JP6259611B2 - 短波長発光素子のためのｐ側層 - Google Patents

Description

本発明は、水の浄化、消毒、セキュリティ、ＵＶ硬化、光線療法、および医療診断など多種多様な用途に使用されている、紫外線（ＵＶ）光を生成する発光ダイオードおよびレーザダイオードに係る。

例えば、ＵＶ光は、ＡｌＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＧａＮ系などを含むＩＩＩ族窒化物系材料などのバンドギャップが大きい半導体材料によって生成することができる。

しかしながら、これらのバンドギャップが大きい材料におけるドーパントの活性化エネルギは相対的に高いので、高正孔密度を達成するためにこれらの材料のドーピングは困難とされていた。

本明細書に記載されている様々な実施形態は、ｘ_ロー≦ｘ_ハイ≦０．９のとき、ｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎとｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎから成る交互層を有する短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含むｐ側ヘテロ構造を備えた発光素子を含む。ＳＰＳＬの各層はＡｌＧａＮの約６バイレーヤ以下の膜厚を有している。これらの発光素子は、ｎ側ヘテロ構造と、同ｎ側ヘテロ構造とＳＰＳＬとの間に配置された光を発するように構成されている活性領域と、を含む。

いくつかの実施形態は、ｘ_ロー≦ｘ_ハイ≦０．９のとき、ｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎとｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎの交互層を有する短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含むｐ側ヘテロ構造を備えた発光素子を含む。素子は、ｎ側ヘテロ構造と、該ｎ側ヘテロ構造とＳＰＳＬとの間に配置された光を発するように構成されている活性領域と、を含む。交互層によってＳＰＳＬの価電子帯電位に変調が生じ、この変調はｐ型ドーパントのアクセプタ準位エネルギにほぼ等しい。

いくつかの実施形態は、ｐ側ヘテロ構造と、ｎ側ヘテロ構造と、ｐ側ヘテロ構造とｎ側ヘテロ構造との間に配置された光を発するように構成されている活性領域と、を含む発光素子に関する。発光素子はまた、金属系ｐコンタクトと、ｐ側ヘテロ構造とｐコンタクトとの間に配置されたｐコンタクト層と、を含む。ｐコンタクト層はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮを含みかつ膜厚Ｄを有し、ｚはｐコンタクト層の膜厚の実質的な部分にわたって変化するＳ字形のＡｌ組成プロファイルを有する。いくつかの場合、ｐ側ヘテロ構造は、ｘ_ロー≦ｘ_ハイ≦０．９のとき、ｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎとｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎの交互層を含む短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含む。

いくつかの実施形態は、短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含むｐ側ヘテロ構造と、ｎ側ヘテロ構造と、ｎ側ヘテロ構造とＳＰＳＬとの間に配置された光を発するように構成されている活性領域と、を含む発光素子に関する。ＳＰＳＬは第１の部分と第２の部分を含み、第１の部分は活性領域に最近接し、Ａｌ_ｘ１ハイＧａ_{１−ｘ１ハイ}ＮとＡｌ_ｘ１ローＧａ_{１−ｘ１ロー}Ｎから成る、第１の数の交互層を含む。第２の部分はＡｌ_ｘ２ハイＧａ_{１−ｘ２ハイ}ＮとＡｌ_ｘ２ローＧａ_{１−ｘ２ロー}Ｎから成る、第２の数の交互層を含む。ＳＰＳＬの各層はＡｌＧａＮの約６バイレーヤ以下の膜厚を有している。

発光素子の作製方法は、基板上でｎ側ヘテロ構造を成長させ、ｎ側ヘテロ構造上で活性領域を成長させ、活性領域に最近接する短周期超格子（ＳＰＳＬ）を成長させる、ステップを含む。ＳＰＳＬを成長させるステップは、ｘ_ロー≦ｘ_ハイ≦０．９のとき、ｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎとｐ型ドーパントがドープされたＡｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎから成る交互層を成長させるステップを含み、ＳＰＳＬの各層がＡｌＧａＮの約６バイレーヤ以下の膜厚を有している。

様々な実施形態による変化するＡｌ組成によって達成される分極増強ドーピングに依存する様々な任意の層を組み込むことができる発光素子を示す断面図である。 分極増強ドーピングを示す短周期超格子（ＳＰＳＬ）のＭｇ原子に対する算出された遷移レベルを示す図である。 固定ｘ_ハイのときのｘ_ローの関数として作図された価電子帯端の全変調（Ｖ_ｍｏｄ）を示すグラフの集まりである。 緩和されたＡｌＮ上の圧縮歪みＡｌＧａＮのｃ軸と表面法線の間の角度に対する全分極を示す図である。 いくつかの膜厚の層を有するＳＰＳＬの光透過スペクトルを示す図である。 Ｔ_ハイが０．７ｎｍ、Ｔ_ローが０．９ｎｍであるとき、ＭｇドープされたＡｌ_０．７４Ｇａ_０．２６Ｎ／Ａｌ_０．４９Ｇａ_０．５１ＮのＳＰＳＬの算出されたバンド構造を示す図である。 各々が約１ｎｍのＴ_ハイとＴ_ローの交互層を有するＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮのＳＰＳＬの断面を示す電子顕微鏡で見たときのイメージである。 温度関数としてＳＰＳＬの電気的抵抗率をテストするために使用されたテスト図形を示す図である。 二つの異なるテスト用のＳＰＳＬへテロ構造に対する温度関数としてのＳＰＳＬ抵抗率を示す図である。 本明細書中に記載されている分極増強ＳＰＳＬを含む発光素子の電流−電圧（ＩＶ）特性をテストするために使用されるテスト構造を概略的に示す図である。 分極増強ＳＰＳＬを利用した素子のＤＣ電流−電圧（ＩＶ）特性を示す図である。 ４８％の平均Ａｌ組成の分極増強ＳＰＳＬを使用した素子のＩＶ特性を、３８％のＡｌ組成を有する従来の均一なＡｌＧａＮのｐ型クラッド層を使用した素子のＩＶ特性と、比較している図である。 分極増強ＳＰＳＬと区分的線形勾配Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのｐコンタクト層の両方を含む素子に対するバンド構造のシミュレーションを示す図である。 ｐコンタクト層の二つの勾配領域の各々におけるキャリア濃度を示す図である。 距離に対しての線形勾配Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのｐ−コンタクト層の分極電場を平方メートルあたりクーロン（Ｃ／ｍ^２）で示す図である。 距離に対しての線形勾配Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのｐ−コンタクト層の正孔密度を示す図である。 ＳＰＳＬで０．７からパラジウム（Ｐｄ）系ｐコンタクトで０（ゼロ）まで勾配するＡｌ組成を有する勾配ＡｌＧａＮのｐコンタクト層に結合して使用される、ｘ_ハイ＝１．０、ｘ_ロー＝０．５を有するＳＰＳＬの膜厚に対する強度損失を示す図である。 いくつかの非線形勾配プロファイルに対して算出された正孔密度の三つの実施例を示す図である。 Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ層において波長λ＝２５０ｎｍのときのＡｌ組成に対しての屈折率、ｎ、および消衰係数、ｋ、を示すグラフである。 線形、放物線、およびＳ字形のＡｌ組成プロファイルを示す図である。 図２０のＡｌ組成プロファイルの各々に対してｐコンタクト層の様々な距離におけるｚの数値表を示す図である。 図２０のＡｌ組成プロファイルに対する屈折率と横光学モードのプロットを示す図である。 図２０のＡｌ組成プロファイルの全分極を示す図である。 図２０のＡｌ組成プロファイルの正孔密度を示す図である。 量子井戸の領域、活性領域の最後のバリアの領域、および分極増強ＳＰＳＬの領域における導電バンドエネルギを示すエネルギ図である。 活性領域に対して電子ブロック層（ＥＢＬ）の機能を提供するＳＰＳＬの区分を形成するために活性領域の近傍で修正されたＳＰＳＬを示すエネルギ図である。

同様の構成要素には同様の参照番号が付される。特に但し書きがない限り、図面は必ずしも縮尺されない。

本開示に記載されたアプローチは、発光素子の一以上の層における正孔密度を上げる分極増強ドーピングに関する。

分極増強ドーピングは半導体層内に存在する分極電場により移動性キャリアの密度を高くするように動作する。分極増強ドーピングは異なる電気陰性を有する二つ（以上）の原子が化合物に化学結合しているときに双極子を作成する原子の電気陰性度によって生じる。化合物の双極子から結晶中の層を横切って巨視的に分極を得ることができる。層を横切る分極の量は結晶構造だけでなく結晶格子の歪みからも影響を受ける。ＩＩＩ族窒化物形半導体はウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）構造を有する結晶を成長させ、原子結晶配列は、歪みを受けなくても、自発分極電荷が存在するように実施される。

結晶層の分極は異なる極性を有する材料の二つの層間の界面で固定した電荷を生成する。分極電荷は固定されるので、分極電荷自体は結晶内で電気的輸送に寄与しないが、分極電荷は移動性キャリアの生成を誘導することができる。分極電荷は、結晶内の分極電場が距離に伴って変化するときに存在する。例えば、変化する分極電場は有極結晶の界面を介して発生する。固定電荷が界面に存在するとき、固定電荷は材料内の移動性電荷によって中和される。分極電荷が二つの窒化物層間の界面で誘導する移動性電荷の量は結晶の組成や構造に依存する。例えば、ＡｌＧａＮの場合、接合部におけるＡｌＧａＮのアルミニウム組成が分極の量を決定しこれによって界面において誘導された移動性電荷の数が決定される。いずれのタイプのキャリアにも分極増強ドーピングが適用されることに注目されたい。窒化物系発光素子において、分極増強ドーピングは、高いｐ型ドナー濃度を達成すると同時に高伝導性層を提供するために窒化物層をドーピングすることの困難さによって、特に正孔密度の増強を目的とする。

図１は、変化するＡｌ組成によって達成される分極増強ドーピングに依存する様々な任意の層を含む発光素子１００を示す断面図である。図１に示した実施例において、発光素子１００は、ｐ側ヘテロ構造１２０とｎ側ヘテロ構造１１０との間に配置された活性領域１０５を含む。例えば、ｐ側ヘテロ構造１２０は、例えば、ｘ_ハイの範囲が約１〜約０．５であり、ｘ_ローの範囲が約０．７５〜約０である、Ａｌｘ_ハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎ／Ａｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎから成る交互層を備えたｐ側短周期超格子（ＳＰＳＬ）１２１を含む。Ｐコンタクト層１２２は、ＳＰＳＬ１２１と、例えば、パラジウム（Ｐｄ）などの金属製であってよいｐコンタクトと、の間に配置されている。ｐコンタクト層１２２は、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮを含み、ＳＰＳＬ１２１からｐコンタクトへ向かう方向に沿った距離の関数として減少するＡｌ組成プロファイルに基づいて勾配付けされる。

ｎ側ヘテロ構造１１０、活性領域１０５、ｐ側ヘテロ構造１２０から成る層は、ＩＩＩ族窒化物系材料などの六方晶系の対称性材料を含む基板上でエピタキシャルに成長することができる。基板に適した材料は、ＧａＮ系、ＡｌＮ系、ＳｉＣ系、サファイア系、シリコン系、ＧａＡｓ系、ＺｎＯ系の一以上、ＩＩＩ族Ｎ系合金、およびＩＩＩ族Ｎ系材料を含むテンプレートを含む。

多くの場合、これらのＡｌＧａＮの素子層は高Ａｌ含有量を有しているので、ＡｌＮは発光素子のＡｌＧａＮ層に対して特に好適な基板を提供する。ＡｌＮ上で高組成のＡｌ層がエピタキシャルに成長することは基板格子とエピタキシャル成長層の格子との間に低い不整合をもたらす。例えば、発光素子はバルクＡｌＮ基板を含み、このバルクＡｌＮ基板上で、ｎ側ヘテロ構造、活性領域、およびｐ側ヘテロ構造が成長する。バルクＡｌＮ基板の代わりに、サファイアや他の材料の基板上でエピタキシャルに成長するＡｌＮテンプレートが使用されてもよい。

発光素子１００の層は、基板の極性面または半極性面またはファセット上で成長する。いくつかの実施態様において、基板は、サファイア、ＩＩＩ族窒化物、ＳｉＣ、またはＺｎＯを含み、基板の（０００１）または
面上で、ｎ側ヘテロ構造、活性領域、およびｐ側ヘテロ構造がエピタキシャルに成長する。いくつかの実施態様において、基板は、ＩＩＩ族窒化物、ＳｉＣ、またはＺｎＯを含み、基板の半極性ファセット上で、ｎ側ヘテロ構造、活性領域、およびｐ側ヘテロ構造がエピタキシャルに成長する。

活性領域１０５は、バリアによって離間された一以上の量子井戸および／またはスペーサによって離間された多重量子井戸構造を含む。素子のｎ側からの電子および素子のｐ側からの正孔は活性領域１０５へ拡散した後、再結合して光を生成する。量子井戸、バリア、および／またはスペーサは、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮや他の窒化物などの任意の窒化物系材料やＢｅＭｇＺｎＯ系などの有極酸化物を用いて、形成される。場合によっては、電子ブロック層（ＥＢＬ）１２５は活性領域１０５の最後の量子井戸構造とｐ側ヘテロ構造１２０との間に配置されて活性領域１０５内に電子が含まれるのを助ける。発光は、活性領域１０５内の正孔と電子の再結合に依存するので、再結合の尤度を高めるために活性領域内で電子を保持することは効果的である。

金属系ｐコンタクトと、窒化物系における短波長（λ〜２５０ｎｍ）レーザの活性領域１０５と、の間に位置しているｐ側ヘテロ構造１２０の半導体材料が十分に高い光透過率だけでなく十分に高いｐ型伝導性を達成することは困難である。例えば、ｐ側層１２０に使用されるＡｌＧａＮは十分に伝導性であると同時にレーザ励起波長によっても十分に透過性であることが必要である。マグネシウムはＡｌＧａＮのｐ型ドーパントとして使用することができるが、ＡｌＧａＮのＭｇアクセプタ準位のエネルギはＡｌ組成に従って高くなるので、Ａｌ組成が高くなれば、高い正孔密度と伝導性を達成することが一層困難になる。しかしながら、ＡｌＧａＮのＡｌ組成が大きくなると、透過性はもっと容易に達成できるので、ｐ側層のＡｌ組成に競合する制約を加える。他の制約は、窒化物材料とｐコンタクトの金属電極との間に良好な電気コンタクトを成立させることの必要性である。この要件は、金属とＧａＮ（ほぼゼロのＡｌ組成）との間にコンタクトを形成することによって容易に満たすことができる。

本明細書中に説明されている実施形態は、ｐ型の伝導性および光透過性を十分に達成すると同時にｐ型材料と金属電極との間に低抵抗率の電気コンタクトを成立させることを可能にするためのｐ層構造の設計を含む。本明細書に説明されているアプローチは、必要に応じて、ＳＰＳＬ１２１を金属系ｐコンタクトに接続するアクセプタがドープされた勾配ＡｌＧａＮのｐコンタクト層１２２と組み合わせて使用することができるアクセプタがドープされたＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎ／Ａｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}ＮのＳＰＳＬ１２１を含むことができる。ＡｌＧａＮに適したアクセプタはマグネシウム（Ｍｇ）を含む。ＡｌＧａＮに使用可能な他のｐ型ドーパントはＢｅおよびＣを含む。勾配ｐコンタクト層は、例えば、一定した、線形、放物線、および／またはＳ字の形状などのプロファイルに応じてｚが勾配付けされるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮを含むことができる。これらのアプローチによって、十分に低い光吸収損失、十分に高いｐ型伝導性、および良好な電気コンタクトを達成することができる。

いくつかの実施形態において、ＳＰＳＬ１２１中のＡｌ組成は比較的高い値（ｘ_ハイ〜０．９）と比較的低い値（ｘ_ロー〜０．５）の間で交互に積層される。本明細書中、Ａｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎ層の膜厚はＴ_ハイと表記され、Ａｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎ層の膜厚はＴ_ローと表記される。Ｔ_ハイやＴ_ローの膜厚は、例えば、約０．７ｎｍ〜約１．５ｎｍの範囲かまたは約６バイレーヤ未満である。用語「バイレーヤ」は一層のＩＩＩ族原子と一層のＮ原子を含む一対の層をいう。ＩＩＩ族系原子の層はＡｌ系とＧａ系の原子の混合層である。ＡｌＧａＮの各バイレーヤの膜厚は約０．２５ｎｍである。ＳＰＳＬ１２１の全体膜厚はいくつかの制約を被る。一つの制約によれば、クラッド層として使用されるＳＰＳＬの場合、光学モードを含むために、ＳＰＳＬが比較的厚膜であることが望ましい。一つの競合する制約として、電気的抵抗率を低減させかつＳＰＳＬを介した垂直電流の流れを大きくするためにＳＰＳＬは比較的薄膜であることが望ましい。一つの競合する制約として、電気的抵抗率を低減させこれによってあまり加熱せずにＳＰＳＬを介して高電流の流れを可能にするために、ＳＰＳＬは比較的薄膜であることが望ましい。これらの競合する制約を達成するために、ＳＰＳＬの全体膜厚は、例えば、約２００ｎｍより厚く、約４５０ｎｍより薄い。ＳＰＳＬ１２１の平均Ａｌ組成は、ｘ_平均＝（ｘ_ハイＴ_ハイ＋ｘ_ローＴ_ロー）／（Ｔ_ハイ＋Ｔ_ロー）によって算出される。平均Ａｌ組成は、素子において生成される光の相当な量の吸収を防止するためにかなり高組成である必要がある。例えば、約２９０ｎｍに等しいλに対して、平均Ａｌ組成の範囲は約４５％より大であり約８０％より小である。約３３０ｎｍより大きいλに対して、平均Ａｌ組成の範囲は、約３０％より大きく約８０％より小さい。

ＳＰＳＬがレーザダイオードにおいてクラッド層として使用される場合、素子のｐ側から光学モードを離間して押動することが役に立つ。これは、比較的高い平均Ａｌ組成、例えば、λ＝２９０ｎｍに対して約６０％より大きい組成、を用いて達成することができる。レーザダイオードのｐクラッドにおける高Ａｌ組成の使用は、ｐクラッド層の抵抗率がＡｌ組成とともに高くなるので、反直感的に見えるかもしれない。しかしながら、競合する制約として、高Ａｌ組成は、光学モードを素子のｎ側へ押動することで光の損失を低減するように動作することができる。

図２は、ＳＰＳＬにおける分極増強ドーピングを示している。ｃ面基板上で成長したＡｌＧａＮのＳＰＳＬを含む素子の場合、ＡｌＧａＮのｃ軸は層の平面に対して垂直である。このようなＳＰＳＬでは、各界面における分極に大きな不連続性が見られる。不連続性の大きさは、層内の歪みや界面における組成の変化に依存する。分極におけるこの不連続性によって各層内に電場が生じ、この電場が、Ａｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎ層、例えば、図２のＡｌＮと、Ａｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎ層、例えば、図２のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎと、の間の価電子帯のオフセットと一緒になって結晶内の電位の変調を生じる。電位の変調はｐ型ドーパントのイオン化および正孔の形成につながる。高Ａｌ組成を有する層に配置された（Ｍｇ原子などの）Ｐ型ドーパントは電子をキャプチャすることによってイオン化され易い。電子は低Ａｌ組成を有する層から除かれ、これが正孔を形成する。図２に概略的に示したように、正孔は層間の界面に蓄積される傾向がある。

図２は、Ｍｇ原子に対して算出された遷移レベル２１０、２１１を示している。破線は算出されたフェルミエネルギ２２０を表し、実線はＳＰＳＬの価電子帯最大値２３０を表す。所与のＭｇ原子に対する遷移レベル２１１がフェルミエネルギ２２０を下回る場合、そのＭｇ原子は、イオン化され易く、よって負に帯電した状態になる。ＳＰＳＬのＡｌ高含有部に配置されたＭｇ原子はＳＰＳＬ構造の価電子帯最大値２３０を下回る遷移レベル２１１を有している。これらのＭｇ原子は負に帯電し易く、よって正孔２４０が形成される。Ａｌ少含有領域に配置されたＭｇ原子はフェルミエネルギ２２０を上回る遷移レベル２１０を有する。これらのＭｇ原子はずっとニュートラルに帯電したままの可能性がある。

ＳＰＳＬは価電子帯エッジに変調を生じさせる。Ｖ_ｍｏｄとして定義された短周期ＳＰＳＬにおける価電子帯エッジの変調は、ＳＰＳＬにおける二つの材料と、界面における分極電荷から生じるＳＰＳＬにおける電位の変化と、の間の価電子帯オフセット（ＶＢＯ）の和に略等しい。ＡｌＧａＮ系に対してわれわれは価電子帯オフセット（ＶＢＯ）を以下のように推定することができる。Ａｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}ＮとＡｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎとの間のＶＢＯは以下の等式にほぼ等しい：

式中、Ｅ_ギャップは、価電子帯と伝導帯の間のエネルギギャップである。バンドギャップにおける差の約３０％が価電子帯のオフセットに寄与し、残りの７０％が伝導帯のオフセットに寄与する。これをＥ_ギャップ（Ａｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎ）＝ｘ_ハイＥ_ギャップ（ＡｌＮ）＋（１−ｘ_ハイ）Ｅ_ギャップ（ＧａＮ）−ｂｘ_ハイ（１−ｘ_ハイ）に組み合わせて、われわれは二つの材料に対するｘ_ハイとｘ_ローの関数としてＶＢＯの推定値を得ることができる。われわれはＶＢＯを得るために、Ｅ_ギャップ（ＡｌＮ）＝６．２ｅＶ、Ｅ_ギャップ（ＧａＮ）＝３．４ｅＶ、およびｂ＝０．７ｅＶを用いる。

膜厚Ｔ_ハイとＴ_ローを有するＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}ＮとＡｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎの交互層からなる超格子の電場Ｅ_ｘハイとＥ_ｘローは、以下の等式で書くことができる：

式中、Ｐ_ｘローとＰ_ｘハイはＡｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}ＮとＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎにおける分極であり、ε_ｘハイとε_ｘローは二つの材料の比誘電率である。膜厚Ｔ_ハイのＳＰＳＬ線分を介した電位の変化はＴ_ハイＥ_ｘハイであり、膜厚Ｔ_ローの超格子線分を介した電位の変化はＴ_ローＥ_ｘローである。Ｔ_ハイＥ_ｘハイ＝‐Ｔ_ローＥ_ｘローであることに注目されたい。価電子帯エッジの全変調（Ｖ_ｍｏｄ）は帯オフセットから生じる寄与と分極電場との和である。Ｖ_ｍｏｄは、固定ｘ_ハイに対するｘ_ローの関数として図３に作図されている。図３のシミュレーションの場合、Ｔ_ハイおよびＴ_ローは各々１ｎｍに等しい。

多くの場合、ＳＰＳＬは、ｐ型ドーパントのアクセプタ準位のエネルギに匹敵する（例えば、ほぼ等しい）価電子帯電位における全変調を有している。ＡｌＧａＮ系にとって、最も一般的なアクセプタは、Ｍｇであり、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎにおけるアクセプタ準位のエネルギは、図３に破線３１０で示すように、価電子帯最大値を上回る約０．３５ｅＶである。ＳＰＳＬによって生成された価電子帯の変調が十分に大きい場合、イオン化されたアクセプタの数は均質層よりも有意に高められる。この要件はＳＰＳＬのＡｌ組成に制約を加える。具体的には、ｘ_ハイとｘ_ローの差は、分極増強アプローチから有意な利点を達成するために、約０．２５より大となることが必要である。これは図３に見られ、０．５、０．７５、または１．０に等しく設定されたｘ_ハイに対して、ｘ_ローの関数としての電位の全変調が示されている。ｘ_ハイとして０．７５を選択する場合、ｘ_ローとして約０．５未満を選択する。Ｔ_ハイ＝Ｔ_ロー＝０．７５ｎｍに対して同じ推定を行うことは同様の結果につながる。よって、有効なＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎ／Ａｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}ＮのＳＰＳＬアプローチに対して、Ｔ_ハイおよびＴ_ローが各々１ｎｍ以下にし、ｘ_ハイ−ｘ_ローを約０．２５より大きくする実施形態が可能である。

図１に示された素子は、ＩＩＩ族Ｎ材料、例えば、ＡｌＮ基板のＡｌ面のＩＩＩ族面（０００１）上で極性配向に沿って成長することができる。基板の半極性ファセット上で成長した素子に分極増強ドーピングを活用することも可能である。しかしながら、半極性配向の場合、界面における極性変化が低減され、よってその層内の電場がｃ面界面よりも低減される。従って、正孔密度の増強は極性配向に沿って成長した素子よりも半極性配向に沿って成長した素子において低減されると予想される。

図４は、ｃ軸と表面法線の間の角度に相対して緩和されたＡｌＮ上の圧縮歪みＡｌＧａＮの全分極を示している。全分極は、材料の自発分極と、ＡｌＧａＮ層における圧縮歪みと無歪みＡｌＮから生じる圧電分極と、の両方に依存する。バルクＡｌＮ上のｃ面圧縮歪みＧａＮの全分極ΔＰ_トータルは約０．０８Ｃ／ｍ^２である。Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５ＮとＡｌＮとの間のｃ軸配向界面において、分極の不連続性は約０．０５Ｃ／ｍ^２である。
などの半極性面配向を採用した場合、分極の不連続性は低減される。

図２に関して前述したように、分極増強ドーピングを活用する可能なＳＰＳＬ設計は、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５ＮとＡｌＮの１ｎｍの交互層を含む。１ナノメートルの材料はＡｌＮの約４（０００１）層に対応する。これらの仕様を有する超格子に対しては、図２においてＶ_ｍｏｄによって表記した全電位変調は約０．７ｅＶである。図２に関して説明した計算に基づいて、超格子内に存在するＭｇ原子のかなりの部分がイオン化される。

ＡｌＮ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの１ｎｍの層を含むＳＰＳＬは一構成を例示したにすぎず、他の膜厚および組成も有用であることに留意されたい。例えば、変調を高めるために、Ａｌ組成において大きいコントラストが有用である。例えば、Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５ＮとＡｌＮから成る交互層（７５％コントラスト）を含む格子は、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ／ＡｌＮの実施形態に比較すると、より大きなコントラストを提供する。コントラストの量は、Ａｌ組成の最大値とＡｌ組成の最小値によって制限される。非常に高いＡｌ含量、例えば、０．９を上回る含量を有する層へｐ型ドーパントを組み込むことはより困難となる。更に、低Ａｌ組成、例えば、約０．２５未満の組成は、素子によって生成される光をより多く吸収する。超格子構造に最適なＡｌ組成は、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮがドーピングしにくいこと、低Ａｌ組成における光の吸収、および分極増強ドーピングの変調を達成するために十分なコントラストを含む全ての制約を考慮に入れる。いくつかのインプリメンテーションにおいて、分極増強されたＳＰＳＬの層に対する最適なＡｌ組成は、約０．９未満のｘ_ハイから約０．４４より大きいｘ_ローを交互にする。

層に垂直な正孔の鉛直輸送が可能になるように分極増強ＳＰＳＬにおけるＡｌＧａＮ層の膜厚が十分に薄膜になることが必要である。ｘに対するバルクＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの約０．５未満のバンドギャップは低すぎるので２５０ｎｍ以下の波長の光の吸収を防止することができない。しかしながら、ＳＰＳＬにおける量子閉じ込めは、交互層ＡｌＮ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ／または、約０．６０を上回る平均Ａｌ組成を有するＡｌ_ｘハイＧａ_{１−ｘハイ}Ｎ／Ａｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}Ｎ、例えば、Ａｌ_０．７４Ｇａ_０．２６Ｎ／Ａｌ_０．４４Ｇａ_０．５６Ｎを有するＳＰＳＬにおける光の吸収率が受容可能に低くなるように、ＳＰＳＬのエネルギギャップを増加させる。よって、このタイプのＳＰＳＬは約２５０ｎｍのレーザ発光に適している。

図５は、１．４５ｎｍのＡｌＮ層と交互に積層された１．０２ｎｍのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層（グラフ５１０に示されている）と、厚肉のＡｌＧａＮ／ＡｌＮ層を有する同様の超格子（６ｎｍのＡＩＮ層と交互に積層された６．１５ｎｍのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層）を有する同様の超格子（グラフ５２０で示される）と、を含むｐ側ＳＰＳＬ正孔輸送層の光透過スペクトルを示すグラフである。厚肉のＡｌＧａＮ層を有する試料は、超格子のＡｌＧａＮ成分のバンド端吸収に対応する、λ＝２７９ｎｍ付近の透過ディップを示している。図２に関して説明した設計に基づいて超格子層が薄肉化されると、吸収端はλ＝２３８ｎｍまで移動し、正孔輸送層が設計波長λ＝２５０ｎｍにおいて所望される低吸収特性を有していることを表す。これらのスペクトル５１０、５２０の比較は、薄肉層を有するＳＰＳＬに対して増強された光透過を示している。

ＳＰＳＬ内のＡｌ_ｘハイ／Ｇａ_{１−ｘハイ}Ｎ／Ａｌ_ｘローＧａ_{１−ｘロー}／Ｎの各層の膜厚、Ｔ_ハイ、Ｔ_ローは、前述したように、極少（例えば、６）の原子バイレーヤ膜厚であってよい。ＳＰＳＬ内の高分極電場はドーパントのイオン化を促進し、これによって改善された正孔生成およびより低い電気伝導率を得ることができる。図６は、Ｔ_ハイが０．７ｎｍ、Ｔ_ローが０．９ｎｍのとき、ＭｇがドープされたＡｌ_０．７４Ｇａ_０．２６Ｎ／Ａｌ_０．４９Ｇａ_０．５１ＮのＳＰＳＬの算出されたバンド構造を示している。Ｌ１領域のフェルミ準位、Ｅ_ｆ、を下回るＭｇドナーのエネルギ準位は、ＳＰＳＬのＬ１領域内のＭｇ原子が分極電場によってイオン化され得ることを示唆している。得られた正孔は、その後、互いに隣接するＬ２領域内の低エネルギ井戸に自在にマイグレートする。ＳＰＳＬ層は非常に薄いので、垂直な正孔輸送をトンネル化によって支持することができる。図７は、約１ｎｍ未満の膜厚Ｔ_ハイとＴ_ローを有している薄層間で鋭角界面を維持するＳＰＳＬ構成をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で見たときの断面図である。

図７に示したＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮのＳＰＳＬは、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）を用いて、成長した。本明細書中に開示されているプロセスは、このような超薄膜間で鋭角界面を形成できるようにするヘテロ構造の結晶成長条件を含む。適切な成長条件が維持されなかった場合、超薄膜が一つの合金に溶け込むので、鋭角界面を有する薄膜全体にわたってＡｌ組成を変化させるようにＳＰＳＬを成長させることはきわめて困難である。例えば、約９３０〜９８０°Ｃの温度および約２００トルの圧力を印加してＳＰＳＬ層を成長させることで、最適な結晶品質およびＭｇドーパントの結合が可能になる場合もある。

かなり低速の成長速度で層が成長することを利用して、結晶品質およびＭｇの結合を達成することができる。一実施例によれば、０．５ｓｃｃｍの有機金属トリメチルガリウム（ＴＭＧ）流量と毎分４リットルのアンモニア流量に対応している毎秒０．０１〜０．０４ｎｍの速度で、層を成長させる。ＴＭＧに対しての高アンモニア流量は高Ｖ‐ＩＩＩ分圧につながり、よって、高い結晶品質が提供される。

一般に、これらの層は、約８０トル〜約７００トルの比較的に低周囲圧力下で、かつ、約７５０°Ｃ〜約１３００°Ｃの比較的に低温度で、成長することができる。選択された成長温度は、許容可能な結晶品質、アクセプタ・ドナーの結合、およびＳＰＳＬの層間の相対的に鋭角の特徴を達成する必要がある。

本明細書に開示された分極補助正孔ドープされたＳＰＳＬの設計は、高準位の垂直電流注入を支援することができる。超格子の平均Ａｌ組成は放たれた光の波長に依存する。全体の膜厚だけでなく素子内のＳＰＳＬの各層の膜厚は電気的抵抗を低減しかつトンネル化によって正孔輸送を可能にするように選択される。われわれは素子を介して２１ｋＡ／ｃｍ^２までのピーク電流密度を有するパルス電流を良好に注入した。素子はまた妥当な電圧を表示し、１１ｋＡ／ｃｍ^２と同じくらい高い直流電流密度を処理した。これらＳＰＳＬ設計は、二つのタイプのテスト可能なレーザ構造になるように処理された異なるレーザダイオードのヘテロ構造へ組み込まれた。図８に概略的に示したテスト図形は温度の関数としてＳＰＳＬの電気抵抗率を試験するために使用された。図１０に概略的に示したテスト構造はＳＰＳＬの電流‐電圧（ＩＶ）特性をテストするために使用された。

さて、温度の関数としての電気抵抗率のテストを見てみると、図８は、ＳＰＳＬの温度をテストするために使用されるテスト図形を示している。テスト素子は、ｐコンタクト層（ｐ＋ＧａＮ層）上にＰｄのｐコンタクトを形成しコンタクト間の領域においてｐ＋ＧａＮ層の材料をエッチングすることによって作製された。ｐコンタクトのパターンは、抵抗率測定のためにＶａｎ Ｄｅｒ Ｐａｕｗパターンに加工される。

図９は、二つの異なるテストのＳＰＳＬヘテロ構造のための温度の関数としてのＳＰＳＬ抵抗率を示している。両設計は、図６に示されている層結合である、ｘ_ハイ＝７４％、Ｔ_ハイ＝０．７ｎｍ、および、ｘ_ロー＝４９％、Ｔ_ロー＝０．９ｎｍの膜厚を有している。対応する平均アルミニウム組成は、両ＳＰＳＬに対して６０％であり、それらの両方が６０％のＡｌＧａＮのように光学的に振舞う。一つの構造は９４０°Ｃで成長し、他の構造は９８０°Ｃで成長した。図９は、これらのテストＳＰＳＬの横方向の電気抵抗率はほぼアサーマルな振舞いを有しており、この横方向の抵抗率は４００Ｋ〜１００Ｋの温度範囲で約５０Ω・ｃｍ未満変化することを示す。９４０°Ｃの温度で成長させた試料と９８０°Ｃで成長させた試料が同様の振舞いを示す。この脆弱な温度依存性は、ドーピングイオン化機構が実際にアサーマルであることを示唆しており、前述した分極誘起正孔活性化プロセスにおいて発生すると予想される。

比較するために、図９もまた、ｐドープされたＧａＮおよび均質なｐドープＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ｎの抵抗率の振舞いを示している。ｐ‐ＧａＮと均質なｐ‐ＡｌＧａＮは、まさに熱的な正孔活性化の特徴である、低減された温度での電気抵抗率において急激な上昇を展開する。ＳＰＳＬ試料の熱活性化エネルギは９４０℃と９８０℃の試料に対してそれぞれ２２ｍｅＶ、１７ｍｅＶである。比較する上で、活性化エネルギは、均質なｐ‐ＡｌＧａＮに対して３２３ｍｅＶであり、ｐ‐ＧａＮに対して１４６ｍｅＶである。更に、本明細書中に説明されているＡｌＧａＮの分極増強ＳＰＳＬ設計は、約１７５Ｋを下回る室温で約２０Ω・ｃｍおよび／または室温で約１０Ω・ｃｍの低抵抗率を呈する。

図１０は、ＳＰＳＬ構造のＩＶテストのために使用されるテスト構造を概略的に示す３次元の図である。テスト構造１０００は、ｎ側ヘテロ構造１０２０と、活性領域１０４０と、この順にＡｌＮ基板１０１０上で成長した（分極増強ＳＰＳＬを含む）ｐ側ヘテロ構造１０３５と、を有するＡｌＮ基板１０１０を含む発光素子である。金属製のｎコンタクト１０３０はｎ側ヘテロ構造に電気コンタクトし、金属ｐコンタクト１０５０はｐ側ヘテロ構造に電気的に接触する。図１１は、分極増強ＳＰＳＬを使用した素子のＤＣ電流−電圧（ＩＶ）特性を示している。結果を見ると、分極増強ＳＰＳＬの薄層が約Ｊ＝１１ｋＡ／ｃｍ^２のＤＣ電流密度を達成できることから、素子全体にわたって良好な垂直電流注入が行われたのが分かる。図１２は、４８％の平均Ａｌ組成の分極増強ＳＰＳＬを利用した素子のＩＶ特性を３８％のＡｌ組成を有する従来の均質ＡｌＧａＮのｐクラッドを用いた素子のＩＶ特性と比較している。

図１を再び参照するに、勾配ｐ−コンタクト層１２２は、単独で、または、上記した分極増強ＳＰＳＬと組み合わせて、使用することができる。勾配ｐコンタクト層は、ｐヘテロ構造とｐコンタクト層の界面において高いＡｌ組成を有しており、ｐコンタクト層とｐコンタクトの界面において低いＡｌ組成を有している。いくつかの場合、Ａｌ組成は、他のプロファイルも使用可能であるが、本明細書中に記載されているように、ｐコンタクト層全体にわたって線形にまたは区分的線形に降下する。

分極増強ＳＰＳＬと勾配Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのｐコンタクト層の両方を含む素子のためのバンド構造のシミュレーションを図１３に示した。この素子において、Ａｌ組成は、分極増強ＳＰＳＬにおける超格子の平均組成（ｚ＝ｘ_平均＝０．５９）から下降してｐコンタクトにおけるｚ＝０まで勾配する。この特定の素子において、図１３に示したように、勾配は二つの領域に区分的線形である。勾配は、２ステップ：６３ｎｍの距離にわたってｚ＝０．５９からｚ＝０．４１まで（領域Ｉ）、および、２０ｎｍの距離にわたってｚ＝０．４１からｚ＝０まで（領域ＩＩ）において、発生する。図１４に示すように、ｐコンタクト層の二つの勾配領域の各々における正孔密度は、ＳＰＳＬの正孔密度に対して増強される。このアプローチは、領域ＩにおけるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのエネルギバンドギャップが活性領域から発せられる光のエネルギより大きいので、領域Ｉにおける光吸収率をきわめて低くするができる。よって、領域Ｉは光損失に加担しない。十分な厚膜の領域Ｉを含むことによって、光学モードと吸収性のＧａＮコンタクトのオーバーラップを削減することができ、よって光損失を低減させることが可能となる。勾配領域Ｉを利用することによってＳＰＳＬの膜厚を低減することができる。

ｐコンタクト領域内でＡｌ組成を勾配させることによって膜厚Ｄの領域に拡張する３次元正孔ガスが生成され、ここで、（勾配が層全体を介して、または勾配した他の膜厚を介して発生する場合、）Ｄは、ｐコンタクトの膜厚であってもよい。例えば、ｐコンタクト層のＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのＡｌ組成は、ｐコンタクト層とｐコンタクトの間の界面におけるｚ＝０を起点としてｐコンタクトとＳＰＳＬの界面におけるｚ＝ΔｚＡｌまで、線形に勾配する。線形近似において、このような領域における正孔密度ｈは以下のように近似的に付与される：

式中、ΔＰｔｏｔａｌは、ＡｌＮとＧａＮとの界面における全分極の変化であり、ΔｚＡｌは、ｐコンタクト層の膜厚全体ＤにおけるＡｌ組成の変化を表す。バルクＡｌＮ上の圧縮歪みＧａＮの場合、ΔＰｔｏｔａｌ＝０．０８Ｃ／ｍ^２である。勾配層における正孔密度ｈは、ｄ＝１００ｎｍ、ΔｚＡｌ＝０．７のとき、約３×１０^１８ｃｍ^−３である。この正孔密度はこの領域において受容可能な伝導性を達成するには十分である。より小なる値Ｄを選択することで、より高い正孔密度を得ることができる。

図１５は、距離に対して線形に勾配したＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ系のｐコンタクト層に対する平方メートル当たりのクーロン（Ｃ／ｍ^２）における分極電場を示している。図１６は、線形勾配設計の場合の距離に対してのＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのｐコンタクト層の正孔密度を示している。図１５および図１６に示した設計では、ｐコンタクト層の膜厚Ｄは１００ｎｍであり、ｚは０．７から０まで変化する。全分極１５１０は層内の歪みから生じる自発分極１５２０と圧電分極１５３０に依存する。

図１６に示すように、正孔密度は１００ｎｍの膜厚の層全体にわたって略均一である。勾配層の分極電場は、略均一な正孔ガスを生成し、これによって、素子を介して垂直な方向（［０００１］方向）に沿う伝導性を高める。

ＳＰＳＬの膜厚と実効屈折率は、レーザ励起モードが勾配層や金属コンタクト電極などの吸収領域とオーバーラップするのを防ぐために十分である必要がある。図１７は、ＳＰＳＬにおける０．７からパラジウム（Ｐｄ）系ｐコンタクトにおける０まで勾配するＡｌ組成を有する勾配ＡｌＧａＮのｐコンタクト層と結合して使用されるｘ_ハイ＝１．０、ｘ_ロー＝０．５のＡｌＧａＮ／ＡｌＮの超格子のＳＰＳＬの膜厚に対する光強度の損失を示している。図１７に示した光モデリングに基づいて、勾配ｐコンタクト層とＰｄの金属コンタクトにおいて結合した吸収損失を１０ｃｍ^−１未満まで削減するために、このようなＳＰＳＬの全体膜厚は約２５０ｎｍ（２５００Å）より大きくする必要がある。この吸収損失がレーザ励起を得るには十分であるべきである。

Ａｌ組成の非線形変化が有利である場合もある。図１８はいくつかの非線形勾配のＡｌ組成プロファイルに対して算出された正孔密度の三つの実施例を示している。三つの例示的な非線形のプロファイルを描いたグラフを図１８の右側に示す。図１８の左側には、非線形の形状によって生成された正孔密度を示す。図１８は三つのプロファイルの例を示しこれらに対応する正孔密度は上、真中、下に実施例として表記されている。各実施例において、Ａｌ組成は１００ｎｍの距離にわたって０．７からゼロに低減される。

適切な勾配プロファイルは実質的に全てのｐコンタクト層を介して高い正孔密度（１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３）を維持している。図１８の上の実施例に示したわずかに非線形であるプロファイルはプロファイルの距離全体にわたってほぼ均一で高い密度を示している。真ん中と下の実施例において、プロファイル距離のほぼ大部分にわたって、Ａｌ組成プロファイルが変化している。真ん中の実施例に示したプロファイルは、上の実施例のプロファイルに比べて非線形であり、上の実施例と比べて、ｐコンタクトに最近接する層の側でわずかに高い正孔密度を有している。図１８の下の実施例に示したような、「段付きプロファイル」は、界面での正孔の蓄積につながり、よって、界面間の領域内の正孔密度が低減される。低正孔密度の領域では抵抗率が高くなるので（〜１０^１７ｃｍ^−３）、多くの場合、上と真ん中に示したプロファイルが望ましい。

線形勾配、放物線勾配、および「Ｓ字」勾配プロファイルがｐコンタクト層として想定される。これらの形状において、ｐコンタクト層のＡｌ組成は、ｐ側ヘテロ構造とｐコンタクト層との界面またはその近傍においてより高く、かつ、ｐコンタクト層とｐコンタクトの界面またはその近傍のＡｌ組成より高い。ｐコンタクト層における勾配プロファイルは、ｐ側ヘテロ構造からｐコンタクトまでの距離のほぼ大部分にわたってＡｌ組成の変化を含む。「放物線」と「Ｓ字」勾配の両設計は、内蔵された圧電および自発分極を利用し、シミュレーションでは層全体にわたって１×１０^１８／ｃｍ^３以上の正孔密度を誘導することができる。Ｓ字勾配の設計は、コンタクトと層自体から吸収損失を、１４ｃｍ^−１まで効果的に抑制することができ、これは、線形勾配（４０ｃｍ^−１）および／または放物線勾配（４４ｃｍ^−１）設計による吸収損失の約３分の１にすぎない。Ｓ字勾配層の適切な設計ルールは、レーザ励起波長において最も高い屈折率をもたらすＡｌＧａＮのＡｌ組成をＳ字の「くびれ」部分で生じさせることを含む。Ｓ字プロファイルの「くびれ」ｄ_Ｗは、Ａｌ組成：距離に対応する曲線が正から負への曲率の変化を有する変曲点である。

吸収損失はＡｌ組成が減少するにつれて増加する。Δｚ値（ＳＰＳＬにおいて）からより低い値、例えば、ゼロ（ｐ−コンタクトにおいて）までの勾配ｐコンタクト層のＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮの組成においてｚをスイープする設計によって、ｐコンタクト層の不可逆的領域に沿ってまたはこの領域全体にわたって伝搬する活性領域からの光を得ることができる。レーザダイオードの場合、吸収損失を極小値未満に保つことが最適とされ、これが勾配ｐコンタクト領域のＡｌ組成を制限する。この領域内でＡｌ組成プロファイルを選択することによって勾配ｐコンタクト層における吸収損失を低減することが可能である。本明細書に説明したいくつかのケースにおいて、非線形の勾配層の設計は、吸収損失を抑制すると同時にレーザダイオード用途において３次元正孔ガスを誘導するためにも使用され得る。

図１９は、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮの勾配ｐコンタクト層において、波長λ＝２５０ｎｍのときのＡｌ組成に対して、屈折率１９１０、ｎ、消衰係数１９２０、ｋを作図したグラフである。屈折率のピークと消衰係数の急激な増加は、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのエネルギバンドギャップが２５０ｎｍの波長を有する光のエネルギにほぼ等しい値「ｚ」において発生する。この波長は約４．９６ｅＶのエネルギおよび約０．６２のｚ値に対応している。このｚの値をｚ_ギャップ（λ）と呼ぶ。Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのバンドギャップはＥ_ギャップ（ｅＶ）＝６．２ｚ＋３．４（１−ｚ）−０．７ｚ（１−ｚ）にほぼ等しい。ｚ_ギャップ（λ）は、λがｎｍで表される、等式１２４０／λ＝６．２ｚ＋３．４（１−ｚ）−０．７ｚ（１−ｚ）の解にほぼ等しい。０．６２を下回るｚの値に対して、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮにおける光の吸収率は大きくなる。消衰係数ｋは層における光の吸収率に関する。このシミュレーションにおいて、ｚが１から０に減少するときのＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮの屈折率がシミュレートされ、図１９においてλ＝２５０ｎｍとして作図されている。ＳＰＳＬの平均組成は、光学モード閉じ込め（低屈折率）と高透過率（低いｋ）を提供するためにｚが０．６２より大きい値であることを必要とする。ＳＰＳＬと勾配ｐコンタクト層との界面での不連続性を回避するために、勾配は、ＳＰＳＬのＡｌ組成、例えば、ｚ＝０．７５を起点として始まり、その後、膜厚を介してｚ＝ゼロ（ＧａＮ）まで連続的に減少する。金属コンタクトにおけるＧａＮはオーミックコンタクトの成立を可能にする。

光学モードの振幅のシミュレーションから判断して、われわれは屈折率がピークとなる領域の近傍の屈折率ｎの高い値によって光学モードが不可逆領域内へより一層拡張され得ることを発見した。（図２２に示すように）距離の関数としてのｎのピーク幅を短くすることによって吸収損失を低減することができる。ｚはｚ_ギャップ（λ）の近傍にあるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮの領域の膜厚を低減することによって損失を低減することができる。ｚがｚ_ギャップ（λ）近傍にあるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ領域の膜厚の低減はＡｌ勾配プロファイルを慎重に選択することによって達成することができる。「ピンニング導波路」は０．６２の平均Ａｌ組成全体にわたってｚをスイープするときに勾配層において形成される。この局在エネルギトラップは、光学モードを引き付けることで、吸収部分（高いＫ）とのオーバーラップを強化する。いいかえれば、光学モードは材料が比較的高い屈折率を展開する領域に「引き付けられ」やすい。光学モードが高損失を有する領域へ拡張する場合、全体的な損失も大きくなる。

様々なＡｌ勾配プロファイルから得られた損失を検討するために三つの設計を比較した。第１の実施例は、図２０のトレース２０１０によって示すように、ＳＰＳＬとｐコンタクト層の界面においてｄ＝０を起点としてｚ＝０．７５のときのＡｌ組成から始まり、ｐコンタクト層とｐコンタクトの間の界面においてｄ＝Ｄを起点としてｚ＝０まで低下する線形勾配のｐコンタクト層を含む。トレース２０２０によって示した第２の実施例は、トレース２０２０に示すように、０．７５＞ｚ＞０のとき、等式ｄ＝−１３３．３ｚ^２−３３．３ｚ＋１００に従って、ｄ＝０からｄ＝Ｄまでの距離ｄだけｚを放物線状に変化させる放物線Ａｌ組成プロファイルを含む。トレース２０３０によって示した第３の実施例は、曲線の変曲点において連結された二つの放物線分を含むＳ字勾配設計（反転Ｓ字形に類似している）を含む。この実施例において、第１の放物線分は、０．７５＞ｚ＞０．６２のとき、ｄ＝−１６０２．５ｚ^２−１９６４．７ｚ−５７２によって特徴付けられる。第２の放物線分は、０．６２＞ｚ＞０のとき、ｄ＝１４７．８ｚ^２−２０４．６ｚ＋１００によって特徴付けられる。一般に、ｄがｐコンタクト層における距離である場合、ｐ側ヘテロ構造とｐコンタクト層の界面においてｄ＝０であり、ｐコンタクト層とｐコンタクトの界面においてｄ＝Ｄであり、ｄ_Ｗはｄ＝０からｄ＝Ｄまでの点である。ｐコンタクト層におけるＳ字プロファイルは、ｚがｄ＝０とｄ＝ｄ_Ｗの間で下向きに凹状を成す第１の部分と、ｚがｄ＝ｄ_Ｗとｄ＝Ｄの間で上向きに凹状を成す第２の部分を含む。いくつかの場合、ｄ_Ｗはｐコンタクト層の全体膜厚の約３０％より大きい。ｐコンタクト層の全体膜厚Ｄは、例えば、約１００ｎｍである。Ｓ字プロファイルの様々なインプリメンテーションにおいて、ｚは、例えば、ｄ＝０においてｐ側ヘテロ構造に最近接する約０．７から、例えば、ｄ＝Ｄにおいてｐコンタクトに最近接する約０まで減少し得る。

図２１に示す表は、プロファイルの各々に対して様々な値のｄに対するｚの値を示している。図２０のＳ字カーブの変曲点、ｄ_Ｗ、２０３１（「くびれ」とも表記される）がｄ_Ｗ＝３０ｎｍおよびｚ＝０．６２であるときに発生する。変曲点２０３１は、この実施例において、Ａｌ組成がｚ＝ｚ_ギャップ（２５０ｎｍ）にほぼ等しい点で発生する。

三つの実施例の設計の屈折率と横光学モードをシミュレートし、図２２に示す。トレース２２１０、２２２０、２２３０は各々、距離に対しての線形、放物線、およびＳ字のプロファイルを持つ屈折率を示している。トレース２２１５、２２２５、２２３５は各々、距離に対しての線形、放物線、およびＳ字プロファイルのための光学モードを示している。線形勾配の設計において、屈折率における比較的広いピークは、光学モードプロット２２１５において「こぶ」部２２１６を誘導する。線形プロファイルの光学モード２２１５における「こぶ」部２２１６の存在は、ｚ＜０．６２のときに、光学モードの不可逆材料への拡張を増加させるので、光損失を増大させる恐れがある。線形設計が被った損失は４０ｃｍ^−１である。放物線勾配プロファイルの光学モードトレース２２２５は、ピーク屈折率が発生する点をｐコンタクト層とＳＰＳとの界面からより大きく押し出している。しかしながら、屈折率ピークの幅は放物線設計により一層大きくなり、放物線設計によって被った光損失（４４ｃｍ^−１）は線形勾配設計より大きい。Ｓ字設計においてトレース２２３０に示すように、屈折率のピークは狭小化される。Ｓ字設計においては、界面から屈折率ピークまでの距離が拡張され、損失を抑制するのに役に立つ。Ｓ字設計における吸収損失は約１４ｃｍ^−１まで低減される。この吸収損失は、線形および放物線設計それぞれの損失、４０ｃｍ^−１および４４ｃｍ^−１の約３分の１にすぎない。

三つの設計の圧電分極と自発分極の電場をシミュレートした。図２３は、線形、放物線、およびＳ字プロファイルの各々の全分極のグラフ２３１０、２３２０、２３３０を示している。線形２４１０、放物線２４２０、およびＳ字プロファイル２４３０のゼロ電圧時の分極によって誘導される対応する正孔密度が各々、図２４に作図されている。三つの設計は全て正孔密度がｐコンタクト層全体にわたって１×１０^１８／ｃｍ^３を上回ることを可能にする。

３種類の設計を検討したところ、いくつかの場合において、Ｓ字プロファイルが放物線設計および線形設計における特性より優れた特性を発揮することを表している。Ｓ字プロファイルは同時に、光損失を抑制しｐコンタクト層全体にわたって高い正孔密度を維持する。Ｓ字プロファイル設計の変曲点におけるＡｌ組成が素子の量子井戸のＡｌ組成に非常に近似していることに留意されたい。

発光素子において適切に設計された勾配ｐコンタクト層は、ほぼ一定したＡｌ組成を有するｐコンタクト層を用いた発光素子に比べて、より薄膜化したＳＰＳＬの使用を可能にする。例えば、ｄがｐコンタクト層における距離である、区分的線形勾配が形成されたｐコンタクト層において、ｚは、ｐ側ヘテロ構造とｐコンタクト層との界面において、ｄ＝０からｄ＝ｄ_ｍｉｄまで拡張する第１の領域（例えば、図１３の領域Ｉ）内のスロープｇ_１に沿って線形に低減し、ｚはｐコンタクト層とｐコンタクトとの界面において、ｄ＝ｄ_ｍｉｄからｄ＝Ｄまで拡張する第２の領域（例えば、図１３の領域ＩＩ）内のスロープｇ_２に沿って線形に低減する。いくつかのインプリメンテーションにおいて、ｇ_２の大きさはｇ_１の大きさより大である。この区分線形形状において、ＳＰＳＬの膜厚は、約６０ｎｍより大なる距離ｄ_ｍｉｄに対して、約２６０ｎｍ未満であってよい。

別の実施例として、Ｓ字形のＡｌ組成プロファイルの場合、ｄがｐコンタクト層において距離であるとき、ｐ側ヘテロ構造とｐコンタクト層の界面においてｄ＝０であり、ｐコンタクト層とｐコンタクトの界面においてｄ＝Ｄであり、およびｄ_Ｗはｄ＝０とｄ＝Ｄの間の点である。ｐコンタクト層は、ｚがｄ＝０とｄ＝ｄ_Ｗの間で下向きに凹状を成す第１の部分と、ｚがｄ＝ｄ_Ｗからｄ＝Ｄまで上向きに凹状を成す第２の部分と、を含む。Ｓ字形のＡｌ組成を有するｐコンタクト層の場合、ＳＰＳＬの膜厚は約６０ｎｍより大なる距離ｄ_Ｗに対して、約２６０ｎｍより薄い。

いくつかの実施形態において、図２５のエネルギチャートに示すように、ＳＰＳＬ層は活性領域まで拡張することができる。図２５は、量子井戸２５１２の領域において、活性領域の最後のバリア２５２０の領域において、および、分極増強ＳＰＳＬ２５３０の領域において、伝導帯エネルギを示すエネルギチャートである。分極増強ＳＰＳＬ２５３０は、最後のバリア２５２０のすぐ横に隣接しており、このバリアはまた活性領域の最後の量子井戸２５１１のすぐ横に隣接している。この実施例において、ＳＰＳＬは、ＳＰＳＬ全体にわたって、ｘ_ハイ＝０．７４、ｘ_ロー＝０．４４、Ｔ_ハイ＝１ｎｍ、Ｔ_ロー＝１ｎｍの組成を有している。

いくつかのケースにおいて、ＳＰＳＬの大きさおよび／または組成は、活性領域に対する電子ブロック層（ＥＢＬ）の機能を提供するＳＰＳＬの一部を形成する活性領域の近傍で変更することができる。このアプローチの一実施例を図２６の伝導帯エネルギチャートで示す。この実施例において、ＳＰＳＬ層の一部、例えば、活性領域２６１０近傍の約６層のＳＰＳＬ層は、多層の電子阻止部分（ＭＥＢＳ）２６４０を形成する。ＭＥＢＳ２６４０のＳＰＳＬ層は、ＳＰＳＬ２６３０の標準層と比較したとき、膜厚および／または組成（Ｔ_ハイ、Ｔ_ロー、ｘ_ハイ、ｘ_ロー）を変更した。図２６に示した実施例において、標準ＳＰＳＬ層のｘ_ハイおよびｘ_ローは各々、０．７４および０．４４であり、標準ＳＰＳＬ層のＴ_ハイおよびＴ_ローは共に１．０ｎｍである。図２６に示した実施例において、層２６４１は、ｘ_ハイ＝０．８７およびＴ_ハイ＝１．５ｎｍを有し、層２６４２はｘ_ロー＝０．６２およびＴ_ロー＝１．５ｎｍを有し、層２６４３はｘ_ハイ＝０．８７およびＴ_ハイ＝１．５ｎｍを有し、層２６４４はｘ_ロー＝０．６２およびＴ_ロー＝１．５ｎｍを有し、層２６４５はｘ_ハイ＝０．８７およびＴ_ハイ＝１．０ｎｍを有し、層２６４６はｘ_ロー＝０．６２およびＴ_ロー＝１．０ｎｍを有している。Ａｌ組成および／またはＭＥＢＳ層の膜厚が活性領域において電子を有利に保持できるように選択されている限り、ｘ_ハイ、ｘ_ロー、Ｔ_ハイ、Ｔ_ローの他の値を使用することができる。

本明細書中に記載されているシステム、素子、または方法は、本明細書中に記載されている特徴、構造、方法、またはこれらの組合せの一以上を含むことができる。例えば、素子または方法は、本明細書中に記載されている特徴および／またはプロセスの一以上を含むようにインプリメントすることができる。このような素子または方法が本明細書中に記載されている全ての特徴および／またはプロセスの全てを含む必要はないが、有用な構造および／または機能性を提供する選択された特徴および／またはプロセスを含むようにインプリメントすることができる。

以下の詳細な説明において、記載されているインプリメンテーションの様々な実施態様に対して数値および範囲が提供されている。これらの数値および範囲は単に例示することを目的として扱うべきであり、特許請求の範囲を限定しない。例えば、本開示において記載されている実施形態は開示されている数値範囲にわたって実用化することができる。更に、数多くの材料が様々なインプリメンテーションに対して適切であると認識される。これらの材料は単に例示されているにすぎず、特許請求の範囲を限定しない。

Claims (10)

1. ｐ側ヘテロ構造であって、ｘロー≦ｘハイ≦０．９のとき、ｐ型ドーパントがドープされたＡｌｘハイＧａ１−ｘハイＮとｐ型ドーパントがドープされたＡｌｘローＧａ１−ｘローＮの交互層を有する短周期超格子（ＳＰＳＬ）を含み、前記ＳＰＳＬの各層はＡｌＧａＮの約６バイレーヤ以下の膜厚を有している、ｐ側ヘテロ構造と、
   ｎ側ヘテロ構造と、
   前記ｎ側ヘテロ構造と前記ＳＰＳＬとの間に配置された光を発するように構成されている活性領域と、
   を含む発光素子であって、
   各バイレーヤは、ＡｌＧａＮの原子の一層及びＮ原子の一層であり、０．２５ｎｍの厚さを有し、
   前記交互層におけるｘハイとｘローの差は、前記ＳＰＳＬの価電子帯電位に変調を生じさせ、
   前記ＳＰＳＬの価電子帯電位の変調は、少なくともｐ型ドーパントのアクセプタ準位エネルギである、
   発光素子。
2. 各ＡｌｘハイＧａ１−ｘハイＮの層は膜厚Ｔハイを有し、各ＡｌｘローＧａ１−ｘローＮの層は膜厚Ｔローを有し、ＴハイとＴローの膜厚の範囲は約０．７ｎｍ〜約１．３ｎｍである、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記ＳＰＳＬの全体膜厚は約２００ｎｍより厚く約４５０ｎｍより薄い、請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記ｘハイ−ｘローが約０．２５以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光素子。
5. 前記ＳＰＳＬの平均Ａｌ組成が約０．６０である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子。
6. ｘローが約０．４４であり、ｘハイが約０．７５である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
7. 前記ＳＰＳＬの抵抗率は約４００Ｋ〜約１００Ｋの温度範囲にわたって約５０Ω・ｃｍ未満だけ変化する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光素子。
8. 前記ＳＰＳＬの抵抗率は室温において約１０Ω・ｃｍ未満である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光素子。
9. 前記ｎ側ヘテロ構造、活性領域、およびｐ側ヘテロ構造は、ＧａＮ系、ＡｌＮ系、ＳｉＣ系、サファイア系、Ｓｉ系、ＧａＡｓ系、ＺｎＯ系の一以上を含む基板、ＩＩＩ族Ｎ系合金、およびＩＩＩ族Ｎ系材料を含むテンプレートの少なくとも一つの上で成長する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子。
10. 前記ｎ側ヘテロ構造、活性領域、およびｐ側ヘテロ構造は、バルクＡｌＮ基板上でエピタキシャルに成長する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子。