JP5852945B2 - 分極誘導電荷を低減させた高効率光エミッタ - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、１９９９年１２月２日に出願された仮特許出願第６０／１６８，４９５号の利益を請求するものである。

発明の分野
本発明は、極性表面上に成長させた光放出化合物半導体結晶に関し、より詳細には、放出効率を改善するために、その自然発生的な分極誘導電荷を低減させまたは打ち消すことに関する。

関連技術の説明
ほとんどの半導体光エミッタは、２層のクラッド層の間に成長させた活性層または発光層を含む、ダブルヘテロ構造を有する。ダブルヘテロ構造の様々な層は、複数の材料から製作される。１つのクラッド層は、過剰な自由電子を含有することを意味するｎ型であり、また１つのクラッド層は、過剰な正孔を含有することを意味するｐ型である。一般にクラッド層は、活性層よりも広いバンドギャップを有する。このため、注入された電子と正孔は活性層内に閉じ込められ、自由キャリアの再結合が、活性層内での空間的局在化を通して効率的に行われ、光が生成される。さらに、レーザダイオード（ＬＤ）エミッタは、ダブルヘテロ構造を取り囲んで一般にバンドギャップがさらに広い材料を具備する別の光閉じ込め層も有する。ダブルヘテロ構造半導体デバイスは、Ｏ′Ｓｈｅａ他のＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ、１９７８年１２月、１６６〜１８７頁を含めた多数の刊行物に記載されている。

このような構造では、材料組成がその基本結晶構造の極性方向に変化するときに、分極誘導電荷が生じる。極性方向は、結晶の分極ベクトル

と直交しない任意の結晶方向と定義される。これは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体やＩＩ−ＶＩ族半導体など、結晶結合が元々方向性を持っておりわずかにイオン性でもある材料について、特に言えることである。このような電荷は、格子間不整合材料の場合には歪に関係するものであり（圧電性）、種々の材料における結合のイオン強度の差に起因した組成に関係するものであり（自然発生的）、またはこれら２つを組み合わせたものと考えられる。誘導電荷は、自由キャリアに対して外部電界と同じ影響を及ぼす電界または電位勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ）を引き起こす。この現象は、Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ他の「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ ＩＩＩ−Ｖ ｎｉｔｒｉｄｅｓ」、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．１６、１９９７、Ｒ１０ ０２４〜Ｒ１０ ０２７頁と、Ｔａｋｅｕｃｈｉ他、「Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ ｄｕｅ ｔｏ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ＧａＩｎＮ Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３６、パート２、Ｎｏ．４、１９９７、Ｌ３８２〜Ｌ３８５頁を含めたいくつかの刊行物で論じられている。そのような電界の大きさは、結晶の極性表面上に成長させた窒化物ヘテロ構造の場合、２．５×１０⁶Ｖ／ｍ程度の大きさと推定されている、Ｂｙｋｈｏｖｓｋｉ他、「Ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｉｅｚｏ−ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ＧａＮ−ＡｌＮ，Ｇａｎ−ＡｌＧａＮ ａｎｄ ＧａＮ−ＩｎＧａＮ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．８１、Ｎｏ．９、１９９７、６３３２〜６３３８頁。

結晶の極性表面上に成長させたヘテロ構造の電気特性を考えるとき、分極誘導電荷を考慮に入れるべきである。ウルツ鉱ＧａＮ結晶の場合に０００１方向に沿って成長させた結晶層、またはせん亜鉛鉱ＧａＡｓ結晶の場合に１１１方向に沿って成長させた結晶層は、結晶極性表面の２つの例である。ウルツ鉱構造のブラヴェ格子は六方晶系であり、六角形に垂直な軸は、通常、ｃ軸または０００１方向と呼ばれる。この軸に沿って、この構造は、同じ元素（例えば全てガリウムでありまたは全て窒素である）の原子層が正六角形から積み重ねられて一連に並べられたものと考えることができる。この均一性に起因して、各層（または面）は分極化して正電荷または負電荷のいずれかを有し、原子層の両端間に双極子を生成する。各層の電荷状態は、その構成成分である原子によって異なる。様々な成長方向を有する結晶面のその他の例は、ＳｔｒｅｅｔｍａｎのＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ、第２版、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ．、１９８０年、１〜２４頁と、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ（中村修二）他の「Ｔｈｅ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ，ＧａＮ Ｂａｓｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｒｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒｓ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、１９９７年、２１〜２４頁に見出すことができる。

最近まで、光放出ヘテロ構造の活性領域およびクラッド領域に関連する内部分極電界は、深刻な問題を呈示していなかった。その理由は、より確立されているＡｌ−Ｇａ−Ｉｎ−Ａｓ−Ｐ材料系をベースとした発光ダイオード（ＬＥＤ）を、一般に、無極性結晶表面上に成長させていたからである（特に、００１せん亜鉛鉱表面）。しかし最近、極性の高い表面であり主としてウルツ鉱結晶の０００１方向に沿って成長させたＡｌ−Ｇａ−Ｉｎ−Ｎ（「窒化物」）材料系をベースとする光エミッタについて、かなりの研究がなされている。それにも関わらず、窒化物ダブルヘテロ構造は、従来の無極性設計に従っている。

図１Ａは、極性方向に成長させた一般的な従来の窒化物ダブルヘテロ構造半導体を概略的に示す断面図である。図示される基板層１は、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、および３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、およびＧａＮを含む、窒化物半導体を成長させるのに適する任意の材料でよい。基板の厚さは、一般に１００μｍから１ｍｍに及ぶ。基板１上のバッファ層２は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどで形成することができる。このバッファ層によって、基板１と、上に在る導電性コンタクト層３と可能な格子不整合が、容易になる。しかし、バッファ層２は、基板の格子定数が窒化物半導体の格子定数に等しい場合、省くことができる。バッファ層２は、いくつかの窒化物成長技法では省くこともできる。材料組成に応じて、バッファ層のエネルギー帯ギャップは２．１ｅＶから６．２ｅＶに及ぶものでよく、厚さは約０．５μｍから１０μｍでよい。

ｎ型コンタクト層３も、一般の窒化物半導体から形成され、好ましくはＧａＮまたはＩｎＧａＮから形成され、その厚さは０．５μｍから５．０μｍに及び、バンドギャップはＧａＮの場合約３．４ｅＶであり、ＩｎＧａＮの場合はそれよりも小さい（インジウム濃度により異なる）。導電層３上に在る下部ｎ型またはアンドープ型クラッド層４は、従来ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなり、そのバンドギャップは、ＧａＮの場合３．４ｅＶであり、ＡｌＧａＮの場合はそれよりも大きい（Ａｌ濃度により異なる）。その厚さは１ｎｍから１００ｎｍに及ぶものでよい。

窒化物ダブルヘテロ構造は、下層のクラッド層上に在る活性層５として、一般にＩｎＧａＮを使用し、その厚さは１ｎｍから１００ｎｍである。この層のバンドギャップは一般に２．０ｅＶであるが、インジウム濃度に応じて変化してよい。活性領域上の上部ｐ型またはアンドープ型クラッド層６は、一般にＡｌＧａＮまたはＧａＮからなり、その厚さおよびバンドギャップエネルギーは、下部ｎ型クラッド層４の厚さおよびバンドギャップと同様である。クラッド層６上のｐ型ＧａＮ導電性コンタクト層７のエネルギー帯ギャップは約３．４ｅＶであり、厚さは約１０ｎｍから５００ｎｍである。一般に、この構造が０００１などの極性方向に成長するならば、異なる構成材料が原因で、層と層との界面に分極誘導シート電荷が生じる。光エミッタの動作で特に問題となるのは、活性領域５に隣接する分極誘導電荷シートである。

図１Ａに示す化合物半導体では、一般に、活性領域５と下部クラッド層４との界面に負の分極誘導電荷シート密度σ１、すなわちその大きさが１０¹³電子／ｃｍ²程度であるσ１が形成される。活性領域５と上部クラッド層６との界面には、大きさが同様の正の電荷シート密度σ２が形成される。これらの電荷の極性は、上述のように方向性がありわずかにイオン性である結晶層の結合によって異なる。一般に、電荷シートの密度は、２層間の組成上の相違から生じる自然発生的な要因と、層同士の格子不整合から生じる圧電性の歪との両方に左右されることになる。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。これは、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性領域中のインジウム含量が２０％であるからであり（自然発生的な分極）、かつその層には、その下に在るＧａＮ層との格子不整合よって歪が生じるからである（圧電性の分極）。

活性領域の対向する面に沿った界面電荷シートは、その領域の両端間に双極子を生成する。この双極子は、シート電荷σ１およびσ２の大きさによってその強度が異なる電界に対応する。上記のような場合、８．３×１０¹² ｃｍ^-2のシート電荷で１．５×１０⁶Ｖ／ｃｍの電界が与えられる。そのような理由で、本発明者等はこの電界を分極誘導電界と呼ぶ。双極子によって発生した静電ポテンシャル低下の大きさは、双極子層の厚さに左右される。双極子層の厚さは、成長方向でのその物理的な寸法を指し、σ１とσ２との距離でもある。この距離は、２枚のコンデンサ極板間の距離から容量性ポテンシャル低下を決定するのと同様の手法を用いて、静電ポテンシャル低下の大きさを決定するのに使用することができる。上記のように電荷密度σ１とσ２との距離が１０ｎｍであるとき、活性領域５の両端間の分極誘導ポテンシャル低下は約１．５Ｖになると考えられる。活性領域の両端間の正味の電界も、周りを取り囲むクラッド層内のドーピング濃度、ｐｎ接合間の内蔵電圧、および自由キャリアの遮蔽を含めたいくつかのパラメータによって異なり、したがって一般に、分極誘導電界に等しくない。しかし、その強度が原因で、分極誘導電界は正味の電界を決定するのに主要な役割を果たす。

結晶の０００１（極性）面上に成長させた窒化物エミッタは、約１％から１０％という低い放出効率を有する。これは、その効率を制限する活性領域内または活性領域に隣接して相当な分極電界が存在することに起因する可能性がある。図１Ｂは、図１Ａのデバイス構造に対応するエネルギー帯を示す。デバイスが動作すると、σ１およびσ２によって生じた自然発生的な分極電界により、その効率はいくつかの方法で低下する。第１に、双極子によって、その領域内では電子と正孔が空間的に分離する（反対方向に移動する）。図示するように、価電子帯Ｅ_v内の正孔は、活性領域５の一端で負電荷シートσ１に引き付けられ、一方、伝導帯Ｅ_c内の電子は、その他方の端部で正電荷シートσ２に引き付けられる。この自由キャリアの空間分離によって、放射性再結合の可能性が低下し、放出効率が低下する。第２に、伝導帯および価電子帯の量子井戸のエネルギー障壁は、電界に関連する量子化効率によって低くなる。このため、Ｅ_vより低いキャリアおよびＥ_cより高いキャリアは、破線Ａにより示される経路を通って井戸から出ていく。第３に、分極誘導電界が存在することによって、キャリアの軌道Ｂによって示されるように、活性領域のσ１側にあるより高いＥ_cレベルからσ２側のより低いＥ_cレベルまでと、活性領域のσ２側にあるより低いＥ_vレベルからσ１側のより高いＥ_vレベルまで、キャリアのオーバーシュートも生じる。

適用分野の技術者にとって、関連する別の問題とは、印加されるバイアスが増大するときの放出波長の安定性である。強い分極誘導電界が存在する場合、放出波長は、デバイスのバイアスが増大するにつれて青にシフトする。デバイスバイアスが増大するにつれ、より多くの自由キャリアが伝導帯および価電子帯の井戸に蓄積される。自由キャリアは空間的に分離するので、キャリア自体が、内蔵分極誘導電界を妨げまたは遮蔽する双極子を形成する。正味の電界が小さくなるにつれて量子井戸の量子化状態が変化し、放出波長は青にシフトする。

図１Ｃは、分極誘導電荷が無い状態で無極性表面上で動作する光エミッタの、活性領域５とクラッド層４および６のエネルギー帯を示す。他の全ては等しく、上記論じた３つの作用は存在しないかまたは大きく減じられているので、放出効率はより高い。

ＧａＮベースのＬＥＤの効率を高めるいくつかの手法が使用されてきた。いずれもＮａｋａｍｕｒａ他に発行された米国特許第５，９５９，３０７号および第５，５７８，８３９号は、自由キャリアがより効率的に閉じ込められるよう活性領域の障壁の高さを増大させるため、クラッド層にアルミニウムを添加することについて論じている。しかしこの添加によって、クラッド層の材料組成もＧａＮからＡｌＧａＮに変化し、それが、自然発生的分極電界および圧電性分極電界の両方を増大させるよう作用する。Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層内にアルミニウムが１５％存在すると、放出層の分極電界が倍になって約３×１０⁶Ｖ／ｃｍになると考えられる。そのような電界は、光エミッタのエネルギー帯を変化させることによって、キャリアの閉じ込めを減少させかつ空間分離を増大させる可能性があり、それによって、その放射効率が低下する。

本発明は、キャリアの閉じ込めを改善するために結晶の自然発生的な分極誘導電荷の作用を減じまたは打ち消し、それらの空間分離を減少させ、キャリアのオーバーシュートを減少させることによって、極性方向に沿って層を成長させた化合物半導体ＬＥＤの動作効率を改善しようとするものである。

一実施形態では、これらの電荷は、活性領域に隣接する結晶層の材料組成の差を小さくすることによって低減される。クラッド層は、元素の組合せ、すなわちそれぞれが他の元素の分極作用を打ち消す傾向を持つ元素の組合せから構成することもできる。

活性領域内または活性領域の周りの１層または複数の層は、組成またはドーピングにグレードを付けて、分極誘導電荷とは反対の空間電荷を発生させ、また分極誘導電荷によって発生する分極誘導電界とは反対の擬似電界を発生させることもできる。グレーディングは、連続的であっても不連続であってもよい。

化合物半導体結晶は、放出効率を高めながら平均分極電界を小さくするために、光放出層と非放出層が交互に配置されてなる多層放出系を有することもできる。多層放出系の平均電界は全体として、これと同等の厚さである単一の均一な活性領域に比べ、小さくなり、または打ち消される。

様々な不純物を結晶に取り込むことができ、そのエネルギー準位に基づいて分極誘導電荷とは反対の電荷状態にイオン化し、その作用を減じまたは打ち消す。不純物は、第ＩＩ、ＩＶ、またはＶＩ族の元素を含むことが好ましい。

分極誘導電荷の符号は、キャリアの効率的な閉じ込めを妨げるのではなく促進させるために、反転させることもできる。このような電荷は、結晶層の原子層の順序を逆にすることによって、反転する。分極誘導電荷を遮蔽するため、キャリアが注入される方向も、ｐ型層およびｎ型層の成長順序を逆にすることによって反対にすることができる。活性領域の格子定数をより厳密に整合させるため、下部バッファ層、コンタクト層、またはクラッド層の格子定数も、エピタキシャル成長技法によって変化させることができる。このため、歪によって誘導された活性領域内の圧電効果が減じられ、分極誘導電界が小さくなって、光放出がより効率的に行われる。

窒化物光エミッタに関する既知の構造の例示的な断面図である。 極性表面上に成長させた図１Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図である。 無極性表面上に成長させた既知の光エミッタのエネルギー帯を示す図である。 様々な不純物を有する活性領域およびクラッド層のエネルギー帯を示す図である。 不純物プロフィルを示すグラフである。 本発明による、ＩｎＧａＮクラッド層を有する窒化物光エミッタの、例示的な断面図である。 図３Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図である。 三元ＡｌＧａＮクラッド層を有する窒化物半導体のエネルギー帯を示す図である。 四元ＡｌＩｎＧａＮクラッド層を有する窒化物半導体のエネルギー帯を示す図である。 クラッドが成長する間の時間とそれに対応する原子の濃度との関係を示すグラフである。 擬似電界での活性領域のエネルギー帯を示す図である。 連続的にグレードを付けた活性領域のエネルギー帯を示す図である。 連続的にグレードを付けた活性領域のエネルギー帯を示す図である。 多層光放出系のエネルギー帯を示す図である。 図７Ａの多層放出系と同等の幅を有する単一の活性領域のエネルギー帯を示す図である。 図１Ａに示す構造の単一の層に対応する原子層構造を示す断面図である。 単一半導体層の逆転原子層構造を示す断面図である。 図８Ｂのデバイス構造に対応するクラッド層および放出層のエネルギー帯を示す図である。 ｎ型の前にｐ型層を成長させた逆転窒化物光エミッタを示す断面図である。 図９Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図である。 活性領域に、より厳密に整合する格子定数を有する新しいバッファを有する、窒化物光エミッタを示す断面図である。 図１０Ａのデバイスに対応するエネルギー帯を示す図である。

本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、以下の詳細な記述を添付図面と併せて読むことによって、当業者に明らかにされよう。

（発明の詳細な説明）
本発明の様々な実施形態の以下の記述は、結晶層をその結晶の極性方向に垂直に成長させたダブルヘテロ構造の構造体を有する窒化物放出系を対象とする。窒化物エミッタは、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮを含む層であって、ただし０≦ｘ≦１であり０≦ｙ≦１である層を備えたウルツ鉱結晶構造を有すると推定される。特に記述される場合を除き、結晶の最上面は、周期律表第ＩＩＩ族の極性を有する０００１方向である。図１Ａに示す窒化物エミッタは、図１Ｂの対応するバンド構造と共に、様々な実施形態に対する参照用として使用する。

選択ドーピング
この実施形態では、半導体に様々なドーパントを取り込むことによって、分極により誘導された悪影響を減じまたは打ち消す。ドーパント不純物は、その意図される位置から拡散していかないタイプのものであるべきである。ドーパントは、そのエネルギー準位に基づき、界面の分極誘導電荷状態とは反対の正電荷状態または負電荷状態へとイオン化して、その影響を打ち消しまたは減じる。使用されるドーパントのタイプは、目標とされる界面電荷（正または負）によって異なる。正電荷には、負の電荷状態へとイオン化するドーパントが必要と考えられ、負の界面電荷に対しては、その反対のものが必要と考えられる。

図２Ａは、負の界面電荷密度σ１を低下させまたは打ち消すために、正電荷の供給源として約１０¹³Ｓｉ原子／ｃｍ³を取り込んだクラッド層／活性層／クラッド層のバンド構造を示す。正電荷密度σ２を低下させまたは打ち消すには、負電荷の供給源として、１０¹³原子／ｃｍ³のＭｇを使用することができる。ドーパント濃度のプロフィルは、一部、ドーパントイオン化エネルギーおよびドナー／アクセプタ準位によって決まることになる。例えば、σ２を減じるために負電荷ドーパントの供給源として亜鉛（Ｚｎ）を使用した場合、より高いドーパント濃度が必要になると考えられる。ドーパントの不純物プロフィルは、利益をもたらすために、必ずしも分極誘導電荷に厳密に一致し／打ち消す必要はない。その他のドーパント不純物は、第ＩＩ、ＩＶ、またはＶＩ族元素を含むことができる。

半導体に不純物を分布させる（または取り込む）ためには、いくつかの方法がある。材料組成が急激に変化して境界平面内に分極誘導電荷が生じる場合、不純物プロフィルは、その平面にまたは平面付近にデルタドープされることが好ましい。急激な変化は、所与の構成成分のモル分率の変化が単分子層、すなわち原子の単一の結晶層全体にわたって１％よりも大きいものである。デルタドーピングは、ドーパントを単一原子層に閉じ込めようとするものであり、ドーパントボリュームではなくドーパントシートが生成される。不連続なステップでまたは連続的にグレード組成が変化する場合、不純物プロフィルにもグレードが付けられることが好ましい。図２Ｂは、デルタ６１、不連続ステップでグレードが付けされたプロフィル６２、および連続的にグレードが付けされたプロフィル６３を含めた様々なタイプの不純物プロフィルを示す。

中間組成障壁
この実施形態は、ＧａＮクラッド層を有する光エミッタの放出効率を改善することを対象とする。圧電性および自然発生的な界面分極誘導電荷の両方を低減しまたは打ち消すために、一方または両方のクラッド層の材料組成は、それに隣接する層の材料組成に対して中間的に作製される。例えば、約５％のインジウム（Ｉｎ）を図１Ａの窒化物系のＧａＮクラッド層４に添加して、クラッド層の組成をＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎに変化させることができる。このようにすると、クラッド層の組成が、インジウムが２０％のＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ活性領域５に対して、またインジウムが０％のＧａＮ導電層３に対して、中間的になると考えられる。図３Ａに示すように、インジウムは、隣接する２層の材料組成の差を小さくし、活性層とクラッド層の間の界面分極誘導電荷シート密度σ１Ａを２５％低下させて約０．７５×１０¹³電子／ｃｍ²にする。σ１Ｂは、約０．２５×１０¹³電子／ｃｍ²である。ドナータイプのドーピングがσ１Ａまたはσ１Ｂを含有する界面の１つまたは両方の近くに存在する場合、上記選択ドーピングの実施形態で論じたように、圧電誘導電荷の一部は遮蔽されることになる。σ１Ａおよびσ１ｂは共に組合せσ１Ａ＋σ１Ｂよりも小さいので、このデバイス構造では、ドーパントを活性領域から離しながら、従来の構造に比べて圧電誘導電荷の一部を選択的に遮蔽する能力が容易になる。これは、この電荷の全てが効果的に遮蔽されるように、σ１Ｂを有する界面に対して高濃度のｎ型ドーピングを行うことによってなされる。このように、活性領域内の電界は、従来の構造に対して２５％ほど低下し、放出効率が増大する。図３Ｂは、この場合のバンドダイアグラムを示す。ｎ型ドーピングがσ１Ａを含有する界面に向かって広がる場合、さらなる低下が得られる。クラッド層にインジウムを多く使用するほど、活性領域内の電界は小さくなる。しかし、インジウムを多く使用しすぎると、キャリアの閉じ込めが損なわれる可能性がある。上部クラッド層に関しては、電荷の遮蔽にｐ型ドーピングを使用するべきであること以外、同じ技法を利用することができる。

一方または両方のクラッド層にインジウムを添加することによって、デバイス動作中の活性領域内の分極誘導電界が低減し、エネルギー障壁が低くなるにも関わらず放出効率が増大する。インジウムを含まないクラッド層に比べ、下部クラッド層４にインジウムが約５％という低い含量で含まれるものを使用することにより、４５０ｎｍから４７０ｎｍの範囲内でＬＥＤ効率が改善されたことが実証された。

四元障壁（ＱＵＡＲＴＥＲＮＡＲＹ ＢＡＲＲＩＥＲＳ）
この実施形態は、三元（ｔｅｒｎａｒｙ）ＡｌＧａＮクラッド層を有する光エミッタの放出効率を改善することを対象とする。当初のＧａＮクラッド層に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を添加することによって、三元ＡｌＧａＮ層が生成されることが知られている。この添加により、それらに隣接するコンタクト層および活性層のバンドギャップよりも大きいクラッド層のバンドギャップが発生して、より高いエネルギー障壁が活性領域の両側に生成され、それによって、キャリアの閉じ込めが改善される。しかし、添加されたアルミニウムは材料組成のばらつきも増大させ、それによって界面分極誘導電荷が生成される。事実、自然発生的な分極誘導電荷と圧電性の分極誘導電荷の両方は、ある層から次の層までのＮ結合に対するＧａの極性を変化させることによって決定されるものであり、活性領域／クラッド層の界面で実際に増大する。電荷の増大は、２種の材料における圧電性の歪および自然発生的な分極の差の両方に起因する。その結果、デバイスの活性領域には高電界が存在する。

本発明の一態様では、それらの材料組成をより同様にすることによって、歪および分極の差を低減させる。三元ＡｌＧａＮクラッド層の一方または両方に窒化インジウム（ＩｎＮ）を添加して四元ＡｌＩｎＧａＮ層を生成するが、それによって、クラッド層および活性層の両方での結合の平均極性が同様になる。これらの層にインジウムが含まれると、活性層／クラッド層の界面で界面圧電分極誘導電荷が発生する際のアルミニウムの影響が打ち消される。すなわち、四元ＡｌＩｎＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ活性領域との間には、三元ＡｌＧａＮクラッド層とＩｎＧａＮ活性領域との間にあるよりも小さい電荷シートがある。活性領域から除去された、この構造内のほとんどの分極誘導電荷は、クラッド層またはコンタクト層内の高濃度にドープされた領域に閉じ込められ、効果的に遮蔽することができる。これらの層に添加されたインジウムの量は、一般に、層の厚さ、材料組成、および成長制限によって異なることになる。例えば、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ活性層の隣のＡｌ_0.12Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.85Ｎクラッド層は、隣に同じ活性層があるＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層に比べ、界面圧電電荷密度を約３０％低下させて０．７×１０¹³電子／ｃｍ²にし、活性領域内の電界を約３０％低下させる。

四元クラッド層のインジウムおよびアルミニウム成分は、活性領域に関連するエネルギー障壁に対する互いの影響を打ち消し合う傾向がある。ＡｌＧａＮクラッド層にインジウムを添加すると活性領域のエネルギー障壁が低くなるが、分極誘導電荷が低減されるので、閉じ込め効率は実際に増大する。

クラッド層は、放出効率を改善するために同一の組成を有する必要がない。例えば、放出波長３８０ｎｍで改善されたＬＥＤ効率が約２５％であることが、エネルギー障壁が０．２６ｅＶ Ｅ_cおよび０．０８ｅＶ Ｅ_vである上部四元Ａｌ_0.15Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.82Ｎクラッドのみを使用して実証された。下部クラッド層の組成は、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎとして維持された。

三元ＡｌＧａＮおよび四元ＡｌＩｎＧａＮ組成を有するクラッド層について、ＬＥＤの作動近くでの（すなわち光放出に対する閾値近くでの）順方向バイアス条件下の概略図を、図４Ａおよび図４Ｂにそれぞれ示す。これらの構造は両方とも、クラッド層４および６が同じ濃度のアルミニウムを含有するが、三元構造にはインジウムが含まれていない。これらの図では共に、活性領域５での線３０の傾きが分極誘導電界を表している。その強度は、コンタクト３とコンタクト７の間のバイアス、クラッド層４および６へのドーピング、界面分極電荷シート密度の大きさによって異なる。両方の構造で使用されるバイアスは約２．６Ｖであり、この場合、クラッド層４のｎ型（Ｓｉ）ドーパント濃度が約１×１０¹⁸／ｃｍ³であり、クラッド層６のｐ型（Ｍｇ）ドーパント濃度が約１×１０¹⁹／ｃｍ³である。三元ＡｌＧａＮクラッド層を備えた活性領域５の両端間に発生する分極誘導電界の大きさは、約８．８×１０⁵Ｖ／ｃｍである。

図４Ａに示すように、この電界により、ＧａＮコンタクト層３および７から注入された電子と正孔は、そのそれぞれの注入コンタクトから最も遠く離れた界面３１付近にキャリアを閉じ込めることによって、空間的に分離する傾向がある。この現象は、キャリアの放射性再結合の可能性を低下させる。図４Ｂに示す四元ＡｌＩｎＧａＮクラッド層４および６は、活性領域５内に非常に低い分極誘導電界を示す。Ａｌ_0.05Ｉｎ_0.025Ｇａ_0.925Ｎ下部クラッド層４およびＡｌ_0.20Ｉｎ_0.10Ｇａ_0.70Ｎ上部クラッド層６の場合、電界は約４．６×１０⁵Ｖ／ｃｍである。これらの層は、より低い量子化エネルギー３１も示し、自由キャリアの空間分離が減少して放射性再結合が改善される。分極誘導電荷の低減と、キャリアを最大限に閉じ込めるための高エネルギー障壁の維持との間には兼ね合いがあり、これは経験的に決定することができるものである。

グレード組成を有するクラッド層
この実施形態では、クラッド層の一方または両方の組成にグレードが付けられて、クラッド層と活性領域との界面に、界面分極効果とは反対の空間電荷を発生させる。このグレーディングは、極性方向での層の組成を様々に変えて、圧電性の電荷を発生させる。グレーディングは、連続的であっても不連続であってもよい。分布した電荷の極性は、目標とされる界面分極電荷とは反対であるべきである。極性は、グレード層の組成と、それに隣接する２層の組成によって決定される。例えば、図１Ａの下部ＧａＮコンタクト層３および下部ＡｌＧａＮクラッド層４は、正の界面電荷シート密度を発生させる。この電荷は、この層のアルミニウム含量を徐々に変化させることによって、クラッド層４のボリューム全体に分布される。特に、下部クラッド層４は、アルミニウムが０％であるＧａＮ導電層３付近のＧａＮ組成から、アルミニウムが１０％であるＩｎＧａＮ活性領域５付近のＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎまで、グレードを付けることができる。発生した正の空間電荷は、部分的に、Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの界面で０．７５×１０¹³電子／ｃｍ²の負の電荷シート密度σ１を相殺すると考えられる。

上部ＧａＮコンタクト層７と上部ＡｌＧａＮクラッド層６の間に示される負の界面電荷密度は、層６のボリューム上に、そのアルミニウム含量にグレードを付けることによって分布させることができる。発生した負の空間電荷は正電荷密度σ２を相殺して、その活性領域に対する影響を減じ、または打ち消すと考えられる。空間電荷の大きさは、グレードが生じる距離によって異なる。図５は、ＡｌＧａＮクラッド層のグレード付けをグラフで示すものであり、０％のアルミニウムから始めて単位時間当たりで結晶表面にアルミニウム原子を添加することにより示される（連続的に４１または不連続ステップ４２）。ガリウム原子および窒素原子の添加濃度４０は、成長期間全体を通して均一に保たれる。適切なクラッド層の厚さが達成されたらこのプロセスを停止する。組成グレードを作成するために、２種の材料の可変周期超格子（ｖａｒｙｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）も使用することができる。

活性領域付近で自由キャリアを利用できることに起因する最適なデバイス性能と、その内部にドーパントが拡散する悪影響との間には、兼ね合い（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）がある。クラッド層にグレードを付けることによって発生する空間電荷により、ドーパント不純物はグレード層の外側に配置され（例えば導電層内のみ）、このときその自由キャリアは引き付けられる。グレード組成に関連する空間電荷は、自然に、隣接する導電層からクラッド層へと自由ドーパントキャリアを引き付ける。したがってドーピング不純物は、活性領域に自由キャリアが与えられるように活性領域付近に存在する必要がなく、隣接するクラッド層から除去しまたは減少させることができる。

グレード組成または混合組成を有する活性領域
半導体デバイスの組成変化が自由キャリアに及ぼす影響は、電界が与える影響と同様であり、擬似電界と呼ばれる。Ｈｅｒｂｅｒｔ Ｋｒｏｅｍｅｒ、「Ｂａｎｄ Ｏｆｆｓｅｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｏｎｄｉｎｇ：Ｔｈｅ Ｂａｓｉｓ ｆｏｒ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｃｒｉｐｔａ、Ｖｏｌ．Ｔ６８、１０〜１６頁、１９９６年を参照されたい。本発明のこの実施形態は、分極誘導電界が自由キャリアに及ぼす影響を打ち消すために、擬似電界を使用する。この系内に電荷を少しも存在させることなく、活性領域内に擬似電界を確立することが可能である。図６Ａは、真の電荷からではなく、エネルギー帯内に勾配５１によって発生させた擬似電界を示す。これらの勾配は、活性領域５の組成にグレードを付けることによって生成することができる。擬似電界では、伝導帯内の電子が正電荷に向かってより低いエネルギー準位に移動し、価電子帯内の正孔は、負電荷に向かってより高いエネルギーへと移動する。この電界内の活性領域バンド構造は平行ではないことに留意されたい。これに対し、電界内のエネルギー帯は、図１Ｂに示されるような平行な関係を示す。活性領域は、バンド構造に所望の勾配を発生させるよう組成的にグレードを付けることができ、それによって、所望の擬似電界効果が得られる。しかし、得られる擬似電界は、少なくとも１つのキャリアタイプに及ぼされる真の電界の効果を妨げる。活性領域の材料組成には、そのインジウム含量を変化させることによって、グレードを付けることができる（連続的にまたは不連続的に）。その領域の幅および所望のエミッタ特性に応じ、低インジウム含量から高インジウム含量の、またはその逆の、グレード組成を取り込むことができる。問題の特性には、一般に、放出波長と動作電流が含まれる。

図６Ｂおよび図６Ｃは、擬似電界が、活性領域５のエネルギー帯に及ぼす正味の影響を示す。図６Ｂで、活性領域は、５％という低い濃度から１０％という高い濃度まで連続的にグレードが付けられたインジウム濃度を有し、その勾配は約１％／ｎｍである。インジウム濃度は、クラッド層４と活性領域５との界面で最も低く、活性領域の反対側で最高濃度に増大する。この場合、擬似電界は、価電子帯内の分極誘導電界を小さくする。反対方向にグレードを付けることによって、伝導体内の電界が打ち消されることになる。図６Ｃでも、活性領域は、反対方向ではあるが、やはり５％から１０％、平均勾配が１％／ｎｍという、インジウム勾配および濃度を有する。次にキャリアタイプ、電子、または正孔の１つが広がるので、キャリアのより良好な空間的重なり合いが存在し、放出効率が高まる。

電界補償障壁を有する多層放出
図７Ａは、電界補償エネルギー障壁９３を有する多層放出系９０に関するエネルギー帯を示す。この実施形態で、放出系９０は、活性領域９１（すなわち光放出）とクラッド層９２（非放出）が交互に配された多層からなる。クラッド９２のエネルギー障壁９３は、注入されたキャリアを活性領域９１に閉じ込め、その分極誘導電界を妨げるという二重の機能を有する。発生した電界、および多層放出系９０の全厚は、一般に、個々の活性領域９１およびクラッド層９２の数、厚さ、および組成によって異なる。それぞれ２ｎｍの厚さである４つのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性領域９１と、それぞれ５ｎｍの厚さである３つのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層９２を有する多層系９０は、その全厚が２３ｎｍであり、おおよその平均分極誘導電界強度が４．５×１０⁵Ｖ／ｃｍと考えられる。図７Ｂに示される、同等のボリュームを有する単一の活性領域１００のバンド構造は、９×１０⁵Ｖ／ｃｍという分極電界強度を示すと考えられる。多層放出系を使用することによって、活性材料の全ボリュームが増大し、一方、活性領域内の分極誘導電荷に起因する平均電界は、全体として、同等のボリュームの単一活性領域を有する構造に比べて確実に小さくなる。

反転分極
この実施形態では、キャリアの閉じ込めを改善するために、化合物半導体の自然発生的な分極誘導電荷を反転させる。ＧａＮ中の原子間結合は、ガリウム原子がわずかに陽性であり窒素原子が陰性であるので元々イオン性であり、結合の両端間に双極子が発生する。図８Ａは、結晶表面の極性方向に沿って成長させた個々のガリウム原子層および窒素原子層を示す。図示する順序では、連続原子層は、ＧａとＮが交互に配されてなり、各層の底面７０がガリウム原子の単原子層であり、最上面７１が窒素原子である。各ＧａＮ原子対の両端間の個々の双極子７２は、結果的に、層の両端間において、表示される方向に、平均分極誘導電界７３を発生させる。これが活性領域のエネルギー帯に及ぼす影響については、図１Ｂに関連して既に述べた。

この自然発生的な分極誘導電界７３の方向は、個々の原子双極子７２の方向を反転させることによって、反転させることができる。これは、ガリウム原子層と窒素原子層の成長順序を逆にすることにより実現される。図８Ｂで、原子層の逆転成長順序は、窒素から始まって最上面のＧａ層７４に達するまで、ガリウム原子層と窒素原子層が交互に配される。原子層の成長順序は、いくつかの方法で変えることができる。まず、Ｎで終端するＧａＮまたはＡｌＧａＮ基板で始まる場合、Ｎに相対する極性を難なく成長させることができる。しかし、ほとんどの成長はサファイヤまたはＳｉＣ上で行われ、その成長は当然ながらＧａ極性のものにであることが望まれる。この極性を変える技法がある。１つの技法では、極性を変えるため、Ｎに富む条件下でＭＢＥ成長を使用することを必要とする。第２の技法は、おおよそ１層のマグネシウム単分子層を表面に堆積させ、その結果、後続の層に関してＮ極性成長が行われる。第３の方法は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによる原子層エピタキシを使用することであり、それによって、核形成を正しい極性で行うよう試みる。

個々の双極子７５は、図８Ａの電界７３とは逆の方向に、分極誘導電界７６を発生させる。これが活性領域のエネルギー帯に及ぼす影響を、図８Ｃに示す。この成長順序は、活性領域内に分極誘導電界が発生するまで続くが、この電界の双極子は反転している。このため、注入されたキャリアによって、デバイスの作動前に、すなわち自由キャリアが再結合し始める前に、分極誘導電荷密度σ１およびσ２を遮蔽（中和）することができる。クラッド層４から活性領域に向かって注入された、Ｅ_cより高い電子は、クラッド／活性領域の界面でほぼσ２に蓄積される。蓄積された、これら自由キャリアの電荷は、σ２を中和する。同様に、クラッド層６から注入されたＥ_vより低い正孔は、活性領域／クラッドの界面付近でσ１を中和する。デバイスが作動する前に、このプロセスは、図１Ｃに示す場合と同様に活性領域エネルギー帯を「平坦にする（ｆｌａｔｔｅｎ）」。その結果、デバイスの効率は、分極誘導電荷によって低下しない。このデバイス構造の他の利益とは、従来の構造に比べ、経路Ａで示されるキャリアのオーバーシュートが劇的に減少することである。また、電子および正孔の両キャリアの閉じ込めも増大する。

逆転構造
従来のＬＥＤでは、ｐ型の前にｎ型層を成長させる。この実施形態では、この成長順序が逆になる。図９Ａは、新たな成長順序で形成されたＬＥＤを概略的に示す断面図であり、ｐ型コンタクトおよびクラッド層８３、８４を成長させた後に、ｎ型クラッドおよびコンタクト層８６および８７を成長させている。この実施形態の全ての層の厚さおよび材料組成は、図１Ａに関連して述べた窒化物エミッタの場合と同様である。逆転層構造にも関わらず、界面分極誘導電荷シート密度σ１およびσ２は、層同士の材料組成のばらつきにより依然として突出している。これが活性領域のエネルギー帯に及ぼす影響を図９Ｂに示すが、これは本質的に図１Ｂと同様である。しかし、ｐ型層とｎ型層の順序を逆にすることによって、電子および正孔が注入される方向、すなわちそこから活性領域へと注入される方向も変化した。このように、ｎ型コンタクト層から常に注入される電子は、活性領域８５の左側に示されるように、Ｅ_cより高いコンタクト層８７から活性領域８５の左側に注入される。正孔は、右側から、Ｅ_vより低いｐ型コンタクト層８３から注入される。この逆転層の順序により、キャリアは、層構造の代わりに電界方向が反対であった前の実施形態と同様の手法で、デバイスが作動する前に電荷密度を遮蔽することができる。この構造も、前の実施形態と同様の手法で、キャリアのオーバーシュートを減少させ、キャリアの閉じ込めを増大させる。

格子定数を変化させること
図１０Ａおよび図１０Ｂは、構造内に分極電界を設計する別の方法を示す。活性層に歪が生じないように、または歪の方向が逆になるように、活性領域１１３の下の、構造の面内格子定数を変化させることによって、図１０Ｂのバンドダイアグラムに示されるように活性領域内の圧電分極誘導電界を小さくし、無くし、または反転させることができる。下に在る格子定数は、いくつかの方法で変化させることができる。第１に、バッファ層１１０は、バッファ層の面内格子定数がＩｎＧａＮ活性層の面内格子定数に近付くように、ＩｎＡｌＧａＮなどの異なる材料組成で成長させることができる。ＩｎＡｌＧａＮバッファ層のバンドギャップも、光吸収が無くなるように、ＩｎＧａＮ活性層のバンドギャップより大きくなる。面内格子定数を変化させるための第２の方法では、従来のバッファ層を使用するが、このバッファ層とは異なるＡｌＩｎＧａＮなどの材料組成でｎコンタクト層１１１の少なくとも一部を成長させて、その面内格子定数がバッファ層の面内格子定数から変化して活性領域の面内格子定数に近付いた値になるようにすることである。このため、上述と同じ利益が実現される。第３の方法は、ｎコンタクト層に関して述べたものと同じ方法で、下部クラッド層１１２内の格子定数を変化させる。第４の方法では、歪が緩和されるように活性領域を十分厚く成長させ、したがって、活性領域内の圧電誘導電界が取り除かれる。選択された方法は、一般に、最小限の材料転位をもたらすものになり、上述のデバイス構造の利点をもたらしながら材料の品質が保たれる。

残留分極誘導電荷のほとんどをさらに低減させまたは打ち消すには、いくつかの方法がある。上記論じた様々な実施形態は、混合しかつ合致させることができ、また、発光または非発光の適切な層のいずれか１つまたは全てに利用することができる。任意の所与の適用例に関し、特定の実施形態または実施形態の組合せはその適用例の性質に応じて異なると考えられ、経験的に決定することができる。例えば、１つの可能性として、四元障壁に関連して述べたアルミニウムおよびインジウムの打ち消し合う作用を持たせた状態でＡｌＧａＮクラッド層９２とＩｎＧａＮ活性領域９１を組み合わせることが考えられる。他には、少なくとも１つのクラッド層９２のアルミニウム含量にグレードを付けること、かつ／または界面分極誘導電荷とは反対の電荷状態にイオン化する不純物を添加することが考えられる。

本発明のいくつかの例示的な実施形態について図示し記述してきたが、当業者なら、多数の変形例および代替の実施形態を思い浮かべるであろう。例えば、この記述は窒化物エミッタを対象としたが、その他の材料を具備する光エミッタの分極誘導電荷の問題に対処するために、実施形態のいずれかまたは全てを使用することができる。そのような変形例および代替の実施形態が企図され、上述の特許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく作製することができる。

Claims (3)

1. 光エミッタであって、
   ｎ型コンタクト層と、ｐ型コンタクト層と、クラッド層間のＩｎＧａＮからなる活性層とを含む複数の層であって、前記活性層及びクラッド層が前記ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層の間にある、前記複数の層と、
   前記活性層を通る双極子であって、前記活性層と前記クラッド層との界面に沿った界面電荷シートから形成され、前記光エミッタの光放出効率を低減する前記活性層を通る分極誘導電界を生成する前記双極子と、を備え、
   前記複数の層の少なくとも１つの層は、前記分極誘導電界の影響を低減して前記効率を少なくとも改善させるものであり、
   前記少なくとも１つの層は、
   隣接する前記複数の層に対して中間組成かつ実質的に一様な組成の少なくとも１つのクラッド層であって、ＩｎＧａＮからなり、前記活性層及びＧａＮコンタクト層に隣接している前記少なくとも１つのクラッド層である光エミッタ。
2. 光エミッタであって、
   ｎ型コンタクト層と、ｐ型コンタクト層と、クラッド層間のＩｎＧａＮからなる活性層とを含む複数の層であって、前記活性層及びクラッド層が前記ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層の間にある、前記複数の層と、
   前記活性層を通る双極子であって、前記活性層と前記クラッド層との界面に沿った界面電荷シートから形成され、前記光エミッタの光放出効率を低減する前記活性層を通る分極誘導電界を生成する前記双極子と、を備え、
   前記複数の層の少なくとも１つの層は、前記分極誘導電界の影響を低減して前記効率を少なくとも改善させるものであり、
   前記少なくとも１つの層は、
   ＡｌＧａＮからなり、少なくとも１つの組成にグレードを付けられたクラッド層であって、前記クラッド層のＡｌ含量が前記活性層に至るまで増加するクラッド層である光エミッタ。
3. 光エミッタであって、
   ｎ型コンタクト層と、ｐ型コンタクト層と、クラッド層間の活性層とを含む複数の層であって、前記活性層及びクラッド層が前記ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層の間にある、前記複数の層と、
   前記活性層を通る双極子であって、前記活性層と前記クラッド層との界面に沿った界面電荷シートから形成され、前記光エミッタの光放出効率を低減する前記活性層を通る分極誘導電界を生成する前記双極子と、を備え、
   前記複数の層の少なくとも１つの層は、前記分極誘導電界の影響を低減して前記効率を少なくとも改善させるものであり、
   前記少なくとも１つの層は、
   ＩｎＧａＮからなり、低いインジウム濃度から高いインジウム濃度への不連続なグレード、又は逆に高いインジウム濃度から低いインジウム濃度への不連続なグレードを有する組成にグレードを付けられた活性層である光エミッタ。

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