JP5296290B2 - 漸変組成の発光層を有する半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置、より具体的には、半導体発光装置の活性領域の光出力を向上させることに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及びエッジ放射レーザを含む半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源のうちの１つである。可視スペクトル全体に亘る作動が可能な高輝度発光装置の製造において現在関心が持たれている材料系としては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも称されるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の２元、３元、及び４元合金がある。一般的に、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術により、異なる組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックをサファイア、炭化珪素、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板上でエピタキシャル成長させることによって作製される。このスタックは、多くの場合、基板の上に形成されて、例えばＳｉでドープされた１以上のｎ型層、１つ又は複数のｎ型層の上に形成された発光する領域すなわち活性領域、及び活性領域の上に形成されて例えばＭｇでドープされた１以上のｐ型層を含む。導電基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物装置は、装置の両側上に形成されたｐ及びｎ接点を有することができる。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物装置は、両方の接点が装置の同じ側にある状態でサファイアのような絶縁基板上に作製される。このような装置は、光が接点を通じて（エピタキシ・アップ装置として公知）又は接点の反対側にある装置の表面を通じて（フリップチップ装置として公知）抽出されるように取付けられる。
ＩＩＩ族窒化物装置内の結晶層は、多くの場合、サファイアのような格子不整合基板上に歪みウルツ鉱結晶として成長する。このような結晶は、２種類の偏光、つまり、結晶対称性から生じる自然偏光及び歪みから生じる圧電偏光を示す。層内の全偏光は、自然偏光と圧電偏光の合計である。

図１Ａは、米国特許第６，５１５，３１３号で説明されている一般的な従来の歪みウルツ鉱窒化物二重ヘテロ構造半導体を概略的に示す断面図である。米国特許第６，５１５，３１３号によれば、図示の基板層１は、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、及び３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、及びＧａＮを含む、窒化物半導体を成長させるのに適切なあらゆる材料とすることができる。基板の厚みは、一般的に１００μｍから１ｍｍまでの範囲である。基板１上のバッファ層２は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＩｎＧａＮなどで形成することができる。バッファ層は、基板１と上に重なる導電接触層３の間の格子不整合の可能性に適応するものである。しかし、バッファ層２は、基板が窒化物半導体にほぼ等しい格子定数を有する場合は省略することができる。また、バッファ層２は、何らかの窒化物成長技術を用いて省略することができる。材料の組成によっては、バッファ層エネルギバンドギャップは、約０．５μｍから１０μｍまでの厚みで２．１ＥＶから６．２ＥＶまでの範囲とすることができる。米国特許第６，５１５，３１３号の２列の３１〜４８行を参照されたい。

ｎ型接触層３はまた、一般的に、窒化物半導体、好ましくは、０．５μｍから５．０μｍの厚みかつＧａＮの場合は約３．４ＥＶ、ＩｎＧａＮの場合はこれよりも小さい（インジウム濃度に依存する）バンドギャップでＧａＮ又はＩｎＧａＮから形成される。導電層３上の下部ｎ型又は未ドープクラッド層４は、従来的に、ＧａＮの場合は３．４ＥＶ、ＡｌＧａＮの場合はこれよりも大きい（Ａｌの濃度に依存する）バンドギャップでＧａＮ又はＡｌＧａＮを含む。その厚みは、１ｎｍから１００ｎｍまでの範囲とすることができる。米国特許第６，５１５，３１３号の２列の４９〜５８行を参照されたい。

窒化物二重ヘテロ構造は、一般的に、下部クラッド層の上の活性領域５として１ｎｍから１００ｎｍまでの厚みでＩｎＧａＮを使用する。この層のバンドギャップは、青色発光の場合には一般的に２．８ＥＶであるが、インジウム濃度によっては変動する場合がある。活性領域の上の上部ｐ型又は未ドープクラッド層６は、一般的に、ＡｌＧａＮ又はＧａＮから成っており、下部ｎ型クラッド層４と類似の厚み及びバンドギャップエネルギである。クラッド層６上のｐ型ＧａＮ導電接触層７は、約３．４ＥＶのエネルギバンドギャップ及び約１０ｎｍから５００ｎｍまでの厚みを有する。異なる構成材料により、層間のインタフェースで偏光誘導シート電荷が発生する。発光体の作動に関して、活性領域５近くの偏光誘導シート電荷が特に問題になる。米国特許第６，５１５，３１３号の２列の５９行から３列の７行までを参照されたい。

図１Ａに示す複合半導体については、活性領域５と下部クラッド層４の間のインタフェースに１０¹³電子／ｃｍ²程度の大きさの負の偏光誘導シート電荷密度σ１が一般的に形成される。活性領域５と上部クラッド層６の間のインタフェースには、同程度の大きさの正のシート電荷密度σ２が形成される。これらの電荷の極性及び大きさは、結晶層の結晶対称性及び組成差に依存する。一般的に、シート電荷の密度は、２つの隣接する層間の歪みのために自然偏光及び圧電偏光の両方に依存することになる。例えば、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性領域５とＧａＮクラッド層４の間のσ１は、約８．３×１０¹²電子／ｃｍ²である。米国特許第６，５１５，３１３号の３列の８〜２６行を参照されたい。

図１Ｂは、図１Ａの装置構造に対応するエネルギバンドを示すものである。装置が作動している時、σ１及びσ２によって生成される量子井戸に亘る自然に発生する偏光場により、いくつかの方法で効率が落ちる。第１に、量子井戸内の電界により、領域内の電子と正孔が空間的に分離することになる（反対方向の移動）。図示のように、価電子帯Ｅ_V内の正孔は、活性領域５の一端で負のシート電荷σ１に引き付けられ、一方、導電帯Ｅ_C内の電子は、他端で正のシート電荷σ２に引き付けられる。担体のこの空間的分離により、放射再結合の確率が下がり、発光効率が下がる。第２に、導電及び価電子帯のエネルギ障壁は、電界に付随する帯の傾きによって小さくなる。従って、Ｅ_Vよりも小さくＥ_Cを超える担体は、点線Ａによって示されている経路を通って井戸から逃げる。第３に、偏光誘導場の存在もまた、活性領域のσ１側の高いＥ_Cレベルからσ２側の低いＥ_Cレベルまで、及び、活性領域のσ２側の低いＥ_Vレベルからσ１側の高いＥ_Vレベルまでの担体軌道Ｂによって示されている担体のオーバーシュートをもたらす。米国特許第６，５１５，３１３号の３列の５６行から４列の１０行までを参照されたい。

応用技術者に対する別の問題は、印加されたバイアスが大きくなる時の発光波長の安定性である。強い偏光誘導場が存在する場合、発光波長は、装置バイアスが大きくなる時にブルーシフトすることになる。装置バイアスが大きくなる時に、導電井戸及び価電子帯井戸に蓄積する担体が増加する。担体は、空間的に分離されるので、それ自体で内蔵偏光誘導場に対向するか又は遮蔽する双極子を形成することになる。正味電界が小さくなる時に量子井戸の量子化エネルギ状態が変化し、発光波長のブルーシフトを生じる。米国特許第６，５１５，３１３号の４列の１１〜２１行を参照されたい。

結晶の自然に発生する偏光誘導電荷の影響を低減するか又は相殺して抗体の閉じ込めを向上させ、それらの空間的分離を低減し、かつ抗体のオーバーシュートを低減するために、米国特許第６，５１５，３１３号は、活性領域内又はその付近の１以上の層の組成又はドープを漸変させて偏光誘導電荷に対向する空間電荷を生成することを提案している。具体的には、米国特許第６，５１５，３１３号は、１０列の３１〜３４行において「活性領域は、約１％／ｎｍ又は０．１％／Åの勾配で低くは５％から高くは１０％まで連続的に段階付けされたインジウム濃度を有する」と教示している。

本出願の出願人に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている、２００１年７月２４日出願の米国特許出願公報２００３／００２００８５、出願番号第０９／９１２，５８９号もまた、活性領域での組成の漸変を提案している。段落〔００３９〕は、「量子井戸層４０は、約４０Å厚であり、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層４０内のインジウムのモル分数は、障壁層３８とのそのインタフェースの近くの約ｘ＝０．４のモル分数から障壁層４２とのそのインタフェースの近くの約ｘ＝０のモル分数まで線形的に漸変する」と教示しており、１％／Åの漸変傾斜又は勾配に対応している。

米国特許第６，５１５，３１３号 米国特許出願公報２００３／００２００８５ 米国特許出願出願番号第０９／９１２，５８９号 米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号

従って、発光層内の偏光場に付随する問題を低減し、特に半導体発光装置の活性領域の光出力を改善する必要性が存在する。

本発明の実施形態によれば、半導体発光装置内のＩＩＩ族窒化物発光層は、漸変する組成を有する。発光層の組成は、第１の元素の組成の変化が発光層のオングストロームあたり少なくとも０．２％であるように漸変させることができる。発光層内で漸変させることは、発光層内の偏光場に付随する問題を低減することができる。発光層は、例えば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ、又はＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮとすることができる。

本発明の実施形態によれば、半導体発光装置の活性領域は、漸変組成を有する半導体合金を含む。活性領域が１以上の漸変組成による量子井戸層を含むいくつかの実施形態について説明する。Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの表記において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及びｘ＋ｙ≦１である。
図２を参照すると、一実施形態では、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮベースのＬＥＤは、バッファ層２０上に配置された多層エピタキシ構造１８を含み、バッファ層２０は、サファイア、ＳｉＣ、又はいずれかの他の適切な基板のような基板２２上に配置される。エピタキシ構造１８は、ｐ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ領域２６及びＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ領域２８の間に配置された活性領域２４を含む。Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ領域２８は、ｎ型及び／又は未ドープＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層を含む。活性領域２４は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮから形成された１以上の量子井戸層及び１以上の障壁層を含む。ｐ接点３０は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ領域２６に電気的に結合される。ｎ接点３４は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ領域２８に電気的に結合される。接点３０及び３４間に適切な順方向バイアスを印加すると、その結果、活性領域２４から光が放射される。

図３を参照すると、一実施形態では、活性領域２４は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層３６、４０、及び４４と、ＧａＮ又はＩｎＧａＮ障壁層３８、４２、及び４６とを含み、量子井戸層３６は、基板層２２の最も近くに位置する（図２）。量子井戸層３６、４０、及び４４は、約１０オングストローム（Å）から約１００Å（典型的に約３０Å）までの厚みである。障壁層３８、４２、及び４６は、約２５Åから約５００Å（典型的に約１００Å）の厚みである。図３は、３つの量子井戸層及び３つの障壁層を示すが、他の実施形態では、活性領域２４は、障壁層がない単一の発光層、又は、図３に示すものよりも多いか又は少ない量子井戸及び障壁層を含む。

一実施形態では、量子井戸層３６、４０及び４４の１以上におけるインジウムのモル分数（Ｉｎ_xＧａ_1-xＮにおける下付き記号ｘ）は、基板からの距離と共に小さくなるように漸変される。例えば、量子井戸層４０内のインジウムのモル分数は、量子井戸層４０と障壁層３８の間のインタフェースの近くの第１の値から量子井戸層４０と障壁層４２の間のインタフェースの近くの第２の値に減少させることができる。一般的に、量子井戸層３６、４０及び４４の各々の組成も同様に漸変されるが、これは必要なことではない。

Ｉｎ_xＧａ_1-xＮのバンドギャップは、インジウムのモル分数が大きくなると小さくなる。例えば、圧電場のような電界がない場合には、基板からの距離と共に量子井戸を通って小さくなる漸変インジウム濃度は、基板からの距離と共に量子井戸を通って大きくなる漸変バンドギャップをもたらす。このような場合、量子井戸内の導電帯エッジエネルギは、基板からの距離と共に大きくなり、量子井戸内の価電子帯エッジエネルギは、基板からの距離と共に小さくなるであろう。しかし、通常は、エピタキシ構造１８は、ｃ軸が基板２２と実質的に垂直方向に配向されかつ基板２２から離れるように方向付けられた（圧電）ウルツ鉱結晶構造を有する。従って、偏光場は、一般的に量子井戸３６、４０及び４４内に存在する。有利な態様では、基板からの距離と共にＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸を通って小さくなる（すなわち、ウルツ鉱結晶ｃ軸に実質的に平行な方向に小さくなる）漸変インジウム濃度は、量子井戸内で導電帯エッジに及ぼす圧電場の影響を少なくとも部分的に相殺する。この相殺は、インジウム濃度勾配による導電帯エッジの傾きが圧電場による導電帯エッジの傾きを少なくとも部分的に補正する結果として理解することができる。

図４は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層４０のインジウムのモル分数が、障壁層３８とのインタフェースの近くの最大値から障壁層４２とのインタフェースの近くの約ゼロまで線形的に漸変する実施形態でのＧａＮ障壁層３８及び４２とＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層４０とを含む活性領域２４の一部分の概略的なバンド構造を示している。量子井戸層４０内の導電帯エッジ４８の傾きは、図１の従来技術の量子井戸層５の導電帯エッジ４８の傾きに比較すると実質的には小さくなっている。

しかし、薄い量子井戸層４０内の価電子帯エッジ５０の傾きは、漸変されていない量子井戸層に類似か又は漸変されていない量子井戸層に対して若干大きくなっている。価電子帯エッジ５０の傾きは、インジウム濃度勾配による価電子帯エッジ５０の傾きが圧電場による価電子帯エッジ５０の傾きを大きくした結果として理解することができる。有利な態様では、従来技術のＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸内で発生する電子と正孔の分離は、本発明による漸変Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸においては、実質的に低減されるか又は排除される。特に、図４に示す実施形態では、量子井戸層４０内の電子も正孔も障壁層３８とのインタフェースの近くに集中するので、従来技術の装置の場合と異なりもはや分離されない。従って、本発明の実施形態による発光装置は、従来技術の装置よりも効率的なものと考えられる。

別の実施形態では、量子井戸層３６、４０及び４４の１以上におけるインジウムのモル分数は、基板からの距離と共に大きくなるように漸変される。例えば、量子井戸層４０におけるインジウムのモル分数は、量子井戸層４０と障壁層３８の間のインタフェースの近くの第１の値から量子井戸層４０と障壁層４２の間のインタフェースの近くの第２の値まで大きくすることができる。有利な態様では、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸を通ってウルツ鉱結晶ｃ軸と実質的に平行な方向に大きくなる漸変インジウム濃度は、量子井戸における価電子帯エッジに及ぼす圧電場の影響を少なくとも部分的に相殺する。この相殺は、上述の導電帯エッジに及ぼす圧電場の影響の相殺と同様に理解することができる。

図５は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層４０のインジウムのモル分数が、障壁層３８とのインタフェースの近くの約ゼロから障壁層４２とのインタフェースの近くの最大値まで線形的に漸変する実施形態でのＧａＮ障壁層３８及び４２とＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層４０とを含む活性領域２４の一部分の概略的なバンド構造を示している。量子井戸層４０内の価電子帯エッジ５０の傾きは、図１の従来技術の量子井戸層の価電子帯エッジ１０の傾きに比較すると実質的に小さくなっている。この実施形態における導電帯エッジの傾きは、図４に示す実施形態における価電子帯エッジの傾きと同様に理解することができる。

漸変されていないＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸内で発生する電子と正孔の分離は、この実施形態でも同様に実質的に低減されるか又は排除される。特に、この実施形態では、量子井戸層４０内の電子も正孔も障壁層４２とのインタフェースの近くに集中する傾向があるので、従来技術の装置の場合と異なりもはや分離されない。従って、この実施形態も、図４に示す実施形態について上述した利点を達成する。

以上の実施形態は、ウルツ鉱結晶ｃ軸と実質的に平行な方向に増減するようにＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸におけるインジウム濃度を漸変することが有利である可能性があることを明らかにしている。量子井戸内の導電帯エッジ及び障壁層のオフセットが価電子帯エッジのオフセットよりも大きい活性領域においては、ｃ軸の方向に小さくなるようにインジウム濃度を漸変する方が有利であろう。量子井戸内の導電帯エッジと障壁層のオフセットが価電子帯エッジのオフセットよりも小さい活性領域においては、ｃ軸の方向に大きくなるようにインジウム濃度を漸変する方が有利と考えられる。勾配の大きさが、導電帯又は価電子帯のいずれかにおける傾きを逆にすることが望ましい。

量子井戸層４０内のインジウムのモル分数は、図４及び図５に示す実施形態では線形的に漸変するが、活性領域２４内の量子井戸層の１以上におけるインジウムモル分数の位置依存性に対する他の関数形を使用することもできる。例えば、インジウムモル分数は、指数関数的、放物関数的、又はステップ関数的に漸変することができる。また、インジウムモル分数は、図４及び図５においては量子井戸を通して単調に増減するが、インジウムモル分数は、代替的に、量子井戸において全体的な最大値及び／又は１以上の中間の位置での１以上の極大値を有することができる。一般的に、本発明の実施形態によるＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸におけるインジウムモル分数の位置依存性は、障壁層に平行な平面に対して非対称であり、量子井戸のほぼ中心に位置する。

上述のように、ＩＩＩ族窒化物装置においては、シート電荷は、一般的に異なる組成の層の間のインタフェースに存在する。量子井戸内の漸変の「傾斜」、すなわち、厚み単位当たりのパーセント組成変化は、量子井戸と取り囲む層の間のインタフェースでのシート電荷の影響を相殺するのに十分なほど大きいことが望ましい。図７は、インジウムの漸変組成を有するコンピュータでモデル化されたＩｎＧａＮ量子井戸の漸変傾斜の関数としての相対内部量子効率のプロットである。図７に示す量子井戸は３５Å厚である。菱形で示す量子井戸は、１２．５％の平均インジウム組成を有し、四角形で示す量子井戸は、１５％の平均インジウム組成を有し、三角形で示す量子井戸は、２０％の平均インジウム組成を有する。

図７は、漸変傾斜が大きくなると装置の内部量子効率が大きくなることを示している。内部量子効率の増加は、活性領域におけるシート電荷の影響の減少を示している。背景技術の節で説明した米国特許第６，５１５，３１３号の装置のような０．１％インジウム濃度変化／Åの傾斜で漸変量子井戸を有する装置の内部量子効率はかなり低く、図７のプロットでは０．２未満である。従って、僅か０．１％の漸変傾斜は、明らかに、活性領域におけるシート電荷の影響を相殺することはほとんどなく、これは、０．１％／Åが小さすぎる漸変傾斜であることを示唆している。

図７はまた、米国特許出願公報２００３／００２００８５におけるような１％もの高い漸変傾斜は、高い内部量子効率を達成する上で必要ではないことを示している。図７は、１の相対内部量子効率には、１２．５％の平均インジウム濃度を有する装置については約０．５％／Å、１５％の平均インジウム濃度を有する装置については０．６％／Å、及び２０％の平均インジウム濃度を有する装置については０．７％／Åの漸変傾斜で到達することができることを示している。従って、図７は、一部の平均インジウム組成については、最大漸変傾斜が好ましくは１％／Å未満であることを示している。

更に、１％／Åよりも大きい漸変傾斜のような大きな漸変傾斜を有する漸変層は、成長させるのが難しいであろう。合金組成を変えることができる割合は、反応器ハードウエア及びＩｎＧａＮ合金の熱的安定性によって制限される。本出願で説明するような組成漸変の利点を達成するためには、漸変が空間的に均一に発生することが必要である。発光層の平面において組成漸変の割合が均一ではない場合、電子及び正孔は、場所的に偏って集まる確率が高くなる。この結果、活性領域からの光は望ましくない不均質なものとなる。

成長平面において組成の均一性を達成するためには、堆積原子のそれらの格子位置への移動を可能にするほど十分に遅い速度でＩｎＧａＮ合金を成長させることが必要である。成長速度が速すぎた場合、原料物質からのＣ及び他の望ましくない不純物の多くの混入があり、フィルム厚は不均一になることになる。また、ＩｎＧａＮ合金の成長速度が遅くなりすぎないようにすることも重要である。インジウム含有ＩＩＩ族窒化物合金は不安定であり、すなわち、ＩｎＮ及びＧａＮの領域に分離しやすく、かつそれを自然に行うことになる。この「スピノーダル分解」過程は緩やかであるが、典型的な成長温度で確かに発生する。この合金分離が発生した場合、合金組成及び漸変の望ましい空間的均一性が失われる。従って、ＩｎＧａＮ合金の最適な成長速度は、０．２Å／ｓと１Å／ｓの間にある。

成長表面に垂直方向な方向で変わるＩｎＮ％の組成を有するＩｎＧａＮ発光層を形成するためには、インジウムとガリウム原子の気相比率を変えなければならないか又は基板の温度を変えなければならない。成長基板の温度は、一般的に、合金組成を変えるために使用され、典型的な大規模製造向け成長用反応器は、１℃／ｓの割合で温度を変えることができる。これは、０．００２／ｓのインジウムモル分数の変動に対応するものである。層を０．２Å／ｓ、すなわち、許容可能な品質の成長に対する最小成長速度で成長させた場合、２５Å量子井戸については、成長時間は１２５ｓであり、量子井戸の一端から他端までの最大可能合金変動は、０．２５つまり１％／Åである。従って、最適な成長速度で成長中に空間的に均一な漸変を達成するためには、最大漸変傾斜は、１％／Å未満であることが好ましい。

更に、インジウムモル分数が大きくなると均衡格子定数が大きくなるために、漸変傾斜が大きくなるほど、量子井戸に亘る歪みの勾配が大きくなる。この歪みは、フィルムの機械的な不具合（変位の発生）を引き起こす可能性があり、また、スピノーダル分解速度を速める可能性があるために望ましくないものである。例えば、組成が均一でありかつ機械的欠陥を含まない２５ÅＩｎＧａＮ量子井戸における最大インジウムモル分数は０．２である。従って、０．２を超えるインジウムモル分数に合わせて組成的に漸変された２５ÅＩｎＧａＮ量子井戸は、変位を含む場合がある。０．２を超えるインジウムモル分数は、１％／Å又はそれ以上の漸変傾斜を有する２５Å漸変量子井戸においては容易に到達されるであろう。

本発明の実施形態によれば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸におけるインジウム組成の変化は、少なくとも量子井戸のÅ当たり０．２％Ｉｎである。インジウム組成が量子井戸の厚みに亘って線形的に漸変する量子井戸においては、２５Å量子井戸は、５％のインジウム組成変化を有することができ、３５Å量子井戸は、７％のインジウム組成変化を有することができ、５０Å量子井戸は、１０％のインジウム組成変化を有することができ、７５Å量子井戸は、１０％から１７％までのインジウム組成変化を有することができる。例えば、２５Å量子井戸は、１０％から１５％までのインジウムで漸変させることができ、３５Å量子井戸は、１０％から１７％までのインジウムで漸変させることができ、５０Å量子井戸は、１０％から２０％までのインジウムで漸変させることができ、７５Å量子井戸は、５％から２０％までのインジウムで漸変させることができる。一部の実施形態では、各漸変量子井戸の厚みは、４０Åよりも小さい。

一部の実施形態では、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸におけるインジウム組成の変化は、少なくとも量子井戸のÅ当たり０．４％Ｉｎである。インジウム組成が量子井戸の厚みに亘って線形的に漸変する量子井戸においては、２５Å量子井戸は、１０％のインジウム組成変化を有することができ、３５Å量子井戸は、１４％のインジウム組成変化を有することができ、５０Å量子井戸は、２０％のインジウム組成変化を有することができ、７５Å量子井戸は、３０％のインジウム組成変化を有することができる。例えば、２５Å量子井戸は、１０％から２０％までのインジウムで漸変させることができ、３５Å量子井戸は、５％から２０％までのインジウムで漸変させることができ、５０Å量子井戸は、０％から２０％まで又は５％から２５％までのインジウムで漸変させることができ、７５Å量子井戸は、０％から３０％まで又は５％から３５％までのインジウムで漸変させることができる。
上述の例における漸変領域の中間点つまり平均インジウム組成は、上述の例よりも波長が長い装置に対しては数値の大きい方のインジウム組成に、又は、上述の例よりも波長が短い装置に対しては数値の小さい方のインジウム組成にずらすことができる。

上述の例では多重量子井戸活性領域の１以上の量子井戸における漸変について説明しているが、一部の実施形態では、単一の量子井戸を有する装置内の量子井戸か、又は１以上の厚い発光層を有する装置内の量子井戸ではない厚い発光層は、上述と同じ漸変傾斜で漸変させることができる。例えば、厚い発光層は、例えば１００Å厚と５００Å厚の間とすることができ、０．２％Ｉｎ／Å又は０．４％Ｉｎ／Åの最小インジウム組成変化で漸変させることができる。一部の実施形態では、厚い発光層は、１以上の漸変領域及び均一組成の１以上の領域を含むことができる。例えば、厚い発光層は、層の端部（すなわち、発光層の隣接装置層に隣接する部分）にある漸変領域、及び漸変領域に隣接する均一組成の領域を含むことができる。この漸変領域は、本発明の漸変量子井戸の実施形態で上述したものと同じ厚み及び漸変傾斜を有することができる。均一組成の領域は、漸変領域の終端組成（すなわち、漸変領域の均一組成の領域に最も近い部分の組成）と同じか又は異なる組成を有することができる。均一組成の領域は、光を発するように構成され、従って、バンドギャップが厚い発光層近くの層よりも狭い組成を有する。発光層の一端又は両端は、均一組成の領域によって分離された漸変領域とすることができる。

漸変層においては、電荷は、層の漸変部分に亘って分散される。装置の内部量子効率は、この分散された電荷の影響を受ける場合がある。インジウム組成が図５に示すように基板からの距離が大きくなると大きくなる装置においては、分散電荷は負電荷である。インジウム組成が図４に示すように基板からの距離が大きくなると小さくなる装置においては、分散電荷は正電荷である。漸変が大きいほど層内の分散電荷は大きくなる。分散電荷は、量子井戸からの電子の漏れに影響を与える場合がある。量子井戸が電子で満たされた状態で、付加的な電子が図１Ｂの軌道Ａで示すように井戸から漏れる。負の分散電荷は、電子を量子井戸から追い出し、放射再結合によって電子が消費される速度よりも速い速度で電子が井戸を満たすのを防止することができる。このような量子井戸においては、電子の漏れは、都合よく低減又は排除される。これとは対照的に、正の分散電荷は、電子を量子井戸に引き付け、電子漏れ量を大きくする可能性がある。従って、一部の実施形態では、量子井戸内の分散電荷が負電荷になるように、基板からの距離が大きくなると大きくなるインジウム組成で量子井戸層を漸変することが好ましい。図５に示す装置は、例えば、ｃ平面のサファイア基板上での従来の成長から生じるＧａＮベースのウルツ鉱結晶のガリウム面上で成長する。ＧａＮベースのウルツ鉱結晶の窒素面で成長した装置においては、シート電荷は、反対の徴候を有するので、基板からの距離が大きくなると小さくなるインジウム組成で量子井戸を漸変することが好ましい。

上述の例ではＩｎＧａＮ又はＧａＮ障壁層を有するＩｎＧａＮ量子井戸内のインジウム漸変について説明したが、他の組成の活性領域、例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸とＡｌＧａＮ障壁層、ＧａＮ量子井戸とＡｌＧａＮ障壁層、及びＡｌＧａＮ量子井戸とＡｌＧａＮ障壁層を有する装置に組成の漸変を適用することができる。ＩｎＧａＮ量子井戸とＡｌＧａＮ障壁層の間のインタフェースでのシート電荷は、同じＩｎＧａＮ量子井戸とＧａＮ障壁層の間のシート電荷よりも大きい傾向がある。例えば、Ａｌ_0.08Ｇａ_0.82Ｎ障壁とＩｎ_0.08Ｇａ_0.82Ｎ量子井戸の間のインタフェースでのシート電荷は、ＧａＮ障壁とＩｎ_0.08Ｇａ_0.82Ｎ量子井戸の間のインタフェースでのシート電荷の大きさの２倍である。従って、ＩｎＧａＮ量子井戸とＡｌＧａＮ障壁層を有する装置においては、量子井戸内のインジウムの量は、ＩｎＧａＮ量子井戸とＧａＮ障壁層を有する装置について上述した傾斜の２倍で漸変させることができる。一般的に、量子井戸内のインジウム組成は、量子井戸の基板に最も近い部分における最大値から量子井戸の装置内のｐ型層に最も近い部分における最小値まで漸変される。ＡｌＧａＮ障壁とＧａＮ量子井戸を有する装置においては、量子井戸は、量子井戸と障壁層の間のインタフェースでのシート電荷を少なくとも部分的に相殺するためにアルミニウムで漸変させることができる。一般的に、量子井戸内のアルミニウム組成は、量子井戸の基板に最も近い部分における最大値から量子井戸の装置内のｐ型層に最も近い部分における最小値まで漸変される。最小アルミニウム組成をゼロにして、ＧａＮをもたらすことができる。漸変量子井戸に関する実施形態及び厚い発光層に関する実施形態で上述した厚み及び漸変傾斜は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ発光層を有する装置に適用することができ、その場合、漸変元素としてＩｎの代わりにＡｌが使用される。

一部の実施形態では、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮのような４元発光層は、層と実質的に垂直方向に漸変する組成を有することができる。アルミニウム又はインジウム又はその両方のモル分数を漸変させることができる。１つの材料（アルミニウム又はインジウム）のみの組成が漸変されたＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ量子井戸におけるインジウム又はアルミニウム組成の変化は、少なくとも０．２％／Å、更に好ましくは、少なくとも０．４２％／Åとすることができる。アルミニウム組成のみが漸変された時には、インジウム組成は、層を通して一定に保持される。同様に、インジウム組成のみが漸変された時には、アルミニウム組成は、層を通して一定に保持される。アルミニウム及びインジウムの両方の組成が漸変された時には、インジウム及びアルミニウムの組成は、一般的に反対方向に漸変される。例えば、インジウム組成が基板からの距離と共に大きくなる場合、アルミニウム組成は、基板からの距離と共に小さくなる。アルミニウム及びインジウムの両方の組成が漸変された時には、インジウム及びアルミニウムの漸変傾斜は、単一の材料のみが漸変された層におけるよりも小さくすることができる。例えば、アルミニウム及びインジウムの各変化は、少なくとも０．１％／Åとすることができる。

一部の実施形態では、活性領域２４は、１以上の漸変組成量子井戸層及び１以上の漸変組成障壁層を含む。漸変組成障壁層は、厚みを通して漸変させることができ、又は、漸変組成障壁層は、漸変組成の領域及び均一組成の領域を含むことができる。例えば、障壁層の一端又は両端（すなわち、障壁層の量子井戸に最も近い部分）は、障壁と各量子井戸の間の障壁の高さを調整するように漸変させることができる。障壁層の漸変する端部は、均一組成の領域によって分離することができる。障壁層の漸変する領域は、上述と同じ漸変傾斜で漸変させることができる。ＩｎＧａＮ量子井戸とＧａＮ障壁を有する装置においては、障壁は、インジウム又はアルミニウムで漸変させることができる。ＧａＮ量子井戸とＡｌＧａＮ障壁を有する装置においては、障壁は、アルミニウムで漸変させることができる。
本発明の実施形態による発光装置内の様々なＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によって形成することができる。漸変組成量子井戸及び障壁は、例えば、層堆積中に試薬ガスの流量を変えることによって形成することができる。

図６は、上述の漸変活性領域のいずれかを組み込んだ半導体発光装置の代替的実施形態を示すものである。図６の装置においては、エピタキシャル層をホスト基板４９に結合し、その後、成長基板（図示せず）を除去する。成長基板除去については、本出願の出願人に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている２００４年３月１９日出願の「フォトニック結晶発光装置」という名称の米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号により詳細に説明されている。

本発明は、特定的な実施形態によって示されているが、本発明は、特許請求の範囲に該当する全ての変形及び修正を含むことを意図している。例えば、本発明によるＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ発光装置は、図２のＬＥＤ１６とは対照的に、ｎ型領域がｎ型領域の上に重なり、それが基板の上に重なる構造を有することができる。発光装置は、レーザダイオードとすることができる。本発明による漸変組成活性領域はまた、他のＩＩＩ−Ｖ族材料系及びＩＩ−ＶＩ族材料系のような他の材料系内に形成することができる。このように漸変する活性領域は、圧電材料系において及び自然偏光を有する材料系において特に有利である可能性がある。

米国特許第６，５１５，３１３号で説明されている従来技術の発光装置の一部分の断面図である。 米国特許第６，５１５，３１３号で説明されている従来技術の発光装置の一部分のエネルギバンド図である。 本発明の実施形態による発光装置の断面図である。 本発明の実施形態による図２の活性領域の断面図である。 図３に示す活性領域の第１の例に対するバンド構造の一部分を示す図である。 図３に示す活性領域の第２の例に対するバンド構造の一部分を示す図である。 本発明の実施形態による発光装置の断面図である。 ＩｎＧａＮ量子井戸層内の組成漸変の傾斜の関数としての内部量子効率のプロットを示す図である。

符号の説明

１８ 多層エピタキシ構造
２０ バッファ層
２２ 基板
２４ 活性領域
３０ ｐ接点
３４ ｎ接点

Claims (20)

1. ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されたＩＩＩ族窒化物の発光層を含み、前記発光層は、第１の元素の漸変する組成を有する１つ以上の量子井戸層を有し、
   前記量子井戸層内の前記第１の元素の組成の変化は、該量子井戸層の厚みに亘って０．２％／オングストロームよりも大きく、かつ０．８％／オングストロームよりも小さい、
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記量子井戸層内の前記第１の元素の組成の変化は、該量子井戸層の厚みに亘って少なくとも０．４％／オングストロームであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記量子井戸層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮであり、前記第１の元素は、インジウムであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記量子井戸層内の前記第１の元素の組成の変化は、該量子井戸層の厚みに亘って少なくとも０．６％／オングストロームであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記量子井戸層は、１０オングストロームと１００オングストロームの間の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記量子井戸層は、１００オングストロームと５００オングストロームの間の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記量子井戸層は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記第１の元素は、アルミニウムであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記第１の元素は、インジウムであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 前記量子井戸層内のアルミニウムの組成は、段階的に変えられることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記量子井戸層は、第１の量子井戸であり、
    第２の量子井戸と、
    前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸との間に配置された障壁層と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記障壁層内の組成は、段階的に変えられることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記障壁層は、漸変する組成を有する第１の部分と実質的に均一な組成を有する第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 前記第１の部分は、前記第１及び第２の量子井戸の一方に隣接して位置することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記量子井戸層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮであり、前記第１の元素は、アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 前記量子井戸層は、ＩＩＩ族窒化物発光領域の第１の部分であり、該発光領域は、均一組成の第２の部分を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 前記第１の部分は、１０と１００オングストロームの間の厚みを有することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記第１の部分は、前記発光領域の、前記ｎ型領域に最も近い端部に位置することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
19. 前記第１の部分は、前記発光領域の、前記ｐ型領域に最も近い端部に位置することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
20. 前記発光領域は、第１の元素の漸変する組成を有する第３の部分を更に含み、
    前記第２の部分は、前記第１及び第３の部分の間に配置される、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の装置。

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