JP5848367B2 - 分極制御を有する発光ダイオード - Google Patents
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Description
（関連出願の参照）
本願は、２０１１年２月２５日に提出された“Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ（分極制御を有する発光ダイオード”と題する同時係属米国仮出願第６１／４４６，５１６号の利益を主張し、それは、参照によってここに組み込まれる。
本願は、２０１１年２月２５日に提出された“Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ（分極制御を有する発光ダイオード”と題する同時係属米国仮出願第６１／４４６，５１６号の利益を主張し、それは、参照によってここに組み込まれる。
本開示は、概して発光ダイオードに関し、より具体的には、分極制御を有する発光ダイオードに関する。
多くの関心が青色及び遠紫外線（ＵＶ）波長の光を放射する窒化物系発光ダイオード及びレーザに集まっている。これらのデバイスは、固体発光、生化学的検出、高密度データ格納等を含む種々の用途に組み込まれることができる。しかしながら、今までは、窒化物系発光ダイオードとレーザの性能は、輻射波長が紫外線範囲に減少されると直ぐに悪化する。
今日の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、三つの大きなコンポーネントとして、電子供給層（例えば、ｎ型半導体）と正孔供給層（例えば、ｐ型半導体）、並びに両者の間の光発生構造を備えている。光が光発生構造によって発生される比較的低い効率は、より短い波長を有する光を発生することにおけるデバイスの性能を向上することに対する大きなバリアである。このような効率は、電子と正孔の夫々の移動度同志間の大きな差によって制限される。電子が正孔よりも速く移動できるので、電子は、正孔よりもより迅速に移動する。
この問題に対処するために、幾つかのアプローチは、光発生構造とｐ型コンタクト層との間に電子ブロック層を組み込んでいる。電子ブロック層は、電子を遅くし且つより効率的な輻射再結合を可能とする。しかしながら、電子ブロック層は、また、デバイスの直列抵抗を増加し、並びに、ある程度まで、正孔に対するバリアを提供する。多くのアプローチは、多数の量子井戸を光発生構造へ導入し、電子と正孔の対の濃度を増加する。しかしながら、これらのアプローチは、なお、より短い波長の光を効率的に発生する解決策を提供することに失敗している。電子と正孔の非輻射再結合の量は、転位によって決定され、多くのアプローチがデバイスで使用される材料の品質を改良することを目指している。にもかかわらず、遠ＵＶ ＬＥＤの効率が低いままである。
ＵＶ ＬＥＤを開発することの他の困難性は、不十分な正孔注入である。今まで、マグネシウム（Ｍｇ）は、最も成功した受容体であり、従って、ｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）層のために一般的に使用される。そのような層のための室温活性化エネルギーは、２５０ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）と同じほど高く、ＡｌＧａＮ合金におけるアルミニウム（Ａｌ）モル分率と共に略直線状に増加する。しかしながら、大きな受容体活性化エネルギーは、不十分な正孔注入を生じる。これは、特に、より遠ＵＶ ＬＥＤの場合に当てはまり、そこでは、より高いＡｌモル分率が必要である。
種々のアプローチは、ｐ型ＭｇドープされたＡｌＧａＮ層に対する導電性を向上することを目指している。一アプローチでは、３４０から３５０ｎｍＵＶ ＬＥＤ型成長にけるＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子（ＳＰＳＬ）のようなＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＳＰＳＬが、その層の代わりに使用されている。この場合、超格子の周期は、十分に小さく（例えば、４ナノメートル未満）、従って分極場のＳＰＳＬにおけるミニバンドへの影響は無視できる。その結果、ｐ型ＳＰＳＬの垂直伝導は分極場によって低下されない。
他のアプローチは、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ長周期超格子（ＬＰＳＬ）を使用する。この場合、１５ｎｍよりも大きな周期の場合、価電子帯不連続性と分極場は、ＡｌＧａＮバリアにおける受容体のイオン化を向上でき、正孔をＧａＮ井戸へ転送できる。しかしながら、大きな周期は、互いに隣接する井戸同志間の波動関数結合を禁止し、垂直伝導を大きく減少する。その結果、このＬＰＳＬアプローチは、横水平方向ｐ導電性を向上できるに過ぎない。今まで、既知のアプローチでは、遠ＵＶ ＬＥＤに対するｐ型ＬＰＳＬを良好には使用していなかった。
更に他のアプローチは、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮ単一ヘテロ構造を使用して境界で正孔を蓄積している。このアプローチのメカニズムは、ＬＰＳＬアプローチに類似している。しかしながら、ｐ型ＧａＮ／ｐ型ＡｌＧａＮ単一ヘテロ構造は、正孔輸送のための一つのバリアを含むに過ぎず、垂直伝導は、境界での高密度の正孔蓄積、電界支援トンネリング、及び熱放射に起因して大きく向上されることができる。このアプローチを組み込み、合理的に良好な出力電力を達成した幾つかのＵＶ ＬＥＤが提案されている。しかしながら、出力電力及び／又はＵＶ ＬＥＤの効率を向上することが望ましいままとなっている。
本発明の態様は、向上された発光ヘテロ構造を提供する。このヘテロ構造は、一組のバリア層と一組の量子井戸を有する活性領域を含み、量子井戸の各々が一つのバリア層と隣接している。量子井戸は、その中に配置されたデルタドープされたｐ型サブ層を有し、その結果、量子井戸のバンド構造の変化が生じる。
本発明の第１の態様は、窒化物系発光ヘテロ構造であって、この構造が、電子供給層、正孔供給層、及び電子供給層と正孔供給層との間に配置された活性領域を備え、この活性領域は、一組のバリア層、及び一組の量子井戸を含み、量子井戸の各々が一つのバリア層に隣接し且つ中に配置されたデルタドープされたｐ型サブ層を有する、窒化物系発光ヘテロ構造を提供する。
本発明の第２の態様は、発光ヘテロ構造であって、この構造が、活性領域を備え、この活性領域が、一組のバリア層、及び一組の量子井戸を含み、量子井戸の各々が一つのバリア層に隣接し且つ中に配置されたデルタドープされたｐ型サブ層を有する、発光ヘテロ構造を提供する。
本発明の第３の態様は、窒化物系発光ヘテロ構造を製造する方法であって、一組のバリア層、及び一組の量子井戸を含み、量子井戸の各々が一つのバリア層に隣接し且つ中に配置されたデルタドープされたｐ型サブ層を有する活性領域を形成する、方法を提供する。
本発明の例示的な態様は、ここで記述された問題の一つ以上の問題及び／又は議論されない一つ以上の他の問題を解決するように設計される。
本開示のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の態様を表現する添付の図面と共に本発明の種々の態様の以下の詳細な記述からより容易に理解される。
図面は、縮尺比でない場合もあることに留意すべきである。図面は、本発明の典型的な態様のみを表現することを意図しており、従って、本発明の範囲を制限するものと考えるべきではない。図面において、類似の番号は、図面同士間の類似の要素を表す。
上で指摘したように、本発明の態様は、改良された発光ヘテロ構造を提供する。このヘテロ構造は、一組のバリア層と一組の量子井戸を有する活性領域を含み、量子井戸の各々が一つのバリア層と隣接している。量子井戸は、その中に配置されるデルタドープされたｐ型サブ層を有し、その結果、量子井戸のバンド構造の変化が生じる。この変化は、量子井戸における分極の影響を減少し、活性領域からの向上された光放出を提供できる。ここで使用されるように、特に断りのない限り、用語“組（ｓｅｔ）”は、一つ以上の（即ち、少なくとも一つ）を意味し、フレーズ“任意の解決策（ａｎｙ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）”は、任意の今公知の又は後から開発される解決策を意味する。
図面を参照すると、図１は、実施の形態に従う例示的な放射デバイス１０Ａの概略構造を示す。実施の形態において、この発光デバイス１０Ａは、発光ダイオード（ＬＥＤ）として動作するように構成される。或いは、発光デバイス１０Ａは、レーザダイオード（ＬＤ）として動作するように構成されてもよい。各場合において、発光デバイス１０Ａの動作中、バンドギャップに対応するバイアスの印加によって発光デバイス１０Ａの活性領域１８からの電磁輻射の放出を生じる。発光デバイス１０Ａによって放出される電磁輻射は、可視光、紫外線輻射、遠紫外線輻射、赤外光、及び／又は同様なものを含む、任意の範囲の波長内のピーク波長を備えることができる。
発光デバイス１０Ａは、基板１２、この基板１２に隣接するバッファ層１４、バッファ層１４に隣接するｎ型クラッド層１６、及びｎ型クラッド層１６に隣接するｎ型側１９Ａを有する活性領域１８を含む。更に、発光デバイス１０Ａは、活性領域１８のｐ型側１９Ｂに隣接するｐ型層２０とｐ型層２０に隣接するｐ型クラッド層２２を含む。
より特定の例示的な実施の形態において、発光デバイス１０Ａは、ＩＩＩ−Ｖ族材料系デバイスであり、そこでは、種々の層の幾つか或いは全てが、ＩＩＩ−Ｖ族材料系から選択された元素から形成される。更により特定の例示的な実施の形態において、発光デバイス１０Ａの種々の層は、ＩＩＩ族窒化物系材料から形成される。ＩＩＩ族窒化物材料は、ＢＷＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ、そこでは、０≦Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１及びＷ+Ｘ+Ｙ+Ｚ＝１のような、一つ以上のＩＩＩ族元素（例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ））と窒素（Ｎ）よりなる。例示的なＩＩＩ族窒化物材料は、ＩＩＩ族元素の任意のモル分率を有するＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＢＮ、及びＡｌＧａＩｎＢＮを含む。
ＩＩＩ族窒化物系発光デバイス１０Ａの例示的な実施の形態は、ＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮ、ＧａｚＩｎｙＡｌｘＢ１−ｘ−ｙ−ｚＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体合金等よりなる活性領域１８を含む。同様に、ｎ型クラッド層１６、及びｐ型層２０は、ＩｎｙＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＮ合金、ＧａｚＩｎｙＡｌｘＢ１−ｘ−ｙ−ｚＮ合金等より構成されることができる。ｘ、ｙ、及びｚで与えられるモル分率は、種々の層１６、１８、及び２０の間で変化し得る。基板１２は、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、珪素（Ｓｉ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＯＮ、ＬｉＧａＯ２又は他の適切な材料であることができ、バッファ層１４は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ超格子、及び／又は類似のものより構成されることができる。
発光デバイス１０Ａに関して示されているように、ｐ型金属２４は、ｐ型クラッド層２２に付着されることができ、且つｐ型コンタクト２６は、ｐ型金属２４へ付着されることができる。同様に、ｎ型金属２８は、ｎ型クラッド層１６へ付着されることができ、且つｎ型コンタクト３０は、ｎ型金属２８へ付着されることができる。ｐ型金属２４及びｎ型金属２８は、夫々、対応する層２２、１６に対する抵抗接点を形成できる。実施の形態では、ｐ型金属２４及びｎ型金属２８は、各々幾つかの導電性且つ反射性金属層よりなり、他方、ｎ型コンタクト３０及びｐ型コンタクト２６は、各々高導電性金属よりなる。実施の形態では、ｐ型クラッド層２２及び／又はｐ型コンタクト２６は、活性領域１８によって発生される電磁放射線に対して少なくとも部分的に透明（例えば、半透明又は透明）であることができる。例えば、ｐ型クラッド層２２及び／又はｐ型コンタクト２６は、少なくとも部分的に透明なマグネシウム（Ｍｇ）ドープされたＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ短周期超格子構造（ＳＰＳＬ）のような短周期超格子格子構造を備えることができる。更に、ｐ型コンタクト２６及び／又はｎ型コンタクト３０は、活性領域１８によって発生される電磁輻射に対して少なくとも部分的に反射性であることができる。他の実施の形態において、ｎ型クラッド層１６及び／又はｎ型層３０は、ＡｌＧａＮ ＳＰＳＬのような短周期超格子より形成され、それは、活性領域１８によって発生される電磁輻射に対して少なくとも部分的に透明である。
ここで使用されているように、層は、その層が輻射波長の対応する範囲における電磁輻射の少なくとも一部分が通過することができる時に、少なくとも部分的に透明である。例えば、層は、ここで記述される活性領域によって放出される光（紫外線や遠紫外線のような）に対するピーク発光波長（例えば、ピーク発光波長プラス・マイナス５ナノメートル）に対応する輻射波長の範囲に対して少なくとも部分的に透明であるように構成されることができる。ここで使用されているように、層は、その層が輻射の略０．５％より多くを通過させる場合、輻射に対して少なくとも部分的に透明である。更に特定の実施の形態において、少なくとも部分的に透明な層は、輻射の略５％より多くを通過させるように構成される。同様に、層は、その層が、関連する電磁輻射（例えば、活性領域のピーク発光に近い波長を有する光）の少なくとも一部分を反射する時に、少なくとも部分的に反射性である。実施の形態において、少なくとも部分的に反射性の層は、輻射の少なくとも略５％を反射するように構成される。
発光デバイス１０Ａに関して更に示されているように、デバイス１０Ａは、コンタクト２６及び３０を介してサブマウント３６へ取り付けられることができる。この場合、基板１２は、発光デバイス１０Ａの頂部上に配置される。この点で、ｐ型コンタクト２６及びｎ型コンタクト３０は、共に夫々コンタクトパッド３２及び３４を介してサブマウント３６へ取り付けられることができる。サブマウント３６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び／又は同様なものから形成されることができる。
発光デバイス１０Ａの種々の層のいずれもが、実質的に均一な組成又は傾斜な組成で構成されることができる。例えば、層は、他の層とのヘテロ境界において傾斜組成で構成されることができる。実施の形態では、ｐ型層２０は、傾斜組成を有するｐ型ブロック層で構成される。傾斜組成（単数又は複数）は、例えば、応力を減少し、キャリア注入を向上し、及び／又は同様なことを行うために含まれることができる。同様に、層は、応力を減少するため及び／又は同様なことを行うように構成されることができる、複数の周期を含む超格子を備えることができる。この場合、組成及び／又は各周期の幅は、ある周期からある周期へ周期的に或いは非周期的に変化してもよい。
図２は、他の実施の形態に従う例示的な発光ヘテロ構造１０Ｂを示す。基板１２、基板１２に隣接するバッファ層１４、及びバッファ層１４上のストレインリリーフ構造１５を含むヘテロ構造１０Ｂが示されている。また、ヘテロ構造１０Ｂは、電子供給層１６、正孔供給層２２、及び電子供給層１６と正孔供給層２２との間に配置される活性領域１８を含む。また、活性領域１８と正孔供給層２２との間に配置される電子ブロック層２０とコンタクト層２６を含むヘテロ構造１０Ｂが示されている。
ヘテロ構造１０Ｂにおける層の各々は、デバイス１０Ａ（図１）を参照して記述された対応する層と同様に構成されることができる。ストレインリリーフ構造１５は、ヘテロ構造１０Ｂに対する材料品質の改良を提供するために含まれ且つ構成されることができる。この点で、ストレインリリーフ構造１５は、超格子（例えば、長周期超格子、短周期超格子、傾斜組成及び／又はある周期からある周期への可変組成を備える短又は長周期超格子）のような任意のタイプのストレインリリーフ構造、幅広のバリアを有する複数の量子井戸、単一の量子井戸、急峻又は傾斜ヘテロ境界を有する多層構造（例えば、数百オングストロームの厚みの非閉じ込め層）及び／又は同様なものよりなることができる。ストレインリリーフ構造１５は、ＡｌＮ／ＧａＮ、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ等のような任意の組成よりなることができる。
また、電子供給層１６と正孔供給層２２は、任意のタイプの電子／正孔供給層から構成されることができる。例えば、電子供給層１６は、ｎ型コンタクト層やｎ型クラッド層のようなｎ型半導体より構成されることができる。同様に、正孔供給層２２は、ｐ型コンタクト層やｐ型クラッド層のようなｐ型半導体より構成されることができる。更に、正孔供給層２２は、ＭｇドープされたＡｌＧａＮ／ＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮ／ＡｌＩｎＧａＮ短周期超格子のような多層構造より構成されることができる。各供給層１６、２２は、例えば、Ｇａ、Ａｌ、又はＩｎの一種以上を備える窒素から形成されるＩＩＩ族窒化物から構成されることができる。一実施の形態において、電子供給層１６は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層から構成され、且つ正孔供給層２２は、ｐ型ＭｇドープされたＡｌＧａＮクラッド層から構成される。或いは、正孔供給層２２は、マンガン（Ｍｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、Ｍｇ+Ｏ、Ｍｇ+ＳｉのようなＭｇ共ドーパント、及び／又は同様なものでドープされることもある。
実施の形態では、正孔供給層２２は、一組の量子井戸と一組のバリアを含むヘテロ構造や超格子を備える。この場合、正孔供給層２２における量子井戸とバリアに対する目標となるバンド不連続性は、量子井戸に対するドーパントの活性化エネルギーと一致する（例えば、一直線となる又は実質的に一直線となる）ように選択されることができる。例えば、目標となる価電子帯不連続性は、バリアにおける受容体レベルが隣接する量子井戸に対する価電子エネルギーバンドエッジと一致するように選択されることができる。より特定の例示的な実施の形態において、量子井戸とドーパントエネルギーレベルに対する目標となる価電子帯不連続性は、略３熱エネルギー（即ち、室温で、３ｋＴ＝０．０７８ｅＶ内）内（即ち、以下）である。
電子ブロック層２０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層のような任意のタイプの電子ブロック層で構成されることができる。一実施の形態では、電子ブロック層２０は、その電子ブロック層２０が活性領域１８への近づくに従って、正孔供給層２２に対する組成から電子ブロック層２０に対する組成へ徐々に遷移する傾斜組成で構成される。例えば、電子ブロック層２０は、略５００オングストロームの厚みを有するＡｌＧａＮ組成で構成されることができ、そこでは、そのＡｌ組成は、電子ブロック層２０が活性領域１８へ近づくに従って、約６０％から５％へ徐々に減少される（例えば、略直線状に）。これは、種々の選択肢の例示的なものに過ぎないことを理解されたい。例えば、成長の条件に依存して、電子ブロック層２０中のＡｌの割合は、電子ブロック層２０が活性領域１８へ近づくに従って、増加しても減少してもよい。更に、Ａｌの含有量は、略１００％と略０．１％の間で変化してもよい。
図３は、更に他の実施の形態に従う例示的な発光ヘテロ構造１０Ｃを示しており、そこでは、図２のヘテロ構造１０Ｂの正孔供給層２２と電子ブロック層２０が傾斜組成正孔供給層２８で置き換えられている。傾斜組成正孔供給層２８は、正孔供給層２８が活性領域１８へ近づくに従って、コンタクト層２６に隣接する正孔供給層組成（例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＩｎＮ組成）から電子ブロック層組成（例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ組成）へ遷移する傾斜組成で構成されることができる。実施の形態において、正孔供給層２８中のＡｌ及び／又はＩｎの量は、正孔供給層２８の幅方向へ増加／減少（例えば、略直線状に）されることができる。例えば、正孔供給層２８は、略１００ナノメートルの厚みを備えることができ、そこでは、Ａｌ組成は略０．１％から略７０％へ増加する。
ここで記述される発光デバイス１０Ａ及びヘテロ構造１０Ｂ、１０Ｃの層構成は、例示的なものであるに過ぎないことが理解される。この点で、発光デバイス／ヘテロ構造は、代替えの層構成、一つ以上の追加の層及び／又はそのようなものを含むことができる。その結果、互いにすぐ隣接する（例えば、互いに接触する）種々の層が示されているが、一つ以上の中間層が発光デバイス／ヘテロ構造中に存在できることが理解される。例えば、例示的な発光デバイス／ヘテロ構造は、活性領域１８と正孔供給層２２と電子供給層１６の一方又は両方との間に非ドープ層を含んでいてもよい。
更に、発光デバイス／ヘテロ構造は、分布ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射器（ＤＢＲ）構造を含むことができ、それは、活性領域１８によって放射される特定の波長の光を反射してデバイス／ヘテロ構造の出力電力を向上するように構成されることができる。例えば、ＤＢＲ構造は、正孔供給層２２と活性領域１８との間に配置されることができる。同様に、デバイス／ヘテロ構造は、正孔供給層２２と活性領域１８との間に配置されるｐ型層を含むことができる。ＤＢＲ構造及び／又はｐ型層は、デバイス／ヘテロ構造によって発生される光の望ましい波長に基づいて任意の組成で構成されることができる。一実施の形態において、ＤＢＲ構造は、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｂｅ又はＭｇ+Ｓｉドープされたｐ型組成物で構成されることができる。ｐ型層は、ｐ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ及び／又は同様なもので構成されることができる。デバイス／ヘテロ構造は、ＤＢＲ構造とｐ型層（ＤＢＲ構造と正孔供給層２２との間に位置されることができる）の両方を含むことができる又はＤＢＲ構造又はｐ型層の一方のみを含むことができる。実施の形態では、ｐ型層は、電子ブロック層２０（図２）の代わりにデバイス／ヘテロ構造に含まれることができる。他の実施の形態では、ｐ型層は、正孔供給層２２と電子ブロック層２０との間に含まれることができる。
ここで記述されるヘテロ構造／デバイスは、活性領域１８の外側に一つ以上の層を含むことができ、これらの層は、電子と正孔が活性領域１８（例えば、中の量子井戸）で再結合する効率を向上するように構成される傾斜組成を有する。実施の形態において、傾斜組成は、活性領域１８の量子井戸への入射に先立って電子にエネルギーを無くさせる。例えば、電子供給バリア層は、電子供給層１６と活性領域１８との間に配置されることができ、活性領域１８へ入射する電子が極性光学フォノンのエネルギーと略同じであるエネルギーを有するようにバンド構造プロファイルを生成する傾斜組成を有することができる。同様に、正孔供給バリア層は、電子供給層２２と活性領域１８との間に配置されることができ、且つ活性領域１８に入る正孔が極性光学フォノンのエネルギーと略同じであるエネルギーを有するようなバンド構造プロファイルを生成する傾斜組成を有することができる。このように、ヘテロ構造／デバイスは、中に活性領域１８が配置されるポテンシャル井戸を形成することができる。正孔供給バリア層は、それが存在する場合は、正孔供給層２２と電子ブロック層２０との間に配置されることができる。この場合、活性領域１８と電子ブロック層２０との間の組成差は、正孔が極性光学フォノンのポテンシャル差を知ることができるだけであることを確保するように調整されることができる。
実施の形態では、ここで記述される傾斜層は、超格子層であることができる。更に、超格子層は、例えば、隣接する層の材料同志間のストレインを減少するように構成されることができる。例えば、超格子層は、複数のサブ層を有することができ、そこでは、二つの隣接するサブ層が互いに反対の符号のストレインを持っている。実施の形態では、互いに隣接するサブ層の材料及び／又は成長条件は、一方のサブ層が張力下にあり、他方のサブ層が圧縮下にあるように変更されることができる。この場合、二つの隣接するサブ層は、互いに反対の符号のストレイン誘発分極場を有することができる。実施の形態では、夫々のストレインの相対的な大きさが実質的に同じであるように構成されることができる。
ここで記述されるヘテロ構造／デバイスの各々において、活性領域１８は、一組の量子井戸とこれらの量子井戸と交互になる一組のバリアから形成されることができる。一般的に、量子井戸とバリア層は、各量子井戸が少なくとも一つのバリア層と隣接するように交互にされることができる。任意の数の量子井戸とバリア層が、単一の量子井戸とバリア層を含む、活性領域１８に含まれることができる。各量子井戸は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ及び／又は同様なもののような任意の組成物より構成されることができる。
活性領域１８における各バリア層は、傾斜組成から構成されることができる。各バリア層、並びに電子ブロック層２０（図２）及び／又は傾斜組成正孔供給層２８（図３）の傾斜組成は、量子井戸に入射する前に電子のエネルギーを無くさせるように構成されることができる。一般的に、高ａｌ含有層は、電子と正孔のためのバリアを備える。電子のｐ型材料への侵入を防止するために、高Ａｌ含有層は、電子ブロック層２０として使用される。しかしながら、これは、また、正孔が光発生領域へ移動する時に、正孔に対するバリアを提供する。実施の形態では、各バリア層、電子ブロック層２０及び／又は傾斜組成正孔供給層２８は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、及び／同様なもののような三元又は四元組成物より構成されることができる。実施の形態では、各バリア層は、三元又は四元Ａｌ傾斜組成物より構成されることができる。
実施の形態では、活性領域１８における一つ以上の量子井戸は、デルタドープされたｐ型層を中に含むことができる。この場合、デルタドープされたｐ型層は、例えば、量子井戸内において分極の影響を減少するように量子井戸のバンド構造を変化することができる。例えば、図４は、従来の技術に従う活性領域２の一部分のシミュレーションバンド図を示している。特に、活性領域２は、複数のバリア６Ａ、６Ｂによって分離された複数の量子井戸４Ａ、４Ｂを含むＡｌＧａＮ構造で構成される。図に描かれているように、分極の影響は、量子井戸４Ａ、４Ｂに対するバンド図を曲げ（例えば、バンド図において傾きによって描かれているように）、それによって、電子と正孔の波動関数の重なりが減少し、その結果、活性領域２からの効率的な光放射の減少を生じる。
その一方、図５は、実施の形態に従う活性領域１８の一部分の例示的なバンド図を示す。この場合、活性領域１８は、複数のバリア４２Ａ、４２Ｂによって分離された複数の量子井戸４０Ａ、４０Ｂを含む。しかしながら、各量子井戸４０Ａ、４０Ｂは、その中にデルタドープされたｐ型サブ層を含む。量子井戸４０Ａ、４０Ｂの結果としてのバンド構造において、分極の影響が減少され、電子基底状態４４は分極の影響によって引き起こされるエネルギーのバンドベンディングの範囲（例えば、傾きが検出されるエネルギーの範囲）よりも上に位置される。このように、デルタドープされたｐ型サブ層は、活性領域２とは対照的に活性領域１８からの光の放出を向上できる。
実施の形態において、デルタドープされたｐ型サブ層は、活性領域１８の一つ以上の量子井戸４０Ａ、４０Ｂに含まれ、そこでは、バンド図が分極によって影響される（例えば、傾けられる）。例えば、活性領域１８は、ウルツ鉱結晶対称性を有することができる。この点で、活性領域１８は、ＩＩＩ族窒化物系材料から形成されることができる。デルタドープされたｐ型サブ層は、任意の解決策を使用して量子井戸４０Ａ、４０Ｂへ挿入されることができる。例えば、量子井戸４０Ａ、４０Ｂの部分を成長した後、Ｍｇのような受容体の薄層（例えば、原子層）が追加されることができるが、他の層は追加されない。引き続いて、量子井戸４０Ａ、４０Ｂの残りの部分が成長されることができる。デルタドープされたｐ型サブ層は、量子井戸４０Ａ、４０Ｂの中央部内に、又は分極が最低エネルギーレベルを引き起こす量子井戸４０Ａ、４０Ｂの側により近接して配置される。
活性領域１８における各量子井戸の厚み（幅）のような追加の機能が、一つ以上の望ましい動作特徴を提供するために活性領域１８に選択される／組み込まれることができる。例えば、各量子井戸は、量子井戸における電子と正孔の非輻射再結合に関与している一つ以上の欠陥のシュヴァルツシルト半径よりも少ない厚みを備えることができる。一実施の形態では、各量子井戸は、略２ナノメートルの厚みを備え、それは、転位、ディープレベルの不純物、及び／又は同様なもののような欠陥の寸法よりも薄い。この点で、量子井戸の厚みは、非輻射再結合中央半径よりも小さいてもよい。
更に、各量子井戸の厚みは、各量子井戸の電子基底状態が一つ以上の分極の影響によって引き起こされるエネルギーのバンド湾曲範囲より上であるように選択されることができる。この点で、各量子井戸の厚みは、一般的には、約２から５ナノメートル範囲内であることができるが、ある場合には、約１０ナノメートルであってもよい。この場合、電子基底状態は、分極場が殆ど又は全く影響しないエネルギーの範囲内にあり、それは、電子波動関数と正孔波動関数の重なりを増加し、その結果、より効率的な光放出を生じる。それに加えて、各量子井戸の厚みは、各量子井戸の電子基底状態が同じ量子井戸における導電バンドの基底の最も高いエネルギーよりも高いエネルギーを備えることを確実とするように選択されることができる。この場合、電子波動関数は、量子井戸の全体を占有し、それによって、正孔の波動関数とのより強い重なりを提供する。
発光デバイス／ヘテロ構造が任意の解決策を使用して製造されることができることを理解されたい。例えば、発光デバイス／ヘテロ構造は、基板１２を得（例えば、形成し、準備し、捕獲し、及び／又は同様な動作をし）、その上にバッファ層１４を形成し（例えば、成長し、蒸着し、接着し、及び／又は同様な動作をし）、バッファ層１４上に電子供給層１６を形成することによって製造されることができる。更に、ここで記述されるように、量子井戸とバリアを含む活性領域１８が、任意の解決策を使用して、電子供給層１６の上に形成されることができる。任意の解決策を使用して、電子ブロック層２０が活性領域１８の上に形成されることができ、正孔供給層２２が電子ブロック層２０の上に形成されることができる。更に、一つ以上の金属層、コンタクト、及び／又は追加の層がここで記述されるように形成されることができる。更に、ヘテロ構造／デバイスは、コンタクトパッドを介してサブマウントへ付着されることができる。発光デバイス／ヘテロ構造の製造は、マスク層のような仮の層の蒸着と除去、一つ以上の層のパターン化、図示されていない一つ以上の追加の層の形成、及び／又は同様な動作を含むことができることを理解すべきである。
発光デバイスを設計及び／又は制作する方法としてここで示され且つ記述されているが、本発明の態様は、更に、種々の代替えの実施の形態を提供することが理解される。例えば、一実施の形態において、本発明は、ここで記述されるように設計及び制作される発光デバイスの内の一つ以上の発光デバイスを含む回路を設計及び／又は制作する方法を提供する。
この点で、図７は、実施の形態に従う回路１２６を制作する例示的な流れ図を示す。最初に、ユーザは、デバイス設計システム１１０を利用してここで記述されるような発光デバイスのためのデバイス設計１１２を発生することできる。デバイス設計１１２は、デバイス設計１１２によって定義される特徴に従って、デバイス制作システム１１４によって使用されて一組の物理的デバイス１１６を発生することができるプログラムコードを備えることができる。同様に、デバイス設計１１２は、ユーザが利用して回路設計１２２（例えば、一つ以上の入力と出力を回路に含まれる種々のデバイスへ接続することによって）を発生できる回路設計システム１２０（例えば、回路で使用される利用可能なコンポーネントとして）へ提供されることができる。回路設計１２２は、ここで記述されるように設計されるデバイスを含むプログラムコードを備えることができる。いずれにしても、回路設計１２２及び／又は一つ以上の物理的デバイス１１６は、回路設計１２２に従って物理的回路１２６を発生できる回路制作システム１２４に対して提供されることができる。物理的回路１２６は、ここで記述されるように設計される一つ以上のデバイス１１６を含むことができる。
他の実施の形態において、本発明は、ここで記述されるように半導体デバイス１１６を設計するためのデバイス設計システム１１０及び／又は半導体デバイス１１６を制作するためのデバイス製造システム１１４を提供する。この場合、システム１１０や１１４は、ここで記述されるように半導体デバイス１１６を設計する及び／又は制作する方法を実施するようにプログラムされる汎用コンピューティングデバイスを備えることができる。同様に、本発明の実施の形態は、ここで記述されるように設計及び／又は制作される少なくとも一つのデバイス１１６を含む回路１２６を設計するための回路設計システム１２０及び／又は回路１２６を制作するため回路制作システム１２４を提供する。この場合、システム１２０や１２４は、ここで記述されるように少なくとも一つの半導体デバイス１１６を含む回路１２６を設計する及び／又は制作する方法を実施するようにプログラムされる汎用コンピューティングデバイスを備えることができる。
更に他の実施の形態において、本発明は、ここで記述されるように、実行されると、コンピュータシステムが半導体デバイスを設計する及び／又は制作する方法を実施することを可能とする少なくとも一つのコンピュータ可読媒体に固定されるコンピュータプログラムを提供する。例えば、このコンピュータプログラムは、ここで記述されるように、デバイス設計システム１１０がデバイス設計１１２を発生することを可能とすることができる。この点で、コンピュータ可読媒体は、コンピュータシステムによって実行されると、ここで記述されるプロセスの幾つか又はすべてを実施するプログラムコードを含む。用語“コンピュータ可読媒体”は、プログラムコードの格納コピーが認識され、再生され、或いはコンピューティングデバイスによって通信される現在既知の又は今後開発される表現の任意のタイプの有形的表現媒体の一つ以上の媒体を備えることが理解されたい。
他の実施の形態において、本発明は、コンピュータシステムによって実行されると、ここで記述されるプロセスの幾つか又は全てを実施するプログラムコードのコピーを提供する方法を提供する。この場合、コンピュータシステムは、第２の離れた位置での受信のために、プログラムコードの特徴のセットの一つ以上を有する及び／又はそのセットのデータ信号にプログラムコードのコピーを符号化するように変更される一セットのデータ信号を発生及び送信するプログラムコードのコピーを処理できる。同様に、本発明の実施の形態は、ここで記述される一セットのデータ信号を受信し、そのセットのデータ信号を少なくとも一つのコンピュータ可読媒体に固定されるコンピュータプログラムのコピーに変換するコンピュータシステムを含む、ここで記述されるプロセスの幾つか又は全てを実施するプログラムコードのコピーを捕獲する方法を提供する。各場合において、前記セットのデータ信号は、任意のタイプの通信リンクを使用して、送信及び／又は受信されることができる。
更に他の実施の形態において、本発明は、ここで記述されるように半導体デバイスを設計するためのデバイス設計システム１１０及び／又は半導体デバイスを制作するためのデバイス制作システム１１４を発生する方法を提供する。この場合、コンピュータシステムが得られることができ（例えば、作られ、維持され、利用可能とされる等）、ここで記述されるプロセスを実行するための一つ以上のコンポーネントが得られて（例えば、作られ、購入され、使用され、変更される等）及びそのコンピュータシステムへ配置されることができる。この点で、配置は、（１）プログラムコードをコンピューティングデバイスへインストールすること、（２）一つ以上のコンピューティング及び／又はＩ／Ｏデバイスをコンピュータシステムへ追加すること、（３）コンピュータシステムを組み込み及び／又は変更してそのコンピュータシステムにここに記述されるプロセスを実行させること；及び／又は同様のことの内の一つ以上を備えることができる。
本発明の種々の態様の前述の記述は、例示と記述目的で提示された。その記述は、完全であることや、本発明を開示された正確な形態に制限することを意図してはおらず、多くの変更やバリエーションが可能であることは明らかである。当業者にとって明白であるそのような変更及びバリエーションは、添付の請求項によって定義される発明の範囲内に含まれる。
Claims (20)
- 窒化物系発光ヘテロ構造であって、
電子供給層、
正孔供給層、及び
前記電子供給層と前記正孔供給層との間に配置される活性領域を含み、前記活性領域は、
一組のバリア層、及び
一組の量子井戸を含み、各量子井戸が一つのバリア層に隣接し、且つ中に配置されるデルタドープされたｐ型サブ層を前記各量子井戸の中央部に有し、
前記量子井戸は、前記デルタドープされたｐ型サブ層により電子基底状態のエネルギーレベルが、分極の影響により生じるエネルギーバンドベンディングの範囲よりも上に位置している、ヘテロ構造。 - 各量子井戸が、非輻射再結合に関与する欠陥のシュヴァルツシルト半径よりも少ない厚みをさらに有する、請求項１に記載のヘテロ構造。
- 前記活性領域がウルツ鉱結晶対称性を有することを特徴とする、請求項１に記載のヘテロ構造。
- 前記活性領域と前記正孔供給層との間に配置される電子ブロック層をさらに備え、前記電子ブロック層は、内側に前記活性領域が配置されるポテンシャル井戸の第１の側を形成する複数のサブ層を含む傾斜組成を備え、且つ前記複数のサブ層の内の互いに隣接するサブ層が互いに反対の符号のストレインを有する、請求項１に記載のヘテロ構造。
- 前記活性領域と前記正孔供給層との間に配置される電子供給バリア層をさらに備え、前記電子供給バリア層は、中に前記活性領域が配置されるポテンシャル井戸の第１の側を形成する傾斜組成を有する、請求項１に記載のヘテロ構造。
- 前記ポテンシャル井戸は、前記活性領域に入る電子と正孔が極性光学フォノンのエネルギーと略同じエネルギーを有するようなバンド構造プロファイルを有する、請求項５に記載のヘテロ構造。
- 前記正孔供給層は、ｐ型クラッド層を備え、このｐ型クラッド層は、
第２の一組の量子井戸、及び
第２の一組のバリアを含み、前記第２の一組の量子井戸における量子井戸と前記第２の一組のバリアにおける隣接するバリアとの間のバンド不連続性は、前記第２の一組の量子井戸における量子井戸のドーパントの活性化エネルギーと一致する、請求項１に記載のヘテロ構造。 - 発光ヘテロ構造であって、
活性領域を備え、この活性領域が
一組のバリア層、及び
一組の量子井戸を含み、各量子井戸が一つのバリア層に隣接し、且つ中に配置されるデルタドープされたｐ型サブ層を前記各量子井戸の中央部に有し、
前記量子井戸は、前記デルタドープされたｐ型サブ層により電子基底状態のエネルギーレベルが、分極の影響により生じるエネルギーバンドベンディングの範囲よりも上に位置している、ヘテロ構造。 - 正孔供給層、及び
前記活性領域と前記正孔供給層との間に配置される電子ブロック層をさらに備え、前記電子ブロック層は、内側に前記活性領域が配置されるポテンシャル井戸の第１の側を形成する複数のサブ層を含む傾斜組成を備え、且つ前記複数のサブ層の内の互いに隣接するサブ層が互いに反対の符号のストレインを有する、請求項８に記載のヘテロ構造。 - 前記活性領域は、ＩＩＩ族窒化物系材料から形成される、請求項８に記載のヘテロ構造。
- 各量子井戸が、非輻射再結合に関与する欠陥のシュヴァルツシルト半径よりも少ない厚みをさらに有する、請求項８に記載のヘテロ構造。
- 各量子井戸の厚みは、各量子井戸の電子基底状態が一組の分極の影響によって引き起こされるエネルギーのバンドベンディングの範囲よりも上であるようになっている、請求項８に記載のヘテロ構造。
- 各量子井戸の厚みは、各量子井戸の電子基底状態が対応する各量子井戸における導電バンドの底よりも高いエネルギーであるようになっている、請求項８に記載のヘテロ構造。
- 各バリア層は、傾斜組成を備える、請求項８に記載のヘテロ構造。
- 窒化物系発光ヘテロ構造を製造する方法であって、本方法は、
活性領域を形成することを備え、この活性領域は、
一組のバリア層、及び
一組の量子井戸を含み、各量子井戸が一つのバリア層に隣接し、且つ中に配置されるデルタドープされたｐ型サブ層を前記各量子井戸の中央部に有し、
前記デルタドープされたｐ型サブ層により前記各量子井戸の電子基底状態が、分極の影響によって引き起こされるエネルギーのバンド湾曲範囲よりも上であるよう形成する、方法。 - 電子供給層を形成すること、及び
正孔供給層を形成することをさらに含み、前記活性領域が前記電子供給層と前記正孔供給層との間に配置される、請求項１５に記載の方法。 - 各量子井戸に対する厚みをその厚みが非輻射再結合に関与する欠陥のシュヴァルツシルト半径よりも少ないように選択する、請求項１５に記載の方法。
- 正孔供給層を形成すること、及び
前記活性領域と前記正孔供給層との間に電子ブロック層を形成することをさらに備え、前記電子ブロック層は、中に活性領域が配置されるポテンシャル井戸の第１の側を形成する複数のサブ層を含む傾斜組成を備え、前記複数のサブ層の内の互いに隣接するサブ層が互いに反対の符号のストレインを有する、請求項１５に記載の方法。 - 前記活性領域と前記電子供給層との間に配置される電子供給バリア層を形成することをさらに備え、前記電子供給バリア層は、中に前記活性領域が配置されるポテンシャル井戸の第１の側を形成する傾斜組成を有する、請求項１５に記載の方法。
- 前記電子供給バリア層を形成することは、前記活性領域に入る電子と正孔が極性光学フォノンのエネルギーと略同じエネルギーを有するようなバンド構造プロファイルを前記ポテンシャル井戸が有するように傾斜組成を選択することを含む、請求項１９に記載の方法。
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