは、３層のドナー不純物層及び４層のホスト層を備えた超格子における最低伝導帯Γ (k = 0, z)のエネルギーバンド図２５０を示す。ホスト層は単結晶ＡｌＮから実質的になり、ドナー不純物層は、ドナーシートとしてのＳｉから実質的になる。エネルギーバンド図２５０は、超格子を通る距離ｚの関数として、最低の直接伝導帯Γ (k = 0, z)を示している。ドナー不純物層は、最低伝導帯Γ (k= 0, z)をフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}よりも下に効果的に引っ張ることによってｎ^＋型導電性を提供する。各ドナー不純物層の厚さは１ｎｍであり、不純物層間の距離は５ｎｍである。ドナー不純物層は、Ａ、Ｂ、及びＣと示された３個のポテンシャル井戸を誘起する。

エネルギーバンド図２５０は、３個の最低エネルギーの、閉じ込められて量子化された空間的な電子の波動関数Ψ^Ｃ _ｎ＝１（ｚ）、Ψ^Ｃ _ｎ＝２（ｚ）及びΨ^Ｃ _ｎ＝３（ｚ）を示しており、これらは、伝導帯Γ (k = 0, z)に対してプロットされている。エネルギーバンド図２５０は、電子の波動関数Ψ^Ｃ _ｎ＝１（ｚ）、Ψ^Ｃ _ｎ＝２（ｚ）及びΨ^Ｃ _ｎ＝３（ｚ）のピークが、誘起されたポテンシャル井戸Ａ、Ｂ、及びＣに局在化されることを示している。Ψ^Ｃ _ｎ＝１（ｚ）波動関数の基底は、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}の下にあり、ドナー不純物層及びホスト層内に高活性化領域を形成する。電子の波動関数Ψ^Ｃ _ｎ＝１（ｚ）、Ψ^Ｃ _ｎ＝２（ｚ）及びΨ^Ｃ _ｎ＝３（ｚ）の最も低いところに位置する量子化エネルギーは、全てフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}の下にあり、成長方向に沿った領域４０＜ｚ＜６０ｎｍ内に、空間的に局在化された電子状態を生成する。したがって、３層のドナー不純物層（各１ｎｍ幅）により、高活性化され、移動するドナーの集中が形成される。誘起された高電子密度は、成長方向ｚに対して実質的に直交する層の平面内に広がることが理解される。

図３Ａは、３層のアクセプタ不純物層及び４層のホスト層を備えた超格子における結晶場分裂CH (k = 0, z)、重い正孔HH (k = 0, z)及び軽い正孔LH (k = 0, z)の価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図３００を示す。ホスト層はＡｌＮから実質的になり、アクセプタ不純物層は、Ｍｇの２次元シートから実質的になる。エネルギーバンド図３００は、超格子を通る距離ｚの関数として、３つの価電子帯エネルギーCH (k = 0, z)、HH (k = 0, z)及びLH (k = 0, z)を示している。各アクセプタ不純物層１３０の厚さは１ｎｍであり、各アクセプタ不純物層間の距離は５ｎｍである。

３層のアクセプタ不純物層は、３つの価電子帯CH (k = 0, z)、HH (k = 0, z)及びLH (k = 0, z)のそれぞれの中に、Ａ、Ｂ、及びＣと示されたポテンシャル井戸を誘起する。CH (k = 0, z)価電子帯は、最も高いエネルギーバンドである。CH (k = 0, z)価電子バンドでは、誘起されたポテンシャル井戸は、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}よりも上にシフトされて、アクセプタ不純物層における超格子の局在化領域内にｐ^＋型導電性を提供する。

図３Ｂは、図３Ａの超格子のＣＨ価電子帯における正孔の波動関数のエネルギーバンド図３２０である。エネルギーバンド図３２０は、超格子を通る距離ｚの関数として、CH (k = 0, z)価電子帯を示している。エネルギーバンド図３２０は、最低エネルギーの、閉じ込められて量子化された空間的な正孔の波動関数Ψ^ＣＨ _ｎ＝１（ｚ）及びΨ^ＣＨ _{ｎ＝２，３}（ｚ）も示しており、これらは、CH (k = 0, z)価電子帯に対してプロットされている。エネルギーバンド図３２０は、正孔の波動関数Ψ^ＣＨ _ｎ＝１（ｚ）及びΨ^ＣＨｎ_＝２，３（ｚ）の各ピークが、CH (k = 0, z)価電子帯に誘起されたポテンシャル井戸に対して局在化されることを示している。正孔の波動関数Ψ^ＣＨ _ｎ＝１（ｚ）及びΨ^Ｃ _ｎ＝２（ｚ）の閉じ込められて量子化されたエネルギー固有状態は、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}を上回っているため、縮退した正孔の密度を形成する。

図３Ｃは、図３Ａの超格子の重い正孔（ＨＨ）の価電子帯における正孔の波動関数のエネルギーバンド図３４０である。図３Ｃを参照すると、エネルギーバンド図３４０は、超格子を通る距離ｚの関数として、HH (k = 0, z)価電子帯端を示している。エネルギーバンド図３４０は、最低エネルギーの、量子化された空間的な正孔の波動関数Ψ^ＨＨ _ｎ＝１（ｚ）及びΨ^ＨＨ _{ｎ＝２，３}（ｚ）も示しており、これらは、HH (k = 0, z)価電子帯に対してプロットされている。エネルギーバンド図３４０は、誘起されたポテンシャル井戸に対して正孔の波動関数が空間的に局在化されることを示している。しかしながら、対応する伝導帯が２個のポテンシャル井戸のみを電子に提供することに留意すべきである。従って、伝導帯内でｚに沿って電子が伝達されると、それぞれの固有エネルギーによって定義された共鳴トンネル状態を有する大きなポテンシャル障壁に遭遇する。すなわち、一般に、ホスト層が全て同一の組成を有し、かつ不純物層が全て同一種類（すなわち、ドナーまたはアクセプタ）である場合、このように形成されたＮ層のドナー不純物層を備えた超格子では、Ｎ個の伝導帯ポテンシャル井戸及びＮ−１個の価電子帯ポテンシャル井戸が存在することになる。逆に、Ｎ層のアクセプタ層を備えた超格子では、Ｎ個の価電子帯ポテンシャル井戸及びＮ−１個の伝導帯ポテンシャル井戸が存在することになる。

図３Ｄは、図３Ａの超格子の軽い正孔（ＬＨ）の価電子帯における正孔の波動関数のエネルギーバンド図３６０を示す。エネルギーバンド図３６０は、超格子を通る距離ｚの関数として、LH (k = 0, z)価電子帯を示している。エネルギーバンド図３６０は、最低エネルギーの、量子化された空間的な正孔の波動関数Ψ^ＬＨ _ｎ＝１（ｚ）、Ψ^ＬＨ _ｎ＝２（ｚ）、及びΨ^ＬＨ _ｎ＝３（ｚ）も示しており、これらは、LH (k = 0, z)価電子帯に対してプロットされている。エネルギーバンド図３６０は、不純物層によって誘起されたポテンシャル井戸に対してＬＨの波動関数が空間的に局在化されることを示している。ｎ＝１のＬＨ量子化エネルギーは、フェルミ準位を上回っておらず、ＬＨ帯端と比較して非縮退型のＬＨの分散を形成する。

上述の超格子及び超格子の部分により、高レベルのｎ型導電率またはｐ型導電率を提供することができる。

単位格子の周期及び／またはデューティサイクルを変えることにより、超格子の光学的特性及び電気的特性を変えることができる。例えば、電子デバイスの設計波長に対して超格子に透過性を持たせることができ、超格子を通じた電子デバイスからの光の伝搬または電子デバイスへの光の伝搬が可能となる。不純物層間の周期が短いこと、及び／または不純物層間の間隔が狭いことにより、伝導帯の下限が価電子帯の上限と空間的に一致しない、いわゆるタイプＩＩバンド構造が生じる。このようなタイプＩＩの実空間バンド構造を有する超格子により、間接的なエネルギー−運動量分散が生じるため、ホスト層の絶縁バルク半導体材料と比較して、基本超格子バンドギャップ付近での光吸収が減少する。

すなわち、本明細書の教示を用いて超格子を設計することにより、タイプＩＩバンド構造を有するタイプＩＩ超格子を製造することができる。

さらに、実質的に不純物層に閉じ込められた高密度の不純物種を含む超格子により、不純物層の面内で不純物原子の波動関数間に広範な結合が生じる。隣接する不純物原子間または不純物種間の結合が不純物層の面内で増えると、活性化エネルギーＥ_ａｃｔ（ｉ：バルク）を有する単結晶半導体のホスト材料内に同一の不純物種がランダムかつまばらに置換されるまばらなドーピングの場合と比較して、不純物の活性化エネルギーＥ_ａｃｔ（ＳＬ）が減少する。

この活性化エネルギーは、上記の超格子方式によって低下するため、Ｅ_ａｃｔ（ＳＬ）＜Ｅ_ａｃｔ（ｉ：バルク）となり、したがって、所与の動作温度に対してより高い活性キャリア密度が得られる。このことは、特に、ホスト層などにあるワイドバンドギャップホスト半導体にとって有利である。

このような電子デバイスについては、以下で図５〜１３を参照して説明する。
超格子の作製方法
別の態様によれば、本発明の実施形態は、膜形成プロセスを介した超格子の作製方法に関する。好ましい実施形態では、超格子は、ｐ型超格子またはｎ型超格子であり、実質的に２次元の薄膜形成プロセスを介して作製される。しかしながら、本方法は、本明細書に記載された超格子（例えば、ｐ型領域及びｎ型領域、ならびに場合によっては真性領域を有する電子デバイスに用いられる超格子）のいずれかを作製するのに使用することもできる。膜形成プロセスは、例えば、真空蒸着プロセス、分子線エピタキシ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）プロセス、気相蒸着プロセス、化学蒸着プロセス、または０．１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の所与の厚さの層を正確に形成可能な他の任意の形成プロセスとすることができる。

例えば、膜形成プロセスはＭＢＥプロセスであり、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料はワイドバンドギャップ半導体ＡｌＮとして選択され、ドナー材料はＳｉとして選択される。機械式シャッタは、各材料供給源（例えば、Ａｌ、Ｎ、及びＳｉ）と関連する。各シャッタは、材料供給源から放出される種のビーム経路内に配置されて、供給源と基材の蒸着面との間でビームの照準線と交差する。シャッタを使用して、上述の蒸着面における供給源材料の所与の到着率に対する時間の関数として、各材料供給源の種の出力を調整する。開放時には、各シャッタは、対応する種が蒸着面に衝突し、エピタキシャル層成長に関与することを可能にする。閉鎖時には、各シャッタは、対応する種が蒸着面に衝突しないようにし、それによって所与の膜内に各種が組み込まれることを抑制する。シャッタ調整プロセスを使用することにより、超格子の交互に配置された層の間に、原子的に急峻な界面が容易に形成され得る。かかる膜形成プロセスのためのシャッタシーケンス１５０を図４Ａに示す。以下、本方法について、図４を参照してさらに詳細に説明する。

図４は、膜形成プロセスを介した超格子の作製方法４００のフロー図である。方法４００は、以下のステップを含む。

ステップ４１０で、所望の結晶対称性の表面を有し、かつ不都合な不純物のない洗浄度を有するように基材を調製する。基材は反応室（例えば、ＭＢＥ反応室）に装填され、次いで、基材は膜形成温度にまで加熱される。いくつかの実施形態では、膜形成温度は、約２００℃〜約１２００℃である。いくつかの実施形態では、膜形成温度は、約５００℃〜約８５０℃である。好ましい実施形態では、反応室は、超格子の電子的性質または構造的性質に影響を与えないように、水、炭化水素、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）及び炭素（Ｃ）種が十分に欠乏している。

ステップ４２０で、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になる第１のホスト層１２０−ｎが、調製された基材１１０の上に膜形成プロセスを介して形成される。ホスト層１２０−ｎは、厚さがｔ２となるように形成される。例えば、膜形成プロセスがＭＢＥであり、かつＩＩＩ族窒化金属半導体材料がＡｌＮである場合、元素アルミニウム及び励起された分子状窒素の供給源と関連する各シャッタが開放され、ＡｌＮの層が形成される。本例では、元素アルミニウムの供給源は、従来の蒸発セルとすることができ、励起された分子状窒素種の供給源は、プラズマ源とすることができる。他の活性窒素供給源（例えば、アンモニア及びプラズマを介した活性アンモニア）を使用することもできる。

ステップ４３０で、第１のホスト層１２０−ｎの形成が中断され、対応するドナー材料またはアクセプタ材料から実質的になる第１の不純物層１３０−ｎが、膜形成プロセスを用いて形成される。不純物層１３０−ｎは、厚さがｔ３となるように形成される。好ましい実施形態では、第１の不純物層を形成する前に、第１の窒素終端表面が第１のホスト層の上に形成され、第１の不純物層１３０−ｎは、第１の窒素終端表面に形成される。例えば、膜形成プロセスがＭＢＥであり、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料がＡｌＮであり、かつドナー材料がＳｉである場合、アルミニウム供給源と関連するシャッタを閉鎖し、窒素種の層を蒸着させて、窒素終端表面を形成する。次いで、活性窒素種と関連するシャッタが閉鎖され、Ｓｉの供給源と関連するシャッタが開放されて、ステップ４２０において形成された第１のホスト層の全表面の上に第１の不純物層が形成される。一例では、Ｓｉの供給源は、熱分解性窒化ホウ素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ：ＰＢＮ）の坩堝を備えた元素シリコンの蒸発セルである。好ましい実施形態では、ドナー材料またはアクセプタ材料の吸着原子は、窒素終端表面に化学吸着され、かつ／または物理吸着され、利用可能な窒素結合によって実質的に自己制限的に当該表面に対して蒸着が行われる。いくつかの実施形態では、上記表面は、ドナー材料またはアクセプタ材料で過度に飽和され、ドナー材料またはアクセプタ材料は、物理吸着される、かつ化学吸着される。一例では、蒸着した不純物層は、Ｓｉの単一層であり、この単一層は、ホスト層の下地表面と同じ対称型の再構成表面を理想的に形成する。例えば、ホスト層がウルツ鉱ＡｌＮである場合、Ｓｉの単一層である不純物層は、本明細書ではシリセンと呼ばれる六角網面を形成することができる。別の例では、単一層の原子面である１層または複数層のＳｉ及びＮ層を、−Ｎ−Ｓｉ−Ｎ−Ｓｉ−…−Ｎの形をとった積層順序で成長方向に沿って蒸着させることができる。

ステップ４４０で、第１の不純物層１３０−ｎの形成が中断され、第２のホスト層１２０−ｎが膜形成プロセスを用いて形成される。好ましい実施形態では、第２のホスト層１２０−ｎを形成する前に、第２の窒素終端表面を不純物層の上に形成する。例えば、膜形成プロセスがＭＢＥであり、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料がＡｌＮであり、かつドナー材料がＳｉである場合、Ｓｉ供給源と関連するシャッタを閉鎖し、活性窒素種と関連するシャッタを開放し、窒素種の層を蒸着させて、窒素終端表面を形成する。次いで、アルミニウム供給源と関連するシャッタが開放され、膜形成プロセスを用いて第２のホスト層が形成される。ホスト層１２０−ｎの厚さｔ２は、例えば、不純物層１３０−ｎ間の周期的間隔ｄ１及び不純物層の厚さｔ３に基づいている。

ステップ４５０で、超格子が所望の厚さｔ１に到達したかどうかを判定する。所望の厚さは、成長方向（すなわち、層の平面と直交する）に沿って定義される。所望の厚さｔ１を得るのに必要な単位格子または不純物層１３０−ｎの数が得られた場合、方法４００はステップ４７０に進む。しかしながら、超格子が所望の厚さに到達しなかったか、または所望の層数をまだ備えていない場合、方法４００はステップ４６０に進む。好ましい実施形態では、所望の層数は、少なくとも１０層のホスト層１２０−ｎ及び少なくとも１０層の不純物層１３０−ｎであり、かつ／または、所望の厚さは、約５０ｎｍ〜約５μｍである。例えば１００または１０００桁の多数の周期を蒸着させることができるものと理解される。

ステップ４６０で、第２のホスト層の形成が中断され、膜形成プロセスを用いて第２の不純物層が形成される。例えば、膜形成プロセスがＭＢＥであり、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料がＡｌＮであり、かつドナー材料がＳｉである場合、アルミニウム供給源と関連するシャッタを閉鎖し、窒素種の層をホスト層に蒸着させて、窒素終端表面を形成する。次いで、活性窒素種と関連するシャッタが閉鎖され、Ｓｉの供給源と関連するシャッタが開放されて、ステップ４４０において前もって形成されたホスト層の全表面の上に第２の不純物層が形成される。その後、方法４００はステップ４４０に戻る。

超格子の所望の厚さまたは所望の層数が得られた場合、ステップ４７０で、膜形成プロセスを停止し、基材１１０及び超格子を備えた構造物を反応室から取り出す。例えば、材料供給源を非活性化し、反応室を冷却させた後、構造物を反応室から取り出す。

いくつかの実施形態では、ステップ４３０及び４６０において、不純物層１３０−ｎは、ドナー材料またはアクセプタ材料の単一原子層または単一層である。いくつかの実施形態では、不純物層１３０−ｎは、ドナー材料またはアクセプタ材料の少なくとも１層の単一層及び５層未満の単一層である。いくつかの実施形態では、不純物層は、ドナー材料またはアクセプタ材料の少なくとも１層の単一層及び２層以下の単一層である。

一例では、ＳｉまたはＭｇの単原子層を形成して、超格子にｎ型導電性またはｐ型導電性をそれぞれ提供することができる。別の例では、不純物層は、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）またはＭｇ_ｐＮ_ｑ（ｐ＞０かつｑ＞０）といった単結晶構造物の１〜５層の原子層などの不純物吸着原子の母材とすることができる。さらに別の例では、不純物層は、Ｓｉ_ｕ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＮ_ｖまたはＭｇ_ｕ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＮ_ｖ（式中、ｘ≧０、ｙ≧０、ｕ＞０かつｖ≧０）の合金である。

いくつかの実施形態では、ホスト層１２０−ｎ及び不純物層１３０−ｎは、成長方向に沿った実質的に金属極の極性または窒素極性などの、所定の結晶極性を有する。

いくつかの実施形態では、ホスト層１２０−ｎ及び不純物層１３０−ｎは、不純物層によってホスト層に与えられた所定の歪みを有する。例えば、バッファ層及び基材と比較して、ホスト層が２軸圧縮または２軸引っ張りの状態になるように超格子を設計することができる。この場合、この２軸圧縮または２軸引っ張りは、不純物層によって引き起こされる。例えば、ＡｌＮホスト層及びＳｉ不純物層を用いて形成されたｎ型超格子では、ＡｌＮホスト層内に２軸圧縮がもたらされる。

電子デバイス
別の態様によれば、本発明は、ｎ型導電性を提供するｎ型超格子及びｐ型導電性を提供するｐ型超格子を備えた電子デバイスに属する。例えば、電子デバイスは、ＵＶ ＬＥＤまたはＵＶ光検出器とすることができる。特に、電子デバイスは、１５０ｎｍ〜２８０ｎｍの光波長範囲、より好ましくは１９０ｎｍ〜２５０ｎｍの光波長範囲で動作するＵＶ ＬＥＤとすることができる。

ｎ型超格子は、ホスト層及びドナー不純物層を交互に備える。ｎ型超格子のホスト層は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になり、ドナー不純物層は、対応するドナー材料から実質的になる。ｐ型超格子は、ホスト層及びアクセプタ不純物層を交互に備える。ｐ型超格子のホスト層は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になり、アクセプタ不純物層は、対応するアクセプタ材料から実質的になる。ｎ型超格子及びｐ型超格子は上述の超格子１１５とすることができ、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料、ドナー材料及び／またはアクセプタ材料は、超格子１１５に関連して記載された材料とすることができる。

いくつかの実施形態では、ｎ型超格子及びｐ型超格子はＰＮ接合を形成する。他の実施形態では、電子デバイスは、ｎ型超格子とｐ型超格子との間に真性領域をさらに備えて、ＰＩＮ接合を形成する。ここで、用語「真性領域（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）」は、慣例に従って使用されており、真性領域が常にほぼ純粋な半導体材料によって形成されていることを示唆するように意図されたものではない。しかしながら、いくつかの実施形態では、真性領域は、意図的にドープされていない、または純粋な１種または複数種の半導体材料（特に、ホスト層の１種または複数種の半導体材料）によって実質的に形成される。

好ましい実施形態では、電子デバイスは、ホモ接合デバイスとみなすことができるが、これは、同一のＩＩＩ族窒化金属半導体材料が、電子デバイスの電気光学層の大部分または全てにわたって使用されるためである。同一のＩＩＩ族窒化金属半導体材料が電子デバイスの電気光学層の大部分または全てにわたって使用されるため、屈折率は、電子デバイスのこれらの層にわたって同じである。

好ましい実施形態では、ｐ型超格子及び／またはｎ型超格子は、当該ｐ型超格子及び／またはｎ型超格子が、真性領域またはＰＮ接合の空乏領域の光子放出波長または光子吸収波長に対して透過的となるような周期及び／またはデューティサイクルを有する。これにより、真性領域またはＰＮ接合の空乏領域から発せられた、またはそれによって吸収された光が効率的にデバイスに出入りすることが可能となる。理想的には、空乏領域は、ｎ型及びｐ型の超格子領域からそれぞれ注入された電子及び正孔が効率的に再結合することによって光の発生確率が最適となるように設計される。

図５は、本発明の一実施形態に係る電子デバイス５００の断面図である。電子デバイス５００はＰＩＮデバイスであり、基材５１０、バッファ領域５２０、ｎ型超格子５３０、真性層５４０、及びｐ型超格子５５０を備える。本デバイスは、バッファ領域５２０、ｎ型超格子５３０、真性層５４０、及びｐ型超格子５５０を基材５１０の上に順に形成することによって製造することができる。

基材５１０は厚さｔ４を有する。この厚さは、好ましい実施形態では、約３００μｍ〜約１，０００μｍである。好ましい実施形態では、基材５１０の直径に比例するように厚さｔ４を選択して、基材の直径が大きくなるほど厚さｔ４が大きくなるようにする。

好ましい実施形態では、基材５１０は、電子デバイスの設計波長に対して実質的に透過的である。設計波長は、電子デバイス５００がＵＶ ＬＥＤの場合には電子デバイス５００の発光波長とすることができ、または電子デバイス５００がＵＶ光検出器の場合には電子デバイス５００の吸収波長とすることができる。好ましい実施形態では、発光波長または吸収波長は、１５０ｎｍ〜２８０ｎｍであり、好ましくは１９０ｎｍ〜２５０ｎｍである。例えば、基材５１０は、サファイアなどの、ＵＶ光に対して実質的に透過する材料によって形成することができる。好ましい実施形態では、基材の材料は、ＡｌＮ若しくはＧａＮなどの天然のＩＩＩ族金属窒化物材料、サファイア、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）若しくは酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの金属酸化物材料、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、アモルファスガラス上の結晶性薄膜半導体、または金属上の薄膜結晶性半導体の１種から選択することができる。

代替的実施形態では、基材５１０は、電子デバイス５００の設計波長に対して実質的に非透過性である。例えば、基材５１０は、Ｓｉなどの、ＵＶ光に対して実質的に非透過性の材料によって形成することができる。基材５１０は、実質的に絶縁性とすることができるか、または実質的に導電性とすることができる。例えば、基材５１０は、高レベルの導電率にまでドープされたＳｉ（１１１）によって形成することができる。いくつかの実施形態では、光アクセスポートを、任意選択でマイクロマシン化するかエッチングして、商用のＣＭＯＳ加工において日常的に使用される技術によるスルーホールを用いた効率的な光抽出が可能となるようにすることができる。

バッファ領域５２０は厚さｔ５を有する。この厚さは、好ましい実施形態では、約１０ｎｍ〜約１μｍであり、好ましくは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。ｎ型超格子５３０に隣接する表面での欠陥密度を小さくするために、バッファ領域５２０を十分に厚く形成する。例えば、バッファ領域５２０の欠陥密度は、約１０^８ｃｍ^−３以下である。

好ましい実施形態では、バッファ領域５２０は、好ましくはバルク状材料として、ＡＩＮ及び／またはＧａｎから実質的になる。いくつかの実施形態では、バッファ領域は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の組成を有する三元系バルク合金を含む。いくつかの実施形態では、バッファ領域は、（Ａ_ｘＢ_１−ｘ）_２Ｏ_３（式中、Ａ及びＢは、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａの少なくとも２種から選択される）の形式のＩＩＩ族金属酸化物を含む。

いくつかの実施形態では、バッファ領域５２０は、テンプレート層の上に形成されたバッファ層を備える。この場合、バッファ層は、ｎ型超格子５３０のホスト層５３２と同じＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になり、ｐ型超格子５５０及びテンプレート層はＡｌＮから実質的になる。

代替的実施形態では、バッファ領域５２０は、ホスト層５３２のＩＩＩ族窒化金属半導体材料と同等のバルク組成を有するＡｌＮ及びＧａＮの交互層によって形成された、短周期超格子などの超格子を備える。かかる超格子構造物を使用して、横方向の歪みエネルギーを導入して貫通転位を減少させることにより、バッファ領域５２０の欠陥密度をさらに低減することができる。

ｎ型超格子５３０は、ホスト層５３２及びドナー不純物層５３４を交互に備える。ホスト層５３２は、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料（例えば、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ）から実質的になる。ドナー不純物層５３４は、対応するドナー材料（例えば、Ｓｉ）から実質的になる。

ｐ型超格子５５０は、ホスト層５３２及びアクセプタ不純物層５５２を交互に備える。ｐ型超格子５５０のホスト層５３２は、ｎ型超格子５３０のホスト層５３２と同じＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になる。アクセプタ不純物層５５２は、対応するアクセプタ材料（例えば、Ｍｇ）から実質的になる。

ｎ型超格子５３０は厚さｔ６を有し、ｐ型超格子５５０は厚さｔ７を有する。これらの厚さは、厚さｔ１として上述した厚さにすることができる。厚さｔ６及びｔ７は、電子デバイス５００の設計波長における光の寄生吸収を実質的に減少させるように選択することができる。例えば、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎは、２２０ｎｍの発光波長を有する。

ｎ型超格子５３０の光学的厚さは、ｎ型超格子５３０を形成するのに使用されるＩＩＩ族窒化金属半導体材料の屈折率から求めることができる。光学的厚さは、電子デバイス５００から光を効率的に抽出することができるように選択される。

いくつかの実施形態では、ｎ型超格子５３０の厚さｔ６は、電子デバイス５００に対するオーミック接点（図示せず）の形成を容易にするように選択される。いくつかの実施形態では、厚さｔ６を少なくとも約２５０ｎｍとして、選択的なメサエッチングプロセスを用いたオーミック接点の作製を容易にする。

ｎ型超格子５３０及びｐ型超格子５５０のホスト層５３２は、それぞれ厚さｔ９及び厚さｔ１１を有する。これらの厚さは、厚さｔ２として上述した厚さにすることができる。ドナー不純物層５３４は厚さｔ１０を有し、アクセプタ不純物層５５２は厚さｔ１２を有する。これらの厚さは、厚さｔ３として上述した厚さにすることができる。

ｎ型超格子５３０は周期ｄ２を有し、ｐ型超格子５５０は周期ｄ３を有する。好ましい実施形態では、周期ｄ２及び／または周期ｄ３は、電子デバイス５００の設計波長に基づいている。本実施形態では、周期ｄ２及び周期ｄ３は均一である。しかしながら、代替的実施形態では、周期ｄ２及び／または周期ｄ３を不均一にすることができる。周期ｄ２及びｄ３は、周期ｄ１として上述した周期にすることができる。

ｎ型超格子５３０は、それぞれがホスト層５３２及びドナー不純物層５３４からなる複数の単位格子を有するものとみなすことができる。ｐ型超格子５３０は、それぞれがホスト層５３２及びアクセプタ不純物層５５２からなる複数の単位格子を有するものとみなすことができる。超格子内の単位格子の周期及び／またはデューティサイクルを変えることにより、ｎ型超格子５３０及びｐ型超格子５５０の光学的特性を選択することができる。本実施形態では、周期ｄ２及び周期ｄ３は同一である。しかしながら、代替的実施形態では、周期ｄ２及び周期ｄ３は異なっていてもよく、それによって真性領域５４０の両側で異なる光学的特性を選択することができる。

好ましい実施形態では、真性領域５４０は、電子デバイス５００の活性領域である。ここで、ｎ型超格子５３０からの電子とｐ型超格子５５０からの正孔とが再結合して光子が放出される。真性領域５４０は厚さｔ８を有する。この厚さは、好ましい実施形態では、５００ｎｍ未満であり、好ましくは、発光波長の約半分または光波長の倍数である。真性領域５４０の厚さｔ８は、ｎ型超格子５３０からの電子とｐ型超格子５５０からの正孔とが効率的に再結合できるように選択される。

好ましい実施形態では、真性領域５４０は、１種または複数種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になる。例えば、真性領域５４０は、ｎ型超格子及びｐ型超格子のホスト層５３２に使用されるＩＩＩ族窒化金属半導体材料（例えば、２２０ｎｍの発光波長を有するＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎ）からなることができる。いくつかの実施形態では、１種または複数種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料は、成長方向に沿って変化するバンドギャップを真性領域５４０が有するように構成される。

例えば、真性領域５４０は、純粋なＩＩＩ族窒化金属半導体材料；水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、希土類またはランタノイド金属の少なくとも１種から選択される少なくとも１種の結晶構造改質剤を含むＩＩＩ族窒化金属半導体材料；及び意図的にドープされない（ＮＩＤ）ＩＩＩ族窒化金属半導体材料の少なくとも１種を含むことができる。結晶構造改質剤により、材料品質を改善すること、発光波長を変えること、及び超格子の他の領域と比較して真性領域の固有の歪み状態を変えることのうちの少なくとも１つの所定の効果を得ることができる。

代替的実施形態では、真性領域５４０は不純物層を備える。不純物層は、真性領域の１種または複数種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料に対応するドナー材料；真性領域の１種または複数種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料に対応するアクセプタ材料；Ｓｉ及びＭｇなどの真性領域の１種または複数種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料に対応するドナー材料及びアクセプタ材料を含む補償材料；またはＧｄなどの希土類金属から実質的になる。

いくつかの実施形態では、真性領域は、光再結合超格子を備える。例えば、真性領域５４０は、材料層［ホスト／Ｓｉ／ホスト／Ｇｄ／ホスト／Ｍｇ］の繰り返し単位格子を備えた超格子を備えることができる。ここで、ホストは、ホスト層のＩＩＩ族窒化金属半導体材料などのホスト半導体材料である。

いくつかの実施形態では、光再結合超格子は、ホスト半導体材料から実質的になるホスト層及び光学的に活性の不純物層を備える。不純物層は、例えば、三重イオン化状態で組み込まれたランタノイド種から選択される材料から実質的になる。したがって、光学再結合超格子内のランタノイド種は、光再結合超格子内に組み込まれたランタノイド原子に固有のものとして作られる４ｆ殻電子の多準位系（ｍａｎｉｆｏｌｄ）を形成する。三重にイオン化され、原子的に結合されたランタノイド種の４ｆ電子の多準位系は、実質的に光再結合超格子のホスト半導体材料のバンドギャップエネルギー内に電子エネルギースケールで埋め込まれる。

電子及び正孔は、ｎ型超格子及びｐ型超格子から光再結合超格子にそれぞれ注入される。このとき、電子と正孔が再結合して、光再結合超格子の不純物層におけるランタノイド種の４ｆ殻状態にエネルギーを伝達して、上記の４ｆ殻状態を励起する。励起された４ｆ殻状態が緩和することにより、高輝度かつ急激な発光が生じる。この発光は、光学的に透明なｎ型超格子及びｐ型超格子によって電子デバイス全体を透過する。

代替的実施形態では、図５に示した電子デバイス５００から真性領域５４０が省略される。これらの実施形態では、ｐ型超格子５５０は、ｎ型超格子５３０の上に直接形成され、電子デバイスはホモ接合ＰＮデバイスである。

図６は、図５に示した電子デバイス５００の構造に基づくＬＥＤデバイス６００の一例の断面図である。ＬＥＤデバイス６００は、基材６１０、バッファ領域６２０、ｎ型超格子６３０、真性層６４０、ｐ型超格子６５０、及びｐ型接点層６６０を備える。本デバイスは、バッファ領域６２０、ｎ型超格子６３０、真性層６４０、ｐ型超格子６５０、及びｐ型接点層６６０を基材６１０の上に順に形成することによって製造することができる。ＬＥＤデバイス６００は、ｐ型接点６７０及びｎ型接点６８０をも備える。ｐ型接点６７０は、ｐ型接点層６６０の上部に形成される。

ｐ型接点６７０及びｎ型接点６８０は、既知のフォトリソグラフィプロセスを用いて形成される。ｎ型接点６８０は、フォトリソグラフィプロセスを介して形成される。このとき、ｐ型接点６７０、ｐ型接点層６６０、ｐ型超格子６５０、真性層６４０、及びｎ型超格子６３０のそれぞれの一部を除去して、ｎ型超格子６３０の上に画定された領域を露出させるようにする。不活性化層６８５を形成して、ｎ型超格子６３０、真性層６４０、ｐ型超格子６５０、及びｐ型接点層６６０の露出された端部を覆うことにより、ｎ形接点からバッファ領域６２０、ｎ型超格子６３０、真性層６４０、ｐ型超格子６５０、及びｐ型接点層６６０への望ましくない伝導経路が生じないようにする。好ましい実施形態では、不活性化層６８５は、ｎ型超格子６３０及びｐ型超格子６５０内のホスト層のＩＩＩ族窒化金属半導体材料よりも広いバンドギャップを有するワイドバンドギャップ材料からなる。

一実施形態では、基材６１０は、サファイアによって形成された透明な絶縁基板であり、ｐ型接点層６６０は、高濃度にドープされたｐ型ＧａＮによって形成される。ｐ型接点層６６０の厚さは、一例では約２５ｎｍ〜約２００ｎｍの間であり、別の例では約５０ｎｍである。ｐ型接点６７０は、好ましくは反射性かつ導電性である。ｐ型接点の一部は、１９０ｎｍ〜２８０ｎｍの波長域で光反射作用が強くなるようにＡｌを用いて形成することができ、ｐ型接点の一部は、オーミック接点として、光学的に反射しない材料によって形成することができる。好ましい実施形態では、ｎ型接点は、窒化チタン（ＴｉＮ）及び／またはアルミニウムによって形成される。不活性化層６８５は、酸化アルミニウム（Ａｌ_ｘＯ_ｙ）（式中、０＜ｘ≦２かつ０＜ｙ≦３）、または、電気絶縁性を有し、デバイス全体にわたって表面の漏れ損失を抑制する別の材料から実質的になる。

真性層６４０から発せられた光６９０は、基材６１０を通ってＬＥＤデバイス６００から縦方向に出て、さらに横方向にも出る。ｐ型接点６７０が反射性を有するように設計することができるため、真性層６４０からｐ型超格子６５０を通って垂直方向に発せられた光６９０の一部を反射させ、反射光６９５として、基材６１０を通してＬＥＤデバイス６００から出すことができる。

電子デバイス５００内の真性層６４０の位置は、以下で図７を参照して説明するように、電子デバイス５００の設計波長に基づいて決めることができる。

図７は、ＬＥＤデバイス６００及び光の波長の範囲内の真性領域６４０の位置の関数として、真性領域６４０内の透明基材６１０を介して見た光吸収の一例を示すプロット７００である。本例では、真性領域６４０はＡｌＮから実質的になり、真性領域６４０の位置は、基材６１０の上面から真性領域６４０の下面まで測定される。光は、基材６１０を通ってＬＥＤデバイスに入る。この基材は、透明であり、サファイアから作られている。

本例では、ｐ型超格子及びｎ型超格子のホスト層はＡｌＮによって形成され、ｐ型接点層６６０は非ドープＧａＮによって形成され、ｐ型接点６７０は反射性であり、ｐ型接点の少なくとも一部はＡｌによって形成される。

透明基材を通って入射した外部供給光の真性領域内での吸収は、基材を通じた真性領域から外部への発光と相互的な性質で相関する。したがって、ある波長での吸収が真性領域内で大きいほど、その波長の光が、ＬＥＤデバイスの真性領域から基材を通って外部へとより効率的に発せられる。

したがって、プロット７００は、真性領域の縦位置及び電子デバイスから発せられた光の波長の関数として、電子デバイスの真性領域からの発光または当該真性領域内での光吸収を表している。真性層は、ＬＥＤデバイス内の電子−正孔再結合（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ：ＥＨＲ）層である。各等高線は、波長及び位置に関連して、真性層による光吸収の度合いを定義するものである。各等高線に関連付けられた値は、任意単位である。等高線の値がより大きいほど、光吸収がより強くなる。

プロット７００は、約２２０ｎｍの波長を有する光が、真性領域が約６５ｎｍで配置されている場合には位置Ａで最小限に吸収され、真性領域が約４０ｎｍで配置されている場合には位置Ｂで最大限に吸収されることを示している。従って、真性領域が４０ｎｍで配置されている場合は、真性領域が６５ｎｍに配置されている場合と比較して、２２０ｎｍの波長の光がＬＥＤデバイスから効率的に発せられることになる。これは、デバイスに形成された微小空洞内での干渉効果の直接的な結果によるものである。微小空洞は、ｎ型超格子及びｐ型超格子、反射性接点、ならびに透明バッファ層及び基材によって形成される。バッファの厚さは、ＥＨＲ領域の位置を最適にするのに重要な役割を果たす。提示された計算では、言及された材料に対する波長の関数として、完全な実数及び虚数の光学定数が使用される。上記の設計方法により、発光構造物の光抽出効率が向上する。

図８Ａは、図４及び５に示した電子デバイス５００及びＬＥＤデバイス６００に基づくＬＥＤデバイス８００の一例の断面図である。ＬＥＤデバイス８００は、縦放射型のホモ接合ＰＩＮダイオードである。ＬＥＤデバイス８００は、基材８１０、バッファ領域８２０、ｎ型超格子８３０、真性層８４０、ｐ型超格子８５０、及びｐ型接点層８６０を備える。ＬＥＤデバイス８００は、バッファ領域８２０、ｎ型超格子８３０、真性層８４０、ｐ型超格子８５０、及びｐ型接点層８６０を基材８１０の上に順に形成することによって製造することができる。ＬＥＤデバイス８００は、ｐ型接点８７０及びｎ型接点８８０をも備える。ｐ型接点８７０は、ｐ型接点層８６０の上部に形成される。

基材８１０は、Ｓｉから実質的になる非透過性の絶縁基板であり、ｐ型接点８７０は、複数の開口８７２を備えた格子としてパターン化されている。真性領域８４０から発せられた光８９０は、開口８７２を通ってデバイスから発せられる。真性領域８４０から発せられた光８９０は、ＬＥＤデバイス８００から横方向にも出る。「横に（Ｌａｔｅｒａｌｌｙ）」または「横の（ｌａｔｅｒａｌ）」は、実質的に層の平面に沿った方向を指すのに対し、「縦に（ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ）」または「縦の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」は、実質的に層の平面に直交するかまたはそれに垂直な方向を指す。

図８Ｂは、図８Ａに示したＬＥＤデバイス８００に基づくＬＥＤデバイス８０２の一例の断面図である。ＬＥＤデバイス８０２において、基材８１０は、非透過性の導電性基板である。例えば、かかる基材は、（発光波長が１９０〜２８０ｎｍの範囲である場合には）高レベルの導電率にまで電気的にドープされたＳｉまたはＧａＮによって作ることができる。基材８１０の底部にはオーミック接点８８２が形成されており、ｎ型接点８８０は省略されている。オーミック接点８８２は、基材８１０がｎ型の場合には、例えば、Ａｌによって形成することができるか、または、基材８１０がｐ型の場合には、ニッケルまたはオスミウムなどの高仕事関数の金属によって形成することができる。基材８１０とバッファ領域８２０との間の接触抵抗は、基材８１０の凹所にオーミック金属のトレンチ状領域を設けて、さらに接触面積を増大させて熱抽出効率を向上させることにより、さらに改善することができる。

いくつかの実施形態では、基材８１０及びオーミック接点８８２は１つまたは複数の窓または開口を備えて、電子デバイスから光が出ることを可能にする。

図９は、ＬＥＤデバイス９００の一例の断面図である。本例では、図８Ｂに示したＬＥＤデバイス８５０を形成した後に、オーミック接点８８２の一部及び基材８１０の一部を除去して窓９８７を形成する。一例では、窓９８７は、フォトリソグラフィプロセスを用いて形成される。この場合、オーミック接点８８２の一部及び基材８１０の一部を除去して、バッファ層８２０の上に画定された領域を露出させるようにする。光８９０は、窓９８７及び開口８７２を通ってＬＥＤデバイス９００から発せられる。また、不活性化層８８５を通して光７５０が発せられる。いくつかの実施形態では、反射防止コーティングを窓９８７の裏側に形成して、光抽出または光結合を向上させることができる。

図１０Ａは、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎから実質的になるホスト層及びＳｉから実質的になる１９層のドナー不純物層を備えたｎ型超格子における伝導帯エネルギーのエネルギーバンド図１０００である。

エネルギーバンド図１０００は、ｎ型超格子を通る距離ｚの関数として伝導帯１０１０を示している。各ドナー不純物層の厚さは１ｎｍであり、各ドナー不純物層間の距離は５ｎｍである。図１０５０から理解できるように、ドナー不純物層は、伝導帯１０１０のエネルギーの位置をフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}の方にシフトし、一連の１９個のポテンシャル井戸１０２０を誘起する。

図１０Ｂは、ｎ型超格子における価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図１０５０である。エネルギーバンド図１０５０は、ｎ型超格子を通る距離ｚの関数として、結晶場分裂（ＣＨ）帯１０６０、重い正孔（ＨＨ）帯１０７０、及び軽い正孔（ＬＨ）帯１０８０を示している。図１０５０から理解できるように、ドナー不純物層は、価電子帯エネルギーの位置をシフトし、ＣＨ帯１０６０、ＨＨ帯１０７０、及びＬＨ帯１０８０内に一連の１９個のポテンシャル井戸１０９０を誘起する。ｎ型超格子がｎ型であるため、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}は伝導帯１０１０の中にあり、価電子帯の中にはない。

図１０Ａ及び図１０Ｂの両方を再度参照すると、導電帯及び価電子帯に誘起されたポテンシャル井戸は、タイプＩＩバンド配列を形成しているとみなされる。すなわち、これらの各バンド内の局在的な電子の波動関数と正孔の波動関数とは、縦に整列していない。したがって、タイプＩＩバンド配列により、ｎ型超格子及びｐ型超格子において、ホスト層単独の半導体材料の透過性よりもエネルギーの大きい光透過性が生じる。これにより、真性領域から光子生成による光が通過するのに必要とされる透過性がｎ型超格子及びｐ型超格子において得られる。

図１１Ａは、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎから実質的になるホスト層及びＭｇから実質的になる１９層のアクセプタ不純物層を備えた引っ張り歪みｐ型超格子における伝導帯エネルギーのエネルギーバンド図１１００である。ｐ型超格子は、引っ張り歪みを有し、緩和ＧａＮバッファ層の上に蒸着されている。

エネルギーバンド図１１００は、ｐ型超格子を通る距離ｚの関数として伝導帯１１１０を示している。各アクセプタ不純物層の厚さは１ｎｍであり、各アクセプタ不純物層間の距離は５ｎｍである。アクセプタ不純物層は、伝導帯１１１０のエネルギーの位置をシフトし、一連の１９個のポテンシャル井戸１１２０を誘起する。

図１１Ｂは、引っ張り歪みｐ型超格子における価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図１１５０である。エネルギーバンド図１１５０は、ｐ型超格子を通る距離ｚの関数として、結晶場分裂（ＣＨ）帯１１６０、重い正孔（ＨＨ）帯１１７０、及び軽い正孔（ＬＨ）帯１１８０を示している。アクセプタ不純物層は、価電子帯エネルギーの位置をシフトし、ＣＨ帯１１６０、ＨＨ帯１１７０、及びＬＨ帯１１８０内に一連の１９個のポテンシャル井戸１１９０を誘起する。ｐ型超格子がｐ型であるため、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}は価電子帯の中にある。

図１２Ａは、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎから実質的になるホスト層及びＭｇから実質的になる１９層のアクセプタ不純物層を備えた圧縮歪みｐ型超格子における伝導帯エネルギーのエネルギーバンド図１２００である。ｐ型超格子は、圧縮歪みを有し、緩和ＡＩＮバッファ層の上に蒸着されている。

エネルギーバンド図１２００は、ｐ型超格子を通る距離ｚの関数として伝導帯１２１０を示している。各アクセプタ不純物層の厚さは１ｎｍであり、各アクセプタ不純物層間の距離は５ｎｍである。これらの不純物層は、伝導帯１２１０のエネルギーの位置をシフトし、一連の１９個のポテンシャル井戸１２２０を誘起する。

図１２Ｂは、圧縮歪みｐ型超格子における価電子帯エネルギーのエネルギーバンド図１２５０である。エネルギーバンド図１２５０は、ｐ型超格子を通る距離ｚの関数として、結晶場分裂（ＣＨ）帯１２６０、重い正孔（ＨＨ）帯１２７０、及び軽い正孔（ＬＨ）帯１２８０を示している。アクセプタ不純物層は、価電子帯エネルギーの位置をシフトし、ＣＨ帯１２６０、ＨＨ帯１２７０、及びＬＨ帯１２８０内に一連の１９個のポテンシャル井戸１２９０を誘起する。ｐ型超格子がｐ型であるため、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}は価電子帯の中にある。

図１３Ａは、図１２Ａに示したｐ型超格子における伝導帯１２１０と関連する１９個の最低エネルギーの量子化された電子の波動関数のプロット１３００である。プロット１３００は、電子の波動関数のピークが、ｐ型超格子を通る距離ｚの関数として、伝導帯１２１０に誘起されたポテンシャル井戸１２２０に局在化されることを示している。ピークは、ある場所で電子を発見する確率が高いことを表し、平坦域は、ある場所で電子を発見する確率が低いことを表す。

図１３Ｂは、図１２Ｂに示したｐ型超格子のＣＨ帯１３６０と関連する１９個の最低エネルギーの、量子化された正孔の波動関数のプロット１３５０である。プロット１３５０は、正孔の波動関数のピークが、ｐ型超格子を通る距離ｚの関数として、ＣＨ帯１２６０に誘起されたポテンシャル井戸１２９０に局在化されることを示している。プロット１３００に示した電子の波動関数とプロット１３５０に示した正孔の波動関数とを比較することにより、電子の波動関数が正孔の波動関数と整列していない、すなわち、電子のピーク分布が正孔のピーク分布と重なっていないことが示される。電子と正孔とが空間的に重なる確率が低いため、電子と正孔の再結合が減少し、ｐ型超格子は設計波長に対して透過的となる。

図１３Ａ及び図１３Ｂの超格子を再度参照すると、成長方向に沿った電子及び正孔の電子の波動関数は、それぞれ空間的に非局在化されている。これにより、不純物層間の結合が得られるため、超格子のｐ型導電率が向上する。不純物層内に閉じ込められたドーパント種の密度が極めて高いことにより、ホストのバンド構造に対するドーパントの活性化エネルギーＥ_ａｃｔが減少する。これにより、でｐ型領域及びｎ型領域が従来の均一にドープされたホスト半導体を備えるデバイスと比較して、デバイスの動作中、所与の基材温度に対して活性キャリア濃度が増加する。さらに、ドナー材料またはアクセプタ材料の不純物層間で波動関数が結合することにより、デバイスを介するキャリア輸送が改善される。

同様に、先に説明したｎ型超格子及び／またはｐ型超格子を備えたデバイスのいくつかの実施形態では、電子の波動関数のピークが、正孔の波動関数のピークと空間的に整列していない。

図１０Ａ〜図１２Ｂは、緩和バッファ層の上に疑似構造成長（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ ｇｒｏｗｔｈ）させたことによる、超格子内で生じた二軸歪みが、伝導帯及び価電子帯のプロファイルを変えることができることを示している。例えば、図１２Ａ〜図１２Ｂを参照すると、基礎エネルギーギャップは圧縮歪みによって広がり、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照すると、基礎エネルギーギャップは、引っ張り歪みによって減少する。エネルギーギャップは、フェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}に対するｎ＝１の量子化エネルギー準位の相対位置に直接影響を及ぼす。例えば、ｐ型超格子におけるｎ＝１の量子化正孔準位とフェルミエネルギーＥ_{Ｆｅｒｍｉ}との間のエネルギーギャップが減少することを利用して、ｐ型超格子内の活性ドープ濃度を高めることができる。すなわち、歪みを利用することにより、超格子内の活性ドーピング濃度を向上させることができる。

本明細書に記載された電子デバイスは、デバイスの真性層または活性領域からの発光を改善するという点で、従来のヘテロ接合ＵＶ ＬＥＤに勝る利点を有する。例えば、本発明の電子デバイスは、ホモ接合デバイスであるため、ヘテロ接合デバイスにおいて通常生じる内部分極場がない。

電子デバイスの設計波長に対して透過的となるように超格子を設計することにより、高レベルのｎ型またはｐ型導電率を実現しつつ、ｎ型またはｐ型の半導体領域を介する発光を可能にすることができる。さらに、超格子の単位格子の周期及びデューティサイクルを変えることにより、超格子の電気的特性（例えば、キャリア濃度）及び光学的特性（例えば、設計波長に対する光透過性）を変えることができる。

本明細書に示した電子デバイスにおいて、ｎ型超格子及びｐ型超格子、ならびに接点を入れ替えて、ｐ型超格子を最初に成長させるようにしてもよいことを理解すべきである。しかしながら、最初にｎ型超格子を成長させる理由は、ｐ型超格子よりもｎ型超格子を基材またはバッファ層の上で成長させる方が一般的に容易であるためである。

本明細書では、用語「超格子（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）」は、２層以上の層を含む複数の反復する単位格子を備えた階層構造を指す。この場合、単位格子内の層の厚さが十分薄いため、隣接する単位格子の対応する層間で波動関数が有意に浸透し、それによって電子及び／または正孔の量子トンネリングが容易に起こり得るようになる。

本明細書におけるあらゆる従来技術への言及は、その従来技術が共通の一般知識の一部をなすという承認または任意の形の示唆とはみなされず、かつそのようにみなされるべきではない。

本明細書では、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」または類似の用語は、非排他的包含を意味することを意図している。従って、列挙された要素を含むシステム、方法、または装置は、それらの要素のみを含むのではなく、列挙されない他の要素も適切に含み得る。

Claims (53)

1. ｎ型導電性を提供するｎ型超格子と、
   ｐ型導電性を提供するｐ型超格子と、を備える電子デバイスであって、
   前記ｎ型超格子が、ホスト層及びドナー不純物層を交互に備え、
   前記ホスト層が、ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になり、
   前記ドナー不純物層が、対応するドナー材料から実質的になり、
   前記ｐ型超格子が、ホスト層及びアクセプタ不純物層を交互に備え、
   前記ホスト層が、前記ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になり、
   前記アクセプタ不純物層が、対応するアクセプタ材料から実質的になる、前記電子デバイス。
2. 前記電子デバイスは紫外発光ダイオードまたは紫外光検出器である、請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記ｎ型超格子及び前記ｐ型超格子がＰＮ接合を形成する、請求項１に記載の電子デバイス。
4. 前記ｎ型超格子と前記ｐ型超格子の間に１種または複数種のＩＩＩ族窒化金属半導体材料を含む真性領域をさらに備えてＰＩＮ接合を形成する、請求項１に記載の電子デバイス。
5. 前記真性領域が、成長方向に沿って変化するバンドギャップを有する、請求項４に記載の電子デバイス。
6. 前記真性領域が、
   純粋なＩＩＩ族窒化金属半導体材料、
   水素、酸素、炭素、希土類またはランタノイド金属の少なくとも１種から選択される少なくとも１種の前記結晶構造改質剤を含むＩＩＩ族窒化金属半導体材料、及び
   意図的にドープされないＩＩＩ族窒化金属半導体材料の１種から実質的になる、請求項４に記載の電子デバイス。
7. 前記ｐ型超格子または前記ｎ型超格子は、前記ｐ型超格子または前記ｎ型超格子が前記真性領域の光子放出波長または光子吸収波長に対して透過的となるような周期またはデューティサイクルを有する、請求項４に記載の電子デバイス。
8. 前記ＩＩＩ族窒化金属半導体材料のＩＩＩ族金属が、少なくとも約５０モル％のＡｌを含む、請求項１に記載の電子デバイス。
9. 前記ＩＩＩ族窒化金属半導体材料が、
   窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、
   窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）、
   窒化アルミニウムインジウム（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）、及び
   窒化アルミニウムガリウムインジウム（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）（式中、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１かつｘ＋ｙ＜１）の少なくとも１種から選択される、請求項１に記載の電子デバイス。
10. 前記ドナー材料がシリコン（Ｓｉ）である、請求項１に記載の電子デバイス。
11. 前記ドナー材料が、
    ゲルマニウム（Ｇｅ）、
    シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）（式中、０＜ｘ＜１）、
    結晶性窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）、
    結晶性窒化ゲルマニウム（Ｇｅ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）、
    結晶性窒化シリコンアルミニウムガリウム（Ｓｉ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）、及び
    結晶性窒化ゲルマニウムアルミニウムガリウム（Ｇｅ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択される、請求項１に記載の電子デバイス。
12. 前記アクセプタ材料がマグネシウム（Ｍｇ）である、請求項１に記載の電子デバイス。
13. 前記アクセプタ材料が、
    亜鉛（Ｚｎ）、
    炭素（Ｃ）、
    結晶性窒化マグネシウム（Ｍｇ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）、
    結晶性窒化亜鉛（Ｚｎ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）、
    窒化マグネシウムアルミニウムガリウム（Ｍｇ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）、及び
    窒化亜鉛アルミニウムガリウム（Ｚｎ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択される、請求項１に記載の電子デバイス。
14. 各ホスト層が約１ｎｍ〜約２５ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
15. 各ドナー不純物層または各アクセプタ不純物層が、約０．２５ｎｍ〜約２ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
16. 各ドナー不純物層または各アクセプタ不純物層が、前記ドナー材料または前記アクセプタ材料の原子の単一層である、請求項１に記載の電子デバイス。
17. 各ドナー不純物層または各アクセプタ不純物層の面内の前記ドナー材料または前記アクセプタ材料の原子間の平均間隔が１ｎｍ未満である、請求項１６に記載の電子デバイス。
18. 各ドナー不純物層または各アクセプタ不純物層の面内の前記ドナー材料または前記アクセプタ材料の原子間の平均間隔が０．１ｎｍ前後である、請求項１６に記載の電子デバイス。
19. 前記ｎ型超格子に隣接するバッファ領域をさらに備え、前記バッファ領域が、ＡｌＮ及び／またはＧａＮから実質的になり、かつ１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
20. 前記ｎ型超格子に隣接するバッファ領域をさらに備え、前記バッファ領域が、前記ＩＩＩ族窒化金属半導体材料と同等のバルク組成を有するＡｌＮ及びＧａＮの交互層を備えた超格子を備える、請求項１に記載の電子デバイス。
21. 基材、及び
    前記ｎ型超格子または前記ｐ型超格子と前記基材との間に設けられたバッファ領域をさらに備える、請求項１に記載の電子デバイス。
22. 前記ｎ型超格子または前記ｐ型超格子が、引っ張り歪みまたは圧縮歪みを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
23. 前記ｎ型超格子または前記ｐ型超格子が、電子の波動関数及び正孔の波動関数を有し、前記電子の波動関数のピークが、前記正孔の波動関数のピークと空間的に整列していない、請求項１に記載の電子デバイス。
24. 前記ｐ型超格子及び前記ｎ型超格子はそれぞれ、少なくとも１０層のホスト層及び少なくとも１０層のドナー不純物層またはアクセプタ不純物層を備える、請求項１に記載の電子デバイス。
25. 前記ｐ型超格子の周期及び前記ｎ型超格子の周期が均一である、請求項１に記載の電子デバイス。
26. 前記ｐ型超格子の周期及び前記ｎ型超格子の周期が不均一である、請求項１に記載の電子デバイス。
27. 前記ホスト層が、意図的にドープされないＩＩＩ族窒化金属半導体材料を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
28. ホスト層及び不純物層を交互に備え、ｐ型導電性またはｎ型導電性を提供する超格子であって、
    前記ホスト層が、半導体材料から実質的になり、
    前記不純物層が、対応するドナー材料またはアクセプタ材料から実質的になる、前記超格子。
29. 前記ドナー材料または前記アクセプタ材料が、元素の周期表のランタノイド系列内の１種または複数種の原子種を含む、請求項２８に記載の超格子。
30. 前記ドナー材料または前記アクセプタ材料が、多数のガドリニウム（Ｇｄ）を含む、請求項２８に記載の超格子。
31. 前記ドナー材料または前記アクセプタ材料が、式Ｌ_ｘＮ_ｙ（式中、Ｌは少なくとも１種のランタノイド原子であり、Ｎは窒素であり、０＜ｘ≦３かつ０＜ｙ≦２である）を有する結晶性窒化ランタノイド組成物から選択される、請求項２８に記載の超格子。
32. 前記ドナー材料または前記アクセプタ材料が、窒化ガドリニウム（Ｇｄ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ≦３かつ０＜ｙ≦２）である、請求項３１に記載の超格子。
33. 前記ホスト層が互いに同等の厚さを有する、または、前記不純物層が互いに同等の厚さを有する、請求項２８に記載の超格子。
34. 後続のホスト層が実質的に異なる厚さを有する、または、後続の不純物層が実質的に異なる厚さを有する、請求項２８に記載の超格子。
35. 前記不純物層がそれぞれ、単一層の少なくとも半分及び５層未満の単一層の厚さを有する、請求項２８に記載の超格子。
36. 前記不純物層がそれぞれ、少なくとも１層の単一層及び２層以下の単一層の厚さを有する、請求項２８に記載の超格子。
37. 前記不純物層がそれぞれ六方晶網面を形成し、前記ホスト層がウルツ鉱結晶構造を有する、請求項３６に記載の超格子。
38. 前記半導体材料がシリセンまたはグラフェンである、請求項３７に記載の超格子。
39. 後続の不純物層が、前記ドナー材料または前記アクセプタ材料の原子によって誘起された前記電子ポテンシャル井戸の中の前記電子の波動関数または前記正孔の波動関数が空間的に重なるような距離だけ離される、請求項２８に記載の超格子。
40. 前記不純物層が、ドナー不純物層とアクセプタ不純物層との間で交互に連続する、請求項２８の超格子。
41. 膜形成プロセスによるｐ型超格子またはｎ型超格子の作製方法であって、
    ａ．反応室に基材を装填するステップと、
    ｂ．前記基材を膜形成温度にまで加熱するステップと、
    ｃ．ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になるホスト層を前記基材の上に形成するステップと、
    ｄ．第１の窒素終端表面を前記ホスト層の上に形成するステップと、
    ｅ．前記第１の窒素終端表面に、対応するドナー材料またはアクセプタ材料から実質的になる不純物層を形成するステップと、
    ｆ．前記不純物層の上に窒素層を形成して、第２の窒素終端表面を形成するステップと、
    ｇ．前記第２の窒素終端表面に、前記ＩＩＩ族窒化金属半導体材料から実質的になるホスト層を形成するステップと、
    ｈ．前記超格子が所望の厚さに到達するかまたは所望の層数を備えるまで、ステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返すステップと、を含む前記方法。
42. 前記半導体材料が、
    窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、
    窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）、
    窒化アルミニウムインジウム（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ）（式中、０＜ｘ＜１）、及び
    窒化アルミニウムガリウムインジウム（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）（式中、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１かつｘ＋ｙ＜１）の少なくとも１種から選択される、請求項４１に記載の方法。
43. 前記ドナー材料がシリコン（Ｓｉ）である、請求項４１に記載の方法。
44. 前記ドナー材料が、
    ゲルマニウム（Ｇｅ）、
    シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）（式中、０＜ｘ＜１）、
    結晶性窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）、
    結晶性窒化ゲルマニウム（Ｇｅ_ｘＮ_ｙ）（式中、０＜ｘ＜３かつ０＜ｙ＜４）、
    結晶性窒化シリコンアルミニウムガリウム（Ｓｉ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）、及び
    結晶性窒化ゲルマニウムアルミニウムガリウム（Ｇｅ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択される、請求項４１に記載の方法。
45. 前記アクセプタ材料がマグネシウム（Ｍｇ）である、請求項４１に記載の方法。
46. 前記アクセプタ材料が、
    亜鉛（Ｚｎ）、
    炭素（Ｃ）、
    結晶性窒化マグネシウム（Ｍｇ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）、
    結晶性窒化亜鉛（Ｚｎ_ｘＮ_ｙ）（式中、ｘ＞０かつｙ＞０）、
    窒化マグネシウムアルミニウムガリウム（Ｍｇ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）、及び
    窒化亜鉛アルミニウムガリウム（Ｚｎ_ｕ［Ａｌ_ｘＧａ_１−ｙ］_ｚＮ_ｖ）（式中、ｕ＞０、ｘ＞０、０＜ｙ＜１、ｚ＞０かつｖ＞０）の少なくとも１種から選択される、請求項４１に記載の方法。
47. ステップ（ｄ）〜（ｇ）を繰り返す前記ステップが、前記超格子が前記所望の層数に到達するまで行われ、
    前記所望の層数が、少なくとも１０層のホスト層及び少なくとも１０層の不純物層である、請求項４１に記載の方法。
48. 前記膜形成プロセスが、真空蒸着プロセス、分子線エピタキシプロセスまたは気相蒸着プロセスである、請求項４１に記載の方法。
49. 前記膜形成温度が、約５００℃〜約８５０℃である、請求項４１に記載の方法。
50. 前記所望の厚さが、約５０ｎｍ〜約５μｍの間である、請求項４１に記載の方法。
51. 前記反応室は、前記超格子の電子的性質または構造的性質に影響を与えないように、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）及び炭素（Ｃ）の種が十分に欠乏している、請求項４１に記載の方法。
52. 励起された分子状窒素種を用いて窒素終端表面を調製するために成長を中断させることを含む、請求項４１に記載の方法。
53. 前記ホスト層及び前記不純物層が、成長方向に沿った実質的に金属極の極性または前記成長方向に沿った窒素極性を有する、請求項４１に記載の方法。