JP3472305B2 - Ｉｉｉ族窒化物の能動層をもつ長寿命垂直構造発光ダイオード - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物の能動層をもつ長寿命垂直構造発光ダイオード

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は光電子デバイスに関し、具体的には、電磁ス
ペクトルの青から紫外線の部分を出力するIII族窒化物
（すなわち、元素の周期表のIII族または３族の元素を
含む窒化物）から形成された発光ダイオードに関する。
発明の背景 発光ダイオード（LED）とは、光電子工学の分野が長
年にわたって成長し発展するにつれて様々な役割で有益
になってきたpn接合デバイスのことである。電磁スペク
トルの可視部分を発光するデバイスは、特にオーディオ
システム、自動車、家電装置、コンピュータシステムな
ど多くの分野で、単純な状態表示装置、ダイナミックパ
ワーレベル棒グラフ、ならびに英数字表示装置に使用さ
れてきた。赤外線デバイスは、オプトアイソレータ、手
持ち式リモコン、間欠式または反射式および光ファイバ
ー式のセンシング分野においてスペクトル整合フォトト
ランジスタに接続されて使用されてきた。
LEDは半導体中の電子とホールの再結合に基づいて動
作する。すなわち、伝導帯の電子キャリアが価電子帯の
ホールと結合すると、電子キャリアは、放出される光
子、すなわち光の形でバンドギャップに相当するエネル
ギーを失うことになる。再結合事象の数は、平衡状態に
おいては実際的な利用には不十分であるが、少数キャリ
アの密度を増大させることで増やすことができる。
LEDでは、以前より、ダイオードに順方向バイアスを
かけることで少数キャリア密度を増大させていた。注入
された少数キャリアは、接合端部の拡散長の２、３倍の
範囲内の多数キャリアと放射性再結合する。再結合の度
に電磁気が放射される、すなわち光子がうみだされる。
エネルギーの損失は半導体材料のバンドギャップに関連
するので、LED材料のバンドギャップの特徴が重視され
ていた。
しかし、他の電子デバイスと共に使用する場合には、
さらに効率のよいLED、具体的には少ない電力で高い強
度の光を出力するLEDが要望されており、また必要でも
ある。たとえば、より高い光強度のLEDは、特に、周囲
温度が高い環境での表示装置や状態表示装置に有益であ
る。LEDの強度出力とLEDを駆動するのに必要な電力の間
にも関係がある。たとえば、低電力LEDは、ポータブル
電子機器分野で特に有益である。より低い電力でのより
高い光強度を得るという要求に応えようとする試みの一
例を、一層効率的なLEDを得るための、可視スペクトル
の赤色部分におけるAlGaAsのLED技術の開発に見ること
ができる。可視スペクトルの青色および紫外線領域にお
いても、LEDに同様の技術が求められ続けている。たと
えば、青は基本色なので、フルカラー表示または純白光
を生み出すために求められており、また必要である。
本発明の共通譲受人は、この分野で、大量に供給可能
な、青色スペクトル光を発光する商業ベースに乗るLED
の開発に最初に成功した。こうしたLEDは広バンドギャ
ップ半導体材料である炭化ケイ素で形成されたものであ
る。こうした青色LEDの例は、米国特許第4918497号と第
5027168号のEdmondによる「炭化ケイ素製の青色発光ダ
イオード（Blue Light Emitting Diode Formed In Sili
con Carbide）」に記載されている。
こうした青色LEDの他の例は、米国特許第5306662号の
Nakamuraその他による「Ｐ型化合物半導体の製造方法
（Method Of Manufacturing P−type Compound Semicon
ductor）」や米国特許第5290393号のNakamuraによる
「窒化ガリウムベース化合物半導体の結晶成長方法（Cr
ystal Growth Method For Gallium Nitride−Based Com
pound Semiconductor）」に記載されている。Hatanoそ
の他による米国特許第5273933号の「半導体デバイスを
製造する過程における被膜形成気相成長方法（Vapor Ph
ase Growth Method Of Forming Film In Process Of Ma
nufacturing Semiconductor Device）」には、SiC基板
上のGaInAINやガリウム砒素（GaAs）基板上のセレン化
亜鉛（ZnSe）から形成されたLEDも記載されている。
LEDなどの光子デバイスに習熟した人には周知のよう
に、所与の半導体材料によりうみだされた電磁放射（す
なわち、光子）の周波数は、材料のバンドギャップの関
数である。バンドギャップが小さくなると、発生するエ
ネルギーも小さくなり、光子の波長も長くなるので、よ
り大きなエネルギーをうみだしたり、光子の波長を短く
したりするのにはより広いバンドギャップを有する材料
が必要である。たとえば、レーザに通常使用されている
半導体は、燐化インジウム・ガリウム・アルミニウム
（InGaAlP）である。この材料のバンドギャップ（実際
は、各元素のモルまたは原子分率に応じたバンドギャッ
プの範囲）のために、InGaAlPから得られる光は、可視
スペクトルの赤色部分、すなわち、約600ないし700ナノ
メータ（nm）に限定されている。
元に戻るが、スペクトルの青色または紫外線部分の波
長の光子を得るためには、比較的大きなバンドギャップ
を有する半導体材料が必要である。代表的な候補材料に
は、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などであ
る。
波長の短いLEDは、色だけでなく多くの利点を備えて
いる。具体的には、光記憶装置やメモリデバイス（たと
えば、CD−ROMや光ディスク）で使用されると、LEDの出
す光の波長が短ければ短いほど、こうした記録デバイス
が保持する情報の量は増大する。たとえば、青色光を使
用して情報を記憶する光デバイスは、赤色を使用したデ
バイスの約32倍の情報を同じ空間に保持できる。
窒化ガリウムは、バンドギャップが比較的高く（室温
で3.36eV）、間接バンドギャップ材料よりも直接バンド
ギャップであるために、青色や紫外線周波数用の魅力的
なLED材料の候補である。半導体の特徴に習熟した人に
は周知のように、直接バンドギャップ材料では、価電子
帯から伝導帯への電子の遷移のために、電子の結晶モメ
ンタムの変化を必要としない。間接半導体では、他の状
況が現れる。すなわち、価電子帯と伝導帯の間で電子が
遷移するためには、結晶モメンタムを必要とする。ケイ
素や炭化ケイ素はこうした間接半導体の例である。
一般的には、直接遷移による光子は間接遷移による光
子より大量のエネルギーを保持しているので、直接バン
ドギャップ材料で形成されたLEDは、間接バンドギャッ
プ材料で形成されたLEDよりも効率的に動作する。
しかし、窒化ガリウムは欠点も備えている。窒化ガリ
ウムの大きな単一結晶を製造して窒化ガリウム光子デバ
イスに相応しい基材を形成する加工技術は、今迄のとこ
ろ実現していない。半導体デバイスに習熟した人には周
知のように、半導体デバイスには基材または基板となる
構造物が必要である。通常は、デバイスの能動領域と同
じ材料から形成された基板は、特に結晶の成長や結晶整
合性の点で顕著な利点を備えている。しかし、窒化ガリ
ウムはこうした大きな結晶がいまだ形成されていないの
で、窒化ガリウム光子デバイスは、異なる、すなわち、
GaN以外の基板上のエピタキャシャル層に形成しなけれ
ばならない。
しかし、異なる基板を使用すると、主に結晶格子の整
合性の面でさらなる問題が発生する。材料はそれぞれ異
なる結晶格子パラメータをもっている場合がほとんどで
ある。結果、窒化ガリウムエピタキャシャル層は異なる
基板で成長すると、結晶の不整合（ミスマッチ）が発生
し、その結果得られるエピタキャシャル層はこの不整合
のため「ひずみ状態」にある。こうした不整合とこの不
整合によるひずみにより、結晶や接合部の電子特性に影
響を及ぼす欠陥が結晶に発生する可能性が生じ、したが
って、光子デバイスの性能を低下させたり、妨害さえす
る場合がある。こうした欠陥により高電力の構造体では
さらに不利益が助長される。
現在まで、窒化ガリウムデバイスの最も一般的な基
板、そして窒化ガリウムLEDで利用される唯一の基板
は、サファイア、すなわち、酸化アルミニウム（Al
2O3）である。サファイアは可視および紫外線範囲では
透過であるが、残念なことに、導電性ではなく絶縁性で
あり、窒化ガリウムに対して16％の格子不整合がある。
導電性の基板がないと、「垂直」デバイス（対向面に接
点をもつデバイス）を形成できないので、デバイスの製
造や使用が複雑になる。
特定の欠点としては、窒化ガリウムがサファイア上に
形成されるときに必要になる水平構造（デバイスの同じ
側に接点を持つ構造）では水平方向に電流が流れるの
で、層内の電流密度は実質的に増大する。この電流の水
平方向の流れは、すでに歪んだ（すなわち、16％の格子
不整合をもつ）GaN−サファイア構造をさらに歪ませ
て、全体的に接合部やデバイスの劣化を加速させる。
窒化ガリウムは、窒化アルミニウム（AlN）に対して
約2.4％の格子不整合を有し、炭化ケイ素に対しては3.5
％の格子不整合を有する。炭化ケイ素は、窒化アルミニ
ウムとはいくぶん不整合性が少なくなる（わずか１％程
度）。
III族（３族）元素の３元および４元の窒化物（たと
えば、InGaNやInGaAlNなど）は、バンドギャップが比較
的広いことが知られているので、青色や紫外線半導体レ
ーザが可能となる。しかし、こうした化合物の大半に
は、窒化ガリウムと同様の問題がある。すなわち、同一
の単結晶基板がないことである。すなわち、各化合物は
様々な基板上に成長したエピタキャシャル層の形をとら
なければならない。したがって、同様に、結晶の欠陥と
それに付随した電子的な問題が発生する可能性がある。
発明の目的と要約 したがって、本発明の目的は、電磁スペクトルの青色
および紫外線部分を発光し、こうしたデバイスに最も有
益である垂直方向に構成可能であり、すぐれた発光性と
効率を備えており、これまで利用可能であったダイオー
ドより物理的および電子的な寿命が長く、性能が優れて
いる発光ダイオードを提供することにある。
本発明は、可視スペクトルの青色部分を発光し、有利
な材料や構造を使用することにより長寿命を特徴とする
発光ダイオードによって上記目的を達成する。この発光
ダイオードは、導電性炭化ケイ素基板と、炭化ケイ素基
板へのオーム接触部と、窒化ガリウム、窒化アルミニウ
ム、窒化インジウム、式AxB1-xNの３元III族（３族）窒
化物（式中、ＡとＢはIII族元素であり、ｘは０、１ま
たは１と０の間の分数である）、式AxByC1-x-yNの４元I
II族窒化物（式中、Ａ、Ｂ、ＣはIII族元素であり、ｘ
とｙが０、１または０と１の間の分数であり、（ｘ＋
ｙ）は１未満である）、および、そのような３元および
４元のIII族窒化物と炭化ケイ素の合金からなる群から
選択された、該基板上の導電バッファ層と、その能動層
（active layer）およびヘテロ構造層が、２元III族窒
化物、３元III族窒化物、４元III族窒化物、およびこう
した窒化物と炭化ケイ素の合金からなる群から選択され
る、該バッファ層上のpn接合部を含む２重ヘテロ構造
（double heterostructure）とを含む。
本発明の上記および他の目的、利点および特色、なら
びにそれらが達成される態様が、添付図面に関連して本
発明の以下の詳細な説明に基づいてより容易に明らかに
なるであろう。添付図面は好ましい模範的な実施例を示
すものである。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による寿命の長い発光ダイオードの第
１実施例の概略垂直断面図である。
図２は、本発明による寿命の長い発光ダイオードの第
２実施例の概略垂直断面図である。
図３は、本発明による寿命の長い発光ダイオードの第
３実施例の概略垂直断面図である。
図４は、本発明による寿命の長い発光ダイオードの第
４実施例の概略垂直断面図である。
図５は、本発明による発光ダイオードに対する従来の
発光ダイオードの時間対相対強度を示すグラフである。
図６は、本発明による発光ダイオードで使用されてい
るようなSiC基板上のGaN層の２重結晶Ｘ線ロッキング曲
線を示すグラフである。
図７は、本発明による寿命の長い発光ダイオードで利
用されているようなSiC基板上のGaN層のエネルギー出力
と比較したホトルミネッサンスを示すグラフである。
図８は、SiC−AlN−GaNの合金の運動エネルギー対強
度を示すグラフである。
図９は、本発明によるSiC−AlN−GaN合金の炭化ケイ
素の濃度の関数として結晶格子ピークエネルギーを示す
グラフである。
好ましい実施例の詳細な説明 本発明は、可視スペクトルの青色部分の光をうみだす
発光ダイオードであり、寿命の長さを特徴とする。こう
した発光ダイオードの性能、特徴、およおび定格に習熟
する人には周知のとおり、寿命とは、一般に、LEDの出
力が当初の出力の約50％に低下までの時間として定義さ
れている。
図１は、本発明による発光ダイオードの断面概略図で
ある。発光ダイオードは全体的に20で示してある。ダイ
オードは、好ましい実施例では、単一結晶炭化ケイ素基
板である導電性炭化ケイ素基板21から構成される。当業
者にはよく理解されているが、高品質単一結晶基板は、
性能や寿命で有利となる構造面での利点をたくさん備え
ている。好ましい実施例では、SiC基板は、この係属中
の出願と共に譲渡される米国特許第4866005号（再発行
特許第34861号）に記載されている。
オーム接触部22は、炭化ケイ素基板に形成されてお
り、本明細書に記載された材料の従来のダイオードと本
発明のダイオードとの直接的な相違点となる本発明の特
徴の１つである。前述のように、窒化ガリウムの通常の
基板は、導電性にはできないので、オーム接触部に接続
できない。このためサファイアをベースとするデバイス
は、LEDや他の多くのデバイスに最も好ましい垂直構造
で形成できない。
図１はさらにLED20が基板21上にバッファ層23を備え
ていることを示している。バッファ層23は、窒化ガリウ
ム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、ＡとＢがIII
族元素で、ｘが０または１あるいは０と１の間の分数で
ある式AxB1-xNの３元III族窒化物、Ａ、Ｂ、ＣがIII族
元素で、ｘとｙが０、１または０と１の間の分数で、
（ｘ＋ｙ）は１未満である式AxByC1-x-yNの４元III族窒
化物、および、これらの３元および４元III族窒化物と
炭化ケイ素の合金からなる群から選択される。バッファ
層23と基板21は両方とも導電性である。
LED20は、さらに括弧24で示された２重ヘテロ構造を
備えており、特にバッファ層23上にpn接合部を含む。
「２重ヘテロ構造（double heterostructure）」とは当
技術分野での共通用語として使用されており、周知のも
のである。こうした構造については、Szeの半導体デバ
イスの物理学、第２版（1981）第708ないし710頁（Sze,
Physics of Semiconductor Devices,Second Edition（1
981）at pages 708 to 710）に様々な点から説明されて
いる。このSzeの説明はレーザに関連するものだが、ホ
モ構造接合部、単一ヘテロ構造接合部、および２重ヘテ
ロ構造接合部の特質と差異が例示されている。
図１に示す実施例では、２重ヘテロ構造24はさらに能
動層25を含み、この能動層25に隣接して上方26と下方27
のヘテロ構造層が配置されている。ヘテロ構造層26と27
は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウ
ム、ＡとＢがIII族の元素でｘが０、１または０と１の
間の分数である３元III族窒化物、こうした３元III族窒
化物と炭化ケイ素の合金（たとえば、（SiC）xAyB
1-yN）から選択された構成物から形成される。言い換え
ると、最下ヘテロ構造層はバッファ層の上部にあること
になる。図１では、下方ヘテロ構造27がバッファ層23の
上部にあるように示してある。
オーム接触部30を上方ヘテロ構造層26に形成して、本
発明の有益な垂直構造を完成できる。オーム接触部は、
アルミニウム（Al）、金（Au）、プラチナ（Pt）、また
はニッケル（Ni）などの金属から形成されるが、当業者
には理解されているように他の材料から形成することも
できる。
本明細書に例示された実施例ではそれぞれ、２重ヘテ
ロ構造が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化イン
ジウム、ＡとＢがIII族元素であり、ｘが０、１、また
は０と１の間の分数である式AxB1-xNの３元III族窒化
物、そのような３元III族窒化物と炭化ケイ素の合金か
らなる群から選択された能動層を含む。
図１に示すヘテロ構造24では、能動層25が、窒化イン
ジウムガリウムを含むのが好ましく、上方および下方ヘ
テロ構造層26と27は窒化アルミニウムガリウムを含むの
が好ましい。具体的には、窒化アルミニウムガリウムヘ
テロ構造層26と27は、ｘが０、１または０と１の間の分
数である式AlxGa1-xNをもつのが好ましい。能動層25が
窒化インジウムガリウムを含む場合、その構成はInzGa
1-zNであると理解される、ただしｚは０と１の間の分数
である。
当業者には周知のように、３元III族窒化物の構成
は、屈折率とバンドギャップに影響を及ぼす。一般的に
は、アルミニウムの比率が高くなれば、バンドギャップ
が増加し、屈折率が下がる。したがって、好ましい実施
例では、ヘテロ構造層26と27が能動層25より大きいバン
ドギャップをもち、能動層25より小さい屈折率をもつた
めに、層26と27は能動層25よりも高い原子またはモルパ
ーセントのアルミニウムを含む。ヘテロ構造層26と27の
バンドギャップが大きくなると、能動層25を介して電子
が注入されるので、デバイスの効率が高まる。同様に、
ヘテロ構造層26と27の屈折率が低くなると、能動層25か
ら光が光基部に発するようになるのが一層好ましい。
pn接合部を形成するために、上方および下方ヘテロ構
造層26と27は互いに反対の導電型であり、能動層25は２
つのヘテロ構造層の１つと同じ導電型である。たとえ
ば、好ましい実施例では、上方ヘテロ構造層26はｐ型
で、能動層25はｎ型で、下方ヘテロ構造層27はｎ型で、
バッファおよび炭化ケイ素基板はどちらもｎ型である。
したがってpn接合が能動層25と上方ヘテロ構造層26の間
に形成されている。
図２は、広く32で示された本発明のやや異なる実施例
を示す。前述の実施例におけるように、LEDは炭化ケイ
素基板33とそのオーム接触部34を含む。２重ヘテロ構造
は35の括弧により示されている。図２の実施例では、バ
ッファ層は36で示されており、窒化ガリウムを含んでい
る。構造全体はさらに、窒化ガリウムバッファ層36と２
重ヘテロ構造35の間のバッファ層上に窒化ガリウムエピ
タキャシャル層37を含む。２重ヘテロ構造35に対するオ
ーム接触部40により有益な垂直構造デバイスが完成され
ることとなる。
特定の性能のパラメータが以下に説明されるが、本明
細書に説明され上記の図面や残りの図面に示されたダイ
オードは、室温において50ミリアンペアの順方向バイア
ス電流で10,000時間より長い時間動作すること、および
室温において30ミリアンペアの順方向バイアス電流で1
0,000時間より長い時間動作することが期待されてい
る。こうしたデバイスに習熟する人は理解できるであろ
うが、こうしたスペックは現在あるデバイスのものより
かなり高い。
図３は、42で全体的に示している本発明の第３実施例
を示す。前述の実施例におけるように、ダイオード42は
炭化ケイ素基板43と基板43へのオーム接触部44を含む。
２重ヘテロ構造は再度括弧45で示され、上方のオーム接
触部46は２重ヘテロ構造45につくられる。しかし、本実
施例では、バッファ層はそれぞれ第１および第２層47と
48を備えている。第１層47は基板43上に置かれ、炭化ケ
イ素窒化ガリウムアルミニウム（SiC）xAyGa1-yNの傾斜
（勾配）組成物で形成されている。この傾斜組成物で
は、基板43に隣接する部分のほぼ全体が炭化ケイ素であ
り、基板から最も離れた部分のほぼ全体が窒化アルミニ
ウムガリウムであり、その間の各部分における優勢な含
有物が炭化ケイ素から窒化アルミニウムガリウムに連続
的に組成物に傾斜（勾配）している。
第２層48は第１層47上に置かれて、窒化アルミニウム
ガリウムの他の傾斜組成物から形成される。好ましい実
施例では、傾斜組成を有する第２層48の組成は、層47と
層48が接触する点での第１バッファ層47の組成と同じ組
成から、２重ヘテロ構造45の最下層の組成と同じ組成に
傾斜（勾配）している。
図３に関して、バッファ層は、炭化ケイ素とIII族窒
化物の少なくとも１つの傾斜組成層をもつものとして説
明することもできる。この場合、傾斜組成層は、基板と
の接触面で炭化ケイ素であり、その後連続的に２重ヘテ
ロ構造との接触面における２重ヘテロ構造の最下層の組
成と同じ組成へと傾斜（勾配）している。
本発明はさらに、２重ヘテロ構造中の能動層の上に歪
み最小化接触層（図示せず）を含み、この接触層の格子
定数は各バッファ層とほぼ同じである。このような歪み
最小化接触層は、本願と同時に出願されたEdmondおよび
Bulmanによる「III族能動層を備えた低歪み構造（Low S
train Laser Structures with Group III Nitride Acti
ve Layers）」に詳述されている。この出願は本出願と
共に譲り受けられ、その全体が引用により本明細書の一
部を構成するものである。要約すると、こうした多層化
結晶デバイス全体の歪みは、格子定数の差に基づく個々
の歪みの平均の関数である。したがって、バッファとほ
ぼ同じ格子定数をもつ層を追加することで、歪みの重み
付け平均はより一貫性をもつことになるので歪み全体が
低下する。
細部を追加すると、実施例のうち任意のものの炭化ケ
イ素基板の上面にアルミニウムをドープすると、結晶の
成長が高まる。すでに述べたように、各実施例の基板と
バッファ層は導電性があり、これは、適切な不純物を各
層にドープすることで通常実施される。炭化ケイ素基板
は、3C、4H、6Hおよび15Rを特に含む炭化ケイ素ポリタ
イプから選択できる。
図４は、50で全体的に示された本発明の他の実施例を
示す。LED50は、括弧52に示されたバッファ層が形成さ
れている炭化ケイ素基板51上に形成されている。バッフ
ァ層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジ
ウム、ＡとＢがIII族元素でありｘが０、１または０と
１の間の分数である式AxB1-xNの３元III族窒化物、なら
びにこうした３元III族窒化物と炭化ケイ素の合金から
選択される。第１のIII族窒化物層53はバッファ52の上
に形成され、その導電型は第１型である。第２のIII族
窒化物層54は第１のIII族窒化物層53上に形成され、そ
の導電型は第２型であり第１と第２のIII族窒化物層53
と54はpn接合デバイスを形成する。オーム接触部55は第
２のIII族窒化物層54に形成されており、オーム接触部5
6は炭化ケイ素基板上に形成され、pn接合デバイスとの
第１および第２オーム接触部に供給された電流によりpn
接合デバイスから高強度光出力が得られる。
図４の点線で示してあるように、バッファ52が基板51
上の第１層57を含むのが好ましく、炭化ケイ素窒化アル
ミニウムガリウムの傾斜組成体から形成される。この傾
斜組成体では、基板に隣接する部分のほぼ全体が窒化ケ
イ素であり、基板から最も遠い部分のほぼ全体が窒化ア
ルミニウムガリウムであり、上記の両部分の間の各部で
は優勢な含有物が炭化ケイ素から窒化アルミニウムガリ
ウムへと連続的に傾斜（勾配）していく。
第２バッファ層58は第１層57上に置かれており、窒化
アルミニウムガリウムの傾斜組成物から形成されてい
る。前述の実施例に関して記載されているように、傾斜
組成の第２層58の組成は、層58と57が接合する点で第１
バッファ層58の組成と同じ組成から、ダイオードの下方
のIII族窒化物層53の組成と同じ組成にまで連続的に組
成的に傾斜している。
図４に示すダイオード50では、窒化物層53と54は、窒
化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、Ａと
ＢはIII族元素で、ｘは０、１または０と１の間の分数
である式AxB1-xNの３元III族窒化物、および、そのよう
な３元III族窒化物と炭化ケイ素の合金からなる群から
選択される。このことから、本実施例や前述の実施例で
は、接合部がホモ構造、単一ヘテロ構造、または２重ヘ
テロ構造となり得ることが分かる。
バッファ52は、代わりに、炭化ケイ素基板51上に配置
された炭化ケイ素から形成された下方中間層57と、下方
中間層57上に配置された窒化物の合金から形成された上
方中間層58とから構成することもできる。
バッファは、炭化ケイ素とIII族窒化物の少なくとも
１つの傾斜組成層を備えることも可能である。この傾斜
組成層は、基板51との接触面では炭化ケイ素であり、接
合構造との接触面では能動デバイスの最も低い層の組成
と同じ組成である。
前述の実施例のように、発光ダイオードは、頂面にア
ルミニウムをドープした炭化ケイ素基板を備えてもよ
い。
他の図を参照して詳述するように、本発明による水晶
の特徴は、任意の前述のデバイスが示す特徴より全体的
に優れている。したがって、本発明によるSiC基板上に
成長したGaNの２重結晶Ｘ線ロッキング曲線では、半値
幅エネルギーは約85アーク秒になる（図６参照）。
上記のように、LEDの寿命は、LEDの初期発光出力の50
％ほどの発光出力になるまでのLED劣化時間により定義
される。上記に詳述されたように、図５は、本発明によ
るLEDとサファイア上のGaNから形成された従来のLEDを
比較した時間対相対強度を示すグラフである。図５で
は、本発明によるLEDの寿命が飛躍的に改善されている
ことがよく示されている。デバイスは50ミリアンペアで
バーンインした。
図５に示すように、本発明によるLEDに電流を供給す
る期間を10,000またはそれ以上の時間にしても、LEDは
強度の高い光を発光し続ける。この発光出力は、初期強
度の約90％より高い強度を維持するとともに、1,000時
間ほどのバーンインでサファイア上GaN（GaNオン・サフ
ァイア）のLEDが示す初期光強度出力の約55％と比べる
と、はるかに高い強度を維持している。図５において、
点線は、SiC上のSiCの確立した性能に基づいてSiC上のG
aNの性能を予測したものである。
窒化物合金はしばしば、従来の技術では炭化ケイ素上
で２次元方向に成長させるのが難しい。これは主に、２
種類の物質の間の表面エネルギーの差によるものであ
る。具体的には、比較的高い温度（すなわち、約1,000
℃より高い温度）での従来の成長技術は、炭化ケイ素基
板の頂面上で３次元に成長してしまうことが多い。この
３次元成長は、基板の頂面上に半導体材料の個々の島の
ような部分を形成してしまい、表面被覆が貧弱なものと
なる。こうした島嶼部の成長は３次元方向のままであ
り、その結果、成長させたままでは窒化物の合金の表面
が非常に荒くなる。しかし、比較的低い温度、すなわ
ち、1,000℃より低い温度では、炭化ケイ素基板上で、
窒化物合金の小さな島嶼部を高密度で成長させることが
できる。従来の成長温度での極めて短時間の成長の後、
こうした島嶼部は、合体し、基板の頂面全体の大半を覆
うようになる。この表面上の層成長は、窒化物合金上の
窒化物合金の成長であり、主に２次元方向の横方向成長
である。この結果、被膜の成長表面が鏡面状となり、窒
化物合金は電気的、構造的に高品質となる。III族窒化
物のpn接合デバイスは、化学蒸着法（CVD）や分子線エ
ピタキシー（MBE）などの技術を利用して窒化ガリウム
層上に形成される。これについては、同様に譲り受けら
れた米国特許第5210051号を参照のこと。
図６ないし図９は、本発明による寿命が長いLEDの様
々な他の性能や構成上の特徴を示す。具体的には、図６
は、本発明によるSiC基板上のGaN層の２重結晶Ｘ線ロッ
キング曲線、すなわち、角度秒当りのカウント数を示
す。結晶材料により分散されたＸ線の光線の角位置、強
度およびピーク幅の分析により、材料の結晶構造上の情
報が得られる。この例では、本発明によるLEDの基礎GaN
の半値幅エネルギー（FWHM）は、約85アーク秒であるこ
とが分かっている。Ｘ線ロッキング曲線は、SiC基板上
のGaNの結晶品質が比較的高く、それにより形成されたL
EDは光の強度が高くなることや、期待されたように寿命
が長くなることを示している。
図７は、本発明による寿命の長いLEDのSiC上の基部Ga
Nのエネルギー出力に対するルミネセンスを示すグラフ
である。このグラフは、325nmの励起と295Kの温度での
ホトルミネセンスの測定結果を示している。均一の発光
が表面上で観察されている。室温のホトルミネセンス
は、発光は、サファイア上に成長した各層では2.2eVで
の欠陥ピークで高まるが、3.41eVでの帯域端励起子によ
り高まることを示しており、これは本発明によるSiC基
板上のGaNの高品質を示すことになる。
図８は、角電子スペクトルを示し、本発明による合金
層はSiC−AlN−GaN合金の５元素であるSi、Ｃ、Al、Ｎ
およびGaを含んでいる。陰極ルミネセンスは、約80ケル
ビン（Ｋ）でSiC−AlN−GaN合金層上で測定され、紫外
線と紫色の領域のピークをいくつか示している。
図９は、本発明による上記の層の炭化ケイ素濃度の関
数としてその結果発生するエッジピークエネルギーを示
すグラフである。図示のように、エッジピークの光子エ
ネルギーは、合金層のSiC濃度により左右される。約10
モル％のSiC濃度をもつ層では、端部ピークは、約300nm
の波長で検出されている。
上記の図面と明細書において、本発明の代表的な好ま
しい実施例が開示されてきた。特定の用語が使用されて
いるが、こうした用語は一般的および記述的な意味での
み使用され、制限のためではない。本発明は、かなり詳
細に様々な好ましい実施例を参照しながら説明されてき
た。しかし、当然のことながら、上記の明細書に記載さ
れ請求の範囲で限定されるように本発明の精神と範囲内
で様々な修正と変更が可能であることは明らかである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バルマン，ギャリー・イー アメリカ合衆国、 27511 ノース・キ ャロライナ、キャリー、ラルフ・ドライ ヴ 404 (72)発明者 コン，フア−シュアン アメリカ合衆国、 27606 ノース・キ ャロライナ、ローリー、ベクスヒル・ド ライヴ 10840 (72)発明者 ドミトリエフ，ウラディーミル アメリカ合衆国、 27526 ノース・キ ャロライナ、フーキー−ヴァリナ、ラフ ァイエット・ドライヴ 5425 (56)参考文献 特開 平５−110139（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−21511（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−243614（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−41560（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−97598（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−265122（ＪＰ，Ａ) 米国特許5247533（ＵＳ，Ａ) 米国特許5273933（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】可視スペクトルの青色部分で発光し寿命が
    長い特徴をもつ発光ダイオードであって、 上面と下面を有する導電性炭化ケイ素基板（21）であっ
    て、この基板の上面がアルミニウムでドープされている
    導電性炭化ケイ素基板と、 前記炭化ケイ素基板へのオーム接触部（22）と、 前記基板（21）のドープされた上面上の導電性バッファ
    層（23）であって、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、
    窒化インジウム、式AxB1-xNの３元III族窒化物（式中、
    ＡとＢがIII族元素で、ｘが０、１または０と１の間の
    分数である）、式AxByC1-x-yNの４元III族窒化物（式
    中、Ａ、Ｂ、ＣがIII族元素で、ｘとｙが０、１または
    ０と１の間の分数であり、（ｘ＋ｙ）が１未満であ
    る）、および、３元および４元III族窒化物と炭化ケイ
    素の合金から成る群から選択される導電性バッファ層
    と、 前記バッファ層上のpn接合２重ヘテロ構造（24）と、 前記２重ヘテロ構造上の接触層であって、前記バッファ
    層とほぼ同じ格子定数を備え、デバイス層の全体の歪み
    を低下させる接触層と を含んでなる発光ダイオードであって、 前記２重ヘテロ構造が、第１型の導電型である下方ヘテ
    ロ構造層（27）と、第２型の導電型である上方ヘテロ構
    造層（26）と、前記上方および下方ヘテロ構造層の間の
    能動層（25）とを含み、 前記下方ヘテロ構造層（27）が、前記バッファ層（23）
    と前記能動層（25）との間に配置され、かつ、Ｂがアル
    ミニウムを除くIII族元素で、ｘが１または０と１の間
    の分数である式AlxB1-xNの３元III族窒化物、および、
    前記３元III族窒化物と炭化ケイ素との合金から成る群
    から選択され、 前記能動層（25）が、前記下方ヘテロ構造層（27）と前
    記上方ヘテロ構造層（26）との間に配置され、かつ、窒
    素ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、Ａと
    ＢがIII族元素で、ｘが０、１または０と１の間の分数
    である式AxB1-xNを有する３元III族窒化物、および、こ
    のような３元III族窒化物と炭化ケイ素との合金から成
    る群から選択され、 前記上方ヘテロ構造層（26）が、前記能動層（25）と前
    記接触層との間に配置され、かつ、Ｂがアルミニウムを
    除くIII族元素で、ｘが１または０と１の間の分数であ
    る式AlxB1-xNの３元III族窒化物、および、前記３元III
    族窒化物と炭化ケイ素との合金から成る群から選択さ
    れ、 前記上方及び下方ヘテロ構造層（26、27）のバンドギャ
    ップが前記能動層（25）のバンドキャップより大きなる
    ように前記上方及び下方ヘテロ構造層（26、27）のアル
    ミニウムの比率が実質的に高い 発光ダイオード。
  2. 【請求項２】前記バッファ層（23）が窒化ガリウムを含
    み、前記窒化ガリウムバッファ層（23）と前記pn接合２
    重ヘテロ構造（24）との間であって前記バッファ層（2
    3）上に窒化ガリウムエピタキャシャル層をさらに含む
    請求項１に記載の発光ダイオード。
  3. 【請求項３】前記接触層へのオーム接触部（30）をさら
    に含み、垂直方向のデバイス構造が形成されるように前
    記基板への前記オーム接触部が前記基板の底部にある請
    求項１に記載の発光ダイオード。
  4. 【請求項４】前記能動層が、ｚが０と１の間の分数であ
    る構成物InzGa1-zNの組成を有する請求項１に記載の発
    光ダイオード。
  5. 【請求項５】前記炭化ケイ素基板が、3C、4H、6Hと15R
    から成る群から選択されたポリタイプを含む請求項１に
    記載の発光ダイオード。
  6. 【請求項６】前記導電性バッファ層が、前記炭化ケイ素
    基板上に配置された炭化ケイ素から形成された下方中間
    層と、前記下方中間層上に配置された窒化物合金から形
    成された上方中間層とを含む請求項１に記載の発光ダイ
    オード。
  7. 【請求項７】前記バッファ層が、 炭化ケイ素と窒化アルミニウムガリウムの傾斜組成を有
    し、前記基板上にある第１層であって、前記基板に隣接
    した部分のほぼ全体が炭化ケイ素であり、前記基板から
    最も遠い部分のほぼ全体が窒化アルミニウムガリウムで
    あり、両部分の間の各部は優勢な含有物が炭化ケイ素か
    ら窒化アルミニウムガリウムへと連続して組成が傾斜し
    ている第１層と、 前記第１層上に、窒化アルミニウムガリウムの傾斜組成
    物から成る第２層と を含む請求項１に記載の発光ダイオード。
  8. 【請求項８】前記傾斜組成第２層の組成が、前記第１バ
    ッファ層の組成と同じ組成から前記接合デバイスの最下
    層の組成と同じ組成に連続して組成の面で傾斜している
    請求項17に記載の発光ダイオード。
  9. 【請求項９】前記バッファが、炭化ケイ素とIII族窒化
    物からなる少なくとも１つの傾斜組成層を含み、前記傾
    斜組成層は前記基板への接触面が炭化ケイ素であり、前
    記傾斜組成層と前記接合デバイスとの境界面では前記接
    合デバイスの最下層の組成と同じ組成である請求項１に
    記載の発光ダイオード。
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