JP6166392B2 - 発光ダイオード - Google Patents
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Description
本出願は、発光ダイオードに関する。
照明用途には通例、白熱電球又はガス入り電球を用いる。このような電球は通例、長い動作寿命を有しておらず、それ故、頻繁な交換を必要とする。蛍光又はネオン管等のガス入り管は、より長い寿命を有するが、高い電圧を用いて動作し、比較的高価である。更に、電球及びガス入り管は双方とも相当量のエネルギーを消費する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＬＥＤの活性層の電子と正孔が再結合する際に光を放出する素子である。ＬＥＤは通例、ｐ−ｎ接合を作り出すために不純物をドープされた半導体材料のチップを含む。電流がｐ側（すなわちアノード）から、ｎ側（すなわちカソード）へ流れる。電荷担体−電子及び正孔−が、異なる電圧を有する電極からｐ−ｎ接合内へ流れる。電子が正孔に出会うと、１つ以上の光子の形態のエネルギー（ｈｖ）の放射発光を生じ得るプロセスにおいて、電子は正孔と再結合する。光子、すなわち光はＬＥＤの外部へ透過され、例えば、照明用途及びエレクトロニクス用途等の種々の用途で使用するために利用される。
ＬＥＤは、白熱電球又はガス入り電球とは対照的に、比較的安価であり、低い電圧で動作し、長い動作寿命を有する。加えて、ＬＥＤは消費電力が比較的少なく、コンパクトである。これらの特性はＬＥＤを特に望ましく、多くの用途にとって適切なものとする。
ＬＥＤの利点にもかかわらず、このような素子に付随する制限が存在する。このような制限には、ＬＥＤの効率を制限し得る材料的制限、ＬＥＤによって発生される光の素子外部への透過を制限し得る構造的制限、及び高いプロセスコストにつながり得る製造上の制限などがある。したがって、ＬＥＤ、及びＬＥＤの製造方法を改良する必要がある。
本発明の態様は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの、発光素子を提供する。一実施形態において、発光ダイオードは、ｎ形ドーパントでドープされたｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層と、ｎ形ＧａＮ層に隣接する活性層と、を含む。活性層は、１つ以上のＶ字形状ピット（Ｖピット）を有し得る。ｐ形ＧａＮ層は、活性層に隣接する。ｐ形ＧａＮ層は、ｐ形ドーパントでドープされている。ｐ形ＧａＮ層は、第１部分及び、外側が１つ以上のＶピットによって境界された第２部分を含む。第１部分は活性層の上に配置される。第２部分は、均一な濃度のｐ形ドーパントを有する。
別の実施形態において発光ダイオード（ＬＥＤ）は、シリコン基板と、シリコン基板に隣接するｎ−ＧａＮ層と、を含む。活性層は、ｎ−ＧａＮ層に隣接し、電子ブロッキング層は活性層に隣接する。ｐ−ＧａＮ層は、電子ブロッキング層に隣接する。ＬＥＤは、電子ブロッキング層とｐ−ＧａＮ層との間の界面においてＭｇ及びＩｎを含む。
別の実施形態において、発光素子は、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）を有する第１層と、第１層に隣接する第２層とを含む。第２層は、電子と正孔の再結合時に光を発生するように構成された活性材料を含む。第２層は更に１つ以上のＶピットを含む。第３層は、第２層に隣接する。第３層は、第３層の一部にわたってｐ形ドーパントの均一な分布を有し、１つ以上のＶピット内に延びるｐ形ＧａＮを含む。
別の実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）を有する第１層と、第１層に隣接する第２層と、を含む。第２層は、電子と正孔の再結合の際に光を発生するように構成された活性材料を含む。第２層に隣接して第３層が配置される。第３層は、ｐ形ドーパント、及びｐ形ドーパントを第３層内に均一に分布させるように構成されたウエッティング材料を含む。
一実施形態において、発光ダイオードは、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層、及びｎ形ＧａＮ層に隣接する活性層を含む。活性層は、１つ以上のＶピットを有し得る。ｐ形ＧａＮ層は活性層に隣接する。ｐ形ＧａＮ層は、第１部分及び、外側が１つ以上のＶピットによって境界された第２部分を含む。第１部分は活性層の上に配置される。第２部分は、少なくとも約１×１０１９ｃｍ−３のｐ形ドーパントの濃度を有する。
別の実施形態において、発光ダイオードは、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）、又はｐ形ＧａＮのいずれかを有する第１層と、活性層と、を含む。活性層は、第１層に隣接し、１つ以上のＶピットを有し得る。発光ダイオードは、第１層に使用されなかったｎ形ＧａＮ又はｐ形ＧａＮのいずれかを有する第２層を更に含む。換言すれば、第１層及び第２層はそれぞれ、ｎ形ＧａＮ又はｐ形ＧａＮ材料の異なる一方を有する。第２層は、第１部分及び第２部分を含む。第２部分は、外側が１つ以上のＶピットによって境界される。第１部分は活性層の上に配置される。第２部分は、均一な濃度のｐ形ドーパントを有する。
別の実施形態において、発光素子は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体又はｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のいずれかを有する第１層と、活性層と、を含む。活性層は、第１層に隣接し、１つ以上のＶピットを有し得る。発光ダイオードは更に、第１層に使用されなかった、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体、又はｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体のいずれかを有する、第２層を含む。換言すると、第１層及び第２層のそれぞれは、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体又はｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体の異なる一方を有する。第２層は、第１部分及び第２部分を含む。第２部分は、外側が１つ以上のＶピットによって境界され、第１部分は活性層の上に配置される。第２部分は、均一な濃度のｐ形ドーパントを有する。
本発明の別の態様は、発光ダイオード等の発光素子の形成方法を提供する。一実施形態において、発光ダイオードの形成方法は、ｐ形ドーパントでウエッティング層をデルタドープする工程を含む。活性層は電子ブロッキング層に隣接するように形成され、電子ブロッキング層は、活性層に隣接するように形成される。活性層はｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接するように形成され、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、基板に隣接するように形成される。いくつかの実施形態において、ウエッティング層は、電子ブロッキング層と直接接触する。いくつかの実施形態において、電子ブロッキング層は、活性層と直接接触する。いくつかの実施形態において、活性層は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と直接接触する。
別の実施形態において、発光ダイオードなどの発光素子の形成方法は、反応チャンバ内（反応チャンバが複数の反応空間を含む場合は反応空間内）の基板の上に、活性層に隣接するｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程を含む。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、活性層の１つ以上のＶピット内に延びる。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ｐ形ドーパントでウエッティング層をデルタドーピングし、ＩＩＩ族化学種のソースガス、及びＶ族化学種のソースガスを反応チャンバ内に導入することによって形成されるいくつかの場合において、ウエッティング層は活性層に隣接するように形成される。一実施例において、ウエッティング層は活性層上に形成される。
以下の詳細な説明より、当業者には本開示の追加の態様及び利点が容易に明らかになろう。詳細な説明では、本開示の例示的な実施形態のみが示され、説明されている。理解されるように、本開示は他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの細部は、すべて本開示から逸脱することなく、種々の明らかな点で修正が可能である。したがって、図面及び説明は本質的に例示的なものと見なされるべきであり、限定的なものと見なされるべきではない。
本明細書において言及されている刊行物、特許、及び特許出願は、個々の刊行物、特許、又は特許出願が、参照により援用されると明確に個々に示された場合と同程度に、本明細書において参照により援用される。
本発明の原理が利用される例示的な実施形態を示す以下の詳細な説明、及び添付の図面を参照することによって、本発明の特徴及び利点のより良い理解を得ることができる。
本明細書には本発明の種々の実施形態が示され、説明されているが、このような実施形態は例としてのみ提供されていることは当業者には明らかであろう。当業者は、本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更、及び置換に想到しよう。本発明を実施する際には、本明細書に記載されている本発明の実施形態の種々の代替物が用いられてよいことを理解されたい。
本明細書において使用するとき、用語「発光素子」は、素子の発光領域（又は「活性層」）内における電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される素子を指す。場合によっては、発光素子は、電気エネルギーを光に変換する固体素子である。発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は発光素子である。異なる材料から作製され、異なる構成を有し、様々な方法で動作する、ＬＥＤ素子構造の例が存在する。或るＬＥＤはレーザ光を放射し、他のものは非単色光を発生する。或るＬＥＤは特定の用途における性能に合わせて最適化されている。ＬＥＤは、窒化インジウムガリウムを有する多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層を含むいわゆる青色ＬＥＤであってよい。青色ＬＥＤは、３８アンペア毎平方センチメートル以上の平均電流密度を有しつつ約４４０ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の波長を有する非単色光を放射し得る。放射される青色光の一部を吸収する蛍光体コーティングが提供されてよい。この蛍光体が、蛍光を発して、他の波長の光を放射することにより、そのＬＥＤ装置全体が放射する光は、より広範囲の波長を有することになる。
本明細書において使用するとき、用語「層」は、基板上の原子又は分子の層を指す。場合によっては、層はエピタキシャル層又は複数のエピタキシャル層群を含む。層は、１つの膜若しくは薄膜、又は複数の膜若しくは薄膜を含んでもよい。状況によっては、層は、例えば、光を発生するように構成された活性層等の、所定の素子機能を果たす素子（例えば、発光ダイオード）の構造的要素である。一般的に、層は、約１単原子単層（ＭＬ：monolayer）から数十単層、数百単層、数千単層、数百万単層、数十億単層、数兆単層、又はそれ以上の厚さを有する。一例では、層は、１単原子単層よりも大きい厚さを有する多層構造である。加えて、層は複数の材料層を含んでよい。一例では、多重量子井戸活性層が複数の井戸及びバリア層を含む。
本明細書において使用するとき、用語「活性領域」（又は「活性層」）は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の、光を発生するように構成された発光領域を指す。活性層は、電子及び正孔の再結合の際に光を発生する活性材料を含む。活性層は、１つ又は複数の層を含み得る。いくつかの場合において、活性層は、バリア層（又は、例えばＧａＮなどのクラッド層）、及び量子井戸（「井戸」）層（例えば、ＩｎＧａＮ）を含む。一例では、活性層は多重量子井戸を含む。この場合、活性層は多重量子井戸（「ＭＱＷ」）活性層と呼ばれてよい。
用語「ドープされた」とは、本明細書において使用されるとき、ドーピング剤でドープされた構造又は層を指す。層は、ｎ形ドーパントでドープされてもよく（本明細書においては「ｎ−ドープされた」とも言う）、又はｐ形ドーパントでドープされてもよい（また、「ｐ−ドープされた」とも言う）。場合によっては、層は、アンドープであるか又は意図的にドープされていない（同様に、本明細書においては、「ｕドープの」又は「ｕ形」）。一例では、ｕ−ＧａＮ（又はｕ形ＧａＮ）層とは、アンドープ又は意図的にドープされていないＧａＮを含む。
本明細書において使用するとき、用語「ドーパント」とは、ｎ形ドーパント、又はｐ形ドーパントなどの、ドーピング剤を指す。Ｐ形ドーパントとしては、マグネシウム、亜鉛、及び炭素が挙げられるがこれらに限定されない。Ｎ形ドーパントとしては、シリコン及びゲルマニウムが挙げられるがこれらに限定されない。ｐ形半導体とは、ｐ形ドーパントをドープされた半導体である。ｎ形半導体とは、ｎ形ドーパントをドープされた半導体である。ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ｎ形窒化ガリウム（「ｎーＧａＮ」）などのｎ形ドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体が挙げられる。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ドープされたｐ形、例えば、ｐ形ＧａＮ（「ｐーＧａＮ」）などの、ＩＩＩ−Ｖ族半導体が挙げられる。
本明細書で使用するとき、用語「隣接する」又は「〜に隣接する」は、「〜の隣の」、「〜に接している」、「〜と接触する」、及び「〜に近接する」を含む。いくつかの実施形態において、隣接する構成要素は１つ以上の介在層により互いに分離される。例えば、１つ以上の介在層は、約１０マイクロメートル（「ミクロン」）、１ミクロン、５００ナノメートル（「ｎｍ」）、１００ｎｍ、５０ｎｍ、１０ｎｍ、１ｎｍ、又はそれ未満よりも小さい厚さを有することができる。一例では、第１層が第２層と直接接するときに第１層が第２層に隣接する。別の例では、第１層が第３層によって第２層と隔てられているときに第１層が第２層に隣接する。
本明細書で使用するとき、用語「基板」は、膜又は薄膜の形成が所望される任意のワークピースを指す。基板としては、以下のものに限定されるわけではないが、シリコン、シリカ、サファイア、酸化亜鉛、炭素（例えば、グラフェン）、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、スピネル、被覆シリコン、酸化物上シリコン、酸化物上炭化珪素、ガラス、窒化ガリウム、窒化インジウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、金属材料（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）、及びそれらの結合体（又は合金）が挙げられる。
用語「注入効率」とは本明細書において使用されるとき、発光素子を通過して発光素子の活性領域に注入される電子と正孔の割合を指す。
本明細書で使用するとき、用語「内部量子効率」は、発光素子の活性領域内における、放射性である（すなわち、光子を生成する）全電子−正孔再結合事象の比率を指す。
本明細書で使用するとき、用語「取り出し効率」は、発光素子の活性領域内で発生される光子のうち、素子から脱出する比率を指す。
本明細書で使用するとき、用語「外部量子効率」（ＥＱＥ：external quantum efficiency）は、ＬＥＤを通過する電子数に対するＬＥＤから放射される光子数の比を指す。すなわち、ＥＱＥ＝注入効率×内部量子効率×取り出し効率。
ＬＥＤは種々の半導体素子層で形成されてよい。状況によっては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ＬＥＤが、他の半導体材料より好ましくなり得る素子パラメータ（例えば、光の波長、外部量子効率）を提供する。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、光電光学用途並びに高出力及び高周波数素子において用いられてよい２成分ＩＩＩ−Ｖ族直接バンドギャップ半導体である。
ＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤは、シリコン又はサファイア等の種々の基板上に形成されてよい。シリコンは、特定の期間内に形成されるＬＥＤの数を最大化するのに役立つ大きなウェーハサイズの使用に加えて、現在の製造及びプロセス手法を使用できること等の、他の基板を上回る種々の利点を提供する。図１は、基板１０５、基板１０５に隣接するＡｌＧａＮ層１１０、ＡｌＧａＮ層１１０に隣接するピット発生層１１５、ピット発生層１１５に隣接するｎ形ＧａＮ（「ｎ−ＧａＮ」）層１２０、ｎ−ＧａＮ層１２０に隣接する活性層１２５、活性層１２５に隣接する電子ブロッキング（例えば、ＡｌＧａＮ）層１３０、及び電子ブロッキング層１３０に隣接するｐ形ＧａＮ（「ｐ−ＧａＮ」）層１３５を有するＬＥＤ１００を示す。電子ブロッキング層１３０は、ｐ−ＧａＮ層１３５における電子と正孔の再結合を最小限に抑えるように構成される。基板１００はシリコンで形成されてよい。場合によっては、ピット発生層１１５が、意図的にドープされていないＧａＮ（「ｕ−ＧａＮ」）を含む。
シリコンは、シリコン用に適合された商用の半導体製作手法を用いることができること等の種々の利点を提供するが、シリコン基板上におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤの形成は種々の制限を課す。例として、シリコンと窒化ガリウムとの間の格子不整合及び熱膨張係数は、窒化ガリウム薄膜形成時に、貫通及び／又はヘアピン転位（本明細書においては、まとめて「転位」）等の欠陥を発生する構造応力を引き起こす。欠陥の周囲における薄膜成長は、素子層内のＶ字状又は全体的に凹状の構造であるＶ字状欠陥（又はＶピット）を生み出す。このようなＶピットは、１つ以上の層におけるドーパントの分布など、均一な素子特性を達成することを困難にする。
窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層の形成の後に、Ｖ字状欠陥ピット（本明細書において「Ｖ−ピット」と総称される）内で成長したＧａＮのｐ形ドーピングは、活性領域においてＶ字状欠陥を満たす材料からの効果的な正孔放出を可能にするには不十分であり得る。この問題は、薄膜形成中における、切子面を有するＶ字状欠陥のＡｌＧａＮ表面とは異なるＡｌＧａＮのｃ面にｐ形ドーパントが分離する傾向による場合がある。Ｖ字状欠陥表面におけるｐ形ドーパントの吸着は、気相ｐ形ドーパント前駆体濃度に対して比較的非感応的である場合がある。ｐ形ドーパントの取り込みは、主にｃ面表面に沿って生じる。図２は、生じるＬＥＤの実施例を示す。ピットを満たすＧａＮ材料は不十分にドープされ、その結果、低い素子性能（例えば、低い輝度、高い電力入力）、及び／又はＬＥＤを通じた不均一な光出力を生じる。すなわち、ｐ形ＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層においてｐ形ドーパントのドーピング分布が不均一である場合、ＬＥＤの電子構造（又はバンドダイアグラム）は、素子にわたってばらつきがある場合があり、これが放射された光の不均一な分布につながる。例示される実施例において、Ｖ字状欠陥のｐ形層の一部はアンドープであり、よって所望の（例えば、均一な）素子性能のために必要なｐ形ドーパント（例えばＭｇ）の濃度を有さない。Ｖピットのｐ形層の一部は不十分にドープされ、Ｖピットの外側のｐ−ＧａＮ層内のｐ形ドーパントの濃度よりも低い、ｐ形ドーパント濃度を有する。一実施例において、Ｖピットのｐ−ＧａＮ層は、Ｖピットの外側のｐ−ＧａＮ層内のｐ形ドーパントの濃度の、最大１％、又は１０％、又は２０％、又は３０％、又は４０％、又は５０％、又は６０％、又は７０％、又は８０％、又は９０％、又は９５％のｐ形ドーパント濃度を有する。
このような問題に対処する手法としては、ＡｌＧａＮの前に、Ｖ字状欠陥ピットを有する活性領域上に直接、低濃度のインジウムでｐ−ＧａＮを成長させることが挙げられ、それによってＡｌＧａＮ表面上にｐ形ドーパント（例えば、Ｍｇ）が分離する問題を軽減させる。このような構造を有する発光素子は、図３に概略的に示される。正孔注入効率性が達成されても、活性層とｐ−ＧａＮとの間に介在電子ブロッキング層を有することによりもたらされる利益の少なくとも一部が損なわれる場合がある。
このような問題に対処するための他の手法は、ＬＥＤのＶピットの濃度を最小化することである。例えば、活性層が、低い又は実質的に低い欠陥密度を有するように形成されてよく、それがＶピットのカバレッジ（又は密度）を最小限に抑えるのに役立ち得る。しかし、このようなアプローチは、商業的に実行不可能であり、かつ／又はＬＥＤを形成するために現在利用可能な方法では実装が難しくなり得る。例えば、低欠陥密度のＬＥＤ構成要素層（例えば、活性層）の形成は低速で資源集約的なプロセスになり得、ＬＥＤ素子に対する商業的需要を満たすには高いプロセスコスト及び不十分な素子回転率をもたらす。
Ｖピットの不十分なドーパント濃度に関する問題を排除しないまでも、軽減するための素子構造及び方法が、本明細書において提供される。本明細書において提示される素子及び方法は、様々なＬＥＤ構成層における低い、及び／又は不均一なドーパント濃度の問題を補うことにより、低欠陥密度のＬＥＤ構成層を形成する必要を有利に排除する。
本発明の様々な実施形態において記載される発光素子及び方法は、ｐ−ＧａＮ層の形成中における、ｐ形ドーパントの、ＡｌＧａＮ表面のｃ面への分離によるＶピット内の不十分なｐ形ドーピングの問題に対処する。本明細書において記載される方法及び構造は、ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（図３参照）の下のｐ形半導体層を必要とせずに、高い正孔注入効率をもたらす。
（発光素子）
（発光素子）
本発明の一態様において、Ｖピット内のドーパント濃度が改善された、発光素子構造が提示される。このような素子構造は、最小欠陥密度を有する発光素子構造を形成する必要性を、最小化又は排除する。本明細書において提示される構造を用いて、比較的適度な欠陥密度（したがってＶピット）を有する素子構造を使用することができ、これは加工費を有利に低減させる。
いくつかの実施形態において、発光素子、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体の一方の第１層と、第１層に隣接する活性層と、活性層に隣接する、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体の他方の第２層とを含む。ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ｎ形ドーパントでドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ｎ形ドーパントでドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む。活性層は、１つ以上のＶピットを含む。第２層は、第１部分及び外側が１つ以上のＶピットによって境界された第２部分を含む。第１部分は活性層の上に配置される。第２部分は、均一な濃度のｎ形又はｐ形ドーパントを有する。一実施例において、ＩＩＩ−Ｖ族半導体は窒化ガリウムである。いくつかの実施形態において、活性層は、約１×１０８ｃｍ−２〜５×１０９ｃｍ−２の欠陥密度を有する。いくつかの実施形態において、活性層は、約１×１０９ｃｍ−２〜２×１０９ｃｍ−２の欠陥密度を有する。
ＩＩＩ−Ｖ族半導体はＩＩＩ族化学種及びＶ族化学種を含む。実施形態によっては、ＩＩＩ族化学種はガリウムであり、Ｖ族化学種は窒素である。いくつかの実施形態において、第ＩＩＩ族化学種はガリウム及び／又はインジウムを含む。他の実施形態において、ＩＩＩ族化学種は、ガリウム、インジウム、及び／又はアルミニウムを含む。
いくつかの実施形態において発光素子はｎ形ドーパントを有する、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含む。ｎ−ＧａＮ層は、１つ以上のＶピットを有する活性層に隣接するように配置される。すなわち、活性層は形成される際に１つ以上のＶ形ピット（又は欠陥）を呈する。活性層は、ｐ形ドーパントを有するｐ形ＧａＮ層に隣接する。ｐ−ＧａＮ層は、第１部分及び第２部分を有する。第２部分は、外側が１つ以上のＶピットによって境界される。第１層は活性層上に配置され、外側が１つ以上のＶピットによって境界されない。一実施形態において発光素子は、未完成発光素子であり、完成させるために更なる加工及び／又は素子構造を必要とする。
いくつかの場合において、ｐ−ＧａＮ層は、約１０ナノメートル（「ｎｍ」）〜１０００ｎｍの範囲の厚さを有する。他の実施形態において、ｐ−ＧａＮ層は、約５０ナノメートル（「ｎｍ」）〜５００ｎｍの範囲の厚さを有する。ｐ−ＧａＮ層の厚さは、所定の動作条件を有する発光素子を提供するように選択されてもよい。
いくつかの場合において、ｎ−ＧａＮ層は、約１００ｎｍ〜８マイクロメートル（「ミクロン」）の範囲の厚さを有し、他の実施形態においてＧａＮ層の厚さは約５００ｎｍ〜６ミクロンの範囲である。更に他の実施形態において、ｎ−ＧａＮ層は、約１ミクロン〜４ミクロンの範囲である。ｎ−ＧａＮ層の厚さは、所定の動作条件を有する発光素子を提供するように選択されてもよい。
一実施形態において、ｐ形ドーパントは、マグネシウム、炭素、及び亜鉛の１つ以上を含む。特定の実装では、ｐ形ドーパントはマグネシウムである。
一実施形態において、ｎ形ドーパントは、シリコン及びゲルマニウムの１つ以上を含む。特定の実装では、ｎ形ドーパントはシリコンである。
いくつかの場合において、ｐ−ＧａＮ層は、ｐ−ＧａＮ層のドーピングを補助するウエッティング材料を更に含む。いくつかの場合においてウエッティング材料は、ｐ−ＧａＮ層の形成（以下参照）の前に、ｐ形ドーパントがウエッティング材料の層にわたって均一に分布することを可能にする。いくつかの場合において、ウエッティング材料はインジウム（Ｉｎ）である。
いくつかの実施形態において、第２部分は、均一な濃度のｐ形ドーパントを有する。いくつかの場合において、第２部分内のｐ形ドーパントの濃度は、ｐ−ＧａＮ層の第１部分のｐ形ドーパント（又は別のｐ形ドーパント）の濃度とほぼ、又は実質的に等しい。別の実施形態において、第２部分のｐ形ドーパントの濃度は、第１部分のｐ形ドーパントの濃度の、約９０％、又は８０％、又は７０％、又は６０％、又は５０％、又は４０％、又は３０％、又は２０％、又は１０％、又は５％、又は１％、又は０．１％、０．０１％、又は０．００１％以内である。
一実施形態において、第２部分はｐ形ドーパントによって実質的にドープされる。第１部分及び第２部分におけるｐ形ドーパントの濃度は、約１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２２ｃｍ−３である。他の実施形態において、第１部分、及び第２部分のｐ形ドーパントの濃度は、約１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３であるが、他の実施形態において、第１部分及び第２部分のｐ形ドーパントの濃度は、約１×１０２０ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３である。
他の状況において、第１部分のｐ形ドーパントの濃度は、活性層又はその付近において最大であり、第２部分に向かって減少する。他の状況において、第１部分においてｐ形ドーパントの濃度は、ｐＧａＮ層と活性層との間の表面と平行な方向（本明細書において「横方向軸」とも称される）に沿い、かつｐ−ＧａＮ層と活性層との間の表面と垂直な方向（本明細書において「長手方向軸」とも称される）に沿って均一又は実質的に均一である。
特定の実施において、第２部分のｐ形ドーパントの濃度は、Ｖピットの長手方向寸法に沿って均一である。いくつかの実施形態において、発光素子の長手方向軸に沿って測定した際に、Ｖピットのｐ形ドーパントの濃度は、最大約５０％、又は４０％、又は３０％、又は２０％、又は１０％、又は５％、又は１％、又は０．１％、又は０．０１％、又は０．００１％、又は０．０００１％だけ変化する。他の場合において、第２部分のｐ形ドーパントの濃度は、Ｖピットの横方向寸法に沿って均一である。いくつかの実施形態において、発光素子の横方向軸に沿って測定した際に、Ｖピットのｐ形ドーパントの濃度は、最大約５０％、又は４０％、又は３０％、又は２０％、又は１０％、又は５％、又は１％、又は０．１％、又は０．０１％、又は０．００１％、又は０．０００１％だけ変化する。
発光素子は更に、ｎ形又はｐ形ＧａＮ層に隣接する基板を更に含む。一実施例において、基板は、例えばｎ形シリコンなどのシリコン、又はサファイアを含む。場合によっては、基板は、完成した発光素子用のものである。他の場合において、基板はキャリア基板であり、完成した発光素子は、この場合、別の基板を含む。いくつかの実施形態において、基板は約２００マイクロメートル（μｍ）〜２ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さを有する。
実施形態によっては、発光素子はピット発生層を含む。いくつかの場合において、ピット発生層は、ｎ形ＧａＮ層に隣接する、例えばｎ形ＧａＮ層及び活性層の下にある。他の場合において、ピット発生層は、ｎ形ＧａＮ層と活性層との間にある。ピット発生層は、活性層、及びいくつかの場合において、活性層の上に形成される他の層の形成中における、１つ以上のＶピットの成長を補助する。
いくつかの実施形態においてピット発生層は、約１×１０８ｃｍ−２〜５×１０９ｃｍ−２の欠陥密度を有し、他の実施形態において、ピット発生層は約１×１０９ｃｍ−２〜２×１０９ｃｍ−２の欠陥密度を有する。いくつかの実施形態において、ピット発生層は、約１０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有し、他の実施形態において、ピット発生層は約５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
発光素子は、ｎ−ＧａＮ層との直接接触により、又は１つ以上の介在層を通じて、ｎ−ＧａＮと電気的につながった電極を含む。発光素子は更に、ｐ−ＧａＮとの直接接触により、又は１つ以上の介在層を通じて、ｐ−ＧａＮ層と電気的につながった（又は電気的に結合される）電極を含む。いくつかの場合、電極の一方又は両方が、発光素子から放射する光の遮断を最小化するように選択される形状及び構成（例えば、発光素子での位置）を有する。
活性層は、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層などの、量子井戸活性層であり得る。一実施形態において、活性層は、窒化インジウムガリウム、及び／又は窒化アルミニウムガリウムインジウムから形成された井戸層を含む。活性層を含む材料は、活性層を含む２つ以上の元素において、組成的に傾斜していてもよい（本明細書において「傾斜した」とも言う）。一例では、活性層は、傾斜した窒化インジウムガリウム、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、ただし、'ｘ'は０〜１の数、及びＧａＮで形成されるバリア（又はクラッド）層から形成される。このような層の組成は、層の第１の側から第２の側へと変化してもよい。いくつかの実施形態において、井戸又はバリア材料は、窒化ガリウム、ＩｎＡｌＧａＮの様々な成分（又はストイキオメトリ）、及びＡｌＧａＮの様々な成分から選択される。いくつかの実施形態において、活性層は、約１０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有し、他の実施形態において活性層は、約５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する。
いくつかの実施形態において、活性層は、約１×１０８ｃｍ−２〜５×１０９ｃｍ−２の欠陥密度を有し、他の実施形態において、活性層は約１×１０９ｃｍ−２〜２×１０９ｃｍ−２の欠陥密度を有する。他の実施形態において、活性層は、約１×１０６ｃｍ−２超、又は約１×１０７ｃｍ−２超、又は約１×１０８ｃｍ−２超、又は約１×１０９ｃｍ−２超の欠陥密度を有する。
いくつかの実施形態において、ｎ−ＧａＮ層と、ｐ−ＧａＮ層との間の発光素子の厚さは約４ミクロン未満、約３ミクロン未満、又は約２ミクロン未満、又は約１ミクロン未満、又は約５００ｎｍ未満である。ｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との間の領域は活性層を含む。
いくつかの場合において発光素子は、活性層とｐ−ＧａＮ層との間に電子ブロッキング層を含む。電子ブロッキング層は、ｐ−ＧａＮ層における電子と正孔の再結合を最小化するように構成され、これは活性層における発光が所望されない場合には望ましくない場合がある。一実施例において、電子ブロッキング層は、窒化アルミニウムガリウム、又は窒化アルミニウムインジウムガリウムから形成される。電子ブロッキング層は、電子ブロッキング層の１つ以上の元素において組成的に傾斜していてもよい（本明細書において「傾斜した」と言う）。例えば、電子ブロッキング層は、傾斜した窒化アルミニウムガリウム、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ここで「ｘ」は、０〜１の数字である）、又はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ここで「ｘ」及び「ｙ」は０〜１の数字である）から形成されてもよい。このような層の組成は、層の第１側部から第２側部で変化してもよい。いくつかの実施形態において電子ブロッキング層は、約１ｎｍ〜１０００ｎｍ、又は約１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する。
いくつかの実施形態において、発光素子は、活性層とｐ−ＧａＮ層との間にｐ形ドーパント注入層を更に含む。ｐ形ドーパント注入層は、ｐ−ＧａＮ層の形成中にｐ−ＧａＮ層の第２部分にｐ形ドーパントを供給するように構成される。ｐ形ドーパント注入層は、所望の又は所定の濃度のｐ形ドーパントをＶピットに供給するのを有利に補助し、これはｐ−ＧａＮ層の不十分にドープされた領域の問題を排除しないまでも最小化することを補助する。ｐ形ドーパント注入層は、ｐ形ドーパント、及びいくつかの場合においてウエッティング材料を含む。いくつかの実施形態において、ｐ形ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）である。いくつかの実施形態において、ウエッティング材料はインジウム（Ｉｎ）である。ウエッティング材料は、ｐ形ドーパントが、ｐ形ドーパント注入層を均一に被覆することを可能にする。いくつかの場合において、ウエッティング材料は、ｐ−ＧａＮ層と、電子ブロッキング層又は活性層（電子ブロッキング層が排除される場合）との間の界面に留まることがある。
いくつかの実施形態において、ｐ形ドーパント注入層は、約１００ｎｍ未満、又は約５０ｎｍ未満、又は約１０ｎｍ未満、又は約１ｎｍ未満である厚さを有する。いくつかの場合において、ｐ形ドーパント注入層の厚さは、単原子単相（ＭＬ）において説明される。いくつかの実施形態において、ｐ形ドーパント注入層の厚さは約０．１ＭＬ〜１０ＭＬである。他の実施形態において、ｐ形ドーパント注入層は、約１０ＭＬ以下、又は約５ＭＬ以下、又は約４ＭＬ以下、又は約３ＭＬ以下、又は約２ＭＬ以下、又は約１ＭＬ以下、又は約０．５ＭＬ以下の厚さを有する。
いくつかの実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層、上記ｎ形ＧａＮ層に隣接する活性層、及び活性層に隣接するｐ形ＧａＮ層を含む。活性層は、１つ以上のＶピットを含む。ｐ形ＧａＮ層は、第１部分及び第２部分を含む。第２部分は、外側が１つ以上のＶピットによって境界される。第１部分は活性層の上に配置され、少なくとも約１×１０１８ｃｍ−３、又は少なくとも約１×１０１９ｃｍ−３、又は少なくとも約１×１０２０ｃｍ−３、又は少なくとも約１×１０２１ｃｍ−３、又は少なくとも約１×１０２２ｃｍ−３のｐ形ドーパント濃度を有する。いくつかの場合において、ｐ形ドーパントの濃度は、約１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２２ｃｍ−３、又は約１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３、又は約１×１０２０ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３である。
いくつかの実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）及びｐ形ＧａＮの一方の第１層と、第１層に隣接する活性層と、を含み、活性層は１つ以上のＶピットを有する。ＬＥＤは、ｎ形ＧａＮ及びｐ形ＧａＮの他方の第２層を更に含み、第２層は、外側が１つ以上のＶピットによって境界された第１部分及び第２部分を有する。第１部分は活性層の上に配置される。第２部分は、均一な濃度のｎ形又はｐ形ドーパントを有する。
図４は、本発明一実施形態による発光素子（「素子」）４００に概略的に例示する。一実施例において、発光素子４００は、発光ダイオードである。発光素子４００は、底部から上部に向かって、ｎ−ドープされた（又は「ｎ形」）ＧａＮ層（「ｎ−ＧａＮ層」）４０５、ｎ−ＧａＮ層４０５に隣接するピット発生層４１０、ピット発生層４１０に隣接する活性層４１５、活性層４１５に隣接する電子ブロッキング層４２０、電子ブロッキング層４２０に隣接するｐ形ドーパント注入層４２５、及びｐ形ドーパント注入層４２５に隣接するｐ−ＧａＮ層４３０を含む。素子４００は、複数のＶピット４３５（２つが示される）を含み、これは、ピット発生層４１０、活性層４１５、及び電子ブロッキング層４２０を層から層に形成する際に、材料層の欠陥（例えば、転位）から形成される。ｐ−ＧａＮ層４３０は、第１部分４３０ａ及び第２部分４３０ｂを含み、第２部分４３０ｂは、Ｖピット４３５内に配置される。ｐ形ドーパント注入層は、ｐ形ドーパント、及びいくつかの場合においてウエッティング材料を含む。ｐ形ドーパント注入層は、第２部分４３０ｂのｐ形ドーパントの、所望の（又は所定の）均一性、分布及び／又は濃度を有する、第２部分４３０ｂを形成することを補助する。
いくつかの実施形態において、活性層４１５は、多重量子井戸活性層である。一実施形態において、窒化インジウムガリウム及び窒化ガリウムの交互の層、又は窒化インジウムアルミニウムガリウム及び窒化ガリウムの交互の層など、井戸層及びバリア層の交互の層から形成される。両方の場合における窒化ガリウムは、バリア層材料として機能し得る。窒化インジウムガリウム、又は窒化インジウムアルミニウムガリウムは、井戸層材料として機能し得る。
実施例において、活性層４１５は、交互の窒化アルミニウムガリウム層、及び窒化ガリウム層から形成され、電子ブロッキング層４２０は窒化アルミニウムガリウムで形成され、ｐ形ドーパント注入層４２５はマグネシウム及びインジウムから形成される。このような場合、インジウムは、ウエッティング材料として機能する。あるいは、電子ブロッキング層４２０は、窒化アルミニウムインジウムガリウムなどの、４原子の材料から形成される。いくつかの場合において、電子ブロッキング層４２０は、組成的に傾斜している。他の場合において、電子ブロッキング層４２０は、均一な組成を有する。
素子４００は、基板（図示されない）上に形成される。基板は、ｎ−ＧａＮ層４０５に隣接するように、又はｐ−ＧａＮ層４３０に隣接するように配置される。一実施形態において、基板はシリコン又はサファイアから形成される。いくつかの場合において、基板はｎ−ＧａＮ層４０５に隣接するように配置され、ＡｌＮ層、及びＡｌＧａＮ層を有するバッファ層は、基板とｎ−ＧａＮ層４０５との間に形成される。ＡｌＮ層は、基板に隣接するように配置され、ＡｌＧａＮ層は、ＡｌＮ層及びＮ−ＧａＮ層４０５に隣接するように配置される。
ある実施において、基板はｎ−ＧａＮ層４０５に隣接するように配置されたシリコンから形成される。基板は、層４０５〜４３０を別の基板、例えばシリコンに移送するために使用され得る。このような場合、移送後にｎ−ＧａＮ層に隣接するように配置された第１基板上に層４０５〜４３０が形成され、層４０５〜４３０は、ｐ−ＧａＮ層に隣接する第２基板上に配置される。
図５は、本発明の実施形態により、基板５０５上に形成された複数の層５１０〜５３５を有する、素子５００を概略的に例示する。素子５００は、発光ダイオードなどの発光素子である。素子５００は、底部から上部に向かって（「底部」は、基板５０５に隣接する位置を示す）、ｎ−ＧａＮ層５１０、ピット発生層５１５、活性層５２０、電子ブロッキング層５２５、デルタドープされた層５３０、及びｐ−ＧａＮ層５３５を含む。ｐ−ＧａＮ層５３５は、第１部分及び第２部分（図示されない）を含む。第２部分は、ピット発生層５１５、活性層５２０、及び電子ブロッキング層５２５の１つ以上のＶピット内に形成される（図４参照）。デルタドープされた層５３０は、マグネシウムなどのｐ形ドーパント、及びインジウムなどのウエッティング材料を含む。いくつかの状況において、ウエッティング材料は、デルタドープされた層の表面上のｐ形ドーパントの移動に対するバリアを減少させ、ｐ形材料が、デルタドープされた層を均一に被覆できるようにする。ウエッティング材料は、Ｖ字状欠陥上のｐ形ドーパント（例えば、Ｍｇ）の表面エネルギーを減少させ得る。以下に示されるように、基板５０５を有する反応チャンバ内にｐ形ドーパントのソースガスをパルス供給することにより、デルタドープされた層５３０にｐ形ドーパントが提供される。
一実施例において、デルタドープされた層５３０は、インジウムなどのウエッティング材料を含み、これはＶ字状欠陥切子面上のｐ形ドーパント（例えば、Ｍｇ）の表面エネルギーを減少させ、それによってウエッティング材料へのｐ形ドーパントの導入を補助する。デルタドープされた層５３０内のｐ形ドーパントは、活性層５２０及び電子ブロッキング層５２５の１つ以上のＶピットにおいて、ＧａＮ層の一部へと後で導入されるための、ｐ形ドーパントの源をもたらす。これは、１つ以上のＶピットのｐ−ＧａＮ層５３５の一部の形成を促進する。
いくつかの実施形態において、素子５００は、ｎ−ＧａＮ層５１０と電気的につながった第１電極、及びｐ−ＧａＮ層５３５と電気的につながった第２電極を含む。電極は、活性層５２０にわたって電位（電圧）を印加することを可能にする。いくつかの状況において、第１電極及び第２電極は、ｎ−ＧａＮ層５１０、及びｐ−ＧａＮ層５３５とそれぞれ電気接触する。他の場合において、第１電極及び第２電極の一方又は両方が、１つ以上の介在層を通じて、ｎ−ＧａＮ層５１０及びｐ−ＧａＮ層５３５と電気接触する。一実施例において、第２電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層などの、透明な導電性層（図示されない）を通じてｐ−ＧａＮ層と電気的につながっている。
例えば、活性層５２０にわたって電位を印加したときに、活性層５２０内で電子及び正孔の再結合が光を発生し、この光は一般的に基板５０５から離れる方向で、素子の外へと伝搬する。あるいは、層５０５〜５３５は、別の基板５４０へと移送され、基板５０５はその後、取り除かれる。活性層５２０内における電子及び正孔の再結合は光を発生し、この光はその後、ｎ−ＧａＮ層を通じ、一般的に基板５４０から離れる方向に沿って、素子５００の外に伝播する。いくつかの場合において、素子５００は、ｐ−ＧａＮ層５３５と、基板５４０との間に追加的な層を含む。
いくつかの実施形態において、基板５０５は、シリコン、シリカ、サファイア、酸化亜鉛、炭素（例えば、グラフェン）、ＳｉＣ、ＡＩＮ、ＧａＮ、スピネル、被覆シリコン、酸化物上シリコン、酸化物上炭化ケイ素、ガラス、窒化ガリウム、窒化インジウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、金属材料（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）、及びこれらの結合体（又は合金）の１つ以上から形成される。いくつかの場合において、基板５０５は、シリコンから形成される。一実施例において、基板５０５は、ｎ形シリコンから形成され得る。このような場合において、電極は、ｎ−ＧａＮ層５１０と電気的につながっている基板５０５と接触するように形成され得る。
装置５００は、いくつかの場合において、基板５０５とｎ−ＧａＮ層５１０との間に１つ以上の追加的な層を含む。１つ以上の追加的な層は、バッファ層、応力緩和層、又は応力発生層を含み得る。一実施形態において、素子５００は、基板に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及び窒化アルミニウムガリウム層に隣接する１つ以上のｕ形ＧａＮ（すなわち、アンドープの、又は偶発的にドープされたＧａＮ）層を含む。１つ以上のｕ−ＧａＮ層は、ｎ−ＧａＮ層５１０に隣接するように配置される。
いくつかの状況にいて、電子ブロッキング層５２５は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）から形成される。いくつかの場合において、ＡｌＧａＮ層は、アルミニウム及びガリウムにおいて、組成的に傾斜している場合がある。
いくつかの実施形態において、デルタドープされた層５３０は、電子ブロッキング層５２５とｐ−ＧａＮ層５３５との間の界面にある。いくつかの場合において、電子ブロッキング層５２５とｐ−ＧａＮ層５３５との間の界面において、素子５００は、ピークが一致するＭｇ及びＩｎを呈する、二次イオン質量スペクトル（ＳＩＭＳ）プロファイルを有する。
いくつかの場合において、ＳＩＭＳにより測定されるように、デルタドープされた層５３０内に観察されるピークインジウム強度（又は濃度）は、活性層５２０内の個別の量子井戸において観察されるピークインジウム強度（又は濃度）の約１／１００以下である。ピークインジウム濃度の位置は、ＡｌＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層５３５との間の界面のピークマグネシウム濃度のものと一致する。
いくつかの場合において、Ｖピット（又はＶ字状欠陥）を有する発光素子は、発光素子のｐ−ＧａＮ内においてｐ形ドーパントの均一な分布を有する。これは有利なことに、中〜高程度の欠陥密度を有する素子構造（例えば、活性層）の使用を可能にし、一方で不均一なドーパント濃度など、本明細書において提示されるこのような素子構造に伴う問題を、排除しないまでも最小化する。
（発光素子の形成方法）
（発光素子の形成方法）
本発明の別の態様では、発光素子の形成方法が提供される。このような方法は、ＩＩＩ−Ｖ族ＬＥＤ（例えば、ＧａＮ系ＬＥＤ）を含む発光ダイオードなど、本明細書において記載される素子の形成をもたらす。
いくつかの実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光装置を形成するための方法は、反応チャンバ内の基板上で、活性層の上（又はこれに隣接するように）にｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程を含み、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と活性層（例えば、電子ブロッキング層）との間にいずれかの介在層を含む、活性層の１つ以上のＶピット内に延びる。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ｐ形ドーパントでウエッティング層をデルタドーピングし、ＩＩＩ族ソースガス、及びＶ族ソースガスを反応チャンバ内に導入することによって形成される。ｐ形ドーパントのソースガスは、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族層中のｐ形ドーパントの濃度を調節するために導入される。活性層は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の上に形成される。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＩＩＩ族ソースガス、Ｖ族ソースガス、及びｎ形ドーパントのソースガスを反応チャンバ内に導入することによって形成される。
ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｐ形ドーパントを含む。ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体及びｐ形ドーパントを含む。ＩＩＩ−Ｖ族半導体はＩＩＩ族化学種及びＶ族化学種を含む。一実施形態において、ＩＩＩ族化学種は、ガリウム及び／又はインジウムである。別の実施形態において、Ｖ族化学種は窒素である。
いくつかの実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光装置を形成するための方法は、反応チャンバ内の基板上に、活性層に隣接するようにｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程を含み、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、活性層の１つ以上のＶピット内に延びる。ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ｐ形ドーパントでウエッティング層をデルタドーピングし、ＩＩＩ族化学種のソースガス、及びＶ族化学種のソースガスを反応チャンバ内に導入することによって形成されるウエッティング層は、活性層に隣接するように形成される。いくつかの状況において、ウエッティング層を形成する前に、電子ブロッキング層は、活性層に隣接するように形成される。一実施形態において、活性層は、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層に隣接するように形成される。別の実施形態において、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、基板に隣接するように形成される。
特定の実施において、発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成するための方法は、反応チャンバ内の基板上において、活性層の上に（又はこれに隣接するように）ｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層を形成する工程を含み、ｐ−ＧａＮ層は、ｐ−ＧａＮ層と活性層との間のいずれかの介在層（例えば、電子ブロッキング層）を含む、活性層の１つ以上のＶピット内へと延びる。ｐ−ＧａＮ層は、ｐ形ドーパントでウエッティング層をデルタドーピングし、ガリウムソースガス、及び窒素ソースガスを反応チャンバ内に導入することによって形成される。ｐ形ドーパントのソースガスは、ｐ−ＧａＮ層中のｐ形ドーパントの濃度を調節するために導入される。
一実施形態において、ウエッティング層は活性層に隣接するように形成される。いくつかの場合において、発光素子は、ウエッティング層と活性層との間に形成された電子ブロッキング層を含む。いくつかの状況において、ウエッティング層を形成する前に、電子ブロッキング層は、活性層に隣接するように形成される。活性層は、ｎ形ＧａＮ（「ｎ−ＧａＮ」）層の上に（又はこれに隣接するように）形成される。ｎ−ＧａＮ層は、基板の上に（又はこれに隣接するように）形成される。
他の実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成するための方法は、反応チャンバ内で基板に隣接するようにｎ−ＧａＮ層を形成する工程と、基板上に活性層を形成する工程と、活性層上に電子ブロッキング層を形成する工程と、電子ブロッキング層上にデルタドープされた層を形成する工程と、を含む。デルタドープされた層は、ウエッティング層をｐ形ドーパントでデルタドープすることによって形成される。
いくつかの場合において、ウエッティング層をデルタドープする工程は、ｐ形ドーパントの前駆体を、基板を有する反応チャンバ内にパルス供給する工程を含む。ｐ形ドーパントの前駆体は、約０．０１秒〜２０分、又は約０．１秒〜１５分、又は約１秒〜１０分の持続時間にわたってパルス供給される。
図６は、本発明の実施形態により、発光素子を形成するためのプロセスフローチャートを有する、方法６００を概略的に例示する。第１作業６０５において、発光素子の１つ以上の素子構造（又は層）を成長させるように構成された、反応チャンバ内に基板が供給される。一実施例において、反応チャンバは、真空又は不活性ガス環境におけるチャンバである。
例えば、反応チャンバは、超高真空（ＵＨＶ）チャンバなどの真空チャンバであり得る。低圧力環境が望まれる場合には、反応チャンバは、ターボ分子（「ターボ」）ポンプ、クライオポンプ、イオンポンプ及び拡散ポンプ並びにメカニカルポンプのうちの１つ以上等の、１つ以上の真空ポンプを有するポンプシステムを用いて排気されてよい。反応チャンバは、前駆体流量、基板温度、チャンバ圧力、及びチャンバの排気を調整するための制御システムを含んでよい。
次に、第２作業６１０において、基板上にｎ−ＧａＮ層が形成される。一実施例において、ｎ−ＧａＮ層は、ガリウム前駆体、窒素前駆体、及びｎ形ドーパントの前駆体を反応チャンバ内に誘導することによって形成される。ガリウム前駆体は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム、ジエチルガリウムクロライド、及び配位ガリウムハイドライド化合物（例えば、ジメチルガリウムハイドライド）の１つ以上を含む。窒素前駆体は、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｎ２）、並びに、アンモニア及び／又はＮ２のプラズマ励起化学種の１つ以上を含む。いくつかの場合において、ｎ形ドーパントの前駆体はシランである。
一実施形態において、ガリウム前駆体、窒素前駆体、及びｎ形ドーパントの前駆体が、反応チャンバ内に同時に誘導される。別の実施形態において、ガリウム前駆体、窒素前駆体、及びｎ形ドーパントの前駆体が、交互かつ順次式に、反応チャンバ内に誘導される（例えば、パルス供給される）。
次に、任意の第３作業６１５において、ｎ−ＧａＮ層の上にピット発生層が形成される。ピット発生層は、ガリウム前駆体及び窒素前駆体、及び場合によりインジウム前駆体を、反応チャンバ内に誘導することによって形成される。ピット発生層は、いくつかの状況において、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子を含む、これらの様々な組み合わせから形成される。いくつかの場合において、ピットを形成するために、多重量子活性層のサブレイヤーの１つ以上が使用される際に、ピット発生層は任意である。
次に第４作業６２０において、ｎ−ＧａＮ層、又はピット発生層（作業６１５で形成される場合）上に、活性層が形成される。一実施例において、活性層は、交互のＩｎＧａＮ井戸層、及びＧａＮバリア層を含む、多重量子井戸活性層である。ガリウムソースガス、及び窒素ソースガスを反応チャンバ内に供給してバリア層を形成し、インジウムソースガスを導入して井戸層を形成することによって、活性層が形成される。インジウムソースガスは、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、ジエチルインジウムクロライド、及び配位ガリウムハイドライド化合物（例えば、ジメチルガリウムハイドライド）を含む。個別のバリア及び井戸層を形成するためのソースガスは、反応チャンバ内に、同時に、又はいくつかの場合においては、交互かつ順次式に誘導される。
次に、第５作業６２５において、電子ブロッキング層は、活性層の上に形成される。電子ブロッキング層が窒化アルミニウムガリウムを含む場合、電子ブロッキング層は、ガリウムソースガス、窒素ソースガス、及びアルミニウムソースガスを、反応チャンバに誘導することによって形成される。いくつかの状況において、アルミニウムソースガスは、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡＬ：tri-isobutyl aluminum）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：trimethyl aluminum）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ：triethyl aluminum）、及び水素化ジメチルアルミニウム（ＤＭＡＨ：dimethylaluminum hydride）のうちの１つ以上を含む。いくつかの状況において、電子ブロッキング層は、窒化アルミニウムインジウムガリウムを含み、この場合、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：trimethylindium）などのインジウムソースガスは、他のソースガスと共に使用され得る。他の実施形態において、電子ブロッキング層は、いくつかの場合において排除される。
次に、第５作業６３０において、ウエッティング層は、電子ブロッキング層（又は、電子ブロッキング層が排除される場合には活性層）の上に形成される。ウエッティング層は、ウエッティング材料がインジウムである場合には、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などの、ウエッティング材料のソースガスを反応チャンバ内に誘導することによって形成される。
次に、第７作業６３５において、ウエッティング層はｐ形ドーパントのソースガスと接触している。ある実施において、ウエッティング層は、ｐ形ドーパントのソースガスを反応チャンバ内にパルス供給することによってデルタドープされる。ウエッティング層をデルタドープすることによりデルタドープされた層が形成される。いくつかの場合において、デルタドープされた層は、ｐ形ドーパント注入層である。実施例においてｐ形ドーパントはマグネシウムであり、ウエッティング層は、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を反応チャンバ内に誘導することにより、マグネシウムでデルタドープされる。
一実施例において、ウエッティング層は、作業６３０において第１温度で形成され、作業６３５において、ウエッティング層は、デルタドープされた層を形成するために同じ又は同様の温度でデルタドープされる。しかしながら、他の場合において、ウエッティング層は第１温度で形成され、ウエッティング層は、第１温度とは異なる第２温度でｐ形ドーパントによりデルタドープされる。一実施形態においてウエッティング層及び／又はデルタドープされた層は、約７００℃〜１１００℃の温度で形成される。他の実施形態において、ウエッティング層及び／又はデルタドープされた層は、約８００℃〜１０５０℃の温度で形成されるが、他の実施形態においてウエッティング層及び／又はデルタドープされた層は、約８５０℃〜１０００℃の温度で形成される。
一実施例において、ウエッティング層は、ｐ形ドーパントのソースガスを反応チャンバ内にパルス供給することによってデルタドープされる。一実施形態において、ｐ形ドーパントのソースガスは、０．０１秒〜２０秒の持続時間でパルス供給される。他の実施形態において、ソースガスは約０．１秒〜１５分の持続時間にわたってパルス供給され、他の実施形態において、ｐ形ドーパントのソースガスは、約１秒〜１０分の持続時間にわたってパルス供給される。
例示される実施例において、作業６３０の後に作業６３５が続く。いくつかの場合においては、しかしながら、作業６３０及び６３５は、同時に実行される。すなわち、ウエッティング材料のソースガス、及びｐ形ドーパントのソースガスは、反応チャンバ内に同時に誘導される。一実施例において、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）及びアンモニアはＮ２キャリアガスを用いて反応チャンバ内に誘導され、作業６２５において形成される電子ブロッキング層（例えば、ＡｌＧａＮ）と接触する。Ｃｐ２Ｍｇは、ＴＭＩを反応チャンバ内に供給する前、これと同時、又はその後に流されてもよい。一実施例において、作業６３５は、作業６３０に先行し、すなわち、電子ブロッキング層がｐ形ドーパント源（Ｃｐ２Ｍｇ）と接触して、電子ブロッキング層上のｐ形ドーパントの層を形成し、これがその後、ウエッティング材料（例えば、ＴＭＩ）のソースガスと接触する。
次に、第８の作業６４０において、ｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層が、デルタドープされた層の上に（又はこれに隣接するように）形成される。いくつかの実施形態において、デルタドープされた層の形成中、ｐ−ＧａＮ層の実際の成長が生じない。
ｐ−ＧａＮは、ガリウムソースガス（又は前駆体）及び窒化ソースガスを、反応チャンバ内に誘導することによって形成される。一実施形態において、ｐ形ドーパントのソースガスは、ガリウムソースガス、及び窒素ソースガスと共に、反応チャンバ内に誘導されない。このような場合、ガリウムソースガス及び窒素ガスをデルタドープされた層と接触させる際に、ＧａＮ層がデルタドープされた層上に形成し始める。ＧａＮ層の成長は、デルタドープされた層からＧａＮ層へのｐ形ドーパントの導入を伴い、これによってｐ−ＧａＮ層が形成され、これはデルタドープされた層におけるｐ形ドーパントの空乏化を伴う。所定の時間において、ｐ形ドーパントのソースガスが反応チャンバ内に導入されて、引き続きｐ−ＧａＮ層を形成させる。いくつかの場合において、ｐ形ドーパントのソースガスは、ガリウムソースガス及び窒素ソースガスの継続的な流れを伴う。デルタドープされた層は、活性層及び電子ブロッキング層の１つ以上のＶピットのＧａＮ層のドーピング（ｐ−ＧａＮを形成する）を可能にする。以降のｐ形ドーパントのソースガスの導入は、活性層の上のｐ−ＧａＮ層の一部（Ｖピットではない）におけるｐ−ＧａＮの継続的な成長のためのｐ形ドーパントを供給する。
一実施例において、ｐ−ＧａＮ層は、第１部分及び第２部分（例えば、図４参照）を含む。第１部分は電子ブロッキング層の上の、１つ以上のＶピットの外側に配置され、第２部分は１つ以上のＶピット内に形成される。第２部分の成長中、デルタドープされた層によりｐ−ＧａＮ層のｐ形ドーパントが供給される。第２部分の形成の後、ｐ形ドーパントのソースガス（又は別のｐ形ドーパントのソースガス）が導入されて、第１部分内に所定の濃度のｐ形ドーパントをもたらす。
いくつかの場合において、キャリアガス及び／又はポンピングを用いて、反応チャンバ内にソースガスが誘導される。キャリアガスはＨ２、Ａｒ、及び／又はＮ２などの希ガスであり得る。実施例において、ガリウムソースガス（例えば、ＴＭＧ）、及び窒素ソースガス（例えば、ＮＨ３）は、Ｎ２を用いて反応チャンバ内に誘導される。別の実施例において、ガリウムソースガス、窒素ソースガス、及びｐ形ドーパントのソースガスが、ポンピングシステム（例えば、ターボポンプ）を用いて反応チャンバ内に誘導される。
反応チャンバは、個別の作業のいくつか、又は全ての間に排気され得る。いくつかの場合において、反応チャンバは、パージガス又は真空（ポンプ）システムを用いてパージされる。一実施例において、反応チャンバは、作業６２０と６２５との間に、パージガスを用いて排気される。パージガスは、キャリアガスと同じか又は同様のものであり得る。一実施例において、パージガスはＮ２であり、反応チャンバは、１つ以上のソースガスの流れを止める一方で、反応チャンバ内にＮ２を流し続けることによってパージされる。別の実施例において、反応チャンバは、作業６１０と６１５との間で、ポンピングシステムを用いて（すなわち、反応チャンバに真空を適用することにより）排気される。他の場合において、反応チャンバはパージガス及び真空システムを用いてパージされる。
方法６００は、１つの反応チャンバ内で生じるものとして記載されてきたが、いくつかの場合において、方法６００の１つ以上の作業は、別個の反応チャンバにおいて生じてもよい。一実施例において、作業６０５及び６１０は第１反応チャンバ内で行われ、作業６１５〜６２５は第２反応チャンバ内で行われ、作業６３０〜６４０は第３反応チャンバ内で行われる。反応空間は、例えば、別個の場所にあり、互いに流体的に分離されていてもよい。
図７は、デルタドープされた層、及びデルタドープされた層の上のｐ−ＧａＮ層を形成するための、圧力対パルスダイアグラムを示す。圧力（ｙ軸）は、時間（ｘ軸）の関数として示される。圧力は、反応チャンバ内の各ソースガスの分圧と対応し得る。反応チャンバ内に基板が入った状態で、第１時間（ｔ１）において、ＴＭＩ及びＮＨ３は、Ｎ２キャリアガスを用いて反応チャンバに誘導される。これにより基板上にウエッティング層が形成される。次に、ウエッティング層は、第２時間（ｔ２）において、反応チャンバ内に誘導されるＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇでデルタドープされる。Ｃｐ２Ｍｇの反応チャンバへのパルス供給の間、ＮＨ３及びＮ２の流量は維持される。Ｃｐ２Ｍｇの暴露時間は、ＴＭＩの暴露時間よりも短いが、いくつかの場合において、Ｃｐ２Ｍｇの暴露時間（すなわち、パルス持続時間）は、ＴＭＩの暴露時間と同じかそれ以上である。Ｃｐ２Ｍｇのパルスは、ＴＭＩのパルスと重複する。他の場合において、Ｃｐ２ＭｇのパルスはＴＭＩのパルスと重複しない。一実施例において、Ｃｐ２Ｍｇパルスは、ＴＭＩパルスに先行する。別の実施例において、Ｃｐ２Ｍｇパルスは、ＴＭＩパルスの後である。
次に、第３時間（ｔ３）において、ＴＭＧが反応チャンバに誘導される。ＴＭＧの導入の後、Ｃｐ２Ｍｇの流量が止められるが、ＮＨ３及びＮ２の流量は維持される。次に、第４時間（ｔ４）において、ｐ−ＧａＮ層を形成するために、ｐ形ドーパントを供給するために、反応チャンバにＣｐ２Ｍｇが誘導される。ＧａＮの堆積の際に、デルタドープされた層が、Ｖピットに導入するためにｐ形ドーパント（ＭＧ）を供給し、これがＶピット内にｐ−ＧａＮを形成する。Ｃｐ２Ｍｇの第２供与は、基板の上、かつＶピットの外側における、ｐ−ＧａＮ層のその後の成長のために、ｐ形ドーパントを供給する。
本明細書において提供される発光素子の１つ以上の層は蒸気（又は気相）蒸着手法によって形成されてよい。実施形態によっては、本明細書において提供される発光素子の１つ以上の層は、化学蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced CVD）、プラズマ促進ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ：plasma enhanced ALD）、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：metal organic CVD）、ホットワイヤＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ：hot wire CVD）、イニシエートＣＶＤ（ｉＣＶＤ：initiated CVD）、改良ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：modified CVD）、軸付け蒸着（ＶＡＤ：vapor axial deposition）、外部蒸着（ＯＶＤ：outside vapor deposition）及び／又は物理蒸着（例えば、スパッタ堆積、蒸発堆積）によって形成される。
本明細書において提供される方法及び構造は、窒化ガリウム等の特定のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を有する発光素子との関連で説明されているが、このような方法及び構造は他の種類の半導体材料に適用されてもよい。本明細書において提供される方法及び構造は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）から形成される活性層を有する、発光素子に使用することができる。
いくつかの実施形態において、例えば、活性層（井戸層及びバリア層を含む）、ｎ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層などの、本明細書において提示される層及び装置構造は、基板温度、前駆体流量、成長速度、水素流量、及び反応チャンバ圧力などの、１つ以上の加工パラメータを調節するように構成されたコントローラを用いて形成される。コントローラは、本明細書において提供される方法を実装するように構成される機械実行可能コードの実行を支援するように構成されるプロセッサを含む。
活性層上にＡｌＧａＮ電子を有する基板が、反応チャンバ内に供給される。活性層及び電子ブロッキング層は、複数のＶピットを含む。最初のｐ形のデルタドープされた層を形成することによって、ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層上にｐ−ＧａＮ層が形成される。約８５０℃〜１０００℃の基板温度において、Ｎ２キャリアガスを用いて、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニア（ＮＨ３）が、反応チャンバに供給され、電子ブロッキング層と接触してウエッティング層を形成する。次に、Ｃｐ２Ｍｇを反応チャンバ内に誘導し、ウエッティング層をＣｐ２Ｍｇに暴露することにより、ウエッティング層がマグネシウムでデルタドープされる。いくつかの場合において、ＴＭＩを反応チャンバ内に流す前、これと同時に、又はその後に、反応チャンバにＣｐ２Ｍｇが供給される。次に、ＴＭＧを反応チャンバに導入することによって、デルタドープされた層上にＧａＮの層が形成される。デルタドープされた層内のｐ形ドーパントは、ＶピットにおいてＧａＮ層に導入するための、ｐ形ドーパントを供給する。ｐーＧａＮ層がＶピットを満たす前、又はその後に、ｐ形ドーパントのソースガスが、ＴＭＧ及びＮＨ３と共に、反応チャンバにｐ形ドーパントが導入される。ｐ形ドーパントのソースガスの時間調整は、所望のｐ形ドーパント濃度、分布、及び／又は分布をもたらすように選択される。
文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて、明細書及び特許請求の範囲全体を通じて、単数又は複数を用いた語はそれぞれ複数又は単数も含む。加えて、語「本明細書において」、「以下に」、「上記の」、「下記の」、及び同様の意味の語は、本出願を全体として指しており、本出願のいずれかの特定の部分を指すものではない。語「又は」が２つ以上の項目のリストに関して用いられる場合、その語は以下の語の解釈のすべて（リストの中の項目のいずれか、リストの中の項目のすべて及びリストの中の項目のあらゆる組み合わせ）を範囲に含む。
特定の実装が示され、説明されているが、種々の修正がそれらになされてよく、本明細書において企図されていることを上記のことから理解されたい。本発明は、本明細書内で提供される特定の例によって限定されるように意図されてもいない。本発明は上述の明細書に関連して説明されているが、本明細書における本発明の実施形態の説明及び図表は、限定の意味で解釈されるように意図されるものではない。更に、本発明の態様はすべて、様々な条件及び変数に依存する本明細書において説明されている特定の描写、構成又は相対比率に限定されるものではないことを理解されたい。本発明の実施形態の形状及び細部の種々の修正が当業者には明らかであろう。したがって、本発明はこのような修正物、変形物及び同等物もすべて範囲に含むことが企図されている。
Claims (4)
- ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層と、
前記ｎ形ＧａＮ層上に設けられ、第１の濃度ピークを有するインジウムを含む活性層であって、１つ以上のＶピットを有する活性層と、
前記活性層上および前記Ｖピットの内面上に設けられた電子ブロッキング層と、
前記電子ブロッキング層上に設けられたｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、
を備え、
前記ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記電子ブロッキング層の上に設けられたｐ形ＧａＮ層と、前記電子ブロッキング層と前記ｐ形ＧａＮ層との間に分布するインジウム原子およびマグネシウム原子と、を含み、
前記インジウム原子の分布は、前記電子ブロッキング層と前記ｐ形ＧａＮ層との間に第２の濃度ピークを有し、
前記第１の濃度ピークは、前記第２の濃度ピークの１００倍以上の濃度を示す発光ダイオード。 - ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層と、
前記ｎ形ＧａＮ層上に設けられたインジウムを含む活性層であって、１つ以上のＶピットを有する活性層と、
前記活性層上および前記Ｖピットの内面上に設けられた電子ブロッキング層と、
前記電子ブロッキング層上に設けられたｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、
を備え、
前記ｐ形ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記電子ブロッキング層の上に設けられたｐ形ＧａＮ層と、前記電子ブロッキング層と前記ｐ形ＧａＮ層との間に分布するインジウム原子およびマグネシウム原子と、を含み、
前記インジウム原子の分布は、前記電子ブロッキング層と前記ｐ形ＧａＮ層との間に濃度ピークを有し、
前記マグネシウム原子の分布は、前記インジウム原子の分布の前記濃度ピークと同じ位置に濃度ピークを有する発光ダイオード。 - 前記活性層における前記Ｖピットの密度は、１×１０８ｃｍ−２〜５×１０９ｃｍ−２である請求項１または２に記載の発光ダイオード。
- 前記ｐ形ＧａＮ層におけるマグネシウム濃度は、１×１０２０ｃｍ−３ 〜５×１０ ２０ ｃｍ −３ である請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光ダイオード。
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